劉國輝，雷良育，朱長城，胡永偉，張 琪

(1.浙江農林大學 工程學院，浙江 杭州 311300；2.一汽大眾汽車有限公司成都分公司，四川 成都 610100)

汽車第3代輪轂軸承集成度高，增加了內外圈的兩個法蘭盤，并且汽車第3代輪轂軸承采用冷鉚翻邊工藝進行組裝，實現(xiàn)了汽車輪轂軸承的免維護功能，提高了汽車輪轂軸承的使用性能.但是在冷鉚翻邊過程中會出現(xiàn)裂紋的存在，導致裝配出的輪轂軸承產品不合格.為了提高輪轂軸承的產品質量，通常會在冷鉚翻邊工藝之后對輪轂軸承進行裂紋的檢測.目前輪轂軸承在線裂紋檢測為人工目檢，實驗室采用磁粉檢測和滲透液檢測的方法.為了實現(xiàn)對輪轂軸承裂紋的在線檢測，采用渦流探傷原理對輪轂軸承裂紋進行檢測，渦流檢測作為5大常規(guī)檢測手段之一，具有易耦合、速度快、成本低、易于實現(xiàn)自動化檢測等優(yōu)點，非常適合于檢測導電物體表面以及近表面裂紋[1-3].

1 輪轂軸承裂紋檢測方法

1.1 渦流檢測原理

渦流檢測是5大無損檢測中應用較為廣泛的檢測方法，主要的理論基礎是電磁場理論.其工作原理是把待檢測工件靠近通有交流電的檢測線圈，由線圈建立交變磁場，該交變磁場通過導體工件，并與之發(fā)生電磁感應作用，在導體工件內建立渦流.導體中的渦流自身也會產生磁場，渦流產生的磁場改變了原磁場的強度，進而導致線圈復阻抗的變化.當導體表面或者凈表面出現(xiàn)缺陷時，將影響到渦流的強度和分布情況.渦流的變化又引起了檢測線圈的電壓和復阻抗的變化，導體內感生渦流的幅值、相位、流動形式、及其伴生磁場受導體的物理特性影響，因此通過檢測線圈的阻抗變化即可非破壞地評定導體的物理及工藝性能.根據檢測線圈的電壓和副本阻抗的變化，采用相應的信號處理方法就可以間接檢測到導體內存在的缺陷[4].渦流檢測原理如圖1 所示.

圖1 渦流檢測原理圖Fig.1 Diagram of Eddy

1.2 渦流檢測探頭位置

渦流探頭安裝要滿足以下要求：① 保證渦流探頭和軸承鉚合翻邊面之間有一定的距離，這由探頭萬向安裝支架來保證.渦流探頭和被測面之間的距離不能太大，如果超出渦流探頭的提離高度，則會影響探頭的精度[5].② 要保證裂紋可能出現(xiàn)的位置配合合適的掃描運動使渦流探頭全面覆蓋.

在輪轂軸承裂紋檢測中，首先要選用合適的渦流傳感器探頭以保證傳感器對旋壓面的全覆蓋.采用的方法是根據冷鉚過程的應力分析找出裂紋出現(xiàn)概率的最大區(qū)域，讓渦流探頭全面覆蓋旋壓面裂紋出現(xiàn)概率最大的區(qū)域，配合回轉掃描運動，可實現(xiàn)對整個旋壓面裂紋出現(xiàn)區(qū)域的全覆蓋檢測.根據裂紋出現(xiàn)區(qū)域的范圍大小計算出所需渦流探頭個數.設L為裂紋區(qū)域出現(xiàn)的總長度，L大約為12 mm，D為單個渦流傳感器探頭的直徑，D=8 mm,所需探頭個數為n,渦流探頭對裂紋出現(xiàn)概率較大區(qū)域的覆蓋率為130%，利用公式nD=1.3L計算，得出n=1.95，取探頭個數為2個[6].其探頭位置示意圖如圖2 所示.

圖2 渦流探頭位置Fig.2 Eddy current porbe

2 輪轂軸承渦流檢測系統(tǒng)

2.1 總體系統(tǒng)設計

根據渦流探傷原理，輪轂軸承渦流檢測系統(tǒng)設計如圖3 所示，該系統(tǒng)主要包括STM32F4微處理器、DDS正弦激勵信號發(fā)生模塊、AD信號采集模塊、自動平衡電路、鎖相放大濾波、USB通信、上位機、裂紋阻抗顯示等組成部分.

