氣門推桿質量控制的自動化渦流檢測系統

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(1.中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116；2.中國礦業大學 信息與控制工程學院，徐州 221116)

發動機是汽車的動力源，直接影響著汽車的動力性、經濟性和環保性。氣門推桿作為汽車發動機配氣機構的重要零部件之一，其安全性和可靠性直接影響著汽車發動機的使用性能和壽命。氣門推桿在制造過程中需要經過多種加工工藝以保證球頭硬度、圓跳度、長度等相關參量，不可避免地會出現表面裂紋、夾痕、劃痕、擦傷等缺陷[1]。為了有效篩選出存在質量缺陷的氣門推桿，往往要對其進行人工檢測，但人工檢測勞動強度大、過程繁瑣、效率低等，并且受人為因素影響較大，不能夠滿足現代企業生產的需求。

基于電磁感應原理的渦流檢測技術具有成本低、速度快、非接觸等優點，廣泛用于金屬零部件產品的質量檢測中[2-5]。田明明等[6]運用頻譜分析和濾波等方法從電磁超聲信號中提取脈沖渦流信號實現了復合缺陷檢測。LI等[7]提出通過測量脈沖渦流磁場梯度來提高檢測靈敏度。徐志遠等[8]提出了基于脈沖渦流的奧氏體鍋爐管氧化皮堆積厚度的檢測方法。FAN等[9]研究了激勵頻率對信號及缺陷分類的影響，并提出了激勵頻率優化方法以提高分類精度。LIU等[10]運用改進的經驗模態分解方法提高了內部缺陷檢測精度和魯棒性。李偉等[11]引入了雙U形正交激勵陣列以產生旋轉磁場，避免了缺陷方向對檢測結果的影響。孫紅春等[12]通過研究不同頻率和不同提離對相位信號的影響，以擬合平均標準差最小為目標，獲得了棒料小裂紋渦流檢測參數與相位信號呈線性關系的最佳檢測參數。YE等[13]將核函數用于缺陷信號特征的提取與分類器的構造中，理論上解決了線性不可分情況下的缺陷分類問題。JOUBERT等[14]采用渦流陣列傳感器實現了對金屬部件鉆孔處的亞表面缺陷裂紋檢測。

氣門推桿是桿狀金屬零件，尤其在制造過程中容易在表面產生裂紋、夾痕、劃痕、擦傷等缺陷，從成本、效率等方面考慮，渦流法是合適的檢測方法。筆者采用電渦流技術對氣門推桿缺陷進行了檢測，設計了一套自動化渦流檢測系統。檢測結果表明，設計的系統可以滿足氣門推桿質量的控制要求。

圖1 氣門推桿缺陷自動化檢測系統結構示意

1 氣門推桿缺陷自動化檢測系統設計

1.1 機械結構

氣門推桿缺陷自動化檢測系統主要包括機械結構、電氣控制和檢測裝置3部分(見圖1)。

機械結構包括上料系統、檢測傳輸系統和下料系統。

上料系統：將待檢氣門推桿放置在有傾角的上料框中，在重力作用下，工件滾落至料框底部；通過步進電機連接的止推板將氣門推桿推送到待檢部位；當止推板厚度是氣門推桿直徑的2/3左右時，即可保證每次只推送一個氣門推桿，實現單獨自主上料。

傳輸系統：采用精研調速電機帶動輸送滾輪轉動，通過張緊輪預緊，各輸送滾輪之間采用圓皮帶點焊連接，實現氣門推桿在輸送輪上的平穩快速移動，上料與檢測傳輸機構如圖2(a)所示。為了防止氣門推桿偏心，在探頭后側安裝了氣動手指，當工件臨近時，氣動手指閉合，指引推桿穿過探頭。

下料系統：通過渦流檢測主機處理探頭信號，并將信息反饋給PLC(可編程邏輯控制器)，氣缸帶動擋板機構伸縮，將合格與不合格品分類存放。上、下料機構外觀如圖2(b)所示。

圖2 上、下料機構外觀

1.2 電氣控制

電氣控制系統包括數據采集系統和生產線控制系統。數據采集系統由外穿式渦流探頭和渦流檢測主機組成，主要負責數據的采集和保存；生產線控制系統采用西門子S7-200 PLC設備控制上料電機、精研電機、下料電機、計數傳感器等執行元件的實時控制。

電氣控制系統用于控制檢測設備、各傳感器以及電機等，實現自動上下料、分選、缺陷檢測和不合格報警，使系統完成自動化檢測，其框圖如圖3所示。系統設有手動和自動控制，能夠通過監控軟件實現人員操作和實時顯示渦流檢測結果、正品及廢品數量。系統能保存和輸出檢測參數、檢測結果和檢測曲線，并根據檢測參數評估產品的合格率。通過監測傳感器能夠對檢測速度、系統故障和運行狀態進行實時監控。

