車輛輪轂缺陷的超聲自動(dòng)掃查

夏 沙，徐春廣，趙新玉，單志鵬，肖定國

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械制造集團(tuán)，包頭 014030）

輪轂是汽車、輪式工程載重車輛等承受較大載荷和交變載荷的重要組成構(gòu)件，因此容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，特別是在輪轂的轉(zhuǎn)角、裙邊等部位，更容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。及時(shí)檢測到這些缺陷并采取預(yù)防措施能有效地減少安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

由于輪轂形廓比較復(fù)雜，目前利用超聲檢測的方法大多數(shù)停留在手工檢測階段，工作效率低且準(zhǔn)確率不高。筆者設(shè)計(jì)研制了A、C 軸裝置并形成一套適用于復(fù)雜曲面形廓的超聲檢測系統(tǒng)，首先在輪轂的曲面部位加工平底孔來模擬天然裂紋缺陷，然后利用該檢測系統(tǒng)對其進(jìn)行超聲自動(dòng)掃查并實(shí)時(shí)成像。試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)對于具有復(fù)雜形廓的輪轂自動(dòng)檢測是非常有效的。

1 輪轂超聲檢測特點(diǎn)

圖1所示為某大型機(jī)械輪轂結(jié)構(gòu)，無論是檢測其柱面、裙邊平面，還是曲面部位，在超聲檢測過程中，探頭聲軸線均需要與被測點(diǎn)所在表面法線重合［1］，對于平面、圓柱面等相對規(guī)則形狀檢測較容易，而復(fù)雜曲面則比較困難，如輪轂的轉(zhuǎn)角曲面位置，但是該處恰恰是承受載荷較大的部位，最容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。輪轂外表面近似一個(gè)半徑為30mm的圓弧，內(nèi)表面為不規(guī)則表面，壁厚不均勻，因而從輪轂外表面發(fā)射的超聲波接收不到內(nèi)表面的回波信號(hào)。

圖1 輪轂結(jié)構(gòu)

2 超聲檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)

采用的硬件系統(tǒng)是一套超聲六軸掃查系統(tǒng)。主要是由一臺(tái)工控機(jī)、超聲收發(fā)卡、數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、編碼器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置等組成，如圖2所示。系統(tǒng)實(shí)際選用超聲激發(fā)和數(shù)據(jù)采集于一體的收發(fā)卡，它同時(shí)具有激發(fā)超聲波和數(shù)據(jù)采集功能，采用多通道運(yùn)動(dòng)控制卡。系統(tǒng)為開放系統(tǒng)，由編碼器來控制運(yùn)動(dòng)過程中超聲激發(fā)和數(shù)據(jù)采集。

圖2 超聲六軸掃查硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)由六個(gè)軸共同實(shí)現(xiàn)對探頭的位置和角度的調(diào)整。由X、Y、Z三方向直線運(yùn)動(dòng)軸和A、C、T 三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成，如圖3所示為掃查系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖。旋轉(zhuǎn)A、C軸的設(shè)計(jì)研制是重點(diǎn)，圖4為A、C旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)簡圖，整個(gè)機(jī)械裝置被固定在Z軸上。圖中的C 軸，它帶動(dòng)圖中整個(gè)裝置繞Z軸旋轉(zhuǎn)；A 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過一對錐齒輪傳遞給探頭，實(shí)現(xiàn)了探頭擺動(dòng)，即繞X軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是在VC＋＋6.0平臺(tái)下開發(fā)的，主要工作是完成對六軸的運(yùn)動(dòng)控制及A 掃描和C 掃描的實(shí)時(shí)成像，從而實(shí)現(xiàn)對輪轂曲面的掃查。

