孟 杰 王 哲 王榮彪 康宜華 邱 晨

1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074 2.武漢華宇一目檢測(cè)裝備有限公司，武漢，430074

0 引言

彈藥筒在火炮射擊時(shí)要承受巨大的驟變溫度和壓力，如果工件存在未檢出的裂紋、夾渣等缺陷，則可能會(huì)引起炸膛或不退膛，導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至危及人身安全，導(dǎo)致整個(gè)火炮系統(tǒng)失去戰(zhàn)斗能力[1-2]。由于彈藥筒曲率大，要求檢測(cè)速度快、精度高，自動(dòng)化程度較低的檢測(cè)設(shè)備難以滿(mǎn)足彈藥筒檢測(cè)的要求，其高速自動(dòng)化檢測(cè)水平有待提高[3-4]。目前彈藥筒自動(dòng)檢測(cè)方法有射線(xiàn)檢測(cè)、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)以及超聲檢測(cè)等方法，其中，超聲檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛。高遠(yuǎn)飛等[5]先獲取彈藥筒的X射線(xiàn)圖片，然后對(duì)其采取特定的圖像處理算法，以判斷藥筒是否合格，該方法成本較高，對(duì)檢測(cè)人員可能造成損害，且檢測(cè)速度較低。李峰等[6]介紹了一種以坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)為核心，結(jié)合圖像檢測(cè)技術(shù)和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研發(fā)出的炮彈結(jié)構(gòu)特征量測(cè)量系統(tǒng)，但該系統(tǒng)主要針對(duì)藥筒結(jié)構(gòu)測(cè)量，無(wú)法準(zhǔn)確判斷微裂紋、夾雜等缺陷。高瑜等[7]、楊順民等[8]提出用蘭姆波水浸超聲探傷方法對(duì)彈藥筒進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，但其檢測(cè)速度慢、效率低，同時(shí)水等耦合劑若未及時(shí)處理，將影響后續(xù)加工工藝。與以上檢測(cè)方法相比，漏磁檢測(cè)不僅工藝簡(jiǎn)單、靈敏度高、檢測(cè)速度快，而且對(duì)內(nèi)外表面的裂紋、腐蝕和凹坑等缺陷具有很好的檢出能力，廣泛應(yīng)用于管體的檢測(cè)[9-11]，但目前針對(duì)彈藥筒等短小工件的高速、高精漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的研究較少，且檢測(cè)精度有待提升。本文采用彈藥筒原地旋轉(zhuǎn)、漏磁檢測(cè)探頭管體外全覆蓋的漏磁檢測(cè)方式，該方法是對(duì)彈藥筒高精、高速檢測(cè)方法的重要補(bǔ)充。

1 小管徑彈藥筒高速漏磁檢測(cè)方法

1.1 小管徑彈藥筒結(jié)構(gòu)和缺陷特點(diǎn)

小管徑彈藥筒的外徑在39.2～56.4 mm之間，長(zhǎng)度一般在175～265 mm之間，見(jiàn)表1。其加工工藝為坯料多次引伸成形，導(dǎo)致小徑筒體易形成縱向裂紋，同時(shí)也會(huì)有夾渣、凹坑和折疊等缺陷出現(xiàn)。由于彈藥筒質(zhì)量要求較高，本文以長(zhǎng)、寬、深分別為10±0.5mm、0.1±0.01mm、0.05±0.005 mm的內(nèi)外人工微細(xì)裂紋作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，0.05 mm深的檢測(cè)精度遠(yuǎn)高于目前工程上管體的漏磁檢測(cè)精度[9-11]。

