凸輪軸的自動(dòng)化渦流檢測(cè)方法與系統(tǒng)

楊 航，汪圣涵，唐 健，康宜華

(華中科技大學(xué) 制造裝備數(shù)字化國(guó)家工程研究中心，武漢 430074)

凸輪軸作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)核心的機(jī)械基礎(chǔ)件，其質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、凸輪挺桿摩擦副的壽命、配氣機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)都有直接影響，直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車系統(tǒng)的性能。無(wú)損檢測(cè)作為凸輪軸生產(chǎn)中的必要環(huán)節(jié)，其主要目的是對(duì)凸輪表面裂紋進(jìn)行高速高精檢測(cè)，剔除不合格產(chǎn)品，保證凸輪軸滿足其質(zhì)量體系要求。

目前，用于檢測(cè)凸輪軸的無(wú)損檢測(cè)方法主要為半自動(dòng)磁粉檢測(cè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凸輪軸凸輪表面微裂紋的自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)方法與系統(tǒng)展開(kāi)了許多研究。彭沛欣[1]采用進(jìn)口CCD(電荷耦合元件)獲取磁粉圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)中的自動(dòng)識(shí)別順序目標(biāo)標(biāo)記和描述算法，實(shí)現(xiàn)了凸輪軸熒光磁粉探傷系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的自動(dòng)識(shí)別。朱正德[2]成功開(kāi)發(fā)了基于巴克豪森原理的凸輪軸磨削燒傷自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。國(guó)內(nèi)渦流檢測(cè)廠商一般引進(jìn)國(guó)外渦流檢測(cè)主機(jī)，自研渦流檢測(cè)探頭，針對(duì)檢測(cè)對(duì)象開(kāi)發(fā)渦流檢測(cè)設(shè)備，設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性有限。

凸輪軸為精加工工件，經(jīng)由磨削加工后進(jìn)入無(wú)損檢測(cè)工序，表面加工質(zhì)量高，缺陷多為表面微裂紋，裂紋深度一般為0.1 mm左右，通過(guò)對(duì)比幾種檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)渦流檢測(cè)更適用于凸輪表面微裂紋的檢測(cè)，其中又以差動(dòng)渦流法檢測(cè)靈敏度最高，因此開(kāi)發(fā)完全自主的凸輪軸自動(dòng)化渦流檢測(cè)設(shè)備具有重要的工程意義[3-5]。

1 凸輪軸自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)難點(diǎn)

凸輪軸主要分為整體式凸輪軸和組合式凸輪軸兩大類，隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，組合式凸輪軸由于其自身優(yōu)勢(shì)將逐漸取代整體式凸輪軸[6]。文章將組合式凸輪軸作為研究對(duì)象，具體型號(hào)為吉利GEP3，相關(guān)研究方法可類推到其他型號(hào)凸輪軸。

1.1 凸輪軸結(jié)構(gòu)及待檢測(cè)位置

組合式凸輪軸一般由進(jìn)排氣凸輪、油泵凸輪、端頭、信號(hào)輪和中心鋼管組成(見(jiàn)圖1)。由于凸輪軸進(jìn)排氣凸輪與油泵凸輪工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)速極高,進(jìn)排氣凸輪與搖臂滾輪之間存在摩擦，承受極大的交變循環(huán)接觸應(yīng)力，油泵凸輪亦承受極高的交變循環(huán)應(yīng)力，因此文章將組合式凸輪軸進(jìn)排氣凸輪及油泵凸輪作為檢測(cè)對(duì)象展開(kāi)研究。

圖1 GEP3組合式凸輪軸結(jié)構(gòu)示意

GEP3型凸輪軸進(jìn)排氣凸輪輪廓及其分解如圖2所示，可將整體輪廓分解為2個(gè)過(guò)渡平面，1個(gè)小圓弧凸面以及1個(gè)大圓弧凸面3部分組成；油泵凸輪輪廓及其分解如圖3所示，分解為由3個(gè)過(guò)渡平面和3個(gè)圓弧凸面組成。

圖2 進(jìn)排氣凸輪輪廓及其分解示意

圖3 油泵凸輪輪廓及其分解示意

1.2 凸輪軸缺陷類別及特征

凸輪軸缺陷主要分為兩大類，可目檢缺陷和不可目檢缺陷。可目檢缺陷一般在毛坯階段可目視檢出；不可目檢缺陷一般是在熱處理以及磨削加工過(guò)程中產(chǎn)生，表面的形態(tài)一般為微裂紋及磨削燒傷，此類缺陷深度淺，肉眼難以觀察，隱患大，檢測(cè)難度大[7]。為此，將凸輪軸進(jìn)排氣凸輪和油泵凸輪的表面微裂紋作為研究對(duì)象，采用差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭配合三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪的全覆蓋檢測(cè)。

