張　振，許有昌，卜雄洙，王新征

(1.南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司 工藝研究所， 南京 210006；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

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環(huán)形鍛件超聲波自動(dòng)C掃描檢測(cè)中的水聲距自動(dòng)修正方法

張振1，許有昌1，卜雄洙2，王新征2

(1.南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司 工藝研究所， 南京 210006；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

簡(jiǎn)要分析了水聲距變化引起檢測(cè)結(jié)果異常的原因，結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)噴水式超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用超聲檢測(cè)儀第一界面回波實(shí)時(shí)測(cè)量水聲距，并作為反饋值對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控制，自動(dòng)跟隨水聲距，同時(shí)采用樣條插值技術(shù)實(shí)時(shí)擬合DAC(距離-波幅)曲線，修正由于機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)作延遲和間隙引起的水聲距的微小偏移。利用上述方法對(duì)存在大于φ1.2 mm當(dāng)量缺陷的環(huán)形鍛件進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用水聲距自動(dòng)修正方法的檢測(cè)結(jié)果的信噪比明顯優(yōu)于未進(jìn)行修正的結(jié)果，缺陷清晰可辨，對(duì)同類檢測(cè)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用具有實(shí)際參考意義。

C掃描;DAC;水聲距;樣條插值;閉環(huán)控制;自動(dòng)修正

環(huán)形鋁合金鍛件在航空航天型號(hào)產(chǎn)品的承載和連接部件中得到了大量應(yīng)用[1]，為了獲得質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行無損檢測(cè)是十分必要的[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，國(guó)內(nèi)對(duì)此類鍛件的無損檢測(cè)正由人工超聲波檢測(cè)發(fā)展到了超聲波自動(dòng)化C掃描檢測(cè)階段[3-4]。

但是，對(duì)于基于DAC技術(shù)并采用轉(zhuǎn)臺(tái)加噴水方式的超聲波C掃描系統(tǒng)(見圖1)來說，在沒有專用夾持工裝的條件下，操作人員很難保證環(huán)形鍛件的中心軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線重合，轉(zhuǎn)動(dòng)掃描時(shí)水聲距(即超聲波在水層中傳播的距離，圖1中虛線所示部分)將不斷變化，使得超聲波檢測(cè)發(fā)生異常，嚴(yán)重時(shí)噴水水套和被測(cè)工件會(huì)產(chǎn)生摩擦碰撞而損壞超聲波探頭，無法保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

在研究基于DAC技術(shù)的超聲波自動(dòng)C掃描檢測(cè)原理以及水聲距變化引起檢測(cè)異常的原因的基礎(chǔ)上，筆者利用超聲波探頭反饋回的水聲距實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制，同時(shí)在軟件中采用樣條插值技術(shù)擬合DAC曲線,并根據(jù)水聲距的反饋值實(shí)時(shí)修正擬合曲線的位置參數(shù)，達(dá)到避免噴水水套和環(huán)形鍛件摩擦碰撞且保證檢測(cè)結(jié)果可靠的目的。

圖1　轉(zhuǎn)臺(tái)式超聲波C掃描系統(tǒng)示意

1　水聲距變化引起檢測(cè)異常的原因

1.1基于DAC技術(shù)的C掃描檢測(cè)原理

采用一套φ1.2 mm鋁合金對(duì)比試塊制作3條DAC曲線φ1.2 mm-15 dB、φ1.2 mm、φ1.2 mm+9 dB分別代表當(dāng)量φ0.5 mm、φ1.2 mm和φ2.0 mm。

檢測(cè)時(shí)，保持水聲距和檢測(cè)儀的增益與制作曲線時(shí)一致，軟件將缺陷回波幅值與上述3條曲線進(jìn)行比較，并用綠藍(lán)黃紅四種顏色成像，分別代表不同的當(dāng)量值區(qū)間。檢測(cè)人員依據(jù)圖像顏色可判斷缺陷是否超標(biāo)。

