李 靜，張立軍，韓 慜

（長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012）

車輛制動盤全自動視覺磁粉探傷機(jī)的研制

李 靜，張立軍，韓 慜

（長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012）

為克服傳統(tǒng)制動盤探傷檢測的缺點(diǎn),研究并設(shè)計(jì)了車輛制動盤全自動視覺磁粉探傷機(jī)。利用機(jī)器視覺對車輛制動盤進(jìn)行了磁粉探傷檢測并具體介紹了磁粉探傷檢測方法及相關(guān)工藝參數(shù)的確定,對比已有算法提出了復(fù)合式閾值分析算法來識別真?zhèn)稳毕?，同時闡述了探傷機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及功能，分析并設(shè)計(jì)了磁化裝置及機(jī)械手并通過模擬仿真試驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可行性，為流水線式生產(chǎn)提供了巨大的指導(dǎo)意義。

機(jī)器視覺；全自動；磁粉探傷；制動盤

0 引言

車輛制動多數(shù)是采用摩擦式制動[1]，制動時瞬間產(chǎn)生的巨大的熱量和壓力會導(dǎo)致制動盤面上產(chǎn)生熱裂紋。隨著制動次數(shù)的增加，裂紋會逐漸擴(kuò)散，情況嚴(yán)重會導(dǎo)致制動盤崩裂，給行車安全帶來直接影響，因此新制、段修、廠修的制動盤均需要探傷檢測。傳統(tǒng)的檢測設(shè)備需要專門的檢測人員在暗室中對磁化的物件進(jìn)行檢測，這不僅勞動強(qiáng)度大而且檢測也存在主觀因素，紫外線的照射對身體也有危害。在機(jī)器視覺發(fā)展快速的當(dāng)代，可以利用工業(yè)攝像頭和智能算法來代替人，完成并解決上述問題[2]。

運(yùn)用熒光磁粉探傷對鐵磁性材料的表面及近表面進(jìn)行缺陷檢測已經(jīng)是相對成熟的一種技術(shù)。早在20世紀(jì)80年代，為了確保車輛在交通運(yùn)輸過程的安全運(yùn)行，就開發(fā)了對輪對的自動熒光磁粉探傷機(jī)，但現(xiàn)如今的半自動化檢測設(shè)備都存在一些缺點(diǎn)，如探傷效率低，勞動強(qiáng)度大，通用性差，不利于制動盤的自動化檢測等。因此，研制一臺制動盤磁粉全自動視覺探傷機(jī)，不僅能極大提高檢測精度，減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率，同時提高自動化程度，有利于制動盤檢測。

1 制動盤結(jié)構(gòu)及無損檢測方法的選擇

1.1 制動盤的結(jié)構(gòu)與特性

制動盤材料一般是灰鑄鐵或添加Cr、Ni等合金鑄鐵類磁性物質(zhì)，外形類似于碟形。汽車制動盤結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 汽車制動盤結(jié)構(gòu)圖

1.2 無損檢測方法篩選及磁粉檢測原理

目前應(yīng)用最廣的無損檢測方法是渦流檢測法，磁粉檢測法，液體滲透檢測法，射線檢測法和超聲檢測法。相比于磁粉檢測，其他檢測方法的缺點(diǎn)如表1所示。

表1 各無損檢測方法缺點(diǎn)

磁粉檢測可以發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜、折疊和輸送等多種缺陷，能直觀的表示出缺陷的形狀、大小和嚴(yán)重程度，具有很高的靈敏度，可以檢測到的最小寬度可到達(dá)0.1um，不受形狀限制，并且利用多種磁化方法，能檢測到任何位置[4]，因此選擇磁粉檢測。磁粉檢測的原理是在缺陷處磁場線外泄，熒光磁粉被吸附，形成兩端少中間多的山峰形狀以此來判斷去缺陷程度，如圖2所示。

圖2 磁粉檢測原理圖

2 汽車制動盤磁粉全自動視覺探傷機(jī)視覺系統(tǒng)的研究

2.1 機(jī)器視覺系統(tǒng)組成

現(xiàn)如今的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括兩種應(yīng)用[5]，一種是探測應(yīng)用，主要以觀測、測量、檢測為主；另一種以制造為主，即運(yùn)用相關(guān)的軟件與設(shè)備相結(jié)合來進(jìn)行制造。依據(jù)兩種應(yīng)用，機(jī)器視覺系統(tǒng)劃分為如圖3所示。

圖3 機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2 復(fù)合式閾值分析算法

制動盤在檢測過程中因?yàn)樽陨肀砻娌还饣?、油漬、熒光液在表面殘留、紫外線燈反光、磁粉被均勻吸附在物件表面等原因而形成偽缺陷[6]。這種情況下，原有算法不能解決這些復(fù)雜的問題，而基于分水嶺聚類的裂紋識別方法能清晰的識別這些偽缺陷，但所需時間較長。這類算法通用性差，因此提出了復(fù)合式閾值分析算法來解決這些問題[7]。

