一种基于环形统计矢量成像的齿轮套圈缺陷检测装置及方法

本发明涉及无损检测领域，特别涉及一种基于环形统计矢量成像的齿轮套圈缺陷检测装置及方法。

背景技术：

1、轴承是现代工业装置中重要的基础零部件，存在于各种机械设备中，主要功能是支撑机械设备的旋转，降低设备在运动过程中的摩擦系数，并且能保证机械设备回转时精度误差被广泛地应用于汽车、电机、航天、机械等产业中，目前对于其精度质量的要求越来越高。轴承套圈的生产要经过锻造、热处理、磨削工序、标识管理等步骤。

2、在工作过程中，随着温升及较大的载荷加载在齿轮套圈上，超过套圈轴承的极限工作载荷，造成套圈开裂、微裂纹加大。套圈可能有的主要缺陷有材料质量缺陷、加工成形缺陷、热处理缺陷、磨削缺陷等，主要表现形式是有夹杂物、裂纹、凹坑、过烧产生的组织不合格、表面裂纹等。这些缺陷会对生产经济和民生安全产生不可估计的影响。因此，及时对齿轮套圈中缺陷进行无损检测，定期维修齿轮套圈、保证设备正常运转具有重要的意义。

3、为了提高齿轮产品的性能和可靠性，需研究齿轮缺陷检测方法并研制相应的检测设备和方法，对影响齿轮传动的因素(齿轮的裂纹、毛刺、划痕等)进行检测。

4、超声相控阵检测技术采用由多个(一般大于32)阵元组成的阵列换能器，通过电子信号控制各阵元的超声激励、接收延时，实现声束在试件内部的定向偏转及聚焦。利用商用相控阵检测系统可十分方便地对构件进行实时成像，实现对回波信号的a型、b型、c型、d型实时检测成像，但在保证成像实时性的同时，其检测精度和缺陷表征能力却极为有限。

5、先进的成像算法推动了超声相控阵技术的发展，全聚焦成像方法(totalfocusing method，tfm)是一种基于全矩阵捕获(full matrix capture，fmc)的虚拟聚焦后处理及缺陷图像重构算法。tfm处理的第一步就是采集fmc数据，使用超声阵列探头的fmc特定数据采集过程，其中阵列中的每个阵元依次作为发射器，而所有阵元作为每个发射脉冲的接收器。相控阵换能器的n个阵元依次激发，当其中一个阵元被激发时，所有阵元都接收超声回波信号并储存。将发射阵元的序号记为i，接收阵元的信序号为j，接收的超声回波时域信号记为hij，每个具体的hij其实就是一个a扫信号。待n个阵元都激发完成后，便可得到一个包含了检测物体全部信息的n×n矩阵集。因此，在全聚焦算法的扫描区域内，任何一点的振动可以认为是所有阵元发射声波的共同作用，那么待测区域内任意一点的声压幅值即为每一个声波在此点的声压幅值累加和。

6、全矩阵数据采集完成后，需要在检测的区域范围建立平面直角坐标系，并在检测区域范围内划分网格，得到均匀行列分布的多个离散像素点，像素点的个数可根据对成像分辨率的需求进行设置。在进行全聚焦成像计算时，需要对各个像素点在不同发射接收阵元组合下的幅值进行叠加，以得到各个像素点的最终幅值，最后根据各个像素点的幅值进行成像。全聚焦成像原理只是利用幅值信息来进行图像重建，对信号的噪声等无效成分也是相同权重叠加，对缺陷成像时存在较多伪影。该发明引入了瞬时相位加权叠加，使信号的有用部分权重较高，重建图像的信噪比大幅提高。本发明综合利用全矩阵数据的幅值和相位信息，提出一种用于齿轮套圈缺陷检测的装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于环形统计矢量成像的齿轮套圈缺陷检测装置及方法，旨在通过无损检测的方法实现轴承套圈缺陷的检测。

