汽车三代轮毂轴承外圈超声相控阵检测装置及方法

技术领域

本发明属于超声波无损检测的技术领域，尤其涉及一种汽车三代轮毂轴承外圈超声相控阵检测方法。

背景技术

轮毂轴承的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，它既承受轴向载荷又承受径向载荷，是一个非常重要的零部件。

它的优点是采用电控方式聚焦，不仅能非常灵活、便捷地控制探头产生声束的轴线、偏转方向、聚焦位置和焦点尺寸等参数，而且精度容易保证。在无损检测中超声相控阵技术能提高信噪比、检测灵敏度及检测效率。

汽车三代轮毂轴承外圈截面包含有曲面等复杂几何特征，需要一种全面检测内部缺陷的检测方法。常规超声检测方法难以达到一定的深度，曲面等不规则界面难以反射回波，或回波信号杂乱，倾斜入射的超声波难以获得比较明显的回波，通常伴有杂波和较小的回波，检测的回波信号杂乱，缺陷反射回波弱，因此很难检测具有复杂几何特征的截面的轮毂轴承；普通超声相控阵扇扫和聚焦发射的合成波阵面难以完全贴合曲面，超声波入射能量弱，检测能力差。因此，开发一种轮毂轴承外圈超声相控阵检测方法，实现轮毂轴承外圈的自动化检测是急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种汽车三代轮毂轴承外圈超声相控阵检测方法，可实现几何特征较为复杂的轮毂轴承外圈内部缺陷无损检测，增强检测灵敏度，提高检测效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：汽车三代轮毂轴承外圈超声相控阵检测装置，其特征在于，包括超声检测仪、水箱、六自由度机械手、超声相控阵探头和旋转支座，所述超声检测仪通过所述六自由度机械手与所述超声相控阵探头相连，所述旋转支座包括四爪卡盘和旋转托盘，所述旋转托盘安设于所述水箱内部，所述四爪卡盘安设于旋转托盘上，用于卡装待测轮毂轴承外圈。

汽车三代轮毂轴承外圈超声相控阵检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下内容：

S1)划分检测区域：根据待测轮毂轴承外圈的外廓面结构将其划分为四种区域：圆柱面、端平面、内凹面和外凸面；

S2)超声检测：旋转支座不动，超声检测仪驱动六自由度机械手使超声相控阵探头移动到轮毂轴承外圈顶部的初始位置，与轮毂轴承外圈表面保持一定的间距，驱动旋转支座转动，超声相控阵探头沿轮毂轴承外圈的表面步进移动扫查，即旋转支座带动轮毂轴承旋转每旋转一周，超声相控阵探头步进一次，直至完成整个轮毂轴承外圈的扫查；

S3)数据处理：检测时记录该过程中检测的超声数据、轮毂轴承转动位置以及相控阵探头的三维坐标，对于端平面和圆柱面区域采集完成后的超声数据采用规则界面的频域合成孔径算法进行成像，对于内凹面和外凸面区域采集完成后的超声数据采用基于虚拟源的非规则界面频域合成孔径算法进行成像。

按上述方案，所述四种区域的检测方法如下：

圆柱面检测：超声相控阵探头平行于待测圆柱面，且探头阵元的分布方向平行于轮毂轴承外圈的轴线放置，保持一定的间距，驱动旋转支座转动一周，超声相控阵探头沿轮毂轴承外圈的轴向向下步进一段距离，直至完成该外壁圆柱面区域的扫查；

端平面检测：超声相控阵探头平行于待测端平面，且探头阵元的排列方向平行于端平面的径向，保持一定的间距，驱动旋转支座转动一周，超声相控阵探头沿端平面的径向步进一段距离，直至完成该端平面区域的扫查；

内凹面和外凸面检测：超声相控阵探头移动到圆柱表面与端面相接的内凹面或外凸面的上方，超声相控阵探头平行于待测面的弧度起始位置，且探头阵元的排列方向平行于起始点与弧面的切面，保持一定的间距，驱动旋转支座转动一周，超声相控阵探头沿内凹面或外凸面步进一个角度，使超声相控阵平面始终平行于距离超声相控阵探头最近的点所在的切面方向，直至完成该内凹面或外凸面区域的扫查。

按上述方案，步骤S3中所述规则界面频域合成孔径算法成像包括如下步骤：

a.频域-波数域和时空域之间标量波动方程的联系，并通过二维傅里叶变换将波场变换到频域-波数域；

b.通过频域-波数域中与相邻深度z上波场之间的关系推导计算整个频域-波数域；

c.通过反傅里叶变换将频域-波数域波场变换回时空域进行成像

按上述方案，步骤S3中所述成像方法包括如下步骤：

a.通过虚拟源技术对待测表面进行重建，得到待测表面的形状及其与探头的相对位置；

b.频域-波数域和时空域之间标量波动方程的联系，并通过二维傅里叶变换将波场变换到频域-波数域；

c.通过频域-波数域中与相邻深度上波场之间的关系推到整个频域-波数域，对于具有非规则界面的分层介质，某些外推深度上的声速沿水平和深度两个方向发生变化；

d.通过反傅里叶变换将频域-波数域波场变换回时空域进行成像。

按上述方案，所述步进一个角度为1°，所述扫查的步进一段距离为一个相控阵阵元的宽度值。

本发明的有益效果是：提供一种，采用水浸超声相控阵检测方法，通过频域合成孔径方法可同时提高成像精度和运算速度，根据截面形状分别将对凸面区域，凹面区域，端面区域以及圆柱面区域四个区域进行检测，解决了轮毂轴承小尺寸薄壁复杂曲面超声散射严重，缺陷检测盲区大的问题，提高了对轮毂轴承的缺陷检测能力，增强了检测灵敏度，加快了处理速度，解决了轮毂轴承外圈的结构复杂部件超声信号识别难题，提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的检测装置示意图。

