大型錐筒形鍛件超聲波C掃描成像自動檢測系統(tǒng)

張　振，許有昌，耿永健，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) 機械工程學(xué)院， 南京 210094)

?

大型錐筒形鍛件超聲波C掃描成像自動檢測系統(tǒng)

張振1，許有昌1，耿永健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) 機械工程學(xué)院， 南京 210094)

針對大型錐筒形鍛件手工檢測時存在的問題，在研究距離-幅值曲線擬合方法和偽彩色成像原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套五自由度超聲C掃描成像自動檢測系統(tǒng)。檢測結(jié)果以偽彩色圖像的形式表示,再對含有缺陷的錐筒形鍛件進(jìn)行了檢測試驗。結(jié)果表明：系統(tǒng)可替代手工完成該類鍛件的自動檢測，結(jié)果直觀可靠，缺陷定量定位簡便準(zhǔn)確，提高了檢測效率，降低了勞動強度。

錐筒形鍛件；距離-幅值曲線擬合；C掃描；偽彩色成像；自動檢測

大型錐筒形鍛件在航天型號產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛，多用于結(jié)構(gòu)件、連接承載等部位，材料以鋁合金為主。此類鍛件的機械加工量比較大[1]，加工后產(chǎn)品的最薄位置不足10 mm， 一旦出現(xiàn)超標(biāo)缺陷便會造成產(chǎn)品報廢、原材料浪費，甚至影響整個型號產(chǎn)品的研制進(jìn)度。因此，科研生產(chǎn)中一般要求對該類鍛件進(jìn)行無損檢測。

通常，錐筒形鍛件外徑尺寸較大(大多超過1 000 mm)、壁厚較厚(不小于100 mm)，一般采用手動超聲對其進(jìn)行檢測，然而該檢測方式存在易漏檢、效率低、勞動強度大、結(jié)果顯示不直觀、結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于操作人員的技能水平及責(zé)任心等。而且，手工檢測到超標(biāo)缺陷時，還存在缺陷的定量定位因人而異、重復(fù)性可追溯性差、保存不方便、操作過程繁瑣等問題。

針對上述問題，筆者結(jié)合大型錐筒形鍛件的特點，設(shè)計開發(fā)了一套五自由度超聲波C掃描自動檢測系統(tǒng)，具有自動掃描、C掃描偽彩色成像、缺陷定位復(fù)查等功能，并且缺陷顯示直觀、可以通過缺陷圖像顏色直接快速判斷缺陷當(dāng)量是否超標(biāo)。

1　系統(tǒng)C掃描偽彩色成像方法

1.1距離-幅值曲線擬合方法

距離-幅值曲線技術(shù)(DAC)是通過對一套基準(zhǔn)反射體(采用平底孔為φ1.2 mm，埋深為2.5～120 mm的7A09鋁合金對比試塊)進(jìn)行實際測量，得到基準(zhǔn)反射體的回波幅值和聲程的關(guān)系,并以曲線形式表示。由DAC曲線可直接得到對應(yīng)位置的缺陷當(dāng)量[2]。

在檢測條件一定時[3]，任意兩個距離直徑不同的平底孔回波f1和f2的分貝差為：

(1)

式中:D為平底孔直徑;x為平底孔埋深。

所以，得到當(dāng)量φ1.2 mm平底孔的距離-幅值關(guān)系后，由式(1)即可分別計算出當(dāng)量為φ0.5 mm、φ2.0 mm平底孔的距離-幅值關(guān)系。

然后，采用三次樣條插值法[4]擬合DAC曲線，分別用F0.5(xi)、F1.2(xi)、F2.0(xi)表示。任意一條DAC曲線的擬合方法如下：

(2)

式中:xi為任意平底孔埋深;hi=xi+1-xi為步長;yi=F(xi),為對應(yīng)的插值;Mi為F(xi)的二階導(dǎo)數(shù)。

1.2C掃描偽彩色成像方法

由于系統(tǒng)直接采集的是回波幅值和聲程轉(zhuǎn)換的電壓值U，范圍為0～10 V。因此，在成像前需將電壓值轉(zhuǎn)換為實際檢測時超聲波檢測儀測得的真實幅值A(chǔ)S(儀器滿屏高度為110%)和聲程DS，轉(zhuǎn)換公式如下：

(3)

式中:R為超聲檢測儀水平基線范圍;UA為回波幅值轉(zhuǎn)換的電壓;UD為聲程轉(zhuǎn)換的電壓。

將擬合的三條DAC曲線分別在聲程DS處的值(可由式 (2)求出)與AS比較，結(jié)果分為I區(qū)(AS

表1　偽彩色色調(diào)調(diào)制查詢表

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作時，首先在軟件上設(shè)置運動參數(shù)、掃描參數(shù)、成像模式及檢測面；然后,運動機構(gòu)在軟件控制下自動掃描大型錐筒形鍛件，同時數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)字超聲檢測儀輸出的信號幅值和聲程信號,并通過USB傳送給工控計算機；最后軟件按照上述偽彩色成像方法實時成像。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)工作原理框圖

2.2硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由運動控制卡、機械掃描裝置、數(shù)據(jù)采集卡、超聲波檢測儀、噴水耦合水套及探頭、工控計算機等組成。