圖3 系統的電氣控制框圖

1.3 渦流檢測裝置

檢測裝置由外穿式探頭和渦流檢測主機組成。為了實現檢測線圈中磁場信號的提取，系統將探頭構造成差分電橋。外穿式探頭為圓柱空心差分探頭，其內半徑r1=3.5 mm，外半徑r2=4 mm，線圈高度h=2 mm。線圈由線徑為0.08 mm的漆包線纏繞而成，纏繞圈數為300圈。

渦流檢測主機選用8個頻率組合的信號激勵線圈，對調制的輸出信號按多個檢測通道加以放大，分別進行解調，并把解調信號的各個分量以指定的方式組合起來，再進行綜合分析處理，在界面上及時顯示工件的阻抗圖。檢測主機將產品質量判斷信號傳輸給PLC，氣門推桿傳輸到下料主線時，PLC根據判斷指令控制分揀機構實現合格或不合格產品分類，系統檢測流程如圖4所示。

圖4 系統檢測流程

2 有限元建模與仿真

在氣門推桿渦流檢測中，球頭凸起將改變探頭與推桿之間的距離，進而顯著影響探頭信號，即存在提離效應[14-15]，其與管狀試件的端部效應類似[16]。在此情況下，球頭與桿連接部位將是檢測盲區。應用ANSYS MAXWELL軟件建立氣門推桿渦流檢測有限元模型，仿真研究探頭與球頭相對位置對信號的影響，以確定檢測盲區，從而確定桿部的起始檢測位置。

將外穿式線圈固定，氣門推桿向線圈方向移動，每次步進間距0.5 mm。氣門推桿相對磁導率為150，電導率為3.02 MS/m。探頭位置不同時的渦流阻抗信號如圖5所示，探頭位置不同時的感應渦流密度如圖6所示。

圖5 探頭位置不同時的渦流阻抗信號

由圖5和圖6可知，當推桿球頭逐步靠近探頭時，電阻明顯增加，電抗減小，且探頭與球頭球心重合時，電阻最大，電抗最小；當球頭遠離探頭時，電阻逐漸減小，在探頭距離球心5 mm處，電阻穩定在0.742 Ω，電抗穩定在2.398 Ω。當球頭球心與線圈距離大于5 mm時，電阻和電抗均趨于穩定。

為了驗證推桿電磁參數變化時是否仍存在上述規律，分別仿真計算了電導率為0.59 ，3.02，13.85 MS·m-1時的渦流響應信號(見圖7)。接著，仿真計算了相對磁導率分別為50，150，250時的渦流響應信號(見圖8)。結果分析發現，雖然電導率和相對磁導率發生了顯著改變，但當球頭球心與線圈距離大于5 mm時，電阻和電抗仍然趨于穩定，說明該規律與推桿的電磁參數無關。

圖6 探頭位置不同時的感應渦流密度

圖7 不同電導率下的渦流響應信號

圖8 不同相對磁導率下的渦流響應信號

在推桿的桿部加工長2 mm、深1.5 mm的人工裂紋，仿真了距離球頭球心分別為0，5，10 mm情況下，探頭位置變化時的渦流響應信號(見圖9)。當缺陷位于球頭位置時，缺陷引起的信號被淹沒，無法識別缺陷；當缺陷距離球頭球心5 mm和10 mm位置時，缺陷引起的信號變化明顯，理論上可以識別帶缺陷的推桿。綜上所述，系統將推桿檢測盲區設為距離球頭球心5 mm，可以降低推桿檢測的誤報率。

3 試驗驗證

現場隨機選擇100根人工檢測合格的氣門推桿，經系統檢測并經人工復檢確認，該100根推桿中有95根合格，5根不合格，氣門推桿試件外觀如圖10所示。不合格推桿分別含有裂紋、夾痕、劃痕、擦傷等缺陷。

利用開發的檢測系統對試驗試件進行檢測，當檢測缺陷尺寸小于設定標準時，推桿判定合格，信號變化曲線限定在一定范圍；缺陷尺寸大于設定標準時，信號變化曲線超出設定范圍，推桿判定為不合格。

檢測系統主要實現氣門推桿的自動化檢測。開發的檢測主機軟件程序能完成檢測參數的任意調節，以適應不同規格的推桿，并能保存檢測信號，記錄檢測數量、合格和不合格數量，氣門推桿檢測結果如圖11所示。

為對氣門推桿進行產品質量的分類，根據預設定的參數閾值對待檢氣門推桿進行缺陷檢測和分類。根據現場試驗結果，獲得分類參數如表1所示。

圖9 探頭位置變化時推桿桿部缺陷的渦流響應信號

圖10 氣門推桿試件外觀

圖11 氣門推桿檢測結果

表1 氣門推桿分類結果

4 結語

設計了一套氣門推桿缺陷的自動化渦流檢測系統，該系統包括傳動機構、電氣控制系統、軟件系統和渦流檢測儀器等。運用有限元模型仿真研究了推桿電磁參數變化條件下，探頭與推桿球頭距離不同時響應信號的變化規律，確定了推桿檢測盲區，降低了系統誤報率。測試結果表明，該系統可以顯著提高氣門推桿缺陷的檢測效率，降低了漏檢率。