摘要：研制出一種球銷自動化檢測系統(tǒng)，利用表面波對球銷表面質(zhì)量進(jìn)行無損檢測，并按其質(zhì)量好壞進(jìn)行分類。初步實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)對球銷表面垂直于軸線的裂紋和傾斜的裂紋都能收到比較好的檢測效果。
關(guān)鍵詞：球銷；無損檢測；自動化檢測系統(tǒng)
球銷，在汽車及其他重要設(shè)備的聯(lián)接、固定和定位中得到了廣泛的應(yīng)用，它的可靠性對整個設(shè)備的工作可靠性和安全性有重大影響。由于制造上的原因，球銷表面容易產(chǎn)生微小裂紋，對球銷工作性能將產(chǎn)生很大影響，降低了球銷抗疲勞斷裂的能力，縮短了工作壽命。因此嚴(yán)格控制球銷的質(zhì)量十分重要。通常對球銷檢測是進(jìn)行表面較大缺陷的肉眼識別和體內(nèi)缺陷的破壞性檢查，但由于球銷的批量很大，這種檢測方法不但工作效率低，而且識別率也不高，嚴(yán)重影響了球銷的生產(chǎn)和檢測。為此，開發(fā)了球銷類零件的自動化無損檢測系統(tǒng)。
1.檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計
系統(tǒng)對汽車球銷表面進(jìn)行表面波檢測，完成自動上料、檢測、判廢和分選等工作。當(dāng)同類產(chǎn)品的外形尺寸發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠及時地做出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)新的檢測任務(wù)。 球銷自動檢測系統(tǒng)由外部信號發(fā)生源、計算機(jī)控制系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行部分和系統(tǒng)軟件五大部分組成。如圖1所示。

表面波檢測球銷表面裂紋原理：表面波是超聲波的一種，僅在物體表面淺層進(jìn)行傳播，其能量主要集中在深度小于兩倍聲波波長的表面淺層。當(dāng)表面波沿球銷表面?zhèn)鞑サ搅鸭y處時形成散射，一方面以表面波形式反射返回探頭，另一方面沿裂紋表面繼續(xù)傳播到裂紋底部；然后在底部又發(fā)生散射，除了以表面波形式反射和向前繼續(xù)傳播外，還將產(chǎn)生變形橫波和縱波，在球銷體內(nèi)經(jīng)過球銷表面的多次反射Z終返回探頭。因此，在檢測中只要記錄反射回來的聲波，從中抽取缺陷回波，即可對缺陷進(jìn)行判別。

機(jī)構(gòu)動作產(chǎn)生的各種開關(guān)信號被傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)，由MCS-51單片機(jī)進(jìn)行處理，以直接控制機(jī)構(gòu)的順序動作，或通過對電磁閥的控制，用氣缸來驅(qū)動機(jī)械機(jī)構(gòu)。由采樣卡對輸入探傷儀的表面波探頭接收到的反射回波進(jìn)行采樣，采樣信號被輸入到計算機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過檢查是否有缺陷回波來判別球銷合格與否，再由MCS-51單片機(jī)依據(jù)該結(jié)果來控制機(jī)械機(jī)構(gòu)的篩選器，對不合格產(chǎn)品進(jìn)行剔除。
2.系統(tǒng)機(jī)械執(zhí)行部分
檢測系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行部分由供料機(jī)構(gòu)、探頭擺動機(jī)構(gòu)、球銷轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和探頭移動機(jī)構(gòu)組成。它們的運(yùn)動分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，由計算機(jī)系統(tǒng)來控制它們運(yùn)動時間配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間的同時和分時工作功能，提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。
在超聲波探傷中，探頭是關(guān)鍵部件。除它自身性能外，它與球銷表面的接觸狀況對探測信號的穩(wěn)定性影響較大。所以設(shè)計的探頭機(jī)構(gòu)檢測時必須保證探頭與球銷間的良好接觸 。我們采取了如下措施：探頭機(jī)構(gòu)在沿軸向移動時可以繞自己的軸線轉(zhuǎn)動以適應(yīng)具有不同錐角的各種球銷，另外當(dāng)探頭沿平行于球銷軸線方向在球銷表面移動時，設(shè)置的緩沖彈簧可以使機(jī)構(gòu)隨球銷徑向尺寸的變化而自動地推進(jìn)和后撤。
