基于無人車巡檢的鋼材缺陷自動檢測方法研究

蔡汝健，張潔輝，池鴻源

（中國移動通信集團廣東有限公司 汕頭分公司，廣東 汕頭 515041）

0 引言

鋼材是現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域中不可或缺的原材料,在航空航天、汽車輪船的制造上有著重要的地位。 因生產(chǎn)工藝、周轉(zhuǎn)磨損等因素,鋼材容易出現(xiàn)裂紋、空洞、表面缺失等質(zhì)量缺陷［1］,直接影響了鋼材的應(yīng)用功能。鋼材的質(zhì)量缺陷一方面影響了制成品的外觀度,一方面影響了鋼材性能,使得其抗腐蝕性和抗打壓性降低［2］。 因此,鋼材缺陷是制造業(yè)十分重視的問題,越來越多的企業(yè)對這一課題進行研究。 在鋼材進入制造產(chǎn)業(yè)線前期,進行鋼材缺陷檢測,能提高制造成品的合格率,減少制造業(yè)的成本和經(jīng)濟損失［3］。 目前,計算機AI技術(shù)迅猛發(fā)展,許多行業(yè)都引入無人機器代替人工作業(yè),提高工作效率,以無人車為代表的智能機器人在越來越多的領(lǐng)域應(yīng)用。 無人車是集機械電子、自動化控制、計算機遙感等技術(shù)于一身的集合體,具有身體輕便靈巧、操作簡單、成本相對較低等優(yōu)點,可適用于許多場景。 將鋼材缺陷聲波檢測裝置安裝在無人車上,利用無人車自動行走平臺精準識別鋼材缺陷返回的特征聲波信號,對鋼材進行自動檢測,實現(xiàn)高效率、高準確度的鋼材缺陷檢測。

1 基于無人車巡檢的鋼材缺陷自動檢測方法

1.1 分析鋼材缺陷聲波發(fā)射信號源原理

鋼材在受到外加負載作用的情況下,體積和形狀都會發(fā)生改變,這會使鋼材發(fā)生形變,形變通常分為彈性變形和塑性變形［4］,如圖1、圖2 所示。 拉伸試件在施加應(yīng)力達到屈服極限時,表面被極度拉伸出現(xiàn)裂紋,這些裂紋被稱為滑移線［5］。 滑移是鋼材塑性變形損傷過程的方式之一,主要是鋼材內(nèi)部在形變時發(fā)生錯位,錯位部分在應(yīng)力作用下繼續(xù)位移導(dǎo)致的。 這會使得鋼材在不穩(wěn)定的高能狀態(tài)向相對穩(wěn)定的低能量狀態(tài)運動轉(zhuǎn)變時釋放大量的彈性形變能量,即在這一過程中產(chǎn)生一定量的聲發(fā)射源信號,所以位錯周圍形成的應(yīng)力場就是產(chǎn)生聲發(fā)射源的地方［6］。

圖1 鋼材彈性形變

圖2 鋼材塑性形變

1.2 檢測鋼材缺陷聲波發(fā)射信號

在無人車中裝備聲波發(fā)射檢測裝置,聲波發(fā)射檢測信號的特征參數(shù)分析法是以簡化波形的特征參數(shù)來表示聲波發(fā)射信號所包含的一定量的相關(guān)信息,將晶體內(nèi)可動位錯的密度這一變量來表示聲發(fā)射計數(shù)率的變化過程,這兩個變化參數(shù)之間建立如下公式:

本文對鋼材損傷過程的檢測評價采用特征參數(shù)的經(jīng)歷圖分析法,并在此基礎(chǔ)上,計算得到聲波發(fā)射信號特征參數(shù)的累積變化曲線與累積量變化歸一化曲線,實現(xiàn)對鋼材損傷的有效分析。

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗裝置

無人車聲波檢測由材料力學(xué)實驗系統(tǒng)、聲波接收儀器、傳感器、磁夾具、傳輸電纜、前置放大器構(gòu)成。

2.1.1 材料力學(xué)實驗系統(tǒng)

選用BDCL 型材料力學(xué)多功能實驗裝置開展實驗,如圖3 所示,最大作用載荷為10 KN,主要采用蝸桿機構(gòu)以螺旋千斤進行加載。 其作用載荷通過傳感器顯示,試件的受力變形通過應(yīng)變片由電阻應(yīng)變儀顯示,能完成高低周疲勞、靜態(tài)力學(xué)、裂紋擴展以及其他高溫力學(xué)性能的多種實驗,顯然能滿足本實驗中需要加載的各項需求。