制動盤經(jīng)清洗、磁化和淋粉后在暗室中用紫外光照射獲得前期圖像；然后進(jìn)行灰度化，取整之后得到灰度為0～255級的灰度圖像；最終在一定程度上改變?nèi)齻€分量，消除雜光等對圖像的影響。在初期的降噪之后，利用梯度算法能夠形象的表現(xiàn)出圖像的灰度信息和邊緣信息的上升沿和下降沿，從而確定缺陷的真?zhèn)巍?/p>

算法步驟如下：設(shè)定較小的梯度閾值A(chǔ)1；通過式1計(jì)算每個點(diǎn)的梯度值di：

若（1）|di|＞A1，則保留di原值；（2）|di|≤A1，則|di|=0；確定di后，若（1）di＞0，則將i點(diǎn)標(biāo)記為1；（2）若di＜0，則將i點(diǎn)標(biāo)記為-1；這樣標(biāo)記為1的點(diǎn)是圖像的上升邊緣點(diǎn)，標(biāo)記為-1的點(diǎn)是圖像下降邊緣點(diǎn)，而標(biāo)記為0的則不是邊緣點(diǎn)，此時0點(diǎn)區(qū)域稱為判別區(qū)。

當(dāng)判別區(qū)較小時，條紋式裂紋與熒光液的水流痕跡造成的偽缺陷難以區(qū)分，因此需要給定另外一個較A1大的閾值A(chǔ)x進(jìn)行判別，按照式(2)將1與-1所在的灰度值提取求均值與Ax進(jìn)行判別。

式中：xi為i點(diǎn)的灰度值。當(dāng) 小于Ax時判定為偽缺陷，否則判斷為真缺陷。

當(dāng)判別區(qū)較大時，這時的偽缺陷一般是制動盤內(nèi)部的氣泡導(dǎo)致的，反光是造成這種偽缺陷的干擾因素。區(qū)分這一缺陷的方法是將提取出來的目標(biāo)點(diǎn)的灰度值按照公式(3)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算并與預(yù)先給定的標(biāo)準(zhǔn)差W進(jìn)行對比。

式中：xi為判別區(qū)的灰度值。如果比W小，說明此處是偽缺陷，否則為真缺陷。算法流程如圖4所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方法是否正確，截取一張經(jīng)由磁化之后的熒光磁粉圖片，灰度化后該圖片中含有兩種缺陷，分別為熒光燈造成的偽缺陷A和狹小細(xì)長的線性缺陷B。

圖4 復(fù)合式閾值分析算法流程圖

圖5 真?zhèn)稳毕莼叶葓D

圖5的A、B兩處缺陷可以形象的顯示出在實(shí)際檢測中可能出現(xiàn)的情況，在制動盤檢測中一般會出現(xiàn)真實(shí)的線性缺陷B和偽缺陷A，其中A也可以表示出附著液造成的為缺陷。首先將選取的熒光磁粉圖片在MATLAB中轉(zhuǎn)化為灰度圖像然后在灰度圖像中提取灰度值。

從灰度圖中得到了594*794的灰度值矩陣，這么大的數(shù)據(jù)量對數(shù)據(jù)處理造成了困難，所以先選取Ax進(jìn)行初步的篩選，把低于該值的數(shù)值去掉，這樣簡化數(shù)據(jù)量，加快數(shù)據(jù)的處理。然后從灰度值矩陣中把A處位置的相應(yīng)灰度值調(diào)出。按照上述算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理情況如表2所示。

通過部分?jǐn)?shù)組表示出該處屬于判別區(qū)較大的區(qū)域，要提取判別區(qū)灰度值求標(biāo)準(zhǔn)差，從而與預(yù)先給定的W進(jìn)行大小比較決定A出是否為缺陷。顯然，該處是由于圖像采集過程中紫外線光由于液面反射造成的，是偽缺陷。而梯度法和自適應(yīng)動態(tài)閾值分隔法只能區(qū)分此處存在缺陷，并不能識別真?zhèn)巍?/p>

表2 A處數(shù)據(jù)處理表

提取B處的相應(yīng)灰度值按照上述算法得到數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 B處數(shù)據(jù)處理表

(c)判別數(shù)值表1 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 0 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1

通過部分?jǐn)?shù)組判別出該處屬于判別區(qū)較小的區(qū)域，要經(jīng)過提取i點(diǎn)及1、-1點(diǎn)的灰度值求均值，從而與預(yù)先給定的W進(jìn)行大小比較決定B出是否為缺陷。對于線性缺陷的真?zhèn)蔚呐袆e，在于灰度值的大小。真實(shí)的缺陷灰度值大，而偽缺陷灰度值相對比較小。而基于分水嶺聚類的裂紋識別方法能區(qū)分真?zhèn)蔚?jì)算量過于大，不適應(yīng)在線檢測。

