金屬在擠壓加工過(guò)程中，擠壓工藝參數(shù)的選擇、生產(chǎn)過(guò)程控制、原料質(zhì)量、擠壓模選擇等因素會(huì)導(dǎo)致擠壓產(chǎn)品出現(xiàn)各種缺陷。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致擠壓產(chǎn)品的力學(xué)性能降低，疲勞壽命不合格以及產(chǎn)品無(wú)法裝配等問(wèn)題，所以工廠需要對(duì)擠壓產(chǎn)品進(jìn)行缺陷檢測(cè)。超聲檢測(cè)具有操作安全、缺陷定位準(zhǔn)確、靈敏度高、成本低等特點(diǎn)，成為擠壓產(chǎn)品缺陷檢測(cè)的重要方法之一。
1 擠壓棒材超聲檢測(cè)的難點(diǎn)
雖然超聲檢測(cè)技術(shù)在金屬加工領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是檢測(cè)過(guò)程中仍然有很多難點(diǎn)需要解決，特別是在金屬擠壓制品的實(shí)際超聲檢測(cè)中，主要存在以下難點(diǎn)：
① 擠壓棒材的規(guī)格多樣性;
② 擠壓棒材缺陷類型的復(fù)雜性;
③ 擠壓棒材近表面缺陷識(shí)別難度較大;
④ 生產(chǎn)環(huán)節(jié)中超聲檢測(cè)的檢測(cè)效率與精度之間的矛盾;
⑤ 手工檢測(cè)時(shí)對(duì)操作人員有較高要求。
1 擠壓棒材的規(guī)格多樣性
隨著金屬擠壓加工技術(shù)的發(fā)展，其擠壓制品的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，制品本身的形狀尺寸多種多樣。除了常見(jiàn)的圓形截面棒材外，還有矩形截面棒材、變厚度截面棒材和其他形狀的型材，如圖1所示。
被測(cè)件形狀的不規(guī)則會(huì)對(duì)超聲波的傳播造成影響，尤其在對(duì)一些變厚度截面制品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，若采用超聲脈沖反射法，其底波位置會(huì)隨著工件形狀發(fā)生變化，對(duì)一些依靠底波位置進(jìn)行識(shí)別的缺陷就可能無(wú)法檢出。一些厚度差異較大的棒材在被檢測(cè)時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)無(wú)底面回波的情況。
即使在同一個(gè)生產(chǎn)車間，根據(jù)擠壓生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，會(huì)經(jīng)常變換產(chǎn)品的規(guī)格，從而對(duì)超聲檢測(cè)設(shè)備有較強(qiáng)的適用性要求。超聲脈沖檢測(cè)法對(duì)不同工件有不同的檢測(cè)工藝要求，如需要改變延時(shí)、采樣長(zhǎng)度、增益等參數(shù)，甚至需要更換超聲探頭。
2 擠壓棒材缺陷類型的復(fù)雜性
在擠壓制品中存在裂紋、擠壓縮尾、分層、夾雜、晶粒粗大和疏松等缺陷。如圖2所示，有些缺陷的產(chǎn)生位置較固定，如裂紋多出現(xiàn)在制品的近表面，中心縮尾多出現(xiàn)在制品的中心部位;擠壓制品外形規(guī)格不同，特別是矩形棒材制品中會(huì)出現(xiàn)存在于拐角處或側(cè)邊的微小缺陷，如分層、夾雜等，這些位置的缺陷因?yàn)樵诠ぜ吘墸暂^難被識(shí)別。
針對(duì)不同的缺陷類型，超聲檢測(cè)方法也不一樣。例如夾雜缺陷需要依賴缺陷回波進(jìn)行識(shí)別，而分層缺陷則可能需要依賴底波的位置變化來(lái)進(jìn)行識(shí)別。
3 近表面缺陷識(shí)別難度
在擠壓棒材的典型缺陷中，皮下縮尾和分層缺陷都有可能出現(xiàn)在制品的近表面區(qū)域。在超聲脈沖反射法檢測(cè)技術(shù)中，由于表面回波存在一定的寬度，所以在被測(cè)件近表面區(qū)域存在一定的盲區(qū)，無(wú)法識(shí)別其中是否存在缺陷。這就導(dǎo)致了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，操作人員通常選擇從缺陷的遠(yuǎn)表面進(jìn)行檢測(cè)，依靠底面回波前移等特征來(lái)識(shí)別缺陷。
4 超聲檢測(cè)工藝難點(diǎn)
雖然超聲檢測(cè)技術(shù)在理論上能夠識(shí)別很微小的缺陷，但是想要識(shí)別這些微小缺陷，就需要對(duì)工件進(jìn)行全面檢測(cè)。在相同的儀器設(shè)備等檢測(cè)條件下，希望被測(cè)到的最小缺陷越小，則檢測(cè)的總時(shí)間就越長(zhǎng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，擠壓制品一般都有著大批量的特性，這就對(duì)檢測(cè)環(huán)節(jié)的耗時(shí)有了限制。如何在超聲檢測(cè)的檢測(cè)精度和檢測(cè)時(shí)間之間取得平衡，或是在一定的檢測(cè)精度要求下優(yōu)化檢測(cè)流程(工件運(yùn)轉(zhuǎn)方式等)，是實(shí)際應(yīng)用中遇到的難點(diǎn)之一。
5 檢測(cè)人員技能需求
