摘要：针对钢制锻件内部缺陷检测对精度与效率的高要求，文章开展了基于多轴运动平台的自动化超声检测系统研究，详细阐述了系统总体架构及多轴机械结构设计，介绍了超声探头布置方案与信号采集处理方法，并结合实验测试方案对系统性能进行了分析。研究结果表明，该系统在缺陷识别准确率与检测效率上均具备显著优势，适用于复杂形状工件的自动化检测场景。

　　关键词：钢制锻件；多轴运动平台；超声检测

　　钢制锻件作为航空航天、核电装备、工程机械等高端装备制造领域的核心关键构件，其内部常因锻造工艺特性可能存在夹杂、疏松、裂纹等隐性缺陷，此类缺陷若未被有效检出，将直接影响装备服役过程中的结构完整性与运行安全性，甚至可能引发重大安全事故及巨额经济损失。然而，传统钢制锻件无损检测多依赖人工手持超声探头操作，存在缺陷判断主观性强、重复检测一致性差、稳定性不足等固有问题，且针对大型复杂结构锻件时，易因检测盲区多、人工操作效率低下导致检测周期冗长，难以适配现代高端装备制造业对批量生产件高效、精准质量控制的严苛要求。为此，文章聚焦于多轴运动平台下的自动化超声检测系统设计，系统集成机械控制、信号处理与缺陷识别算法，构建高效、精准的检测方案，实现对不同规格、复杂形状钢制锻件的全覆盖、无盲区扫描检测，有效提升缺陷识别的精准度与检测过程的稳定性，进而推动钢制锻件无损检测技术从人工操作向自动化、智能化转型。

　　1多轴运动平台结构设计

　　1.1系统总体架构

　　系统总体架构由多轴运动平台、超声检测模块、控制系统和数据处理单元四个核心部分组成。多轴平台负责实现对钢制锻件的精准三维移动，以覆盖全部检测区域；超声检测模块包括超声波探头、脉冲发射器和信号接收器，用于获取材料内部回波信息［1］；控制系统以嵌入式控制器为核心，协调平台运动与信号采集的同步执行；数据处理单元则通过专用算法对采集信号进行滤波、特征提取及缺陷判定。各模块间通过高速数据总线互联，实现多线程并行处理与实时反馈控制，保障检测精度与效率。

　　1.2多机械结构设计

　　多机械结构设计以实现钢制锻件全方位扫描为目标，平台采用龙门式结构，集成X、Y、Z三个直线运动轴和一个旋转轴（R轴），实现多自由度定位。X轴采用双导轨加滚珠丝杠驱动，支撑主横梁并提供水平方向的大行程移动；Y轴固定于横梁下方，带动探头小车沿工件宽度方向移动；Z轴设置于Y轴上方，用于调节探头的垂直检测深度［2］。旋转轴设计在工件载台下部，实现对异形工件的旋转扫描，如图1所示。

　　1.3运动部件选型

　　X、Y、Z三条直线轴均选用伺服电机配合滚珠丝杠传动结构，实现优良的定位精度与动态跟随性能。其中，伺服电机具备较宽的调速范围和优异的速度稳定性，滚珠丝杠可有效减少传动摩擦、提升传动效率，并保证重复定位精度。旋转轴部分选用直驱电机，依靠其高扭矩输出及无机械间隙的结构特点，实现平稳、精准的旋转运动，尤其适合在复杂扫描路径中进行连续角度调整。各部件在选型过程中综合考虑了载荷能力、行程范围、加速度响应以及与控制系统的匹配度，以确保整体协同工作效率，具体如表1所示。