图2为本发明一个实施例的轮毂轴承外圈扫查方式示意图。

图3为本发明一个实施例的流程框图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，汽车三代轮毂轴承外圈超声相控阵检测装置，包括超声检测仪1、水箱2、六自由度机械手3、超声相控阵探头4和旋转支座，超声检测仪通过六自由度机械手与超声相控阵探头相连，旋转支座包括四爪卡盘6和旋转托盘7，旋转托盘安设于水箱内部，四爪卡盘安设于旋转托盘上，用于卡装待测轮毂轴承外圈5。

如图3所示，本发明采用水浸法，将待测轮毂轴承外圈置于水箱中进行超声相控阵检测，包括如下内容：

S1)划分检测区域：根据待测轮毂轴承外圈的外廓面结构将其划分为四种区域：圆柱面、端平面、内凹面和外凸面；

S2)超声检测：旋转支座不动，超声检测仪驱动六自由度机械手使超声相控阵探头移动到轮毂轴承外圈顶部的初始位置，与轮毂轴承外圈表面保持一定的间距，驱动旋转支座转动，超声相控阵探头沿轮毂轴承外圈的表面步进移动扫查，即旋转支座带动轮毂轴承旋转每旋转一周，超声相控阵探头步进一次，直至完成整个轮毂轴承外圈的扫查；

S3)数据处理：检测时记录该过程中检测的超声数据、轮毂轴承转动位置以及相控阵探头的三维坐标，对于端平面和圆柱面区域采集完成后的超声数据采用规则界面的频域合成孔径算法进行成像，对于内凹面和外凸面区域采集完成后的超声数据采用基于虚拟源的非规则界面频域合成孔径算法进行成像。

如图2所示，各个区域的检测方法如下：

圆柱面检测：超声相控阵探头平行于待测圆柱面，且探头阵元的分布方向平行于轮毂轴承外圈的轴线放置，保持一定的间距，驱动旋转支座转动一周，超声相控阵探头沿轮毂轴承外圈的轴向向下步进一段距离，优选为一个相控阵阵元的宽度值，直至完成该外壁圆柱面区域的扫查；

端平面检测：超声相控阵探头平行于待测端平面，且探头阵元的排列方向平行于端平面的径向，保持一定的间距，驱动旋转支座转动一周，超声相控阵探头沿端平面的径向步进一段距离，直至完成该端平面区域的扫查；

内凹面和外凸面检测：超声相控阵探头移动到圆柱表面与端面相接的内凹面或外凸面的上方，超声相控阵探头平行于待测面的弧度起始位置，且探头阵元的排列方向平行于起始点与弧面的切面，保持一定的间距，驱动旋转支座转动一周，超声相控阵探头沿内凹面或外凸面步进一个角度，优选为1°，使超声相控阵平面始终平行于距离超声相控阵探头最近的点所在的切面方向，直至完成该内凹面或外凸面区域的扫查。

对圆柱面、端面，其特征为待检面为平面或直线，容易得到待检测面相对于超声相控阵探头的位置，故不需要使用虚拟源技术对待测表面进行重建，且处理方法上检测对象为单一介质，声速是一个常数，只在深度方向上变化。采用常规频域合成孔径方法对圆柱面和端面进行成像，其基本过程为：

a.频域-波数域和时空域之间标量波动方程的联系，并通过二维傅里叶变换将波场变换到频域-波数域；

b.通过频域-波数域中与相邻深度z上波场之间的关系推导计算整个频域-波数域；

c.通过反傅里叶变换将频域-波数域波场变换回时空域进行成像。

对外凸面、内凹面采用基于虚拟源的非规则界面频域合成孔径算法进行成像，其基本过程为：

a.通过虚拟源技术对待测表面进行重建，得到待测表面的形状及其与探头的相对位置；

b.频域-波数域和时空域之间标量波动方程的联系，并通过二维傅里叶变换将波场变换到频域-波数域；

c.通过频域-波数域中与相邻深度z上波场之间的关系推导计算整个频域-波数域，对于具有非规则界面的分层介质，某些外推深度上的声速沿水平x和深度z两个方向发生变化；

e.通过反傅里叶变换将频域-波数域波场变换回时空域进行成像。

若检测对象为单一介质，声速是一个常数，其值为实际介质的半声速值；对于具有非规则界面的分层介质，某些外推深度上的声速沿水平x和深度z两个方向发生变化。为适应声速水平变化，需要预先掌握各外推深度上不同水平位置的声速值，进而实现非规则分层介质的波场外推。

综上，本发明采用水浸相控阵检测方法，可适应调整水层高度和探头入射角度，可实现轮毂轴承外圈超声自动检测；解决了轮毂轴承外圈不同曲率凸面和凹面超声散射严重、检测困难的问题。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。