圖3 BDCL 型材料力學(xué)多功能實驗裝置

2.1.2 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

本文實驗室所用的鋼材聲發(fā)射檢測設(shè)備系統(tǒng)裝置了PCI-2 采集卡四塊；主要設(shè)備傳感器型號為R15α,核心運算速率為150 kHz；裝置前方設(shè)有聲波放大器,規(guī)格為30 dB,50 dB 和70 dB,這3 個規(guī)格組合相互促進。 該系統(tǒng)主要技術(shù)特點是全數(shù)字化、PCI 總線等協(xié)同作用,對鋼材缺陷的聲波進行實時采集和自動檢測。

2.2 實驗過程

第一步,材料試驗機的參數(shù)設(shè)置。 打開材料試驗機及其控制系統(tǒng),按表1 加載方案設(shè)置相關(guān)使用的參數(shù)。

第二步,安裝試件。 利用試驗機自帶夾具將試件安裝固定在材料試驗機上,在確保試件安裝牢固的前提條件下,安裝過程中盡量將夾具安裝在試件兩端,并盡可能使得兩端實現(xiàn)對稱,讓其在拉伸損傷加載過程中受力均勻。

第三步,布置傳感器。 在試件上用標記筆標出布置部位并涂上耦合劑,所用耦合劑為CG-98 型號,該產(chǎn)品在垂直壁體上不會流失或流失量很少,有利于拉伸損傷試驗垂直加載的采集,且操作方便。 之后,用磁夾具將探頭固定在試件布置位置。

第四步,聲發(fā)射監(jiān)測參數(shù)設(shè)置。 按相關(guān)操作連接設(shè)備并開啟儀器應(yīng)用軟件,按表1 設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

表1 各組試驗加載參數(shù)

第五步,背景噪聲的測定。 在試驗監(jiān)測前,將門檻值設(shè)置降低到20 dB,用小載10 KN, 拉伸速率0.2 mm/min,加載30 s 采集背景噪聲,并由此得到最后確定監(jiān)測采集所需設(shè)置的門檻幅值。 本試驗設(shè)置為65 dB值。

第六步,拉伸監(jiān)測采集。 按要求設(shè)置好各項參數(shù)后,進行實時監(jiān)測。

經(jīng)實驗對聲波進行采集,分析聲波信號,提取聲波中的參數(shù)對比。 在鋼材缺陷發(fā)出的聲波參數(shù)中提取鋼材在拉伸形變時所受外力作用的方向、大小等信息,無人車將這些信息采集并利用后臺程序分析,對鋼材缺陷進行準確檢測。

2.3 實驗結(jié)果分析

本文所設(shè)計的方法是被動接收鋼材缺陷發(fā)出的特征聲波,對聲波的上升時間、計數(shù)、能量、持續(xù)時間與幅值5 個主要特征參量累積量隨時間變化情況進行分析。 并對對照組和實驗組進行對比實驗,對照組采用傳統(tǒng)方法對鋼材缺陷進行檢測,實驗組采用本文所設(shè)計的方法進行實驗。

通過表2 數(shù)據(jù)可以看出,本文所設(shè)計的基于無人車巡檢的鋼材缺陷自動檢測方法對形變1 的正確識別率為99.5%,對形變2 的正確識別率為99.1%,對形變3 的正確識別率為99.3%。 與傳統(tǒng)的識別方法相比,極大提高了鋼材缺陷識別的準確率,能夠很好地將環(huán)境中的噪聲干擾去除,從大環(huán)境的聲波中準確識別鋼材缺陷所發(fā)出的聲波,其檢測準確率較高,滿足工業(yè)制造中的檢測需求。

表2 實驗結(jié)果統(tǒng)計

3 結(jié)語

鋼材在現(xiàn)代制造業(yè)有著十分重要的地位,鋼材的缺陷會對制造成品有較大影響。 本文利用無人車對鋼材缺陷的自動檢測方法進行優(yōu)化,在實際應(yīng)用中對鋼材缺陷的拉伸形變進行分析,通過無人車上的聲波探測裝置對鋼材進行缺陷檢測,大大降低了人工成本,提高了檢測的準確率。 本文未對所設(shè)計的方法進行多輪實驗,還需在今后研究中更進一步完善。