系統(tǒng)工作原理：由STM32F4微處理器通過DDS信號發(fā)生模塊產生正弦激勵信號作用于渦流探頭，帶有激勵源的探頭會在輪轂軸承表面形成渦流.再由信號采集探頭進行對輪轂軸承渦流的信號采集，采集到的信號鎖相放大、濾波送入AD信號采集模塊，最后帶有裂紋信息的信號經過STM32微處理器的處理通過USB傳給上位機，把裂紋阻抗圖顯示出來.

系統(tǒng)主要功用：① DDS模塊能產生頻率和幅值穩(wěn)定的正弦波,經過功率放大后驅動探頭，使之在被檢測輪轂軸承表面能激勵出渦流.② 該系統(tǒng)能將檢測的微弱信號進行放大濾波.自動平衡電路可以使檢測探頭在沒有檢測到裂紋時輸出信號為零.③ 該系統(tǒng)能夠存儲裂紋信息.④ 該系統(tǒng)可以通過液晶屏實時顯示裂紋阻抗平面圖.⑤ 該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)與上位機通訊.

圖3 輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)Fig.3 Eddy current crack detection system for hub

2.2 核心模塊的設計

2.2.1 STM32F4微處理器外圍電路

由于STM32功能強大，在本系統(tǒng)中我們只采用部分資源，包括：使用SPI1在DDS芯片AD9954和STM32之間通信，SPI2在DA轉換芯片DAC8563自動平衡中使用DAC8563控制電路的平衡以及和STM32之間通信；兩個DAC用來控制可調增益放大芯片AD8336的放大增益；USB接口實現(xiàn)在STM32和上位機之間通信.其他未用功能引腳均通過10 kΩ的電阻接地，電阻接地是為了減小STM32默認浮空輸入帶來的干擾，增加整個渦流檢測系統(tǒng)的抗干擾能力[7].

2.2.2 DDS信號發(fā)生模塊

本系統(tǒng)的DDS信號發(fā)生器模塊選用ADI生產的AD9954芯片構成，AD9954具有一個14 b DAC,最高可達400MSPS的DDS器件.AD9954采用先進DDS技術開發(fā)，內部集成了高速、高性能的DAC數字可編程器和完整的高頻合成器，能夠產生200 MHz的模擬正弦波.AD9954的設計提供了快速的跳頻以及優(yōu)良的控制方案.AD9954包括1 024*32的靜態(tài)RAM，支持多種模式靈活的掃頻能力.AD9954還可支持自定義線性掃頻操作，由串行I/O口輸入控制字就可以實現(xiàn)具有良好分辨率的快速變頻[8].由于DDS產生信號的雜散特性比較差，所以要對信號的純度進行提高，對DDS輸出信號進行濾波.此電路中采用了在信號輸出端添加一個低通濾波器電路進行濾波.DDS信號發(fā)生模塊如圖4 所示.

圖4 DDS信號發(fā)生電路Fig.4 DDS signal generation circuit

2.2.3 AD信號采集模塊

軸承裂紋檢測中由DDS信號發(fā)生模塊產生的激勵信號在軸承表面形成的渦流信號是不能直接被檢測出來的，其中有用的是帶有裂紋信息的低頻調制信號，高頻載波信號是激勵信號.故采用鎖相放大技術對信號解調出有用的低頻信號.如圖5 所示，鎖相放大檢測系統(tǒng)一般可以由低通濾波器和相敏檢波器組成.當被檢測信號Ux和參考信號Uy被相敏檢波器檢測到時，假設被檢測信號Ux=Asin(ωt+φ1)，參考信號假設為Uy=Bsin(ωt+φ2)，通過相敏檢波器后可以得到:

Uxy=ABsin(ωt+φ1)*sin(ωt+φ2)=

(1)

圖5 鎖相放大原理圖Fig.5 Phase lock magnification

渦流檢測信號提取時可以假設被檢信號[9]

U1=Asin(2πf1t+θ)+Ansin(2πfnt+θ).

(2)

在式(2)中首項為有用的被檢測信號，幅值為A，頻率為f1.第二項為干擾信號，幅值為An，頻率為fn.參考信號

V1=Bsin(2πf2t+θ+φ)，

(3)

則經過相敏檢波輸出的信號為

(4)

如果低通濾波器的截止頻率fw足夠小的話，即滿足fw<|fn-f2|和fw

(5)

假設參考信號的頻率和渦流檢測信號的頻率相同，即可以得到

(6)

式(6)中有兩個未知量A和φ.為了達到對渦流信號幅值提取的目的，采用正交鎖相放大技術通過兩路相敏檢波器和兩路低通濾波器以及兩路參考信號為相位差90°的正弦信號進行提取.通過正交鎖相放大器可以輸出同相的I和正交的Q兩個信號.