現(xiàn)在，許多擠壓加工制造領(lǐng)域的企業(yè)都還在使用一些老式的超聲檢測(cè)儀進(jìn)行擠壓制品的超聲檢測(cè)。特別是一些形狀較為復(fù)雜、尺寸較大的擠壓棒材，只能依靠人工手持探頭的方式進(jìn)行檢測(cè)。這就對(duì)操作人員的檢測(cè)水平有較高的要求，使得培養(yǎng)熟練檢測(cè)工人的成本較高。超聲檢測(cè)作業(yè)時(shí)需要注意力高度集中，檢測(cè)人員長(zhǎng)時(shí)間工作后容易疲勞，以致于發(fā)生漏檢等情況。如何在一些尺寸較小，外觀形狀較為規(guī)則的擠壓制品超聲檢測(cè)環(huán)節(jié)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化技術(shù)代替人工進(jìn)行檢測(cè)，降低操作人員的工作強(qiáng)度和門(mén)檻，是擠壓棒材超聲檢測(cè)需要解決的問(wèn)題。
2 機(jī)器人超聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了提高金屬擠壓件缺陷的檢測(cè)規(guī)范性和易操作性，浙江大學(xué)和廣東華興換熱設(shè)備有限公司的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)金屬擠壓件的超聲檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)使用該系統(tǒng)可以幫助金屬擠壓件的超聲檢測(cè)進(jìn)行較大缺陷的自動(dòng)識(shí)別。系統(tǒng)同樣具備信號(hào)的采集保存和數(shù)據(jù)定量分析功能。
1 檢測(cè)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
整個(gè)超聲檢測(cè)系統(tǒng)從功能上可以分為被檢件的運(yùn)動(dòng)控制與超聲檢測(cè)兩部分。被檢件運(yùn)動(dòng)控制部分可以分為機(jī)器人控制模塊與傳送控制模塊;超聲檢測(cè)部分可以分為超聲檢測(cè)硬件模塊與超聲檢測(cè)軟件模塊。
機(jī)器人控制模塊與傳送帶控制模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人與傳送帶進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)被測(cè)件全流程的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人模塊采用ABB公司的機(jī)器人，由專用控制柜進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與控制。傳送帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、阻擋器和接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送帶的精確控制，實(shí)現(xiàn)輸送模塊與機(jī)器人控制模塊的有效聯(lián)動(dòng)。
超聲檢測(cè)硬件模塊主要由超聲探頭、超聲發(fā)射采集卡、檢測(cè)水槽和探頭固定裝置等組成。該模塊負(fù)責(zé)完成超聲信號(hào)的發(fā)射和采集工作，并將采集后的信號(hào)傳輸給超聲檢測(cè)軟件模塊。針對(duì)金屬擠壓棒材產(chǎn)品種類多樣化的特點(diǎn)，在超聲檢測(cè)探頭固定裝置上加上伺服導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)位置的可調(diào)。
超聲檢測(cè)軟件模塊有3大功能：系統(tǒng)總控制、超聲信號(hào)采集控制和檢測(cè)信號(hào)處理。系統(tǒng)總控制負(fù)責(zé)對(duì)其余3項(xiàng)模塊的運(yùn)行停止進(jìn)行控制;超聲信號(hào)采集控制主要負(fù)責(zé)超聲信號(hào)的采集參數(shù)設(shè)定，包括采樣長(zhǎng)度、采樣延時(shí)和增益等;檢測(cè)信號(hào)處理主要采用時(shí)域識(shí)別的方法，結(jié)合部分頻域信息來(lái)實(shí)現(xiàn)較大缺陷的自動(dòng)識(shí)別。
2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)
如圖4所示，總控制開(kāi)始后，由超聲檢測(cè)軟件模塊向機(jī)器人控制和傳送帶控制模塊發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，兩功能模塊開(kāi)始工作。檢測(cè)人員在傳送帶的上料區(qū)完成被測(cè)件的上料。傳送帶將被測(cè)件送達(dá)機(jī)器人取件工位，并將到位信息發(fā)送給機(jī)器人。機(jī)器人控制模塊接收信號(hào)后，開(kāi)始夾取被測(cè)件，將其運(yùn)送到超聲檢測(cè)水槽中進(jìn)行超聲檢測(cè)。此期間，超聲水槽中的傳感器會(huì)檢測(cè)被測(cè)件是否到達(dá)檢測(cè)區(qū)域并發(fā)送信號(hào)給超聲檢測(cè)軟件，控制超聲信號(hào)采集的開(kāi)始與結(jié)束。當(dāng)機(jī)器人完成檢測(cè)動(dòng)作，離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域后，軟件會(huì)通過(guò)自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)信號(hào)中是否存在缺陷波，并給予機(jī)器人產(chǎn)品是否合格的結(jié)果，在此之前機(jī)器人將于特定位置等待。收到信號(hào)后，機(jī)器人將被測(cè)件進(jìn)行分揀，并依據(jù)軟件信號(hào)進(jìn)入下一次循環(huán)或停止檢測(cè)。
