一种数控机床的超声自动检测系统及其工作方法
阅读说明：本技术 一种数控机床的超声自动检测系统及其工作方法 (Ultrasonic automatic detection system of numerical control machine tool and working method thereof ) 是由 陈茂隆 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：一种数控机床的超声自动检测系统及其工作方法,包括上位机、相控阵超声成像检测仪器、电气控制模块、超声检测组件；所述上位机基于PXI总线,所述上位机配备有人机交互软件,所述人机交互软件用于将操作人员的指令转化并传递给相控阵超声成像检测仪器、电气控制模块、超声检测组件,同时接收相控阵超声成像检测仪器、电气控制模块、超声检测组件的反馈数据和信息,协调电气控制模块与超声检测组件协调运作,完成相控阵超声成像检测仪器在线成像。本发明所述的数控机床的超声自动检测系统及其工作方法,结构设计合理,基于超声波相控阵技术,自动化程度高,超声波声束能覆盖全部被检区域,声束路径清晰,回波信号易于分析,提高了检测的准确度。(An ultrasonic automatic detection system of a numerical control machine tool and a working method thereof comprise an upper computer, a phased array ultrasonic imaging detection instrument, an electrical control module and an ultrasonic detection assembly; the upper computer is based on a PXI bus, is provided with human-computer interaction software, and the human-computer interaction software is used for converting and transmitting instructions of an operator to the phased array ultrasonic imaging detection instrument, the electrical control module and the ultrasonic detection assembly, receiving feedback data and information of the phased array ultrasonic imaging detection instrument, the electrical control module and the ultrasonic detection assembly, coordinating the coordinated operation of the electrical control module and the ultrasonic detection assembly, and finishing the online imaging of the phased array ultrasonic imaging detection instrument. The ultrasonic automatic detection system of the numerical control machine tool and the working method thereof have reasonable structural design, are based on the ultrasonic phased array technology, have high automation degree, can cover all detected areas by ultrasonic sound beams, have clear sound beam paths, are easy to analyze echo signals, and improve the detection accuracy.)
技术领域
本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种数控机床的超声自动检测系统及其工作方法。
背景技术
在数控机床加工工件的过程中经常需要对工件进行无损检测，传统的超声检测是检测人员直接用超声探头在机床上对工件进行手动超声检测，超声探头的超声波能够在工件中以特定的方向和速度传播，在接触到不同的界面时，由于介质发生了变化，超声波就会发生反射、折射等物理现象。由于工件中的缺陷与工件属于不同介质，超声波在工件中传播时如果遇到缺陷势必会发生反射、折射，基于这一原理产生了超声无损检测技术。
