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面對(duì)這么大的錐筒形鍛件，自動(dòng)檢測(cè)才是王道！
大型錐筒形鍛件廣泛應(yīng)用于航天型號(hào)產(chǎn)品中的結(jié)構(gòu)件、連接承載等部位，材料以鋁合金為主。此類(lèi)鍛件的機(jī)械加工量比較大，加工后產(chǎn)品的*薄位置不足10毫米，一旦出現(xiàn)超標(biāo)缺陷會(huì)造成產(chǎn)品報(bào)廢及原材料浪費(fèi)，因此需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。
通常，錐筒形鍛件外徑尺寸較大（大多超過(guò)1000mm）、壁厚較厚（不小于100mm），一般采用手工超聲波檢測(cè)，然而該檢測(cè)方式存在易漏檢、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、結(jié)果顯示不直觀、人為因素大等諸多缺點(diǎn)。為此，南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司和南京理工大學(xué)的科研人員們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套五自由度超聲波C掃描自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，讓我們來(lái)一睹為快吧。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
1
距離-幅值曲線(xiàn)擬合方法
距離-幅值曲線(xiàn)技術(shù)（DAC）是通過(guò)對(duì)一套基準(zhǔn)反射體（這里采用平底孔為Ф1.2mm，埋深為2.5~120mm的7A09鋁合金對(duì)比試塊）進(jìn)行實(shí)際測(cè)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(xiàn)形式表示。由DAC曲線(xiàn)可直接得到對(duì)應(yīng)位置的缺陷當(dāng)量。
得到當(dāng)量Ф1.2mm平底孔的距離-幅值關(guān)系后，由兩個(gè)距離直徑不同的平底孔回波的分貝差公式即可分別計(jì)算出當(dāng)量為Ф0.5mm、Ф2.0mm平底孔的距離-幅值關(guān)系。然后，采用三次樣條插值擬合DAC曲線(xiàn)。
2
C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0~10V。因此，在成像前需將電壓值轉(zhuǎn)換為實(shí)際檢測(cè)時(shí)超聲波探傷儀測(cè)得的真實(shí)幅值A(chǔ)S和聲程DS。
將擬合的三條DAC曲線(xiàn)分別在聲程DS處的值與AS比較，結(jié)果分為：
Ｉ區(qū)：AS< F0.5(DS)，色彩為G（綠色）
Ⅱ區(qū)：F0.5(DS)≤AS<F1.2(DS)，色彩為B（藍(lán)色）
Ⅲ區(qū)：F1.2(DS)≤AS<F2.0(DS)，色彩為Y（黃色）
Ⅳ區(qū)：AS≥F2.0(DS)，色彩為R（紅色）
隨著探頭的移動(dòng)，不斷將探頭新坐標(biāo)處的像素賦予對(duì)應(yīng)顏色，即可完成C掃描偽彩色成像。
系統(tǒng)工作原理
如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)首先在軟件上設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)、掃描參數(shù)、成像模式及檢測(cè)面；然后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在軟件控制下自動(dòng)掃描大型錐筒形鍛件，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)字超聲探傷儀輸出的信號(hào)幅值和聲程信號(hào)，并通過(guò)USB傳送給工控計(jì)算機(jī)；*后軟件按照上述偽彩色成像方法實(shí)時(shí)成像。
圖1 系統(tǒng)工作原理框圖
硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件??分主要由運(yùn)動(dòng)控制卡、機(jī)械掃描裝置、數(shù)據(jù)采集卡、超聲波探傷儀、噴水耦合水套及探頭、工控計(jì)算機(jī)等組成。
運(yùn)動(dòng)控制卡選用四川樂(lè)創(chuàng)科技公司的MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡，它采用PCI總線(xiàn)插槽，配有驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，有助于快速開(kāi)發(fā)。
超聲波探傷儀選用OLYMPUS EPOCH1000型，具有模擬/數(shù)字信號(hào)輸出、DAC曲線(xiàn)制作等功能，作為系統(tǒng)主機(jī)，能輸出報(bào)警、信號(hào)幅值、聲程等信號(hào)。
為減小盲區(qū)及始脈沖寬度，探頭選用15MHz的窄脈沖水浸探頭；在控制工件表面粗糙度的情況下，檢測(cè)盲區(qū)小于2.5mm。
要100%掃描錐筒形鍛件，機(jī)械掃描裝置應(yīng)能帶動(dòng)探頭完成前后上下移動(dòng)、左右旋轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)動(dòng)、角度調(diào)整等動(dòng)作。因此，設(shè)計(jì)出圖2所示的五自由度機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，移動(dòng)定位精度優(yōu)于0.1mm，轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度優(yōu)于0.2°。
圖2 機(jī)械掃査裝置設(shè)計(jì)方案圖
軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件是在windows環(huán)境下，采用LabVIEW并結(jié)合C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成，具有模塊性、繼承性、動(dòng)態(tài)鏈接性等優(yōu)點(diǎn)。
軟件主要包括信號(hào)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(dòng)設(shè)置運(yùn)動(dòng)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(hào)通過(guò)成像模塊實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)成像得到的矩形圖幾何展開(kāi)成扇形圖，如圖3所示；*后可通過(guò)缺陷復(fù)查定位模塊對(duì)缺陷位置、當(dāng)量、面積大小等進(jìn)行驗(yàn)證。
圖3 軟件成像模塊顯示界面
試驗(yàn)驗(yàn)證
如圖4所示，利用該系統(tǒng)對(duì)含有缺陷的某一錐筒形鋁合金鍛件（外徑大于1000mm，厚度為100mm）進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，然后進(jìn)行手工超聲檢測(cè)驗(yàn)證。試驗(yàn)工藝參數(shù)如下表所示。
圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖
系統(tǒng)掃描一遍完成檢測(cè)，用時(shí)1.5h，發(fā)現(xiàn)一處埋深45mm的點(diǎn)狀缺陷，顯示為點(diǎn)狀黃**像，如圖5所示，可直接判斷當(dāng)量大于等于Ф1.2mm且小于Ф2.0mm，重復(fù)檢測(cè)5次，當(dāng)量定量*大偏差為0.5dB，取當(dāng)量平均值為Ф1.2mm+5dB。
圖5 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果
為避免漏檢，手工檢測(cè)需要兩位檢測(cè)人員分別檢測(cè)，共用時(shí)約5.5h，在相同的位置也發(fā)現(xiàn)一處埋深45mm的點(diǎn)狀缺陷，補(bǔ)償表面粗糙度引起的信號(hào)衰減（增益增加4dB），并與試塊比對(duì)5次后，兩位檢測(cè)人員確定的當(dāng)量平均值分別為Ф1.2mm+6dB和Ф1.2mm+4dB，且5次比對(duì)的*大偏差均超過(guò)1dB。
由試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)檢測(cè)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*小可實(shí)現(xiàn)0.5mm，不易出現(xiàn)漏檢，只需一位檢測(cè)人員操作即可，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。
目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品原材料大型錐筒形鍛件的批量檢測(cè)，不但保證了結(jié)果的可靠性，滿(mǎn)足了實(shí)際檢測(cè)需求，而且批量檢測(cè)效率比人工檢測(cè)方式更高更有優(yōu)勢(shì)，為型號(hào)產(chǎn)品的質(zhì)量和科研生產(chǎn)進(jìn)度提供了有力保障。