由于輪轂的曲面為不規(guī)則曲面，需要通過插補(bǔ)運(yùn)算，規(guī)劃出探頭運(yùn)動(dòng)的軌跡以及探頭擺動(dòng)角度［2］。選取輪轂的回轉(zhuǎn)中心作為原點(diǎn)，通過一定的測量方法擬合出輪轂曲面部位的曲面方程，這樣容易得到一些密集的點(diǎn)，通過控制各軸聯(lián)動(dòng)，使探頭按這些密集點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)探頭擺動(dòng)使探頭中心軸線與平底孔表面法線保持一致，擬合出曲線的真實(shí)軌跡。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是利用AD－IPR－1210卡采集，它具有激發(fā)超聲波和采集數(shù)據(jù)的功能，將采集到的特征值點(diǎn)，也就是信號(hào)幅值大小，實(shí)時(shí)地按比例顯示成色塊圖，就形成了所需的C 掃圖，通過C 掃圖可以很直觀地看出信號(hào)的強(qiáng)弱，即能看出是否有缺陷存在。

3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中選用探頭是PANAMETRICS公司的聚焦探頭C309，頻率為5 MHz。輪轂曲面部位是不等厚的截面，表面法線方向與底面法線方向成一定的角度，聲波沿表面法線入射后，可以接收到表面回波，而底面回波則無法被接收到。在制作平底孔時(shí)，需要使其軸線方向與聲波入射方向保持一致，因而能在有平底孔的地方接收到平底孔表面的回波信號(hào)［3］。

在輪轂上加工了直徑分別為2，3，5mm 的缺陷平底孔來模擬輪轂內(nèi)部裂紋缺陷。根據(jù)輪轂曲面形廓特點(diǎn)，輪轂有缺陷平底孔和沒有缺陷平底孔截面聲波傳播示意圖見圖5。由于輪轂屬于回轉(zhuǎn)體件，因而選擇T 軸轉(zhuǎn)臺(tái)作為掃查軸，X，Z，C 軸三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)探頭步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)掃查，生成C掃圖像。

從示意圖中可以看出，當(dāng)沒有缺陷平底孔時(shí)，換能器只能接收到輪轂表面回波，沒有平底孔表面回波；而有缺陷平底孔時(shí)，能接收到輪轂表面回波和平底孔表面回波。這樣就能通過平底孔表面回波信號(hào)，準(zhǔn)確地知道是否有平底孔以及平底孔的位置。

圖6為輪轂超聲檢測實(shí)物圖，由于水為耦合劑，輪轂泡在水中會(huì)生銹，因此將輪轂所有表面噴涂了一層薄薄的漆，用來防銹卻不影響測驗(yàn)結(jié)果。探頭擺角θ與缺陷盲孔軸心線的角度應(yīng)該相同，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)將探頭與豎直平面的角度設(shè)置為45°，也是平底孔中心軸線與豎直平面所成的角度。掃查過程中，只有在這個(gè)位置時(shí)接收到信號(hào)最大，找到探頭中軸線與平底孔軸線重合的地方調(diào)整各個(gè)參數(shù)，得到期望的試驗(yàn)結(jié)果。圖7是得到的φ3mm 平底孔A掃波形圖，其中橫坐標(biāo)表示聲時(shí)。圖中第一個(gè)波形是輪轂外表面回波，反射信號(hào)較強(qiáng)，第二個(gè)波是平底孔表面回波。通過測量知道，探頭發(fā)射表面距離輪轂表面為65.5mm，平底孔底面與輪轂入射表面距離d為10mm，在常溫下（25℃）在水和鋼中的聲速分別近似為1 500m／s和6 000m／s［4］，通過計(jì)算驗(yàn)證了這些波形分別是表面回波、平底孔表面回波和平底孔表面第二次回波。同樣通過對φ2 mm，φ5mm平底孔得到的A 掃波形進(jìn)行了驗(yàn)算，證明了得到的信號(hào)是準(zhǔn)確的回波信號(hào)。

圖7 φ3mm 平底孔A 掃波形圖

4 成像結(jié)果及分析

利用六軸掃查系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以對曲面進(jìn)行掃查，進(jìn)而得出C掃描圖。得出的C 掃描圖像是一個(gè)曲面展開的二維平面圖，其中橫坐標(biāo)表示輪轂轉(zhuǎn)過的弧長，由T 軸轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的角度和輪轂曲面回轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定，縱坐標(biāo)表示的是輪轂截面的曲線長度（即豎直平面內(nèi)弧長）。實(shí)際試驗(yàn)中，設(shè)置T 軸掃查的角度是20°，而平底孔所在位置相對輪轂回轉(zhuǎn)中心的直徑為φ290mm，得到橫坐標(biāo)值為50.6mm，通過測量曲線長度約為10.5mm，即為縱坐標(biāo)值。

