用於鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統的製作方法
2023-05-31 08:34:36
用於鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統的製作方法
【專利摘要】用於鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統把傳統的超聲波探傷技術同先進的工業控制計算機、嵌入式系統、高速數據處理技術、電氣自動控制理論、PLC等技術相結合，自動探傷按「手動+自動」模式設計，保證了控制信號、回波信號的穩定提取以及連續自動化探傷檢測的準確性和高效率，具有自動化程度高、運行節拍快的特點，以及良好的檢測穩定性、客觀性、可靠性。同時具有兼容性、通用性，能滿足搖枕或側架不同的生產檢測的要求、一機二用。
【專利說明】用於鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於工業用於鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統領域，具體涉及一種鑄造工業鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統。
【背景技術】
[0002]在鐵路貨車搖枕或側架的生產鑄造行業，超聲波探傷是生產過程中所使用的關鍵工序之一，它的作用是使用超聲波探傷儀對鐵路貨車搖枕或側架的鑄件產品內部及表面的危害性缺陷進行檢測，這一工序的成敗直接影響鑄件產品質量，對鐵路貨車運輸的安全性是至關重要的環節之一。但目前在用的探傷方法是傳統的超聲波手工探傷方法進行的，操作人員憑藉個人經驗對手動探傷儀上顯示屏幕所顯示的回波波形予以判斷，由於人工操作、以及操作人員個人技術水平參差不齊，其探傷準確性相差比較大，人為因素影響很大，並且檢測結果帶有人為的主觀性和局限性的因素影響。雖然這些個人經驗是可貴的，但是生產效率低，容易發生漏檢和誤檢，嚴重影響鐵路貨車搖枕或側架生產線的生產效率，給鐵路貨車運輸的安全性帶來了極大的隱患。
【發明內容】
[0003]發明的目的:為解決上述問題，本發明針對現有技術的不足，提供了一種鑄造工業鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統。
[0004]技術方案:為達到上述目的，本發明採用如下技術方案:
一種鑄造工業鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統，所述的自動探傷系統，其特徵在於:本發明包括監控顯示器、操作臺、機械PC工作站、PLC控制櫃、變頻器、報警系統、位移傳感器、氣動系統、橫向位移傳感器、縱向位移傳感器、CCD監視控制、電機、液壓水箱推正機構、探傷小車行走控制、水浸聚焦探頭陣列升降控制、缺陷自動標識記錄裝置、輸送輥道、探傷小車行走限位控制、水浸聚焦探頭、水箱、網絡通訊單元、嵌入式子系統單元、高速信號處理單元、鍵盤、前置超聲波發射/接收電路單元、探傷監控顯示器、存儲設備單元、工件(搖枕或側架)所組成。
[0005]所述的監控顯示器，是CXD監視控制的閉路監控系統組成部分，是系統的顯示部分，是CCD監視控制的標準輸出。
[0006]所述的操作臺，由各種開關按鈕組成，配以控制按鈕來適應多變的過程控制，實現整個控制系統的主令控制、信號指示。
[0007]所述的機械PC工作站，採用的是一臺工業控制計算機作為上位機是整個自動探傷系統的控制核心，管理、控制整個自動探傷檢測系統的運行情況，與PLC控制櫃下位機之間通過乙太網線實時通訊。
[0008]所述的PLC控制櫃，由一臺西門子S7-300系列的PLC (CPU315-2DP)為主作為整個自動探傷系統的下位機，監控整個探傷系統的運行情況。
[0009]所述的變頻器，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。