3 檢測(cè)試驗(yàn)
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)器人超聲檢測(cè)系統(tǒng)的可行性，搭建了相應(yīng)的機(jī)器人超聲檢測(cè)系統(tǒng)，并利用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)含有缺陷的銅合金擠壓棒材進(jìn)行超聲檢測(cè)，利用時(shí)頻分析方法進(jìn)行缺陷的自動(dòng)識(shí)別。最后將銅合金擠壓棒材進(jìn)行破壞，并與時(shí)頻分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
所用超聲探頭為5MHz頻率的點(diǎn)聚焦水浸探頭。被檢測(cè)對(duì)象為一根銅合金矩形截面擠壓棒材。已知在該擠壓棒材中存在種類未知的缺陷。
試驗(yàn)步驟如下：
(1) 在擠壓棒材的兩端劃分4個(gè)檢測(cè)區(qū)域，分別為a，b，c，d。
(2) 使用機(jī)器人超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)擠壓棒材的4個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，采集超聲檢測(cè)信號(hào)并保存。
(3) 使用時(shí)頻分析方法對(duì)采集到的超聲信號(hào)進(jìn)行缺陷的自動(dòng)識(shí)別，在檢測(cè)到缺陷后對(duì)擠壓棒材進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，觀察棒材斷面是否存在缺陷，驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
試驗(yàn)中使用機(jī)器人超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)擠壓棒材進(jìn)行輸送，由傳送帶將被測(cè)件運(yùn)送至機(jī)器人處，由機(jī)器人夾取被測(cè)件，放進(jìn)檢測(cè)水槽中進(jìn)行檢測(cè)。
在被測(cè)件到達(dá)檢測(cè)區(qū)域后，使用機(jī)器人超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)擠壓棒材進(jìn)行超聲檢測(cè)。
經(jīng)過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的超聲檢測(cè)及信號(hào)采集，分別獲得了在a,b,c,d 4個(gè)區(qū)域的超聲檢測(cè)信號(hào)。系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別功能判斷出a，b區(qū)域存在缺陷，而c，d區(qū)域沒(méi)有缺陷。
為了驗(yàn)證遞歸分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)被測(cè)件進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，觀察其斷面情況。
在圖9(a)的紅框處，可以看到被破壞過(guò)程放大的近表面分層缺陷，其缺陷尺寸很小，寬度約為2mm，空腔厚度約為0.1mm;而圖9(b)中則不存在明顯的缺陷。
破壞性試驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別結(jié)果一致，驗(yàn)證了機(jī)器人超聲檢測(cè)系統(tǒng)用于金屬擠壓制品超聲檢測(cè)的可靠性。
結(jié) 語(yǔ)
針對(duì)擠壓棒材的大批量超聲檢測(cè)問(wèn)題，提出了一種擠壓棒材機(jī)器人超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)從功能上可以分為被測(cè)件運(yùn)動(dòng)控制與超聲檢測(cè)兩部分，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)件運(yùn)送與超聲檢測(cè)的完全自動(dòng)化。
通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得知此擠壓棒材機(jī)器人超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別擠壓棒材中的缺陷，且檢測(cè)速度快，能進(jìn)行大批量檢測(cè)，可直接用于工業(yè)生產(chǎn)中。該系統(tǒng)的研究為擠壓棒材的自動(dòng)化檢測(cè)提供了一種新的解決思路，具有重大的應(yīng)用前景。
