雙機械手操作的軸承陣列漏磁檢測方法與系統(tǒng)

汪圣涵，唐健，劉軍，陳文宇，康宜華

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074；2.華工制造裝備數字化國家工程中心有限公司，武漢 430074；3.重慶長江軸承股份有限公司，重慶 401336)

軸承是重要的工業(yè)基礎件，在軸承套圈的生產過程中，套圈易出現氧化皮、折疊、裂紋、夾雜等缺陷，對軸承的剛度和強度產生影響，形成安全隱患，實施無損檢測十分必要。

常規(guī)的軸承套圈無損檢測方法主要有磁粉檢測法、人工目視檢測法、機器視覺檢測法等[1-3]。磁粉檢測速度慢，人力消耗多且易漏檢；機器視覺主要實現表面檢測，不能檢測出表面微細裂紋、近表層裂紋，而且軸承套圈含有溝道等曲面，渦流點探頭難以貼近被測表面，精度不如磁粉檢測法。

近幾年的研究表明，漏磁檢測易于實現自動化，靈敏度高，能夠取代人工磁粉檢測方法，實現軸承套圈等含有溝道曲面的零件的探傷。例如：文獻[4]針對輪轂軸承曲面上的裂紋，設計了一種微磁橋鐵芯和感應線圈組成的高靈敏度傳感器，取得了較好的效果；文獻[5]針對軸承套圈的縱向裂紋設計了漏磁檢測系統(tǒng)，檢出裂紋深度達到了0.05 mm。

在自動化探傷時，若采用單個點探頭掃查曲面，檢測速度有限，難以滿足高速生產的節(jié)拍要求。陣列漏磁仿形探頭具有檢測速度快的優(yōu)點，但需要探頭的掃查精度高、速度快。為此，研究具有軌跡精度高，運動速度快的多機械手協作的自動化無損檢測技術十分必要。

無損檢測中，操作探頭的機械手需要輕載、穩(wěn)定、高精度，選擇SCARA機械手比較合適。該類機器手在垂直平面內具有很好的剛度，在水平面上具有良好的柔順性，運動速度快且定位精度高[6]，在飛機機翼渦流自動化檢測[7]、車身關鍵尺寸激光測量[8]、復雜曲面的超聲探傷[9]等應用中已有成功案例。

綜上，提出一種采用SCARA機械手操持漏磁檢測探頭對軸承套圈內、外徑面及端面實施無損檢測的方法與系統(tǒng)，通過雙機械手聯動，完成檢測中的取料、出料和探傷等運動。

1 軸承套圈交直流正交磁化漏磁檢測方法

1.1 軸承套圈漏磁檢測的特點

軸承套圈分為內圈和外圈，兩者結構相似，均為寬度較小的環(huán)狀結構，由內、外徑面和上、下端面共4個面組成。其中，內圈外徑面及外圈內徑面含有溝道面，溝道面為回轉曲面，精密磨削加工帶來的裂紋淺且方向不定[10]。

漏磁檢測在石油領域已經獲得廣泛應用[11-13]。在成熟的鋼管漏磁檢測中，為實現多方向裂紋的全面檢測，通常采用2套獨立檢測設備，軸向磁化檢測周向裂紋，周向磁化檢測軸向裂紋。GB/T 12606—2016《無縫和焊接(埋弧焊除外)鐵磁性鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動漏磁檢測》規(guī)定，檢測的最小裂紋深度為0.4 mm，用直流磁化、陣列感應線圈掃查即可滿足探傷需求。

與鋼管漏磁檢測不同，軸承套圈的產量大，生產節(jié)拍快，要求的單只檢測時間短。磨削裂紋通常是微米級別，因此檢測靈敏度要求很高，至少達到磁粉探傷A型試片的最低檢出裂紋深度(0.06 mm)。另外，需同時檢測多個面和多種走向的裂紋，檢測要求更快捷、更全面、更精細。

1.2 磁化方法和磁化器

“更全面”指要滿足各面上不同走向的裂紋檢測，當磁化場與裂紋方向垂直時可以激勵出最大的漏磁場，因此對于不同走向的裂紋就需要用不同方向的磁化場激勵[14]。勵磁主要分為直流磁化和交流磁化。直流磁化的穿透深度大，可以檢測內部缺陷；而交流磁化因趨膚和渦流效應，只能檢測到淺層裂紋[15]。

為產生多向的磁化場，采用復合磁化方法[16]。但2個互相垂直的直流磁場合成后是一個恒定方向的斜向磁場，無法達到目的；2個正交的交流磁場合成隨時間變化的多向磁場，控制復雜且達不到高速檢測要求。為此，提出方向正交的交流磁化器和直流磁化器復合的方法，滿足磁場在時間域和空間域上的正交。在套圈的待測區(qū)域施加2個互相垂直的U形磁軛磁化器，一個磁化器通直流電，另一個磁化器通交流電，如圖1所示。2個磁場的矢量疊加后方向在一定扇區(qū)內隨時間變化[17]，如圖2所示，其中Bx和By分別為交流和直流磁化器產生的磁場，依次取A至E這5個不同時刻，疊加磁場方向隨著交流磁場的幅值和方向變化而變化。