[0010]所述的報警系統，是由水浸聚焦探頭接收超聲波脈衝信號，經由超聲波自動探傷儀對反射回來超聲波脈衝信號數據處理後送至機械PC工作站，通過PLC控制櫃接收機械PC工作站發出的缺陷報警信號後，由報警系統發出的缺陷自動報警聲、光信號。
[0011]所述的位移傳感器，是把各種被檢測的物理量轉換為電量。在超聲波自動探傷過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種，位移傳感器採用數字式位移傳感器，用來檢測水箱及工件(搖枕或側架)到達探傷工位。
[0012]所述的氣動系統，是為了驅動用於各種不同目的的機械裝置，如:水浸聚焦探頭陣列升降控制、缺陷自動標識記錄裝置。典型的氣動系統是由方向控制閥、氣動執行元件、各種氣動輔助元件及氣源淨化元件所組成。
[0013]所述的橫向位移傳感器，是用來檢測探傷小車行走控制、探傷小車行走限位控制到達探傷工位，調節探傷小車行走運行。
[0014]所述的縱向位移傳感器，是用來控制自動探傷時水浸聚焦探頭陣列升降控制的升降，以及輸送輥道的轉動，通過輸送輥道的轉動，保證輸送輥道上水箱及被檢測工件(搖枕或側架)在縱向方向上移動。
[0015]所述的CXD監視控制，是與CXD監視控制攝像頭相連接，實時監視水箱及工件(搖枕或側架)到位和工件(搖枕或側架)探傷全過程的監控。
[0016]所述的電機，主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。如:探傷小車行走控制、輸送輥道的動力源。
[0017]所述的液壓水箱推正機構，是水箱及工件(搖枕或側架)到達探傷工位後，PLC發出指令同步驅動調節控制是實現兩個推正液壓缸在橫向方向上的同步驅動工作，保證水箱及工件(搖枕或側架)探傷時準確進行。
[0018]所述的探傷小車行走控制，是通過伺服控制器與探傷小車行走的電機相連接，實現探傷小車行走快慢的控制。
[0019]所述的水浸聚焦探頭陣列升降控制，通過電磁閥、升降氣缸等裝置由PLC控制水浸聚焦探頭陣列升降控制的上升、下降動作，從而進行探傷工作。
[0020]所述的缺陷自動標識記錄裝置，與噴塗缺陷標識記錄的自動噴槍相連接，在探傷過程中，一旦發現缺陷時在水箱外側缺陷標識記錄板上，及時、自動噴塗缺陷標識，以備手動探傷復檢。
[0021]所述的輸送輥道，是通過光電位檢開關用於水箱及工件(搖枕或側架)縱向輸送傳動，由輸送輥、軸承座、輥道架等組成。根據輸送輥道正反方向轉動，實現工件(搖枕或側架)縱向前進、後退的探傷工作過程。
[0022]所述的探傷小車行走限位控制，是通過各種限位開關控制，以便實現探傷小車行走限位控制。
[0023]所述的水浸聚焦探頭，由主要由壓電晶片和聲透鏡組成，壓電晶片既可以發射超聲波，也可以接收超聲波，並通過聲透鏡在工件(搖枕或側架)內部實現聚焦，以便在探傷過程中實現自動探傷檢測操作。
[0024]所述的網絡通訊單元，是採用傳統的客戶端/伺服器模式，採用TCP/IP協議，運用Socket編程實現。通過串口(RS232)、乙太網口、USB 口實現與機械PC工作站的實時通訊，將探傷檢測數據用物理鏈路將各個孤立的檢測單元或機械PC工作站相連在一起，組成數據鏈路，從而實現探傷檢測的目的。
[0025]所述的嵌入式子系統單元，是負責各種外圍硬體設備的控制與管理，其核心採用ARM的64位嵌入式微處理器晶片S3C6410平臺上構建嵌入式Linux系統的過程，Linux系統以其代碼開發、功能強大又易於移植等特點的快速高效的作業系統。
[0026]所述的高速信號處理單元，是負責高速信號處理以及各種邏輯控制，包括一片組合邏輯信號並實現多種控制的CPLD晶片，一個高速ADC轉換器和一片存儲器。在CPLD晶片的控制之下，前置超聲波發射電路通過水浸聚焦探頭向被檢測工件(搖枕或側架)發射超聲波，得到的超聲回波信號由前置超聲波接收電路接收、調整、放大。然後經由高速ADC轉換器轉換成數位訊號、並由存儲器存儲起來，當存儲器的數據存滿時、由ARM微處理器晶片通過擴展總線讀取採樣數據，並進行壓縮和處理，最後繪製成波形顯示。