運動控制卡選用四川樂創(chuàng)科技公司的MPC08運動控制卡，采用PCI總線插槽，配有驅(qū)動函數(shù)庫，這樣有助于快速開發(fā)。超聲波檢測儀選用OLYMPUS EPOCH1000型儀器，其具有模擬/數(shù)字信號輸出、DAC曲線制作等功能，作為系統(tǒng)主機，能輸出報警、信號幅值、聲程等信號。為減小盲區(qū)及始脈沖寬度，探頭選用15 MHz的窄脈沖水浸探頭；在控制工件表面粗糙度的情況下，檢測盲區(qū)小于2.5 mm。要100%掃描錐筒形鍛件，機械掃描裝置應(yīng)能帶動探頭完成前后上下移動、左右旋轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)動、角度調(diào)整等動作。因此，設(shè)計出如圖2所示的五自由度機械掃描機構(gòu)，移動定位精度小于0.1 mm，轉(zhuǎn)動定位精度小于0.2°。

圖2　機械掃査裝置設(shè)計方案

2.3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是在windows環(huán)境下，采用LabVIEW并結(jié)合C語言開發(fā)而成的，具有模塊性、繼承性、動態(tài)鏈接性等優(yōu)點[5]。

軟件主要包括信號采集、參數(shù)設(shè)置、掃描軌跡控制、偽彩色成像、圖像分析處理、缺陷復(fù)查定位等模塊。首先手動設(shè)置運動和掃描控制參數(shù)；其次在掃描模塊控制下探頭作“弓”形軌跡掃描；然后將采集的波形信號通過成像模塊實時成像；掃描結(jié)束后，圖像處理分析模塊根據(jù)錐筒形鍛件的尺寸,將實時成像得到的矩形圖幾何展開成扇形圖，如圖3所示；最后可通過缺陷復(fù)查定位模塊對缺陷位置、當(dāng)量、面積大小等進(jìn)行驗證。

圖3　軟件成像模塊顯示界面

3　檢測試驗

首先利用系統(tǒng)(實物外觀見圖4)對含有缺陷的某一錐筒形鋁合金鍛件(外徑大于1 000 mm，厚度為100 mm)進(jìn)行檢測試驗，然后進(jìn)行手工超聲檢測驗證。試驗工藝參數(shù)如表2所示。

圖4　系統(tǒng)實物外觀

系統(tǒng)掃描一遍完成檢測，用時1.5 h，發(fā)現(xiàn)1處埋深45 mm的點狀缺陷，顯示為點狀黃色圖像，如圖5所示。可直接判斷當(dāng)量大于等于φ1.2 mm且小于φ2.0 mm，重復(fù)檢測5次，當(dāng)量定量最大偏差為0.5 dB，取當(dāng)量平均值為φ1.2 mm+5 dB；為避免漏檢，手工檢測需要兩位檢測人員分別檢測，共用時約5.5 h，在相同的位置也發(fā)現(xiàn)1處埋深45 mm的點狀缺陷，補償表面粗糙度引起的信號衰減(增益增加4 dB),并與試塊比對5次后,兩位檢測人員確定的當(dāng)量平均值分別為φ1.2 mm+6 dB和φ1.2 mm+4 dB，且5次比對的最大偏差均超過1 dB。

表2　不同檢測試驗工藝參數(shù)

圖5　系統(tǒng)檢測結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，系統(tǒng)檢測效率更高，結(jié)果更直觀，定量更快捷準(zhǔn)確。而且系統(tǒng)掃査步距最小可實現(xiàn)0.5 mm，不易出現(xiàn)漏檢，只需一位檢測人員操作即可，降低了勞動強度。

4　結(jié)語

結(jié)合DAC曲線技術(shù)及其擬合方法，給出了一種C掃描偽彩色成像方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套五自由度的自動檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)具備自動掃描錐筒形鍛件、實時成像、缺陷定位復(fù)查等功能。

目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于型號產(chǎn)品原材料大型錐筒形鍛件的批量檢測，不但保證了結(jié)果的可靠性，滿足了實際檢測需求，而且批量檢測效率比人工檢測方式更高，為型號產(chǎn)品的質(zhì)量和科研生產(chǎn)進(jìn)度提供了有力保障。

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

[2]李強，楊克立. 數(shù)字式超聲波探傷儀DAC曲線的快速準(zhǔn)確制作[J]. 成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)狀，2014,31(1)：56-58.

[3]鄭暉，林樹青．超聲檢測[M]．北京：中國勞動社會保障出版社，2006：72-75.

[4]陳文略，王子羊. 三次樣條插值在工程擬合中的應(yīng)用[J]. 華中師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，38(4)：418-422.[5]齊子誠，裘信國，喬日東，等. 活塞鑲?cè)Y(jié)合面質(zhì)量的快速無損檢測系統(tǒng)[J]. 無損檢測，2015，37(8)：71-75.

Ultrasonic C-Scan Imaging Automatic Detection System for Large Tapered-Cylindrical Forgings

ZHANG Zhen1, XU You-chang1, GENG Yong-jian1, 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)

For solving the problems faced by manual testing of large tapered-cylinder forgings, the automatic ultrasonic C scan imaging detection system with 5 degrees of freedom was designed by studying DAC fitting method and pseudo color imaging principle. Test data are represented by pseudo color image. One large tapered-cylinder forgings containing defects was tested. Result showed that the system could replace manual testing to achieve automatic detection of large tapered-cylindrical forgings and the detection result was more intuitive and reliable, thus making the quantization and location of defects become more simple and fast. Therefore the detection efficiency was improved and labor intensity was reduced.

Tapered-Cylinder forging; DAC fitting; C-Scan; Pseudo color imaging; Automatic detection

2015-12-27

航天科工第四研究院工藝研究資助項目(GG/130307-04)

張振(1987-)，男，碩士，工程師，主要從事無損檢測技術(shù)工作。

張振, E-mail: 759272431@qq.com。

10.11973/wsjc201609002

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0006-03