在检测人员手动检测中，检测结果的可靠性与检测人员的检测经验有很大关系，一旦检测人员出现疏忽，就会导致检测结果不可靠。另外，手动检测时如果检测环境有潜在危险，会对检测人员有安全隐患。因此，需要研发出一种数控机床的超声自动检测系统及其工作方法，以来解决上述技术问题。
中国专利申请号为CN202022959630.5公开了一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置，目的是能够用于大尺寸厚壁金属的表面切向残余应力的梯度无损检测，提高了残余应力检测效率，没有对数控机床的超声自动检测系统及其工作方法进行改进。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种数控机床的超声自动检测系统及其工作方法，结构设计合理，基于超声波相控阵技术，自动化程度高，实现了超声探测、涂抹耦合剂的精准移动，超声波声束能覆盖全部被检区域，声束路径清晰，回波信号易于分析，提高了检测的准确度，应用前景广泛。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种数控机床的超声自动检测系统，包括上位机、相控阵超声成像检测仪器、电气控制模块、超声检测组件；所述上位机基于PXI总线，所述上位机配备有人机交互软件，所述人机交互软件用于将操作人员的指令转化并传递给相控阵超声成像检测仪器、电气控制模块、超声检测组件，同时接收相控阵超声成像检测仪器、电气控制模块、超声检测组件的反馈数据和信息，协调电气控制模块与超声检测组件协调运作，完成相控阵超声成像检测仪器在线成像；所述电气控制模块包括PLC运动控制器、驱动器组件，所述PLC运动控制器通过串行通信接口与上位机连接，所述PLC运动控制器将上位机下发的运动控制指令与参数通过驱动器组件转化为高速脉冲输出；所述超声检测组件包括支撑装置、夹紧装置、超声探测装置，所述支撑装置安装在数控机床上，所述夹紧装置、超声探测装置分别通过支撑装置进固定，待检测工件通过夹紧装置固定，所述超声探测装置位于夹紧装置上方；
其中，所述超声探测装置包括若干个相控阵探头，每个所述相控阵探头与相控阵超声成像检测仪器连接，若干个所述相控阵探头设置在待检测工件上方两侧，每侧的相控阵探头之间距离分布，所述相控阵探头的声束角度为40°～70°，对待检测工件进行40°～70°的扇扫描，获取缺陷信息。
进一步的，上述的数控机床的超声自动检测系统，所述支撑装置包括底座、第一侧板、第二侧板、第一滚珠槽、第二滚珠槽和顶板，所述底座安装在数控机床上，所述第一侧板、第二侧板分别设置在底座上方两侧，所述第一滚珠槽、第二滚珠槽为底座上表面两侧开设的凹槽，所述顶板横跨于第一侧板与第二侧板上方。
进一步的，上述的数控机床的超声自动检测系统，所述夹紧装置包括第一L型限位板、第二L型限位板、第一丝杠、第二丝杠、第一电机、第二电机、第一滚珠和第二滚珠，所述第一丝杠一端通过第一轴承与第一L型限位板连接和另一端穿过第一侧板与第一电机相连，所述第二丝杠一端通过第二轴承与第二L型限位板连接和另一端穿过第二侧板与第二电机连接，所述第一滚珠和第二滚珠分别设置在第一L型限位板和第二L型限位板下方并位于第一滚珠槽和第二滚珠槽内且能够移动；所述第一L型限位板、第二L型限位板之间放置有待检测工件。
进一步的，上述的数控机床的超声自动检测系统，所述超声探测装置还包括连接块、T型杆、气缸、涂抹盒；所述顶板416底部横向安装有X 轴部件和纵向安装有Y轴部件，所述X 轴部件和Y轴部件组成的十字滑台结构，所述十字滑台结构底部安装有连接块，所述X轴部件和Y轴部件分别通过 X轴伺服电机、 Y 轴伺服电机驱动X 轴部件和Y轴部件对应的丝杠螺母机构，实现连接块在 X方向和Y 方向的运动；所述T型杆顶面中部与连接块底部连接，所述T型杆的左端、右端分别安装有若干个相控阵探头并且位于在待检测工件上方两侧，每侧的相控阵探头之间沿Y轴方向等距离分布；所述气缸设置在T型杆底部，所述涂抹盒设置在气缸下方，所述气缸与气泵连接，所述气泵驱动气缸工作。
现有技术中的超声探测装置，易产生检测区域无法全部覆盖的问题，声束入射角度单一，本发明采用沿线扫查和扇扫捕相结合的扫查方式，即沿待检测工件的X轴或Y轴延伸方向扫查，同时在待检测工件进行40°～70°扇扫描，全方位的获取缺陷信息。
其中，所述X 轴部件、Y轴部件均为现有技术中常见结构，X 轴部件、Y轴部件均是由导轨、导轨滑块、联轴器、丝杠、丝杠螺母座、轴承座、支承板等部件组成，在这里就不一一赘述