(7)

(8)

由I和Q可以求出幅值A，最終實現(xiàn)對渦流檢測信號幅值提取的目的.

為了能夠得到含有裂紋信息的信號，在數字電路中應設計數據采集模塊.該模塊的作用是對模擬信號進行處理，將模擬信號轉換為數字信號后送入STM32中進行數據處理.由于STM32F4內部自帶ADC為單極性且只有兩個轉換通道，不滿足使用要求，故在該數據采集模塊中選用4通道AD7606作為AD轉換芯片.所有的采集通道都能以高達200 KSPS的采樣速率進行采樣，也可以使用多片AD7606級聯(lián)組成多通道同步采集系統(tǒng)，因為每個輸入端都有箝位保護電路，故AD7606芯片能承受最高達±16.5 V的電壓[10].AD采集模塊如圖6 所示.

圖6 數據采集電路圖Fig.6 Data acquisition circuit

因為AD7606芯片具有同步采集功能，在進行數據采集時，只需將CONVSTA引腳和CONVSTB引腳進行連接就可以實現(xiàn)同步采集模式.同步采集模式就是實現(xiàn)所有通道同時進行數據采集.在需要同時采集多個通道數據時多數使用的就是同步采集模式.當AD7606芯片在同步采集模式下工作時，STM32F4微控制器就會給CONVSTA/CONVSTB引腳一個上升沿脈沖信號，從而實現(xiàn)多通道同步轉換.AD7606芯片的BUSY引腳功能是表示信號轉換狀態(tài)，當CONVST引腳為上升沿信號時，BUSY引腳變?yōu)檫壿嫺唠娖?，當整個轉換過程結束時BUSY引腳變?yōu)檫壿嫷碗娖?當BUSY引腳為下降沿信號時，表示可以從并行總線DB[15∶0]，Dout A/Dout B 串行數據線路以及并行字節(jié)總線DB[7∶0]讀取新數據[11].

3 輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)試驗

為了驗證輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)的性能，我們在之前鉚合過程中找出帶有不同大小的裂紋次品軸承進行驗證，次品軸承可以分為4類：① 斷裂性裂紋，裂紋長度在5 mm以上，深度2 mm 以上；② 明顯裂紋，裂紋長度在2～5 mm，深度2 mm以下；③ 微小裂紋，裂紋長度在2 mm以下，深度 1 mm 以下；④ 鉚合壓痕.選用4種不同類型的裂紋在第3代汽車輪轂軸承渦流裂紋檢測機上在線檢測實驗.4種不同類型的裂紋如圖7 所示.

圖7 不同類型裂紋Fig.7 Different types of cracks

把帶有這4種裂紋的軸承依次放入輪轂軸承渦流裂紋檢測裝置之后，檢測結果都為NG產品，其裂紋阻抗檢測結果如圖8～圖11 所示.根據4種裂紋檢測阻抗圖可以看出，裂紋大小不同阻抗范圍就會不同，當裂紋很大時，阻抗范圍完全超出顯示范圍，這種裂紋最容易檢測出來，當裂紋是微小裂紋時，阻抗范圍超過橢圓阻抗安全范圍，表示有裂紋存在.當沒有裂紋時，阻抗范圍不會超過橢圓安全范圍，沒有明顯的阻抗變化，不會被剔除.

圖8 斷裂性裂紋阻抗圖Fig.8 Fracture crack impedance map

圖9 明顯裂紋阻抗圖Fig.9 Obvious crack impedance

圖10 微小裂紋阻抗圖Fig.10 Tiny crack impedance

圖11 壓痕阻抗圖Fig.11 Impedance of indentation

4 結束語

本文根據渦流探傷原理確定輪轂軸承的裂紋檢測方法；對輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)進行了設計，包括STM32F4微處理器、DDS正弦激勵信號發(fā)生模塊、AD信號采集模塊、自動平衡電路、鎖相放大濾波、USB通信、上位機、裂紋阻抗顯示等組成部分；根據輪轂軸承渦流裂紋出現(xiàn)的位置，確定采用兩個渦流探頭進行對輪轂軸承裂紋檢測；最后通過對不同類型裂紋進行的檢測實驗，表明了輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)能夠有效檢測出不同類型裂紋，并且能夠通過顯示屏實時顯示裂紋阻抗平面圖.降低了勞動成本，提高了軸承生產的自動化程度以及工廠效益.