　　2超声检测技术与信号处理方法

　　2.1钢制锻件常见缺陷类型

　　钢制锻件在锻造及热处理过程中易产生多种内部和表面缺陷，常见类型包括裂纹、白点、夹杂物、气孔与疏松等［3］。其中，裂纹多源于锻造过程中的应力集中、冷却速度不均或热处理温度控制不当，通常沿晶界扩展，呈线性或网状分布，对结构承载力影响显著；白点属于氢致裂纹的一种形式，因氢在钢中扩散聚集并在低温条件下诱发脆化，表现为内部亮点或分层结构，常在后期服役中引发隐患；夹杂物主要来自冶炼环节的非金属残留，如氧化物、硫化物等，会削弱钢材韧性与疲劳强度；气孔与疏松则多由于金属液中气体逸出不充分或凝固收缩不足而形成，造成局部密度不均，易成为应力集中源，影响整体服役性能和安全性。

　　2.2超声波探头选型与布置方式

　　在超声无损检测中，探头类型与布置方式直接影响检测灵敏度、分辨率与覆盖率。常用探头包括直探头、斜探头与相控阵探头：前者适用于表面平整、厚度适中的钢制锻件，可实现垂直入射并获得清晰回波；斜探头适合存在斜面、曲面的工件，可通过调整入射角提升对倾斜裂纹、分层等缺陷的识别能力；相控阵探头依托电子延时控制实现多角度、多焦点扫描，适用于复杂曲面与关键部位的精细成像［4］。探头布置需结合几何轮廓、检测路径及声场分布进行仿真优化，常采用多探头组合以提高覆盖率并消除盲区。布置时需保持良好声耦合，可采用水浸或高性能耦合剂以降低能量衰减并获得稳定的高信噪比信号。

　　2.3超声信号采集与噪声处理

　　超声信号采集过程采用高速A/D转换器对探头回波信号进行实时采样，采样频率一般在20~100MHz，以保证时域精度。信号采集后，需进行滤波与噪声抑制处理，常用方法包括带通滤波、均值滤波和小波变换等。小波去噪方法可在保留缺陷边缘信息的同时有效抑制高频干扰，其基本处理公式如式（1）：

　　式中：S（t）为原始信号；Ψj，k（t）为小波基函数；cj，k为小波变换系数。对高频系数采用阈值压缩后进行逆变换，可实现噪声有效去除。为提高信噪比，还可结合包络检测与时频分析对缺陷信号特征进行增强与提取。

　　3控制系统设计

　　3.1硬件系统

　　硬件平台采用模块化集成设计，便于维护与功能扩展，整体由运动控制单元、超声检测单元、信号采集模块、人机交互终端以及安全防护装置等核心部分组成。运动控制单元基于高性能嵌入式控制器与多轴伺服驱动器，实现X/Y/Z/R四轴的高精度同步联动，具备位置闭环与速度前馈控制功能，可满足复杂检测路径的精确执行［5］。超声检测单元由高频脉冲发射器、接收放大器及多通道探头阵列构成，支持不同类型探头的快速切换与组合应用。信号采集模块集成100MHz高速A/D转换器和前端信号调理电路，确保对回波信号的高保真采样与实时处理。人机交互终端采用工业级触控屏，提供检测参数设置、运行状态监控及数据可视化功能。安全防护装置包括行程限位开关、急停按钮和光电保护系统，可在异常情况下迅速切断执行机构，保障设备与操作人员的安全。

　　3.2软件界面设计

　　系统软件界面采用模块化图形化设计，集成运动控制、参数配置、数据采集、图像显示与缺陷分析等功能，如图2所示。主界面提供设备运行状态监控与手动控制入口，可实时显示各轴坐标、运动轨迹及检测进度。参数设置模块支持检测路径、自定义扫描速度、采样频率及探头通道选择，具备良好可调性与兼容性［6］。信号处理界面嵌入波形显示、包络图与频谱图窗口，便于分析超声特征。缺陷识别结果以图形标注方式叠加于工件轮廓图上，辅助用户进行判定与溯源。数据可导出为Excel或图像格式，支持历史记录查询。界面操作逻辑清晰，交互流程流畅，适用于多种操作人员使用需求。