[0027]所述的鍵盤，是觸控螢幕式鍵盤包括測試鍵、增益鍵、聲程鍵、聲速鍵、閘門鍵、+號鍵、-號鍵等等，共16個鍵。每個鍵的意義與其鍵名一致，用於實現超聲波探傷檢測的功能操作和參數設置。
[0028]所述的前置超聲波發射/接收電路單元是前置超聲波發射電路通過水浸聚焦探頭向被檢測工件(搖枕或側架)多路發射電路發出激發水浸聚焦探頭的高壓電脈衝，水浸聚焦探頭通過電聲能量轉換發射超聲波，經過水層進入到被檢測工件(搖枕或側架)內部，遇到缺陷後超聲波返回到水浸聚焦探頭，接收到水浸聚焦探頭返回的電信號即回波信號，經過接收電路內部的多路接收電路後，通過一個由時序方波控制切換的模擬開關後轉換成一路分時輸出的回波信號，由前置超聲波接收電路接收、調整、放大後送入高速信號處理單元進行數據處理。
[0029]所述的探傷監控顯示器，是系統採用IXD顯示器顯示超聲波檢測的波形、系統參數和菜單，是回波波形的顯示部分，是超聲波自動探傷系統的標準輸出。
[0030]所述的存儲設備單元，是採用存儲硬碟、SD卡及U盤等數據存儲設備，操作簡便，並能保存大量檢測數據，有利於日後回放分析。
[0031]所述的水箱，是用於存放探傷工件(搖枕或側架)的，將水箱放滿作為耦合劑的水後、再放入被檢測的工件(搖枕或側架)，因工件(搖枕或側架)的形狀不同，探傷部位不同，水箱分為搖枕水箱和側架水箱，並且在水箱的底部分別焊接安裝有用於搖枕或側架的定位塊，便於搖枕或側架的定位準確，具有良好探傷準確性、可靠性。
[0032]所述的本發明的整套自動探傷系統，與現場各位移傳感器、機械PC工作站和被檢測的工件(搖枕或側架)形成閉環網絡，一旦出現異常，立即顯示故障部位，並有急停保護功倉泛。
[0033]作為優化:本發明所述的自動探傷檢測系統把傳統的超聲波無損檢測技術同先進的工業控制計算機、電氣自動控制理論、PLC、高速信號處理技術等技術相結合，PLC按「手動+自動」模式設計，保證了控制信號、回波信號的穩定提取以及連續自動化探傷檢測的準確性和高效率，具有自動化程度高、運行節拍快的特點，以及良好的檢測穩定性、客觀性、可靠性。同時具有兼容性、通用性，能滿足搖枕或側架不同的生產檢測的要求、一機二用。
[0034]有益效果:本發明通過將現有的人工手動超聲波探傷檢測實現為超聲波自動探傷檢測，對搖枕或側架產品有缺陷的部位實現了缺陷的自動識別，自動報警，自動存儲，自動、實時地噴塗標識記錄，保證了控制信號、回波信號的穩定提取以及連續自動化探傷檢測的準確性和高效率，具有自動化程度高、運行節拍快的特點以及良好的兼容性、通用性，並且能滿足超聲波自動探傷檢測的生產要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1是本發明的系統組成框圖；
圖2是本發明的系統探傷控制流程圖；
圖3是本發明的系統手動探傷工作流程圖；
圖4是本發明的系統自動探傷工作流程圖；
圖5是本發明的系統超聲波從探頭表面發出水層再到進入工件中的軌跡示意圖；
圖6是本發明的系統探傷監控顯示器屏幕顯示的波形示意圖；
圖7是本發明的系統高速信號處理單元組成框圖；
圖8是本發明的系統前置超聲波發射/接收電路單元流程圖。
【具體實施方式】
[0036]如附圖1所示的，其特徵是本發明包括監控顯示器1、操作臺2、機械PC工作站3、PLC控制櫃4、變頻器5、報警系統6、位移傳感器7、氣動系統8、橫向位移傳感器9、縱向位移傳感器10、CXD監視控制11、電機12、液壓水箱推正機構13、探傷小車行走控制14、水浸聚焦探頭陣列升降控制15、缺陷自動標識記錄裝置16、輸送輥道17、探傷小車行走限位控制18、水浸聚焦探頭19、網絡通訊單元20、嵌入式子系統單元21、高速信號處理單元22、鍵盤23、前置超聲波發射/接收電路單元24、探傷監控顯示器25、存儲設備單元26、水箱27、工件(搖枕或側架)28所組成。