1.2水聲距變化引起檢測(cè)異常的原因分析

首先，環(huán)形鍛件的中心軸線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線偏離嚴(yán)重，探頭在水平方向靜止不動(dòng)時(shí)，通過圖2所示的幾何關(guān)系易得出:水套與被測(cè)件的距離ΔD將不斷變化，時(shí)大時(shí)小，嚴(yán)重時(shí)ΔD小于0，即探頭水套與被測(cè)件發(fā)生摩擦碰撞，導(dǎo)致探頭損毀或機(jī)器故障，無法進(jìn)行正常檢測(cè)。

圖2　環(huán)形工件在轉(zhuǎn)臺(tái)上偏置示意

圖3為水聲距變化引起當(dāng)量誤判示意。由圖可見:探頭水套與環(huán)形鍛件不接觸時(shí)，水聲距的變化改變了鍛件內(nèi)部某一位置缺陷的實(shí)際聲程，而DAC曲線位置并未作相應(yīng)的移動(dòng)。在圖3中，Ⅰ區(qū)代表當(dāng)量小于φ0.5 mm，Ⅱ區(qū)代表當(dāng)量在φ0.5～φ1.2 mm之間，Ⅲ區(qū)代表當(dāng)量在φ1.2～φ2.0 mm之間，Ⅳ區(qū)代表當(dāng)量大于φ2.0 mm。其中，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)為合格區(qū)，Ⅲ區(qū)及以上為不合格區(qū);圖中滿屏高度為110%?？梢钥闯?，該缺陷判定從不合格變成合格，嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3　水聲距變化引起當(dāng)量誤判示意

2　水聲距自動(dòng)修正方法

由上文可知，水聲距的變化是導(dǎo)致缺陷回波聲程改變的主要原因，使得通過DAC曲線判斷當(dāng)量時(shí)發(fā)生誤判，致使檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，下面首先通過利用水聲距自動(dòng)跟隨技術(shù)避免水套與環(huán)形鍛件相互摩擦，并保持水聲距的相對(duì)不變；然后，利用DAC曲線跟蹤第一界面回波的方法修正由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作延遲和間隙導(dǎo)致的水聲距的微小偏移，從而使得缺陷當(dāng)量的判別更加準(zhǔn)確。

2.1水聲距自動(dòng)跟隨技術(shù)

利用超聲波探頭測(cè)量實(shí)時(shí)水聲距S,并通過數(shù)字超聲檢測(cè)儀EPOCH1000的數(shù)據(jù)接口傳送給上位計(jì)算機(jī)，通過軟件將其與設(shè)定的水聲距S0進(jìn)行比較得出偏差量ΔS，然后由控制軟件向水平運(yùn)動(dòng)軸發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)水聲距的實(shí)時(shí)閉環(huán)跟隨。圖4為水聲距跟隨技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理框圖。

圖4　水聲距跟隨技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理框圖

2.2曲線跟蹤第一界面回波技術(shù)

曲線擬合方法比較多[5]，有線性插值、拉格朗日插值、Cubic Hermite插值、樣條插值等方法。由于樣條插值曲線最平滑，因此，筆者選擇利用樣條插值方法擬合DAC曲線,原理如下。

在離散聲程區(qū)間[Smin，Smax]中確定插值區(qū)間[Si，Si+1]后，根據(jù)樣條插值計(jì)算公式(1)可得到DAC曲線A=F(Si)，進(jìn)而可求出任一聲程S處的幅值。

(1)

式中:K,L,M,N為曲線方程系數(shù)；

(2)

(3)

(4)

(5)

第一界面回波是指探頭接收到的環(huán)形鍛件表面波形信號(hào)。顯然，第一界面回波與初始聲波的時(shí)間差乘以超聲波在水層中的聲速即為水聲距的2倍。所以，利用DAC曲線跟蹤第一界面回波來修正由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作延遲和間隙導(dǎo)致的水聲距的微小偏移。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1) 由超聲波探頭返回實(shí)時(shí)水聲距S。