　　4系统集成与测试

　　4.1检测流程

　　系统检测流程由工件加载、坐标定位、路径规划、超声检测、数据处理与结果判读六环节构成。先将钢制锻件固定在夹具上以确保检测稳定性，随后通过定位传感器或视觉模块获取三维坐标，实现精准空间建模。路径规划基于工件几何模型及可能的缺陷分布，利用CAD/CAM生成最优扫描轨迹，以提升覆盖率与效率。在检测阶段，多轴运动平台按规划路径驱动探头扫描，探头发射超声脉冲并接收内部界面或缺陷反射的回波信号。采集模块对回波进行高速采样并实时传送至处理单元，通过滤波、包络、时频分析等算法提取特征。最终，系统将处理结果以二维C扫描或三维成像展示，供检测人员判读缺陷位置与属性。

　　4.2实验方案

　　自动化超声检测系统的性能与适用性，实验选取5类标准化钢制锻件试样作为对象，并在指定位置预制裂纹、气孔、非金属夹杂与分层等人工缺陷。缺陷形态包括线状、点状及面状反射界面，尺寸范围控制在2~10mm，以模拟实际工况。实验采用水耦合以提高声能传递效率并降低阻抗失配。扫描步距设为1mm，以提升空间分辨率；探头频率选用5MHz，在穿透力与精度间取得平衡；采样频率为50MHz，确保回波采集的高保真度。每类试样均进行3次重复实验，并设置不同扫描方向与路径，以降低偶然误差并对比验证系统的检测稳定性与适用范围。

　　4.3结果分析

　　系统在不同试样上的识别效果如表2所示，数据涵盖识别准确率、漏检率、平均检测时间与误报数量等关键指标，验证系统在多种缺陷识别中的稳定性和实用性。

　　从表2可看出，系统在5类标准化钢制锻件试样上的检测表现稳定且精度较高。裂纹类缺陷的识别精度最高，平均达到98.6%，气孔与夹杂物的识别精度分别为96.8%与95.7%，分层缺陷的识别精度略低但仍达到94.2%，均满足工程检测要求。误报率方面，裂纹、气孔和夹杂物均控制在3%以内，分层缺陷略高，为4.5%，主要与缺陷边界反射特性相似度较高有关。检测效率方面，在扫描步距1mm条件下，单件工件平均检测时间为3.8min，相比人工检测缩短约45%。此外，重复实验的精度波动均控制在±1.2%以内，表明系统在多次检测中具有良好的稳定性与重复性。

　　5结语

　　综上所述，基于多轴运动平台的钢制锻件自动化超声检测系统融合了高精度机械设计、高灵敏度探测技术与智能化识别算法，有效提升了复杂结构锻件的检测效率与识别准确性。系统架构合理、性能稳定，具备良好的工程应用前景。未来可在相控阵探测、多类型工件适应性及深度学习缺陷识别等方面进一步拓展，提高系统在智能制造领域中的实用性与智能化水平。

参考文献

　　［1］吴国庆，高健.基于几何式手眼标定的五轴平台运动学标定研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2024（12）：18-22.

　　［2］张建军，李涵，刘群坡，等.面向多轴运动控制的EtherCAT主站设计与实时性优化［J］.仪表技术与传感器，2024（10）：105-110.

　　［3］罗凯元，郑文炜，杨霖.基于激光干涉的多轴运动平台垂直度测量［J］.光学精密工程，2024，32（17）：2654-2662.

　　［4］杨帆，刘春秘，辛运涛，等.复合材料零件的自动化相控阵穿透法超声检测［J］.无损探伤，2022，46（4）：38-41.

　　［5］魏清平，张帆，陈远强，等.焊接转子自动化超声检测装置控制系统设计［J］.现代制造技术与装备，2020，56（12）：64-66+70.

　　［6］李雷.钢制锻件超声探伤缺陷分析［J］.中国化工装备，2020，22（4）：25-28.