2、本发明所述的齿轮套圈缺陷检测装置包括：计算机、相控阵检测仪、换能器、待检测齿轮套圈、待检测齿轮套圈平台，所述相控阵换能器的探头由128个阵元组成。检测过程为：相控阵检测仪中的激励/接收模块由计算机控制产生激励信号，通过相控阵换能器发出超声波信号，沿待检测齿轮套圈传播，并通过相控阵换能器接收反射的超声波信号，然后通过相控阵检测仪中的信号激励/接收模块传输到计算机中，通过计算机中与之配套的采集软件即可采集时域信号。

3、本发明提出的齿轮套圈缺陷的环形统计矢量成像方法，其基本原理在于：使用一个具有l＝128个阵元的线阵列换能器进行全矩阵数据采集，每通道回波信号的采样点为m，首先激励阵列换能器的第一个阵元发射超声波，n个接收阵元接收反射回波信号，此时可以获得n×m的二维回波数据。然后激励第二个阵元发射超声波，所有阵元并行接收反射回波信号，直到第128个阵元全部发射完超声波，所有阵元作为接收换能器接收反射回波信号为止，此时完成了全矩阵数据的采集，获得l×n×m的三维反射回波数据rk,i(tk,i(x,z))，其中，线阵列换能器在第k个阵元点k(xk,zk)发射之后由第i个阵元点i(xi,zi)接收的信号记为rk,i(t)。首先，对全矩阵数据进行希尔伯特变换，得到了瞬时相位信息；然后，对成像区域内每个像素点进行瞬时相位叠加，利用提出的相位相干法对各像素点的幅值进行加权；最后，得到相位相干的全聚焦成像，通过重建图像得到齿轮套圈的缺陷特征信息。

4、本发明的有益效果为：

5、1.改进后的csv算法基于换能器阵元的半扩散角，将半扩散角内的波束进行齿轮套圈缺陷重建，剔除半扩散角以外的低能量波束，降低弧形面状伪影，从而提高齿轮套圈缺陷成像的质量，加快成像重建的速度，减少齿轮套圈缺陷漏检、错检的可能。

6、2.在csv算法中加入canny算子自动提取齿轮套圈图像细小缺陷边缘，计算齿轮套圈缺陷图像最大信噪比snr，相比于传统tfm幅值信号重建的图像，待测件齿轮套圈缺陷信噪比提高了3.55db。

7、3.改进后的csv算法由于存在半扩散角的约束，在每一个虚拟网格点聚焦时，可以得到真实的叠加次数，可以获得更大视野的具有高分辨率的成像区域，提升了缺陷检测的质量。

技术特征：

1.一种基于环形统计矢量成像的齿轮套圈缺陷检测装置及方法，装置包括：128阵元超声相控阵换能器、待检测齿轮套圈、相控阵发射与采集控制器以及计算机，齿轮套圈缺陷检测流程，其特征在于：128阵元超声相控换能器连接至计算机，计算机通过控制相控阵发射与采集模块向待检测齿轮套圈发射超声波并采集回波信号，采集到的回波信号传输入计算机内部进行后续计算。具体的步骤如下：

技术总结本发明涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种基于环形统计矢量成像的齿轮套圈缺陷检测装置及方法，该装置包括：测量装置、相控阵控制器、128阵元超声换能器、采集装置和计算机，128阵元超声换能器固定在待测齿轮套圈表面上，换能器通过一发多收的方式得到二维全矩阵数据。针对套圈缺陷成像存在较多伪影、分辨率较低的问题，本发明提出在半扩散角约束下具有全自动提取齿轮套图像细小缺陷边缘，自动选取最合适的半扩散角，以达到图像信噪比最大的功能。结合对齿轮套圈表面进行成像，基于该装置可在超声成像算法技术中有效解决金属缺陷定位和无损检测的问题。技术研发人员：郑慧峰,张凯胜,沈超,高琪,彭葆茗,吕世杰,韩梦雨受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23