探頭的左右擺動，主要是為了檢測縱向裂紋缺陷的需要，因?yàn)楫?dāng)缺陷走向與超聲波傳播方向一致時，缺陷就很難產(chǎn)生反射回波。
設(shè)計的V型塊裝置主要有兩個功能:是定位球銷位置，以便球銷轉(zhuǎn)動前被準(zhǔn)確夾緊；第二是球銷質(zhì)量判斷完畢V型塊張開滿足落料的需要。其中V型塊的張開與閉合采用雙氣缸控制，氣缸處于浮動狀態(tài)分別連接到V型塊的兩端，氣缸的活塞桿端用螺母連接到右V型塊的貼板上，另一端用銷子連接到左V型塊的貼板上。這種設(shè)計可以保證V型塊在氣缸通氣時自由的張開與閉合，同時我們在氣路管道設(shè)計上要保證兩個氣缸動作的同時性，否則V型塊容易卡死。
3.系統(tǒng)硬件設(shè)計
硬件控制系統(tǒng)是整個自動化檢測系統(tǒng)的中樞部分，它根據(jù)工作要求，分析處理各種信號，控制機(jī)械機(jī)構(gòu)正確地、符合要求地、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。它包括：（1）上位機(jī)；（2）CTS-22型超聲波探傷儀；（3）高速A/D采樣卡；（4）MCS-51單片機(jī)控制系統(tǒng)。
其控制系統(tǒng)的各計算機(jī)之間的控制關(guān)系，如圖3所示。

中央控制系統(tǒng)是檢測系統(tǒng)的控制中心，它由5個MCS-51單片機(jī)組成，分別是協(xié)調(diào)機(jī)（機(jī)0），軸轉(zhuǎn)電機(jī)控制機(jī)（機(jī)1），軸向移動電機(jī)控制機(jī)（機(jī)2），探頭擺動控制機(jī)（機(jī)3），傳送帶電機(jī)控制機(jī)（機(jī)4）。系統(tǒng)控制用了5只MCS-51單片機(jī)（下位機(jī)）來完成4個電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和4個氣缸的動作，協(xié)調(diào)機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各分機(jī)及上位機(jī)之間的工作，4臺分機(jī)在工作中通過相互通訊來協(xié)同。另外，用一臺PC計算機(jī)作為上位機(jī)，對采樣卡采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判別球銷的合格與否。上下位機(jī)之間的通訊通過RS232C串行通訊進(jìn)行，各下位機(jī)之間的信息和命令傳遞通過串行口多機(jī)異步通訊方式進(jìn)行。主從機(jī)之間的相互通訊是通過數(shù)據(jù)發(fā)送方向數(shù)據(jù)接收方申請中斷來進(jìn)行的。各分機(jī)各自連到通訊線上，通訊的主從機(jī)是的，用中斷的方法來確認(rèn)通訊機(jī)。
主CPU與鍵盤、顯示器之間的信息傳遞是通過8279芯片來實(shí)現(xiàn)的，在系統(tǒng)中用發(fā)光二極管代替LED直觀的表示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有暫停狀態(tài)、連續(xù)檢測或單個檢測狀態(tài)、檢測開始和檢測結(jié)束狀態(tài)。系統(tǒng)中需要的功能鍵主要有檢測控制鍵和檢測參數(shù)設(shè)置鍵。
4.系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1控制軟件設(shè)計
控制軟件主要使每個單片機(jī)完成檢測中的控制任務(wù)，使系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按檢測要求進(jìn)行工作；同時還規(guī)劃系統(tǒng)各個部分之間的工作，使各部分工作相互配合，協(xié)同完成檢測任務(wù)。
4.1.1協(xié)調(diào)機(jī)控制程序
該機(jī)的控制程序主要完成向上位機(jī)和4臺分機(jī)發(fā)布命令，使它們在不同的檢測階段完成各項(xiàng)檢測工作。其初始化包括：CPU初始化、8259初始化、8279初始化等。系統(tǒng)經(jīng)初始化后，其檢測狀態(tài)處于連續(xù)檢測模式、顯示器顯示停止檢測狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置、連續(xù)單個檢測模式選擇只有在停機(jī)時才能設(shè)置。暫停鍵只能在檢測過程中才起作用。
4.1.2分機(jī)控制程序
上電后，機(jī)1、機(jī)2、機(jī)3、機(jī)4進(jìn)行初始化，初始化的內(nèi)容包括CPU初始化、8259初始化、狀態(tài)標(biāo)志初始化、I/O口初始化。初始化完畢，各機(jī)就在等待機(jī)0發(fā)出的命令和參數(shù)，對自身工作模式和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