[0037]所述的監控顯示器I與機械PC工作站3相連接，是CXD監視控制11的閉路監控系統組成部分，是系統的顯示部分，是CCD監視控制11的標準輸出，有了監控顯示器I的顯示才能觀看CCD監視控制11前端送過來的圖像，作為自動探傷系統不可缺的終端設備，充當著探傷人員的「眼睛」，同時也為事後凋查起到關鍵性作用。
[0038]所述的操作臺2與機械PC工作站3相連接，由各種開關按鈕組成，配以控制按鈕來適應多變的過程控制，實現整個控制系統的主令控制、信號指示。
[0039]所述的機械PC工作站3採用一臺工業控制計算機作為上位機是整個自動探傷系統的控制核心，管理、控制整個控制系統的運行情況，與PLC控制櫃4下位機之間通過乙太網線實時通訊，向PLC發出控制信號並監控PLC執行等。
[0040]所述的PLC控制櫃4與機械PC工作站3，由一臺西門子S7-300系列的PLC(CPU315-2DP)為主作為整個自動探傷系統的下位機，監控整個控制系統的運行情況，構成下位機硬體設備來執行分布式控制和操作任務，與機械PC工作站3之間通過乙太網線實時通訊。整個控制系統的自動化動作均由PLC來控制，通過PLC完成所有傳動及執行元件的輸入、輸出信號、檢測信號等邏輯控制部分的手動及自動工藝控制、與作為上位機的機械PC工作站3進行實時的數據交換。
[0041]所述的變頻器5通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，實現電機正轉、反轉、點動等；另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。
[0042]所述的報警系統6是水浸聚焦探頭19發射超聲波脈衝信號，遇到缺陷後反射回來，水浸聚焦探頭19接收超聲波脈衝信號，經由超聲波自動探傷儀17對反射回來超聲波脈衝信號數據處理後送至機械PC工作站3，通過PLC控制櫃4接收機械PC工作站3發出的缺陷報警信號後，由報警系統6發出的缺陷自動報警聲、光信號，以及實現系統緊急停機，各種情況報警。
[0043]所述的位移傳感器7是一種屬於金屬感應的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。在超聲波自動探傷過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器採用數字式位移傳感器，用來檢測水箱27及工件(搖枕或側架)28到達探傷工位，優點是便於將信號直接送入計算機系統進行各項控制工作。
[0044]所述的氣動系統8的基本構成是為了驅動用於各種不同目的的機械裝置，以及實現自動標傷等，如:水浸聚焦探頭陣列升降控制15、缺陷自動標識記錄裝置16。典型的氣動系統是由方向控制閥、氣動執行元件、各種氣動輔助元件及氣源淨化元件所組成。氣動系統流程:空壓機一乾燥機(冷幹機)一氣動元件一電磁閥(方向控制)一執行元件。
[0045]所述的橫向位移傳感器9是用來檢測探傷小車行走控制14、探傷小車行走限位控制18到達探傷工位，調節探傷小車行走運行。
[0046]所述的縱向位移傳感器10是用來控制自動探傷時水浸聚焦探頭陣列升降控制15的升降，以及輸送輥道17的轉動，通過輸送輥道17的轉動，保證輸送輥道17上水箱27及工件(搖枕或側架)28在縱向方向上移動，進行探傷。
[0047]所述的CXD監視控制11與機械PC工作站3相連接，CXD監視控制11與CXD監視控制攝像頭相連接，實時監視水箱27及工件(搖枕或側架)28到位和工件(搖枕或側架)28探傷全過程的監控。
[0048]所述的電機12是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置，主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。如:探傷小車行走控制14、輸送輥道17的動力源。
[0049]所述的液壓水箱推正機構13是水箱27及工件(搖枕或側架)28到達探傷工位 後，PLC發出指令同步驅動調節控制是實現兩個推正液壓缸在橫向方向上的同步驅動