如圖8為不同直徑平底孔得到的C 掃描圖像，從圖中可以看出，可以接收到φ2，φ3，φ5mm 平底孔較好的信號(hào)，說明系統(tǒng)對于φ2 mm 直徑缺陷孔仍然有較好的檢測效果，滿足了一般輪轂的檢測要求［5］。接收缺陷信號(hào)最強(qiáng)的位置，也就是平底孔的中心位置即缺陷的位置。圖中3個(gè)孔徑平底孔的中心基本符合預(yù)期位置，橫坐標(biāo)在25mm，縱坐標(biāo)在5mm附近，有一定的偏差可能是平底孔位置誤差、機(jī)械系統(tǒng)誤差等其它誤差造成的。而缺陷大小與實(shí)際平底孔孔徑大小相比，變化規(guī)律符合按孔徑大小增大而增大，單個(gè)孔與實(shí)際孔大小對比知道，掃查圖像比實(shí)際孔大，但是誤差較小，這是因?yàn)樘筋^也有一定的直徑，能覆蓋一定的區(qū)域，這樣造成探頭中心線未到達(dá)平底孔就能接收微弱信號(hào)，即圖中缺陷邊緣部分。

圖8 不同直徑平底孔C掃描圖像

5 結(jié)論

試驗(yàn)表明，通過六軸聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的控制，將探頭的角度調(diào)整到與被測表面法向一致，結(jié)合超聲A，C 掃圖，能夠得到缺陷的有無、大小以及位置等信息，實(shí)現(xiàn)輪轂曲面的缺陷平底孔的檢測。通過超聲A 掃圖可以看到回波信號(hào)，得到聲波到達(dá)時(shí)間，結(jié)合聲速可以夠準(zhǔn)確確定缺陷在探頭軸線方向上的位置；通過C掃圖，能夠判別出缺陷在第一回波信號(hào)平面內(nèi)的大小以及位置信息。

平底孔缺陷模擬了輪轂中與輪轂表面平行裂紋等缺陷。對于一般裂紋缺陷，與輪轂表面不平行，這時(shí)候需要用幾個(gè)探頭（一般5個(gè)），布置成不同的角度，每個(gè)探頭中心軸線均與被測表面垂直，這樣總有一個(gè)探頭能接收到缺陷回波信號(hào)，也就找到了缺陷的大致位置，再通過微調(diào)探頭角度找到信號(hào)最強(qiáng)的位置，認(rèn)為這個(gè)位置就是缺陷所在平面位置，然后利用上述試驗(yàn)方案，即可準(zhǔn)確地測出缺陷的大小、位置、深度等信息。

［1］ MA H W，ZHANG X H，WEI J.Research on an Ul－trasonic NDT System for Complex Surface Parts［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，129：667－670.

［2］ TAKESURE N，ZHANG G.Precise position control of robot arms using a homogeneous ER fluid［J］.Control Systems Magazine，IEEE，1999，19（2）：55－61.

［3］ TIMOTHY J Case，ROBERT C Waag.Flaw Identification from Time and Frequency Features of Ultrasonic Waveforms［J］.Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics and Frequency Control，IEEE Transactions on，1996，43（4）：592－600.

［4］ PALANICHAMY P，VASUDEVAN M.Ultrasonic Techniques for Assessment of Microstructures and Residual Stresses in Austenitic Stainless Steels［J］.Journal of Pure and Applied Ultrasonics，2010，32（4）：101－108.

［5］ ROCKSTOH B，WALTE F.New ultrasound testing systems for the production testing of rail wheels［J］.Insight－Non－Destructive Testing and Condition Monitoring，2007，49（6）：333－336.