2 差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭制作與仿真

2.1 差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭設(shè)計(jì)制作

常見(jiàn)基礎(chǔ)線圈一般有圓形線圈、跑道形線圈和矩形線圈，由該3種線圈分別組成的差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。小尺寸圓形線圈類探頭檢測(cè)靈敏度最高，檢測(cè)效率最低；矩形線圈類探頭檢測(cè)靈敏度最低但檢測(cè)效率最高?？紤]圓弧凸面檢測(cè)時(shí)(檢測(cè)示意見(jiàn)圖5)，小尺寸圓形線圈類探頭和跑道型線圈類探頭兩側(cè)差動(dòng)線圈提離能夠得到有效抑制，探頭靈敏度衰減較少；而矩形線圈類探頭整體長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致兩側(cè)差動(dòng)線圈提離過(guò)大，探頭靈敏度大幅下降。

圖4 3種基礎(chǔ)線圈差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭結(jié)構(gòu)示意

圖5 3種基礎(chǔ)線圈差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭圓弧凸面檢測(cè)示意

為保證差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭的檢測(cè)靈敏度及檢測(cè)效率，筆者設(shè)計(jì)的探頭(見(jiàn)圖6)采用3組匝數(shù)和形狀完全一致的跑道形線圈作為基礎(chǔ)線圈，線徑為0.1 mm，總匝數(shù)為60匝，尺寸為5 mm×1 mm×5 mm×0.25 mm(長(zhǎng)×寬×高×壁厚)。線圈中心均放置尺寸為4 mmX0.5 mmX5 mm(長(zhǎng)×寬×高)的硅鋼片作為導(dǎo)磁鐵芯。三線圈并列放置在0.1 mm厚的POM(聚甲醛)片上便于安裝，同時(shí)為避免劃傷線圈及線圈劃傷凸輪表面，采用PEEK(聚醚醚酮)材料做封裝外殼，尺寸為5 mm×5 mm×6 mm×0.5 mm(長(zhǎng)×寬×高×壁厚)。3個(gè)線圈中，兩側(cè)線圈互為反向連接，引出兩根線，中間線圈為檢測(cè)線圈。

圖6 差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭結(jié)構(gòu)示意

2.2 差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭檢測(cè)仿真模型

采用COMSOL Multiphysics仿真軟件對(duì)差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭進(jìn)行仿真分析。

凸輪表面輪廓主要由圓弧凸面和過(guò)渡平面組成，為縮減計(jì)算時(shí)間，將跑道形線圈簡(jiǎn)化為圓形線圈，直接選用二維模型進(jìn)行仿真分析。物理場(chǎng)添加磁場(chǎng)和電場(chǎng)進(jìn)行耦合。平面及圓弧凸面渦流檢測(cè)物理仿真模型如圖7，8所示。

圖7 平面渦流檢測(cè)物理仿真模型

圖8 圓弧凸面渦流檢測(cè)物理仿真模型

在平板上刻長(zhǎng)為10 mm,寬為0.1 mm，深為0.1 mm的刻槽作為刻傷缺陷，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)得到如圖9所示的感應(yīng)電磁場(chǎng)分布特征。

圖9 平板缺陷的磁場(chǎng)分布

在圓弧凸面上刻長(zhǎng)為10 mm,寬為0.1 mm，深為0.1 mm的刻槽作為刻傷缺陷，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)得到如圖10所示的感應(yīng)電磁場(chǎng)分布特征。

圖10 圓弧凸面缺陷的磁場(chǎng)分布

2.3 線圈間隔對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取頻率為100 kHz，電壓為4 V的激勵(lì)。

線圈間距為相鄰線圈的線圈外層間的間隔距離。線圈間距的增大一方面對(duì)檢測(cè)靈敏度不利，更主要的是，對(duì)于圓弧凸面及平面檢測(cè)，會(huì)造成檢測(cè)靈敏度的不一致。選用過(guò)渡平面以及最小曲率半徑為12 mm的圓弧凸面為檢測(cè)對(duì)象，對(duì)線圈間距不同的差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭進(jìn)行仿真分析。

