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(cè)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(cè)的方法大多數(shù)停留在手工檢測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)對(duì)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(duì)于具有復(fù)雜形廓的輪轂自動(dòng)檢測(cè)是非常有效的。

1 輪轂超聲檢測(cè)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(cè)其柱面、裙邊平面，還是曲面部位，在超聲檢測(cè)過程中，探頭聲軸線均需要與被測(cè)點(diǎn)所在表面法線重合［1］，對(duì)于平面、圓柱面等相對(duì)規(guī)則形狀檢測(cè)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(cè)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(shì)，可以對(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)度（即豎直平面內(nèi)弧長(zhǎng)）。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(duì)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(cè)量曲線長(zhǎng)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(duì)于φ2 mm 直徑缺陷孔仍然有較好的檢測(cè)效果，滿足了一般輪轂的檢測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)。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(duì)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(cè)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(cè)出缺陷的大小、位置、深度等信息。

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