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量進行無損檢測，并按其質量好壞進行分類。初步實驗表明該系統(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備的聯(lián)接、固定和定位中得到了廣泛的應用，它的可靠性對整個設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。因此嚴格控制球銷的質量十分重要。通常對球銷檢測是進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)總體方案設計
系統(tǒng)對汽車球銷表面進行表面波檢測，完成自動上料、檢測、判廢和分選等工作。當同類產(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的調整，以適應新的檢測任務。 球銷自動檢測系統(tǒng)由外部信號發(fā)生源、計算機控制系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)、機械執(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，即可對缺陷進行判別。

機構動作產(chǎn)生的各種開關信號被傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)，由MCS-51單片機進行處理，以直接控制機構的順序動作，或通過對電磁閥的控制，用氣缸來驅動機械機構。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行采樣，采樣信號被輸入到計算機系統(tǒng)的上位機，對采樣數(shù)據(jù)進行分析，通過檢查是否有缺陷回波來判別球銷合格與否，再由MCS-51單片機依據(jù)該結果來控制機械機構的篩選器，對不合格產(chǎn)品進行剔除。
2.系統(tǒng)機械執(zhí)行部分
檢測系統(tǒng)的機械執(zhí)行部分由供料機構、探頭擺動機構、球銷轉動機構和探頭移動機構組成。它們的運動分別由步進電機驅動，由計算機系統(tǒng)來控制它們運動時間配合，實現(xiàn)機構間的同時和分時工作功能，提高機械系統(tǒng)的可靠性。
在超聲波探傷中，探頭是關鍵部件。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。所以設計的探頭機構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：探頭機構在沿軸向移動時可以繞自己的軸線轉動以適應具有不同錐角的各種球銷，另外當探頭沿平行于球銷軸線方向在球銷表面移動時，設置的緩沖彈簧可以使機構隨球銷徑向尺寸的變化而自動地推進和后撤。
探頭的左右擺動，主要是為了檢測縱向裂紋缺陷的需要，因為當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，以便球銷轉動前被準確夾緊；第二是球銷質量判斷完畢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，控制機械機構正確地、符合要求地、協(xié)調地進行工作。它包括：（1）上位機；（2）CTS-22型超聲波探傷儀；（3）高速A/D采樣卡；（4）MCS-51單片機控制系統(tǒng)。
其控制系統(tǒng)的各計算機之間的控制關系，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單片機組成，分別是協(xié)調機（機0），軸轉電機控制機（機1），軸向移動電機控制機（機2），探頭擺動控制機（機3），傳送帶電機控制機（機4）。系統(tǒng)控制用了5只MCS-51單片機（下位機）來完成4個電機的運轉和4個氣缸的動作，協(xié)調機負責協(xié)調各分機及上位機之間的工作，4臺分機在工作中通過相互通訊來協(xié)同。另外，用一臺PC計算機作為上位機，對采樣卡采集進來的數(shù)據(jù)進行處理，判別球銷的合格與否。上下位機之間的通訊通過RS232C串行通訊進行，各下位機之間的信息和命令傳遞通過串行口多機異步通訊方式進行。主從機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行的。各分機各自連到通訊線上，通訊的主從機是的，用中斷的方法來確認通訊機。
主CPU與鍵盤、顯示器之間的信息傳遞是通過8279芯片來實現(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)的運行狀態(tài)。系統(tǒng)的運行狀態(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)設置鍵。
4.系統(tǒng)軟件設計
4.1控制軟件設計
控制軟件主要使每個單片機完成檢測中的控制任務，使系統(tǒng)的執(zhí)行機構按檢測要求進行工作；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。
4.1.1協(xié)調機控制程序
該機的控制程序主要完成向上位機和4臺分機發(fā)布命令，使它們在不同的檢測階段完成各項檢測工作。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)設置、連續(xù)單個檢測模式選擇只有在停機時才能設置。暫停鍵只能在檢測過程中才起作用。
4.1.2分機控制程序
上電后，機1、機2、機3、機4進行初始化，初始化的內(nèi)容包括CPU初始化、8259初始化、狀態(tài)標志初始化、I/O口初始化。初始化完畢，各機就在等待機0發(fā)出的命令和參數(shù)，對自身工作模式和參數(shù)進行設置。
機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型塊進退氣缸，壓緊球銷，撤離V型塊，然后啟動電機，程序通過定時器T0定時向P1.1口不斷發(fā)送脈沖給步進電機的驅動電源，驅動電機，此間接收到其它的命令，機1通過中斷方式及時處理。
機2接收到機0啟動電機的命令，則執(zhí)行電機驅動程序，通過定時器T0定時，不斷置位和清零P1.1口，向驅動電源發(fā)送脈沖，以驅動電機帶動探頭沿球銷軸向移動。當?shù)竭_檢測始點時，機3控制探頭進給氣缸，進給探頭，當探頭到位時，啟動探頭擺動電機，并發(fā)出采樣開始命令。當?shù)竭_檢測終點時，向機0回送結束命令，并停止采樣。
機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)處理軟件設計
數(shù)據(jù)處理軟件主要是由計算機對采樣數(shù)據(jù)進行分析，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。
在設計系統(tǒng)軟件時應該考慮到以下問題：
（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)間的始點和終點，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）編制軟件時應該設定檢測閾值除去雜波和進行邊緣波標定。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，可以預先進行標定，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，送料電機停轉；壓緊后，V型塊進退氣缸退開；脫開后，球銷轉動，探頭沿球銷表面移動；到檢測始點，探頭進給；進給后，探頭開始擺動，上位機開始采樣；到檢測終點，上位機停止采樣，球銷停轉，探頭停止擺動，探頭進給氣缸退回，探頭機構返回；上位機判斷球銷質量，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 ；篩選器復位，進行下一個球銷的檢測。
5.結論
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。初步實驗表明：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)于中國科學院長春光學精密機械研究所機電控制與自動化專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)為浙江大學機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械系統(tǒng)，自動化無損檢測，多傳感器信息融合等。
參考文獻
1.諸成.球銷類零部件在線無損檢測技術研究及系統(tǒng)開發(fā)：[碩士學位論文].杭州：浙江大學，1998.2 。
2.胡建愷，張謙琳.超聲檢測原理和方法.合肥：中國科學技術大學出版社，1993 。