工作，保證水箱27及工件(搖枕或側架)28探傷時準確進行。
[0050]所述的探傷小車行走控制14與PLC控制櫃4相連接，探傷小車行走控制14通過伺服控制器與探傷小車行走的電機相連接，實現探傷小車行走快慢的控制。
[0051]所述的水浸聚焦探頭陣列升降控制15通過電磁閥、與氣動系統8的升降氣缸、縱向位移傳感器10、水浸聚焦探頭19相連接，通過電磁閥、升降氣缸等裝置由PLC控制水浸聚焦探頭陣列升降控制15的上升、下降，從而進行探傷工作。探傷完畢之後自動依次升起。探頭動作還設有手動操作模式，用人工操作探頭的升降，探頭動作由電磁閥控制升降氣缸完成控制動作。[0052]所述的缺陷自動標識記錄裝置16與氣動系統8相連接,缺陷自動標識記錄裝置16與噴塗缺陷標識記錄的自動噴槍相連接，在探傷過程中，一旦發現缺陷時在水箱27外側缺陷標識記錄板上，及時、自動噴塗缺陷標識，以備手動探傷復檢。
[0053]所述的輸送輥道17通過光電位檢開關用於水箱27及工件(搖枕或側架)28縱向輸送傳動，與作為動力源的電機12相連接，由輸送輥、軸承座、輥道架等組成。根據輸送輥道17正反方向轉動，實現工件(搖枕或側架)28縱向前進、後退的探傷工作過程。
[0054]所述的探傷小車行走限位控制18與探傷小車行走控制14相連接，通過各種限位開關控制，以便實現探傷小車行走限位控制。
[0055]所述的水浸聚焦探頭19與前置超聲波發射/接收電路單元24、水浸聚焦探頭陣列升降控制15相連接，水浸聚焦探頭19由主要由壓電晶片和聲透鏡組成，壓電晶片既可以發射超聲波，也可以接收超聲波，並通過聲透鏡在工件(搖枕或側架)28內部實現聚焦，以便在探傷過程中實現自動探傷檢測操作。
[0056]所述的網絡通訊單元20，是採用傳統的客戶端/伺服器模式，採用TCP/IP協議，運用Socket編程實現。通過串口(RS232)、乙太網口、USB 口實現與機械PC工作站的實時通訊，將探傷檢測數據用物理鏈路將各個孤立的檢測單元或機械PC工作站相連在一起，組成數據鏈路，從而實現探傷檢測的目的。
[0057]所述的嵌入式子系統單元21，是負責各種外圍硬體設備的控制與管理，其核心採用ARM的64位嵌入式微處理器晶片S3C6410平臺上構建嵌入式Linux系統的過程，特別適用於網際網路和數據通信。Linux系統以其代碼開發、功能強大且又易於移植等特點為主的快速高效的作業系統，包括交叉開發環境的建立，引導加載程序U-Boot、Linux作業系統內核針對特定目標平臺的移植，以及根文件系統的建立等，可以根據用戶的不同要求提供通信控制器、數據緩存，各種級別的網絡協議支持。
[0058]所述的高速信號處理單元22，是負責高速信號處理以及各種邏輯控制，包括一片組合邏輯信號並實現多種控制的CPLD晶片，一個高速ADC轉換器和一片存儲器。在CPLD晶片的控制之下，前置超聲波發射/接收電路單元24的發射電路通過水浸聚焦探頭19向被檢測工件(搖枕或側架)28發射超聲波，得到的超聲回波信號由前置超聲波發射/接收電路單元24的接收電路接收、調整、放大。然後經由高速信號處理單元22的高速ADC轉換器轉換成數位訊號、並由存儲器存儲起來，當存儲器的數據存滿時、由ARM微處理器晶片通過擴展總線讀取採樣數據，並進行壓縮和處理，最後繪製成波形顯示。
[0059]所述的鍵盤23，是包括測試鍵、增益鍵、聲程鍵、聲速鍵、閘門鍵、+號鍵、-號鍵等等，共16個鍵的觸控螢幕鍵盤。每個鍵的意義與其鍵名一致，用於實現超聲波探傷檢測的功能操作和參數設置。
[0060]所述的前置超聲波發射/接收電路單元24，是前置超聲波發射電路通過水浸聚焦探頭19向被檢測工件(搖枕或側架)28多路發射電路發出激發水浸聚焦探頭19的高壓電脈衝，水浸聚焦探頭19通過電聲能量轉換發射超聲波，經過水層進入到被檢測工件(搖枕或側架28內部，遇到缺陷後超聲波返回到水浸聚焦探頭19，接收到水浸聚焦探頭19返回的電信號即回波信號，經過接收電路內部的多路接收電路後，通過一個由時序方波控制切換的模擬開關後轉換成一路分時輸出的回波信號，由前置超聲波接收電路接收、調整、放大後送入高速信號處理單元22進行數據處理。[0061]所述的探傷監控顯示器25，是系統採用IXD顯示器顯示超聲波檢測的波形、系統參數和菜單，是回波波形的顯示部分，是超聲波自動探傷系統的標準輸出。是整個超聲波自動探傷系統的回波波形的顯示部分，有了探傷監控顯示器25的顯示才能觀看前端水浸聚焦探頭送過來的缺陷波形圖像，作為自動探傷系統不可缺的終端設備，充當著探傷人員的「眼睛」，同時也為事後凋查起到關鍵性作用。