进一步的，上述的数控机床的超声自动检测系统，所述电气控制模块还包括光电编码器与霍尔传感器，所述驱动器组件包括第一电机驱动器、第二电机驱动器、X轴伺服电机驱动器、 Y 轴伺服电机驱动器、气泵驱动器，所述第一电机驱动器、第二电机驱动器、X轴伺服电机驱动器、 Y 轴伺服电机驱动器、气泵驱动器分别与第一电机、第二电机、X轴伺服电机、 Y 轴伺服电机、气泵连接，所述第一电机、第二电机、X轴伺服电机、 Y 轴伺服电机上均安装有光电编码器与霍尔传感器。
电气控制模块负责整个超声自动检测系统的电源供给及检测的运动控制，在超声检进行时，每当到达设定的采样点，光电编码器、霍尔传感器就会反馈PLC运动控制器、PLC运动控制器反馈上位机，上位机向相控阵超声成像检测仪器以及相控阵探头发送数据采集指令，光电编码器、霍尔传感器同时反馈当前位置信息。
进一步的，上述的数控机床的超声自动检测系统，所述涂抹盒包括涂抹海绵、进料口，所述进料口设置在涂抹盒上方一侧，所述涂抹海绵设置在涂抹盒底部。
本发明还涉及数控机床的超声自动检测系统的工作方法，所述工作方法，包括如下步骤：包括如下步骤：
（2）待检测工件通过夹紧装置进行固定；其中，待检测工件放置在夹紧装置的第一L型限位板与第二L型限位板之间，PLC运动控制器将上位机下发的运动控制指令与参数通过驱动器组件的第一电机驱动器、第二电机驱动器分别转化为高速脉冲输出至夹紧装置的第一电机、第二电机，带动夹紧装置的第一丝杠、第二丝杠在支撑装置第一侧板、第二侧板中转动，从而带动第一L型限位板与第二L型限位板移动，将待检测工件夹紧，同样通过第一电机、第二电机使待检测工件左右位置进行移动；所述第一电机、第二电机上均安装有光光电编码器与霍尔传感器，通过光电编码器与霍尔传感器向PLC运动控制器进行位置信息反馈；
（2）预先通过超声探测装置的涂抹盒进料口向涂抹盒中倒入耦合剂，使其浸润涂抹盒的涂抹海绵，然后PLC运动控制器将上位机1下发的运动控制指令与参数通过气泵驱动器驱动气泵，启动气缸，气缸将涂抹盒向下推动直至涂抹海绵贴紧待检测工件，使涂抹海绵的耦合剂全覆盖地涂抹待检测工件的被检区域；其中，在涂抹过程中涂抹海绵的运动轨迹控制，是通过PLC运动控制器将上位机下发的运动控制指令与参数通过X轴伺服电机驱动器、 Y 轴伺服电机驱动器驱动X轴伺服电机、 Y 轴伺服电机，X轴伺服电机、 Y 轴伺服电机驱动X 轴部件和Y轴部件对应的丝杠螺母机构，实现连接块在 X方向和Y 方向的运动，从而带动涂抹海绵的运动；
（3）当涂抹完成后，PLC运动控制器通过气泵驱动器驱动气泵，控制气缸收缩，将涂抹盒收回；所述相控阵探头在待检测工件上方的左右双侧对待检测工件进行声束覆盖，并且在检测过程中相控阵探头的运动轨迹控制，是通过PLC运动控制器将上位机下发的运动控制指令与参数通过X轴伺服电机驱动器、 Y 轴伺服电机驱动器驱动X轴伺服电机、 Y 轴伺服电机，X轴伺服电机、 Y 轴伺服电机驱动X 轴部件和Y轴部件对应的丝杠螺母机构，实现连接块在 X方向和Y 方向的运动，从而带动相控阵探头的运动，相控阵探头采用沿线扫查和扇扫捕相结合的扫查方式， 沿待检测工件的X轴或Y轴延伸方向扫查，同时对待检测工件进行40°～70°扇扫描，获取缺陷信息；
（4）所述相控阵探头获取的缺陷信息信号输送给相控阵超声成像检测仪器，所述相控阵超声成像检测仪器通过PXI总线向上位机输送缺陷信息的信号，缺陷信息的信号依次经由相控阵超声成像检测仪器的发射与接收单元进入FPGA后，经过接收延时控制的声束合成与滤波、波形转化、抽样、包络处理过程后，输入到高速总线切换模块，然后DSP通过高速总线切换模块读取实时数据，并且经过计算，再根据人机交互软件的约定的包格式将数据写入口RAM，并以DMA的方式上传数据至上位机用于成像，进而实现对待检测工件的缺陷的超声检测。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果： 结构设计合理，工作方法简单，自动化、智能化程度高，基于超声波相控阵技术，自动化程度高，实现了超声探测、涂抹耦合剂的精准移动，超声波声束能覆盖全部被检区域，声束路径清晰，回波信号易于分析，提高了检测的准确度，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明所述数控机床的超声自动检测系统的超声检测组件结构示意图；
图2为本发明所述数控机床的超声自动检测系统的构架图；