不同線圈間距的仿真檢測(cè)信號(hào)峰值變化曲線如圖11所示，由圖11可知，相比于過(guò)渡平面，圓弧凸面由于附加提離效應(yīng)的影響，故探頭的檢測(cè)靈敏度衰減更快。線圈間距在0.1 mm以內(nèi)時(shí)，其大小對(duì)差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭檢測(cè)靈敏度基本無(wú)影響，當(dāng)線圈間距達(dá)到1.7 mm以后，探頭檢測(cè)靈敏度衰減50%左右。為此，設(shè)計(jì)的差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭線圈間距控制在0.1 mm以內(nèi)。

圖11 不同線圈間距的仿真檢測(cè)信號(hào)峰值變化曲線

2.4 提離效應(yīng)對(duì)差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭的影響

在對(duì)圓弧凸面的檢測(cè)中，渦流探頭對(duì)提離的變化尤其敏感。不同提離的仿真檢測(cè)信號(hào)峰值變化曲線如圖12所示。由圖12可知，當(dāng)提離大于1.5 mm時(shí)，信號(hào)幾乎為零；提離在0.10.4 mm時(shí)，隨著提離增大，信號(hào)急劇衰減。

圖12 不同提離的仿真檢測(cè)信號(hào)峰值變化曲線

3 凸輪曲面渦流檢測(cè)方法

3.1 曲面產(chǎn)生的附加提離對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

圓弧凸面與渦流檢測(cè)探頭的位置關(guān)系如圖13所示(圖中h0和h分別為中間線圈底部與兩側(cè)差分線圈底部到圓弧凸面的距離)，可見(jiàn)圓弧凸面曲率半徑的減小，會(huì)使兩側(cè)差動(dòng)激勵(lì)線圈提離距離h增加。根據(jù)凸輪參數(shù)，使圓弧凸面的曲率半徑由6 mm增加至24 mm，進(jìn)行仿真分析。

圖13 圓弧凸面與渦流檢測(cè)探頭位置關(guān)系示意

不同曲率半徑的圓弧凸面仿真檢測(cè)信號(hào)峰值變化曲線如圖14所示，由圖14可知，當(dāng)圓弧凸面曲率半徑在20 mm以上時(shí)，輸出信號(hào)幅值基本無(wú)變化；圓弧凸面曲率半徑為12 mm時(shí)，信號(hào)衰減10%左右；為4 mm時(shí)，衰減27%左右。GEP3型凸輪軸圓弧凸面最小曲率半徑為12 mm，信號(hào)衰減僅為10%左右，在可接受范圍內(nèi)。

圖14 不同曲率半徑的圓弧凸面仿真檢測(cè)信號(hào)峰值變化曲線

3.2 檢測(cè)探頭姿態(tài)的影響

渦流探頭緊貼凸輪表面的姿態(tài)不同，3個(gè)線圈有可能處于近零、小提離和大提離3種狀態(tài)。在檢測(cè)中，只有當(dāng)兩側(cè)的差動(dòng)激勵(lì)線圈提離距離相等時(shí)，中間的接收線圈才能正常工作。平面檢測(cè)時(shí)很容易滿足該要求，但圓弧凸面檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)線圈的提離會(huì)產(chǎn)生差異，造成檢測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定以及靈敏度降低。

對(duì)于凸輪非規(guī)則回轉(zhuǎn)體的表面檢測(cè)，已有的檢測(cè)設(shè)備采用二自由度的探頭跟蹤機(jī)構(gòu)，極易產(chǎn)生2個(gè)激勵(lì)線圈提離的失衡，在此提出一種三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)，保證檢測(cè)探頭始終在法向上緊貼凸輪輪廓表面，同時(shí)保證提離值的對(duì)稱變化。檢測(cè)凸輪的軸進(jìn)排氣凸輪大圓弧凸面、過(guò)渡平面、小圓弧凸面和油泵凸輪的圓弧凸面、過(guò)渡平面等位置的探頭姿態(tài)如圖15所示。由圖15可知，在進(jìn)排氣凸輪大圓弧凸面、小圓弧凸面和油泵凸輪圓弧凸面處，兩側(cè)差動(dòng)激勵(lì)線圈為小提離姿態(tài)，中間接收線圈為近零提離姿態(tài)；在進(jìn)排氣凸輪過(guò)渡平面和油泵凸輪過(guò)渡平面處，兩側(cè)差動(dòng)激勵(lì)線圈和中間接收線圈都為近零提離姿態(tài)。

圖15 三自由度探頭檢測(cè)不同檢測(cè)面時(shí)的探頭姿態(tài)示意

3.3 三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)