圖1 內圈環(huán)外磁化器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of inner ring magnetizer

圖2 交流磁場與直流磁場疊加示意圖Fig.2 Diagram of combination of AC and DC magnetic field

另一方面，“更全面”還需要對套圈的4個面進行全覆蓋檢測。由于這4個面構成的環(huán)柱結構需要全面包覆式的磁化，設計2套半開放結構的環(huán)外磁化器和環(huán)內磁化器。

如圖1所示，內圈環(huán)外磁化器由3個U形磁化器組成：一個軸向直流磁化器橫跨在內圈的2個端面，對內圈的外徑面進行軸向磁化；一個溝道面周向磁化器對溝道面進行周向局部交流磁化；一個端面磁化器對一個端面進行周向局部交流磁化。環(huán)內磁化器結構基本相同，覆蓋內徑面和另一個端面。這樣的雙磁化器可以激勵出4個檢測面上多向裂紋的漏磁場。

1.3 傳感方法和探頭

“更精細”的要求從傳感方法和傳感器設計上解決。與磁粉檢測不同，漏磁檢測直接用磁傳感器測點拾取裂紋漏磁場的信號。為使同一測點對于多向磁化場產生的裂紋漏磁敏感，測量垂直于套圈表面的法向漏磁分量Bz，不僅可以簡化探頭設計，還可以降低磁化噪聲帶來的干擾，提高信噪比[18]。

常見的磁傳感器主要是霍爾元件、感應線圈和磁敏電阻等?；魻栐痛琶綦娮璧臋z測靈敏度較高，但線性范圍小，在強背景磁場下易飽和，而普通的感應線圈靈敏度不高，因此，選取疊層片式鐵氧體微型電感[19]構成直線或曲線陣列探頭，相比于市面常見的感應線圈，微型電感靈敏度高、體積小、一致性好。同時，采用差分組合的測量形式，消除檢測過程中由于振動或環(huán)境電磁干擾等造成的共模噪聲。

與磁化器一樣，探頭也需要滿足“更全面”的要求。探頭分為外探頭和內探頭，外探頭負責溝道面和一個端面，內探頭負責內徑面和另一個端面(以內圈為例)。每套探頭包含32個電感，2個電感差動連接組成一個差動檢測通道，輸出16個通道信號。2套仿形探頭實現對套圈所有面(包括倒角和溝道面)的全方位覆蓋，針對不同型號的套圈，可選用尺寸相配套的電感構成陣列探頭，以保證無死角的檢測效果，如圖3所示。

圖3 差分電感陣列探頭示意圖Fig.3 Diagram of array probe made up by differential inductors

檢測時，機械手上的支撐輪與套圈內、外徑面接觸定位，保證仿形探頭與套圈溝道之間具有恒定微小的提離值，實現小于0.1 mm的近零提離[4]。對于不同型號的套圈，需要根據外形尺寸設計對應的探頭和支撐輪，通過標準接口與機械手固定，滿足快速換型的需求。

由于是在同一測點同時檢測交、直流漏磁信號，需對傳感器接收到的信號進行分頻處理，分離出交流和直流檢測，從而判別不同走向的裂紋。

2 雙機械手操作的探傷系統(tǒng)

基于雙機械手的探傷系統(tǒng)如圖4所示，主要包括旋轉皮帶機、環(huán)內檢測機械手、環(huán)外檢測機械手、環(huán)內檢測探頭及支撐輪、環(huán)外檢測探頭及支撐輪、上料道、下料道、信號調理及采集模塊、計算機和路由器等部件，可以實現軸承套圈的上料、表面檢測和分選的全過程自動化。

1—上料道；2—環(huán)內檢測探頭及支撐輪；3—路由器；4—旋轉皮帶機；5—環(huán)外檢測機械手；6—下料道；7—環(huán)外檢測探頭及支撐輪；8—計算機；9—信號調理與采集模塊； 10—環(huán)內檢測機械手圖4 基于雙機械手的探傷系統(tǒng)示意圖Fig.4 Flaw detection system diagram based on twin-robot

2.1 自動探傷系統(tǒng)的動作

單個套圈的檢測動作流程如圖5所示，從上料、檢測到下料口篩選動作全部由機械手在計算機實時控制下完成。

圖5 單個套圈檢測流程圖Fig.5 Flow chart for testing of single ring

2.2 實現方法

每次檢測開始前或換型后，需用人工缺陷樣件進行標定，判別設備是否正常。檢測時，套圈在前移的過程中同時自轉超過2圈后進入下一步驟，期間無報警該套圈合格；重復出現2次及以上報警則判定套圈為異常。此動作由機械手末端安裝的支撐輪和皮帶機協作完成：機械手帶動支撐輪施加一個垂直于皮帶方向的壓力，且機械手沿皮帶運動方向上前進的速度小于皮帶運動的速度，從而使套圈在皮帶摩擦力作用下產生自轉。