图中：上位机1、相控阵超声成像检测仪器2、电气控制模块3、PLC运动控制器31、驱动器组件32、第一电机驱动器331、第二电机驱动器322、X轴伺服电机驱动器323、 Y 轴伺服电机驱动器324、气泵驱动器325、光电编码器33、霍尔传感器34、超声检测组件4、支撑装置41、底座411、第一侧板412、第二侧板413、第一滚珠槽414、第二滚珠槽415、顶板416、X 轴部件417、Y轴部件418、X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420、夹紧装置42、第一L型限位板421、第二L型限位板422、第一丝杠423、第二丝杠424、第一电机425、第二电机426、第一滚珠427、第二滚珠428、超声探测装置43、相控阵探头431、连接块4311、T型杆432、气缸433、涂抹盒434、涂抹海绵4341、进料口4342、气泵435、声束覆盖区a、待检测工件b。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图1-2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1-2所示，以下实施例提供了一种数控机床的超声自动检测系统，包括上位机1、相控阵超声成像检测仪器2、电气控制模块3、超声检测组件4；所述上位机1基于PXI总线，所述上位机1配备有人机交互软件，所述人机交互软件用于将操作人员的指令转化并传递给相控阵超声成像检测仪器2、电气控制模块3、超声检测组件4，同时接收相控阵超声成像检测仪器2、电气控制模块3、超声检测组件4的反馈数据和信息，协调电气控制模块3与超声检测组件4协调运作，完成相控阵超声成像检测仪器2在线成像；所述电气控制模块3包括PLC运动控制器31、驱动器组件32，所述PLC运动控制器31通过串行通信接口与上位机1连接，所述PLC运动控制器31将上位机1下发的运动控制指令与参数通过驱动器组件32转化为高速脉冲输出；所述超声检测组件4包括支撑装置41、夹紧装置42、超声探测装置43，所述支撑装置41安装在数控机床上，所述夹紧装置42、超声探测装置43分别通过支撑装置41进固定，待检测工件通过夹紧装置42固定，所述超声探测装置43位于夹紧装置42上方；
其中，所述超声探测装置43包括若干个相控阵探头431，每个所述相控阵探头431与相控阵超声成像检测仪器2连接，若干个所述相控阵探头431设置在待检测工件上方两侧，每侧的相控阵探头431之间距离分布，所述相控阵探头431的声束角度为40°～70°，对待检测工件进行40°～70°的扇扫描，获取缺陷信息。
进一步的，所述支撑装置41包括底座411、第一侧板412、第二侧板413、第一滚珠槽414、第二滚珠槽415和顶板416，所述底座411安装在数控机床上，所述第一侧板412、第二侧板413分别设置在底座411上方两侧，所述第一滚珠槽414、第二滚珠槽415为底座411上表面两侧开设的凹槽，所述顶板416横跨于第一侧板412与第二侧板413上方。
进一步的，所述夹紧装置42包括第一L型限位板421、第二L型限位板422、第一丝杠423、第二丝杠424、第一电机425、第二电机426、第一滚珠427和第二滚珠428，所述第一丝杠423一端通过第一轴承与第一L型限位板421连接和另一端穿过第一侧板412与第一电机425相连，所述第二丝杠424一端通过第二轴承与第二L型限位板422连接和另一端穿过第二侧板413与第二电机426连接，所述第一滚珠427和第二滚珠428分别设置在第一L型限位板421和第二L型限位板422下方并位于第一滚珠槽414和第二滚珠槽415内且能够移动；所述第一L型限位板421、第二L型限位板422之间放置有待检测工件。
进一步的，所述超声探测装置43还包括连接块4311、T型杆432、气缸433、涂抹盒434；所述顶板416底部横向安装有X 轴部件417和纵向安装有Y轴部件418，所述X 轴部件417和Y轴部件418组成的十字滑台结构，所述十字滑台结构底部安装有连接块4311，所述X轴部件417和Y轴部件418分别通过 X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420驱动X 轴部件417和Y轴部件418对应的丝杠螺母机构，实现连接块4311在 X方向和Y 方向的运动；所述T型杆432顶面中部与连接块4311底部连接，所述T型杆432的左端、右端分别安装有若干个相控阵探头431并且位于在待检测工件上方两侧，每侧的相控阵探头431之间沿Y轴方向等距离分布；所述气缸433设置在T型杆432底部，所述涂抹盒434设置在气缸433下方，所述气缸433与气泵435连接，所述气泵435驱动气缸433工作。
进一步的，所述电气控制模块3还包括光电编码器33与霍尔传感器34，所述驱动器组件32包括第一电机驱动器331、第二电机驱动器322、X轴伺服电机驱动器323、 Y 轴伺服电机驱动器324、气泵驱动器325，所述第一电机驱动器331、第二电机驱动器322、X轴伺服电机驱动器323、 Y 轴伺服电机驱动器324、气泵驱动器325分别与第一电机425、第二电机426、X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420、气泵435连接，所述第一电机425、第二电机426、X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420上均安装有光电编码器33与霍尔传感器34。