表1 彈藥筒主要尺寸

1.2 彈藥筒微細(xì)裂紋漏磁檢測(cè)方法

1.2.1漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)是利用勵(lì)磁源對(duì)被檢工件進(jìn)行局部磁化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。若被測(cè)工件表面光滑，內(nèi)部沒(méi)有缺陷，則磁通將全部通過(guò)工件；若材料表面或近表面存在缺陷，則其附近的磁場(chǎng)將發(fā)生畸變，通過(guò)傳感器可檢測(cè)到漏磁場(chǎng)。彈藥筒主要為縱向裂紋類(lèi)缺陷，所以采用縱向漏磁檢測(cè)方法，檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。

圖1 縱向漏磁檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of longitudinal magnetic flux leakage detection

1.2.2檢測(cè)方式的選擇

筒體、管體等工件檢測(cè)方式主要有探頭螺旋前進(jìn)、工件固定，探頭包覆、工件直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，工件螺旋前進(jìn)、探頭固定等方法，前兩種檢測(cè)方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而工件螺旋前進(jìn)是旋轉(zhuǎn)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)形式的復(fù)合結(jié)果，工件運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性很難滿(mǎn)足高速、高精度的檢測(cè)需求。考慮到彈藥筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為小管徑筒體且長(zhǎng)度較短，采用彈藥筒原地旋轉(zhuǎn)、漏磁檢測(cè)探頭管體外全覆蓋的漏磁檢測(cè)方式，檢測(cè)時(shí)工件只進(jìn)行單一旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，檢測(cè)狀態(tài)更加穩(wěn)定。

1.2.3磁化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)磁性檢測(cè)原理，檢測(cè)時(shí)外加磁場(chǎng)方向應(yīng)最大限度地與缺陷走向垂直，以激勵(lì)出最大的漏磁場(chǎng)?？v向漏磁檢測(cè)時(shí)需使工件被周向磁化，故采用U形磁軛磁化方法形成周向磁化場(chǎng)[12]，從而實(shí)現(xiàn)工件的周向磁化，磁化機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2。當(dāng)改變彈藥筒規(guī)格時(shí)，通過(guò)手輪對(duì)可調(diào)節(jié)極靴進(jìn)行微調(diào)，以保證工件的磁化效果，適應(yīng)多規(guī)格彈藥筒的磁化的需求。

圖2 磁化機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of Magnetization mechanism

通過(guò)有限元法分析磁化機(jī)構(gòu)磁化效果，對(duì)彈藥筒和磁軛采用SOLID96單元，磁化器采用SOURC36單元，線(xiàn)圈匝數(shù)為1000，電流為每匝6 A。磁化機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)的分布云圖見(jiàn)圖3a，磁化機(jī)構(gòu)形成了良好的磁回路，可調(diào)極靴對(duì)磁路影響較小。待檢測(cè)部位磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.6 T左右，見(jiàn)圖3b，滿(mǎn)足磁化要求并且磁化場(chǎng)比較均勻，能夠保證檢測(cè)信號(hào)的一致性。

圖3 磁化機(jī)構(gòu)及彈藥筒磁場(chǎng)分布云圖Fig.3 Distribution contours of magnetic field on magnetization mechanism and bearing rings

1.2.4磁頭式精密漏磁檢測(cè)陣列探頭設(shè)計(jì)

探頭的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合漏磁場(chǎng)的大小、工件形狀等因素。漏磁場(chǎng)強(qiáng)度僅與裂紋的寬度、深度有關(guān)，即彈藥筒微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)將極為微弱，這對(duì)探頭的選擇和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。常見(jiàn)的線(xiàn)圈、霍爾元件尺寸較大，測(cè)點(diǎn)提離值大，磁阻磁頭、巨磁阻磁頭在強(qiáng)背景磁場(chǎng)下會(huì)飽和，都難以準(zhǔn)確捕捉微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)。采用一種磁頭式傳感器拾取微弱漏磁場(chǎng)，見(jiàn)圖4，該傳感器抗外界電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，微細(xì)裂紋檢出能力達(dá)到0.03mm深，已成功應(yīng)用于軸承、輪轂等高精檢測(cè)領(lǐng)域[13-15]。