3 制動盤全自動視覺磁粉探傷機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

動盤熒光磁粉探傷機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，三維簡化圖如圖6所示。

圖6 全自動制動盤熒光磁粉探傷機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖

整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

通過輸送線的傳送，將制動盤傳遞到磁化裝置處，經(jīng)變壓器的磁化裝置給制動盤磁化；然后經(jīng)噴灑裝置時熒光磁粉在裂紋處吸附，而沒起到作用的磁粉液經(jīng)噴灑箱的回收下次使用；在暗室中經(jīng)攝像機(jī)取像，判斷其缺陷的有無，傳送命令給旋轉(zhuǎn)臺，判斷制動盤是否通過篩選；隨后通過篩選的制動盤及退磁機(jī)退磁，再經(jīng)過清洗機(jī)的清洗完成整改檢測過程。具體的流程圖如圖8所示。

圖7 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖8 磁粉探傷機(jī)工作流程圖

3.2 磁化裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有資料與數(shù)據(jù)，可得出利用中心導(dǎo)體法和線圈法能夠完成制動盤的周向與縱向磁化，并且根據(jù)市場調(diào)查，并沒有一類產(chǎn)品滿足工件的周向與縱向的同時磁化。因此，根據(jù)設(shè)備的多重需求，對磁化裝置重新設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 磁化裝置設(shè)計(jì)圖

當(dāng)工件傳送到磁化裝置時，首先經(jīng)過螺旋管所在的箱體，通過線圈法使得待檢測的工件獲得縱向磁化；當(dāng)傳送到導(dǎo)體上方時通過傳感器使得傳送裝置停止運(yùn)動，導(dǎo)體慢慢落下，給工件進(jìn)行周向磁化；完成磁化后再經(jīng)過一段距離的箱體，補(bǔ)充縱向磁化，這樣就使得工件既獲得了周向磁化又獲得了縱向磁化。具體的工序如圖10所示。

圖10 磁化工序圖

3.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)

從全自動熒光磁粉檢測設(shè)備簡圖中可以看出，除了磁化裝置影響到磁粉顯示及缺陷識別外，機(jī)械手[10]也是影響缺陷顯示的重要原因。它是由底座、手臂及末端執(zhí)行裝置組成。機(jī)械手承擔(dān)著制動盤的平移、旋轉(zhuǎn)等重要功能，承載著由前期的磁化過程過渡到檢測過程的責(zé)任，在全自動探傷機(jī)中占有重要作用，是該設(shè)備的核心部件之一[8]。具體設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 機(jī)械手設(shè)計(jì)圖

機(jī)械手可以看成一系列連桿通過關(guān)節(jié)連接在一起的。根據(jù)D-H方法簡歷相關(guān)的機(jī)械手連桿坐標(biāo)系如圖12所示。

圖12 機(jī)械手連桿坐標(biāo)系圖

其中d1=90，a2=175，a3=80，d4=75，根據(jù)參數(shù)建立連桿參數(shù)如表2所示。

表4 連桿參數(shù)表

接下來，利用SolidWorks進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入到Adams中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，如圖13所示。

圖13 Admas運(yùn)動仿真示意圖

仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 Admas運(yùn)動仿真結(jié)果示意圖

通過上述仿真結(jié)果可得，末端執(zhí)行器的最高位置max=316.9716mm，最低位置位min=85.592，滿足需要條件，各關(guān)節(jié)的角速度、角加速度滿足工作要求，各部件的距離滿足工作空間要求。因此，該設(shè)計(jì)符合要求，機(jī)械手滿足使用條件。根據(jù)數(shù)據(jù)完成最終設(shè)計(jì)圖，如圖15所示。

圖15 機(jī)械手設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)束語

為了克服制動盤檢測過程的不足，又能滿足全自動化的要求，同時可以減輕檢測人員的工作強(qiáng)度及保障檢測人員身體健康，研究了全自動制動盤熒光磁粉探傷機(jī)。本文從該設(shè)備的研究理論及工作原理進(jìn)行了闡述，對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，說明了制動盤安全在生產(chǎn)生活中的重要性，并從全自動化方向來說明它的必要性，該設(shè)備的研究在一定程度上彌補(bǔ)了我國在制動盤檢測設(shè)備研制方面的空缺。

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LI Jing, ZHANG Li-jun, HAN Min

TH69；TH692

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：1009-0134(2017)08-0001-04

2017-03-28

長春市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014220）；吉林省省級經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金專項(xiàng)項(xiàng)目（2014Y131）

李靜（1972 -），女，吉林長春人，教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造、虛擬制造和CAD/CAM技術(shù)。