进一步的，所述涂抹盒434包括涂抹海绵4341、进料口4342，所述进料口4342设置在涂抹盒434上方一侧，所述涂抹海绵4341设置在涂抹盒434底部。
实施例
本发明所述的数控机床的超声自动检测系统的工作方法，包括如下步骤：所述工作方法，包括如下步骤：
（1）待检测工件通过夹紧装置42进行固定；其中，待检测工件放置在夹紧装置42的第一L型限位板421与第二L型限位板422之间，PLC运动控制器31将上位机1下发的运动控制指令与参数通过驱动器组件32的第一电机驱动器331、第二电机驱动器322分别转化为高速脉冲输出至夹紧装置42的第一电机425、第二电机426，带动夹紧装置42的第一丝杠423、第二丝杠424在支撑装置41第一侧板412、第二侧板413中转动，从而带动第一L型限位板421与第二L型限位板422移动，将待检测工件夹紧，同样通过第一电机425、第二电机426使待检测工件左右位置进行移动；所述第一电机425、第二电机426上均安装有光光电编码器33与霍尔传感器34，通过光电编码器33与霍尔传感器34向PLC运动控制器31进行位置信息反馈；
（2）预先通过超声探测装置43的涂抹盒434进料口4342向涂抹盒434中倒入耦合剂，使其浸润涂抹盒434的涂抹海绵4341，然后PLC运动控制器31将上位机1下发的运动控制指令与参数通过气泵驱动器325驱动气泵435，启动气缸433，气缸433将涂抹盒434向下推动直至涂抹海绵4341贴紧待检测工件，使涂抹海绵4341的耦合剂全覆盖地涂抹待检测工件的被检区域；其中，在涂抹过程中涂抹海绵4341的运动轨迹控制，是通过PLC运动控制器31将上位机1下发的运动控制指令与参数通过X轴伺服电机驱动器323、 Y 轴伺服电机驱动器324驱动X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420，X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420驱动X轴部件417和Y轴部件418对应的丝杠螺母机构，实现连接块4311在 X方向和Y 方向的运动，从而带动涂抹海绵4341的运动；
（3）当涂抹完成后，PLC运动控制器31通过气泵驱动器325驱动气泵435，控制气缸433收缩，将涂抹盒434收回；所述相控阵探头431在待检测工件上方的左右双侧对待检测工件进行声束覆盖，并且在检测过程中相控阵探头431的运动轨迹控制，是通过PLC运动控制器31将上位机1下发的运动控制指令与参数通过X轴伺服电机驱动器323、 Y 轴伺服电机驱动器324驱动X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420，X轴伺服电机419、 Y 轴伺服电机420驱动X 轴部件417和Y轴部件418对应的丝杠螺母机构，实现连接块4311在 X方向和Y 方向的运动，从而带动相控阵探头431的运动，相控阵探头431采用沿线扫查和扇扫捕相结合的扫查方式， 沿待检测工件的X轴或Y轴延伸方向扫查，同时对待检测工件进行40°～70°扇扫描，获取缺陷信息；
（4）所述相控阵探头431获取的缺陷信息信号输送给相控阵超声成像检测仪器2，所述相控阵超声成像检测仪器2通过PXI总线向上位机1输送缺陷信息的信号，缺陷信息的信号依次经由相控阵超声成像检测仪器2的发射与接收单元进入FPGA后，经过接收延时控制的声束合成与滤波、波形转化、抽样、包络处理过程后，输入到高速总线切换模块，然后DSP通过高速总线切换模块读取实时数据，并且经过计算，再根据人机交互软件的约定的包格式将数据写入口RAM，并以DMA的方式上传数据至上位机1用于成像，进而实现对待检测工件的缺陷的超声检测。
由上可得，本发明所述的数控机床的超声自动检测系统，结构设计合理，基于超声波相控阵技术，自动化程度高，实现了超声探测、涂抹耦合剂的精准移动，解决了现有技术中的超声探测装置易产生检测区域无法全部覆盖、以及声束入射角度单一的问题，本发明采用沿线扫查和扇扫捕相结合的扫查方式，即沿待检测工件的X轴或Y轴延伸方向扫查，同时在待检测工件进行40°～70°扇扫描，全方位的获取缺陷信息。
其中，电气控制模块负责整个超声自动检测系统的电源供给及检测的运动控制，在超声检进行时，每当到达设定的采样点，光电编码器、霍尔传感器就会反馈PLC运动控制器、PLC运动控制器反馈上位机，上位机向相控阵超声成像检测仪器以及相控阵探头发送数据采集指令，光电编码器、霍尔传感器同时反馈当前位置信息。
本发明具体工作方法途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：带多角度调节激光模组的集尘器