[0062]所述的存儲設備單元26，是採用包括大容量存儲硬碟、SD卡及U盤等數據存儲設備，操作簡便，並能保存大量檢測數據，有利於日後回放分析。
[0063]所述的水箱27，是用於存放探傷工件(搖枕或側架)28的，將水箱27放滿作為耦合劑的水後、在放入被檢測的工件(搖枕或側架)28，因工件(搖枕或側架)的形狀不同，探傷部位不同，水箱27分為搖枕水箱和側架水箱，並且在水箱27的底部分別焊接安裝有用於搖枕或側架的定位塊，便於搖枕或側架的定位準確，具有良好探傷準確性、可靠性。
[0064]如附圖2所示的，其特徵是是本發明的系統探傷控制流程圖:其上料是首先啟動橋式起重機將水箱27吊起安放在輸送輥道17上，然後將被檢測工件(搖枕或側架)28吊入水箱27，探傷機開機準備開始探傷，操作臺2上各操作按鈕應在初始位置，合上電源總開關，合上其它開關，輸送棍道17按鈕手動,輸送棍道17轉動,位移傳感器7檢測到水箱27到探傷工位，輸送輥道17停止轉動，水箱27到探傷工位自動停止，液壓水箱推正機構13啟動，將水箱27在橫向推正，探傷機進入二種探傷工作方式:工件(搖枕或側架)28手動探傷工作方式和自動探傷工作方式。
[0065]如圖2所示，所述的探傷機開機、準備開始探傷的操作臺2在初始位置時各開關按鈕狀態為:鑰匙按鈕、斷開；急停按鈕、非鎖定位置；水浸聚焦探頭19中的四個探頭組碼位選擇按鈕在非選定位置；探傷小車方向選擇按鈕在中間；其它按鈕在零位；探傷小車和輸送輥道給定電位器在零位。開機準備後可進入操作流程分為手動、自動兩種工作方式。
[0066]如圖3所示，是本發明的系統手動探傷工作流程圖，所述的手動工作方式是橫向位移傳感器9檢測到水箱27到達探傷工位後，手動控制探傷小車行走控制14的橫向直線行走向前、向後，探傷小車速度由給定電位器決定，而橫向行走向前快速、向後快速行走由PLC設定的固定速度決定，由此探傷小車按給定方向和給定速度運行。
[0067]如圖3所示，所述的手動工作方式是縱向位移傳感器10檢測到水箱27到達探傷工位後，水浸聚焦探頭陣列升降控制15開始下降、使得水浸聚焦探頭19下降到水箱27探傷位置，手動輸送輥道17正轉或反轉按鈕，輸送輥道17正轉或反轉運動，輸送輥道17正轉或反轉按給定的電位器轉動，使得水浸聚焦探頭19在水箱27縱向前進或倒退進行探傷，由此輸送輥道17正轉或反轉運動按給定方向和給定速度運行。同時切換水浸聚焦探頭19將數字式的超聲波脈衝信號傳送給機械PC工作站3，再通過高速信號處理單元22A/D轉換，由機械PC工作站3對超聲波波形信號進行分析、判斷，不停地循環切換探頭、採樣、分析、判斷，直至探傷檢測結束，或發現工件(搖枕或側架)28的缺陷，最後列印存儲波形並輸出。
[0068]所述的在操作臺2上選擇手動工作方式時，執行機構的動作應將通過PLC內置的控制程序來進行，每一步動作都是相互連鎖的，每執行一步均受前面執行結果條件的約束。在手動方式下，每一步動作均由操作臺2上相應的按鈕控制，如不按照工藝過程要求任意啟動按鈕，執行機構將拒絕動作，即手動工作方式的過程是步進式進行的。
[0069]如圖4所示，是本發明的系統自動探傷工作流程圖，所述的自動工作方式是橫向位移傳感器9檢測到水箱27到達探傷工位後，探傷小車行走控制14的橫向直線行走向前或向後行走是在探傷小車行走限位控制18通過各種限位開關控制，自動限位已鎖定，探傷小車速度由給定電位器決定，由此探傷小車按給定方向和給定速度自動運行。