(2) 在軟件上對(duì)S與設(shè)定的初始水聲距S0進(jìn)行求差，得到水聲距偏移量ΔS。

(3) 根據(jù)ΔS確定出插值自變量Si。

(4) 利用曲線代表的基準(zhǔn)當(dāng)量在離散聲程區(qū)間[Smin，Smax]中對(duì)應(yīng)的幅值數(shù)組及對(duì)應(yīng)的偏移后的聲程數(shù)組、插值自變量組成的數(shù)組和樣條插值曲線實(shí)時(shí)擬合DAC曲線。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

將存在3個(gè)當(dāng)量大于φ1.2 mm且小于φ2.0 mm的點(diǎn)狀自然缺陷(缺陷已被人工檢測(cè)驗(yàn)證)的環(huán)形鍛件吊裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，在確保安全的情況下使其偏離圓心適當(dāng)位置，分別進(jìn)行不修正水聲距和采用文章方法修正水聲距的實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)。環(huán)形鍛件側(cè)面的檢測(cè)結(jié)果以偽彩色矩形展開圖的方式給出，如圖5所示。

通過對(duì)比可以看出：未修正時(shí)，圖片中存在大量偽缺陷，信噪比低，難以對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效評(píng)定；采用文章修正方法后，檢測(cè)圖片的信噪比明顯得到改善，缺陷數(shù)量清晰可辨，當(dāng)量判定準(zhǔn)確。

圖5　水聲距修正前后的超聲C掃描檢測(cè)圖像

4　結(jié)論

分析了水聲距變化引起檢測(cè)結(jié)果異常的原因，提出了一種水聲距自動(dòng)修正方法，采用樣條插值技術(shù)實(shí)時(shí)擬合DAC曲線，修正由于機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)作延遲和間隙引起的水聲距的微小偏移,并采用使用該方法的環(huán)形鍛件C掃描系統(tǒng)和未使用該方法的同一套系統(tǒng)分別對(duì)含有大于φ1.2 mm當(dāng)量缺陷的環(huán)形鍛件進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：采用水聲距自動(dòng)修正方法的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于未進(jìn)行修正時(shí)的結(jié)果，準(zhǔn)確性更高。

目前該方法在基于DAC技術(shù)的轉(zhuǎn)臺(tái)式C掃描自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，并完成了大量的環(huán)形鍛件檢測(cè)工作。

[1]王飛，周軍，黃云. 航天鋁合金鍛件缺陷檢測(cè)與成因[J]. 無損檢測(cè)，2014,54(3)：36-38.

[2]史亦韋.超聲檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：23-48.

[3]關(guān)保清，蘇真?zhèn)ィ髧?guó)富，等. 大型回轉(zhuǎn)軸超聲超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2008(1)：88-89，92.

[4]董曉麗，楊順民，宋文愛，等. 變壁厚薄壁筒體超聲檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 無損檢測(cè)，2007,29(6)：304-308.

[5]喬立山，王玉蘭，曾錦光. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中曲線擬合方法探討[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004,31(1)：91-95.

Water Path Length Correction in Ultrasonic C-scan Inspection for the Ring Forgings

ZHANG zhen1, XU You-chang1, BU Xiong-zhu2, WANG Xin-zheng2

(1.Technology Research Institute, Nanjing Chenguang Group Co., Ltd., Nanjing 210006, China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science &Technology, Nanjing 210094, China)

The reasons of abnormal test results because of water path length changes were briefly analyzed. Considering the characteristics of the ring forgings ultrasonic C-scan system, the first interface echo time of ultrasonic flaw detector was used to measure the water path length and the value was further used as a feedback of the actuator for closed loop control. To correct the offset due to mechanical system operation delay and backlash, DAC curve was drawn in real time with spline interpolation technique. For one ring forging with larger thanφ1.2 mm equivalent defect, experiments were carried out on the above-mentioned method. The results showed that actual picture quality and the accuracy were better than those that were not corrected. And this paper maybe provides engineering reference value.

C-scan; DAC; Water path length; Spline interpolation; Closed-loop control; Automatic correction

2015-11-16

張振(1987-)，男，碩士，主要從事智能無損檢測(cè)技術(shù)工作。

張振,E-mail: 759272431@qq.com。

10.11973/wsjc201606005

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0021-03