支撐輪是該系統(tǒng)的關鍵零件，分為環(huán)內、環(huán)外支撐輪，支撐輪及探頭結構如圖6所示。環(huán)內支撐輪需要在檢測開始時將套圈推上皮帶機，環(huán)外支撐輪需要在檢測后按照結果進行套圈分選，兩者結構設計上有一定區(qū)別。支撐輪與探頭的相對位置在裝配時已經固定，因此，支撐輪壓緊套圈后，探頭與套圈的位置也隨之確定，通過這種方式確保探頭與套圈的提離值。

圖6 環(huán)內、環(huán)外支撐輪及檢測探頭Fig.6 Support wheels for inner and outer rings and testing probes

環(huán)內檢測探頭在完成檢測后，支撐輪將帶動套圈減速至停止，待環(huán)外支撐輪完成對套圈的定位與壓緊動作后，環(huán)內檢測探頭及支撐輪離開套圈，由環(huán)外檢測探頭及支撐輪獨立帶動套圈旋轉并進行外徑面檢測，整個交接過程用時約為1 s。

環(huán)外支撐輪同時協助實施分選，過程如下：檢測完成后，若套圈無缺陷，機械手垂直于皮帶輪向上運動離開套圈，套圈隨皮帶運動做平拋運動到達下料道；若檢測中有缺陷，機械手帶動支撐輪繼續(xù)貼在套圈外表面并引導其做減速運動直到圓弧處，套圈在到達皮帶末端時水平速度較低，不足以到達下料道,從而落入廢料框中。

在此，最關注的是機械手的重復定位精度。若機械手重復定位精度不高，則環(huán)內、環(huán)外檢測機械手均無法實現支撐輪對套圈的定位和后續(xù)的推動動作，導致檢測精度不高或因定位精度不準而無法完成檢測。

本系統(tǒng)采用的機械手由4個雙環(huán)反饋控制的伺服電動機系統(tǒng)構成，包含1個滾珠絲杠機構，2個轉軸和1個末端轉軸，可以實現豎直方向上的平動，平面上2個自由度的平動以及水平面上探頭角度的調整。機械手通過路由器與電腦連接，采用實時通信反饋機械手坐標信息及傳輸動作指令。機械手自身的控制系統(tǒng)框圖如圖7所示，各轉軸重復精度均為±0.01°，在600 r/min轉速下機械手運動穩(wěn)定。

圖7 機械手控制框圖Fig.7 Control block diagram of robot

機器人采用笛卡爾空間軌跡規(guī)劃法，可直觀的根據套圈和系統(tǒng)各零件的尺寸定義始末坐標點以實現單段運動軌跡，組合多個單段運動軌跡以合成探頭所需的檢測軌跡。機械手在入料道將套圈提至皮帶上以及在出料道前分離不合格套圈時，其運動軌跡為圓弧。圓弧軌跡由拋物線過渡的直線逼近法生成，該方法在保證運動平穩(wěn)性的同時，具有對計算量要求小，運算速度快的優(yōu)勢。

3 跟蹤系統(tǒng)性能測試

考慮到機械手重復定位精度對于檢測系統(tǒng)的重要性，進行試驗驗證，在前文所述軌跡規(guī)劃程序下，測量機械手沿各軸的直線重復定位精度。

試驗中，磁力表架固定2個百分表,百分表1所在位置為y軸正方向，百分表2所在位置為y軸負方向。分別測量機械手x軸、y軸和z軸的重復定位精度。以y軸為例，試驗設置如圖8a所示，將2個百分表沿y軸正負方向放置，初始時機械手推動百分表1并記錄其示值；控制機械手沿y軸以0.5 m/s的速度運動到百分表2處并記錄其示值。重復試驗20次，結果如圖8b所示。同理，x軸及z軸的測試結果如圖8c、圖8d所示。

圖8 三軸定位精度測試及結果Fig.8 Measurement and results of triaxial positioning accuracy

分析可得，x，y，z軸的定位精度分別為0.04，0.05，0.05 mm，滿足探傷的運動精度要求。根據正交磁化方法設計的漏磁檢測探頭，已實現了深度0.03 mm微裂紋的檢測[4]，能夠滿足軸承套圈的探傷要求，在此不再贅述。

4 結束語

1)提出了一種軸向直流、周向交流磁化的軸承套圈正交磁化漏磁檢測方法，可在單個測點同時完成多方向裂紋漏磁信號的拾取。

2)選取微小尺寸的疊層片式鐵氧體電感元件設計仿形陣列探頭，解決了曲面探頭的制作難題，確保了多測點靈敏度的一致性。

3)選取雙機械手的操作與控制，對直徑40～100 mm不同規(guī)格的軸承套圈，只需相應的磁化器、探頭及軟件編程即可靈活實現上料、檢測、分選、下料的自動化檢測，換型方便。