凸輪軸三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)如圖16所示,其主要由差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭、探頭安裝座、彈簧、擺動(dòng)座、蓋板、搖臂、導(dǎo)向輪、薄型氣缸、機(jī)架等組成。整個(gè)機(jī)構(gòu)具備3個(gè)轉(zhuǎn)軸，分別為探頭安裝座轉(zhuǎn)軸、擺動(dòng)座轉(zhuǎn)軸以及搖臂轉(zhuǎn)軸，其保證差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭在沿檢測(cè)平面切向運(yùn)動(dòng)時(shí)，始終保持法向姿態(tài)。

圖16 三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

3.4 自動(dòng)化渦流檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)的可靠性，采用凸輪軸人工刻傷試件進(jìn)行試驗(yàn)。凸輪軸標(biāo)準(zhǔn)刻傷試件的刻傷位置分別在進(jìn)排氣大圓弧凸面、過(guò)渡平面、小圓弧凸面和油泵圓弧凸面、過(guò)渡平面等5個(gè)位置，人工刻槽寬度為0.1 mm，深度為0.1 mm，長(zhǎng)度覆蓋整個(gè)凸輪寬度，人工刻傷如圖17，18所示。

圖17 凸輪軸進(jìn)排氣凸輪人工刻傷

圖18 凸輪軸油泵凸輪人工刻傷

凸輪軸自動(dòng)化檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖19所示，采用驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)凸輪軸沿自身軸線主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭在探頭跟蹤機(jī)構(gòu)的作用下，迫使探頭始終垂直緊貼待檢測(cè)表面實(shí)現(xiàn)被動(dòng)跟隨，完成凸輪軸凸輪表面的無(wú)損檢測(cè)。

圖19 凸輪軸自動(dòng)化檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意

檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)如圖20所示，凸輪軸由凸輪軸驅(qū)動(dòng)裝置中的三爪卡盤(pán)定位夾緊并旋轉(zhuǎn)；薄型氣缸通氣后推動(dòng)渦流探頭緊壓在凸輪表面，實(shí)現(xiàn)三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)的被動(dòng)跟隨。凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周后，差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭完成對(duì)凸輪軸凸輪整個(gè)輪廓表面的全覆蓋檢測(cè)。

圖20 檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)的組成

每個(gè)刻傷位置的檢測(cè)信號(hào)截取1 000個(gè)采集點(diǎn)數(shù)，得到各缺陷的檢測(cè)信號(hào)如圖21所示。

圖21 凸輪軸自動(dòng)化渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)

4 自動(dòng)化渦流檢測(cè)系統(tǒng)

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)凸輪軸的生產(chǎn)需求，檢測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下所述。

(1) 檢測(cè)靈敏度要求：人工裂紋深度為0.1 mm，寬度為0.1 mm。

(2) 工作可靠性要求：誤報(bào)率不大于1%，漏報(bào)率為0%。

(3) 檢測(cè)速度要求：每個(gè)試件的檢測(cè)時(shí)間小于30 s。

(4) 產(chǎn)品質(zhì)量要求：凸輪表面無(wú)劃痕，產(chǎn)品剩磁量不大于2 Gs。

(5) 防錯(cuò)需求：凸輪軸型號(hào)識(shí)別。

4.2 總體方案設(shè)計(jì)

凸輪軸自動(dòng)化渦流檢測(cè)系統(tǒng)主要由上料輔機(jī)、檢測(cè)主機(jī)以及下料輔機(jī)等3部分組成，檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖22所示(圖中NG表示不合格件)。上料輔機(jī)的功能包括進(jìn)氣凸輪軸與排氣凸輪軸的型號(hào)識(shí)別、凸輪軸自動(dòng)搬料前進(jìn)、凸輪軸二維碼讀取和自動(dòng)剔料等。檢測(cè)主機(jī)包括檢測(cè)工位1和檢測(cè)工位2，主要功能為完成凸輪軸進(jìn)排氣凸輪和油泵凸輪的全覆蓋無(wú)損檢測(cè)。下料輔機(jī)的功能包括凸輪軸自動(dòng)搬料、檢測(cè)缺陷、自動(dòng)剔料和凸輪軸自動(dòng)退磁等。

圖22 檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

5 結(jié)語(yǔ)

基于差動(dòng)渦流探頭的凸輪軸凸輪表面微裂紋的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)制作了差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭，分析了提離效應(yīng)、線圈間距、探頭姿態(tài)和圓弧凸面對(duì)差動(dòng)激勵(lì)渦流探頭的影響，提出了一種三自由度探頭跟蹤機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出一套凸輪軸自動(dòng)化渦流檢測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用顯示，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)速度為27 s/件，誤報(bào)率為0.83%，漏報(bào)率為0%，檢測(cè)完成后凸輪軸剩磁量均小于2 Gs。