[0070]如圖4所示，所述的自動工作方式是縱向位移傳感器10檢測到水箱27到達探傷工位後，在水浸聚焦探頭陣列升降控制15自動升降時間已鎖定，輸送輥道17正轉運動，輸送輥道17正轉按給定的電位器轉動，使得水浸聚焦探頭19在水箱27縱向前進進行探傷，由此輸送輥道17正轉運動按給定方向和給定速度運行。同時切換水浸聚焦探頭19將數字式的超聲波脈衝信號傳送給機械PC工作站3，再通過高速信號處理單元22A/D轉換，由機械PC工作站3對超聲波波形信號進行分析、判斷，不停地循環切換探頭、採樣、分析、判斷，直至探傷檢測結束，或發現工件(搖枕或側架)28的缺陷，最後列印存儲波形並輸出。
[0071]所述的在操作臺2上選擇自動工作方式時，執行機構的動作需通過PLC內置的控制程序來進行，該程序採用梯形圖方式編制，屬於順序控制邏輯，按下啟動按鈕，各工位的所有探傷動作在程序的控制下全部自動完成，其中每一步動作都是相互連鎖的，只有當上一步動作檢測完成後才會自動執行下一步動作，為正常運行的主要工作方式。
[0072]如圖5、圖6所示，所述的水浸法超聲波探傷檢測鑄鋼工件(搖枕或側架)時採用縱波垂直入射，超聲波從一種介質入射倒另一種介質將會產生反射和透射現象，反射能量和透射能量的分配、將根據兩種不同介質的聲阻抗進行，例如:水/鋼界面的聲強透射率僅
0.125，而反射率則達0.875，即絕大部分的能量被反射；而鋼/水界面則正好相反，據此可分析出水浸法超聲波探傷檢測鑄鋼工件(搖枕或側架)28時，探傷監控顯示器25屏幕上顯示的各個回波波形所代表的含義。
[0073]如圖5所示的，是本發明的系統超聲波從探頭表面發出水層再到進入工件中的軌跡示意圖，圖6是本發明的系統探傷監控顯示器屏幕顯示的波形示意圖。從圖5、圖6中可以看出超聲波Al從探頭髮出到水中，Al在水/鋼界面的發生透射和反射，其反射波BI被反射回探頭表面，透射波A2入射到工件(搖枕或側架)28中、並在工件(搖枕或側架)28底面發生反射和透射，由於透射率與反射率的關係，BI的能量遠大於A2 ；F1為A2的反射波，A3為透射波，A3的能量要大於Fl，Fl在鋼/水界面發生透射和反射，B2為透射波並探頭表面所接受，B2在探頭表面的反射波A5與Al類似，形成B3，B4等波。因此工件(搖枕或側架)28在採用水浸超聲波自動探傷時，如果檢測時工件(搖枕或側架)28內部存在缺陷，其缺陷回波應在工件(搖枕或側架)28的上表面回波和底面回波之間，即BI和B2之間，檢測時可將BI作為始波，在調節探傷監控顯示器屏幕顯示時將BI之前的波全部作為零點或始偏移除，再調節聲速使B2的深度讀數與工件(搖枕或側架)檢測部位的尺寸相一致，調節好後，檢測時將能準確地讀出在BI和B2之間出現的缺陷波的位置。
[0074]如圖5所示的，H為水浸聚焦探頭19至工件(搖枕或側架)28在水中的距離，即探傷檢測時的水層厚度，如圖6所示，將B2畫在B3之前，但實際上，由於水層厚度H及超聲波在水中和工件(搖枕或側架)28中傳播速度不同的關係，導致B2及B3的前後位置不定，因此還需將兩波區分開才能正確判斷缺陷位置。
[0075]由此，設水層厚度為H水、(即H)，工件(搖枕或側架)28厚度為H工件，超聲波在水中的聲速為V水，超聲波在工件(搖枕或側架)28中的聲速為V工件，超聲波在水中的傳播用時為T水，超聲波在工件(搖枕或側架)28中的傳播用時為T工件，系統儀器中預置聲速為V，設水浸聚焦探頭19本身的零點已經去除，則:
T水=H水/ V水、T工件=H工件/ V工件，
因系統儀器中能檢測得到正確的T水和T工件，但在計算B3和B2波的位置(即HB3和HB2)時是通過系統儀器中預置聲速V來計算的，則:
HB3= 2H 水=H 水 + T 水 V，HB2= H 水 + T 工件 V，
所以，當T水V>T工件V時，有H水/ V水> H工件/ V工件，即H水>H工件v水/V工件時，有HB3 > HB2，即B3波在B2波之後。
[0076]反之，當H水〈H工件V水/ V工件時，有HB3〈HB2，即B3波在B2波之前。
[0077]同理，當H水=H工件V水/ V工件時，有HB3 = HB2,即B3波和B2波重合。