機(jī)1接收到檢測開始命令，并檢測到球銷到位，啟動球銷壓緊氣缸和V型塊進(jìn)退氣缸，壓緊球銷，撤離V型塊，然后啟動電機(jī)，程序通過定時器T0定時向P1.1口不斷發(fā)送脈沖給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源，驅(qū)動電機(jī)，此間接收到其它的命令，機(jī)1通過中斷方式及時處理。
機(jī)2接收到機(jī)0啟動電機(jī)的命令，則執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動程序，通過定時器T0定時，不斷置位和清零P1.1口，向驅(qū)動電源發(fā)送脈沖，以驅(qū)動電機(jī)帶動探頭沿球銷軸向移動。當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測始點(diǎn)時，機(jī)3控制探頭進(jìn)給氣缸，進(jìn)給探頭，當(dāng)探頭到位時，啟動探頭擺動電機(jī)，并發(fā)出采樣開始命令。當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測終點(diǎn)時，向機(jī)0回送結(jié)束命令，并停止采樣。
機(jī)4接收到檢測開始命令后，送入球銷，球銷到位則馬上停止，檢測完畢后，控制篩選器，篩選球銷。
4.2數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)處理軟件主要是由計算機(jī)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判別工件是否合格。數(shù)據(jù)處理程序主要有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、檢測模塊、邊緣波位置定位模塊、聲速測試模塊、報表生成模塊、報表輸出模塊和系統(tǒng)幫助模塊。
在設(shè)計系統(tǒng)軟件時應(yīng)該考慮到以下問題：
（1）探傷儀和采樣卡所采集到的回波信號包括始波、缺陷波和邊緣波的多次回波在內(nèi)的超聲波信號，這些回波在它們一次回波之外。查找缺陷波只需要在一次回波內(nèi)進(jìn)行即可，因此需要排除這些對檢測沒用的波。所以就需要確定采樣數(shù)據(jù)區(qū)間的始點(diǎn)和終點(diǎn)，來排除表面波的始波、缺陷波和邊緣波的多次回波等信號。
（2）編制軟件時應(yīng)該設(shè)定檢測閾值除去雜波和進(jìn)行邊緣波標(biāo)定。由于軸銷表面不平度和附著微粒、污垢等，表面波也可能被反射，而形成雜波，因此必須設(shè)定檢測閾值除去雜波。由于軸銷表面幾何形狀的突變而產(chǎn)生的邊緣波，其回波的位置相對固定，可以預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定，在檢測中加以消除。
4.3程控連續(xù)檢測過程
檢測開始，輸送球銷；球銷到位后，球銷壓緊氣缸推進(jìn)，送料電機(jī)停轉(zhuǎn)；壓緊后，V型塊進(jìn)退氣缸退開；脫開后，球銷轉(zhuǎn)動，探頭沿球銷表面移動；到檢測始點(diǎn)，探頭進(jìn)給；進(jìn)給后，探頭開始擺動，上位機(jī)開始采樣；到檢測終點(diǎn)，上位機(jī)停止采樣，球銷停轉(zhuǎn)，探頭停止擺動，探頭進(jìn)給氣缸退回，探頭機(jī)構(gòu)返回；上位機(jī)判斷球銷質(zhì)量，決定是否啟動篩選器，球銷壓緊氣缸退回；篩選完畢，V型塊氣缸使V型塊合攏 ；篩選器復(fù)位，進(jìn)行下一個球銷的檢測。
5.結(jié)論
該球銷自動化無損檢測系統(tǒng)對球銷表面裂紋選用表面波探傷，可以使球銷表層缺陷的反射波具有較高的能量，便于缺陷的識別。初步實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)對球銷表面垂直于軸線的裂紋和傾斜的裂紋都能收到比較好的檢測效果。
作者簡介：
車錄鋒，男，1971年5月生。1996年畢業(yè)于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所機(jī)電控制與自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為浙江大學(xué)機(jī)械制造與自動化專業(yè)博士研究生。主要從事的研究方向有微電子機(jī)械系統(tǒng)，自動化無損檢測，多傳感器信息融合等。
參考文獻(xiàn)
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2.胡建愷，張謙琳.超聲檢測原理和方法.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993 。