[0078]由於缺陷波是在B2波之前，因此應設定要求B3波不能在B2波之前，否則可能會導致缺陷波湮沒在B3波中，而不能準確發現缺陷，即在決定水層厚度時，也即保證水浸聚焦探頭19至工件(搖枕或側架)28在水中的距離時，應有:
H = H水 > H工件V水/ V工件
由此得出，這是水浸自動探傷檢測時有效發現缺陷的必要條件之一。
[0079]如圖7所示的，是本發明的系統高速信號處理單元22組成框圖，所述的高速信號處理單元22，是負責高速信號處理以及各種邏輯控制，它包括一片組合邏輯信號並實現多種控制的CPLD晶片，一個高速ADC轉換器和一片存儲器，一個電源轉換器，一個USB控制器所組成。其中高速ADC轉換器自帶有採樣保持器，實現24路模擬數據的採樣保持，以及對這些數據的模數轉換後、模擬信號轉換成數位訊號、並由存儲器存儲起來，當存儲器的數據存滿時、由ARM微處理器晶片通過擴展總線讀取採樣數據，並進行壓縮和處理，通過USB控制器接口傳輸入機械PC工作站3最後繪製成波形顯示。
[0080]整個高速信號處理單元22實現的方法是:USB晶片接入嵌入式子系統單元21中將產生一個信號，USB晶片將這個信號傳輸給CPLD晶片，CPLD晶片接收到這個信號後則控制高速ADC轉換器進行數據的數模轉換，而後將數據傳入CPLD晶片中，CPLD晶片再控制存儲器進行數據的寫入和讀出，最終數據進入USB晶片中傳入機械PC工作站3進行波形顯示。
[0081]如圖8所示的，是本發明的系統前置超聲波發射/接收電路單元24流程圖，所述的前置超聲波發射/接收電路單元24，它包括發射脈衝轉換電路、脈衝驅動、發射單元、接收單元、回波高阻轉換輸出電路、回波輸出組成。發射脈衝轉換電路是把CPLD晶片中輸出的3.3V的脈衝信號連接至三個八選一模擬開關輸入端。脈衝驅動是三個八選一模擬開關八個輸出端5V的脈衝信號，經過專門的驅動晶片，轉換成12V的觸發脈衝。發射單元是超聲波的信號源，由脈衝驅動產生的脈衝信號可觸發高速高壓開關管，高速高壓開關管具有400-500伏電壓輸入，當它導通時，將貯存於高壓電容上的電能經水浸聚焦探頭19快速放電，從而激勵最多達3X8個水浸聚焦探頭19，產生超聲波。高速高壓開關管的導通受觸發端控制，觸發瞬間即為超聲波發射起始點，為單通道時序的起始點。接收單元是指3X8個超聲探頭的回波信號，經阻抗匹配，通過兩個二極體對輸入信號限幅的電路。回波高阻轉換輸出電路用一個高阻具有放大和轉換開關功能的晶片，放大倍數一般在2倍左右，通過時序控制不同探頭的回波輸出。
[0082]所述的本發明的整套控制系統，與現場各位移傳感器、機械PC工作站和被檢測的工件(搖枕或側架)形成閉環網絡，一旦出現異常，立即顯示故障部位，並有急停保護功能。
[0083]所述的本發明的水浸聚焦探頭是本領域的通用技術，在此不做詳細描述。
【權利要求】
1.用於鐵路貨車搖枕或側架的水浸超聲波自動探傷系統，其特徵在於:包括監控顯示器(I)、操作臺(2)、機械PC工作站(3)、PLC控制櫃(4)、變頻器(5)、報警系統(6)、位移傳感器(7)、氣動系統(8)、橫向位移傳感器(9)、縱向位移傳感器(10)、CXD監視控制(11)、電機(12)、液壓水箱推正機構(13)、探傷小車行走控制(14)、水浸聚焦探頭陣列升降控制(15)、缺陷自動標識記錄裝置(16)、輸送輥道(17)、探傷小車行走限位控制(18)、水浸聚焦探頭(19)、網絡通訊單元(20)、嵌入式子系統單元(21)、高速信號處理單元(22)、鍵盤(23)、前置超聲波發射/接收電路單元(24)、探傷監控顯示器(25)、存儲設備單元(26)、水箱(27)、工件(搖枕或側架)(28)所組成。
【文檔編號】G01N29/04GK103884775SQ201410109125
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月23日 優先權日:2014年3月23日
【發明者】常少文, 崔正鑫 申請人:遼寧沈車鑄業有限公司