圖4 磁頭式傳感器檢測(cè)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of magnetic head sensor

為保證被測(cè)彈藥筒全覆蓋檢測(cè)而無(wú)漏檢，要求檢測(cè)探頭的有效檢測(cè)范圍應(yīng)大于彈藥筒需檢測(cè)的長(zhǎng)度。由此設(shè)計(jì)了磁頭式精密漏磁檢測(cè)陣列探頭，以滿(mǎn)足高精度、全覆蓋的檢測(cè)要求。采用陣列差分的組合形式，探頭由48通道組成，兩個(gè)磁頭差分出一個(gè)通道，見(jiàn)圖5。采用差分組合形式，能有效消除測(cè)量過(guò)程中振動(dòng)、晃動(dòng)等影響，提高測(cè)量的穩(wěn)定性、信噪比和抗干擾能力。同時(shí)增加隔離片、屏蔽罩，以減少電磁干擾。每個(gè)差分探頭的有效檢測(cè)長(zhǎng)度約6 mm，為保證一定的重疊率，陣列探頭的有效檢測(cè)長(zhǎng)度約240 mm，滿(mǎn)足多規(guī)格彈藥筒的檢測(cè)覆蓋需求。

圖5 陣列差分探頭示意圖Fig.5 5Diagram of differential probe

檢測(cè)時(shí)，根據(jù)彈藥筒規(guī)格合理提取多通道中有效檢測(cè)信號(hào)，防止無(wú)用通道開(kāi)啟時(shí)對(duì)其他通道造成干擾，影響檢測(cè)結(jié)果。例如，檢測(cè)D型彈藥筒時(shí)，僅提取前37個(gè)通道的漏磁檢測(cè)信號(hào)即可完成彈藥筒無(wú)盲區(qū)檢測(cè)，見(jiàn)圖6。

圖6 通道開(kāi)啟情況Fig.6 Channel condition

2 高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)

高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要包括機(jī)架、檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、漏磁檢測(cè)單機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小管徑彈藥筒從上料到產(chǎn)品檢測(cè)、分選全過(guò)程自動(dòng)化。

2.1 檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括上料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及分選裝置，見(jiàn)圖7。

圖7 檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Diagram of motor system

機(jī)架將各個(gè)機(jī)構(gòu)固定；上料機(jī)構(gòu)包括上料滑道、上料推桿以及上料氣缸等，待檢彈藥筒放置在上料滑道上，氣缸帶動(dòng)上料推桿將彈藥筒送至漏磁檢測(cè)單機(jī)中，同時(shí)將檢測(cè)單機(jī)中已完成檢測(cè)的藥筒推送至分選機(jī)構(gòu)中，隨后復(fù)位，等待下一次上料動(dòng)作；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要靠電機(jī)帶動(dòng)同步齒形帶運(yùn)動(dòng)，最終帶動(dòng)檢測(cè)單機(jī)中滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)時(shí)工件所需的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)彈藥筒在2 s檢測(cè)時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)6圈，保證缺陷信號(hào)的重復(fù)次數(shù)；分選機(jī)構(gòu)通過(guò)漏磁檢測(cè)單機(jī)和計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)的判斷結(jié)果，對(duì)彈藥筒進(jìn)行自動(dòng)分選。各個(gè)組件相互配合，裝置可以精準(zhǔn)控制檢測(cè)速度，保證了漏磁檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)之一，本系統(tǒng)使用PLC進(jìn)行控制，主要檢測(cè)流程見(jiàn)圖8。

圖8 彈藥筒檢測(cè)流程Fig.8 Flow chart of detection

2.3 減少誤判的信號(hào)處理方法

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低誤報(bào)率，進(jìn)行了減少誤判的信號(hào)處理算法研究。理論上彈藥筒只需被全覆蓋檢測(cè)一周即可完成檢測(cè)，但產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)易受外界干擾導(dǎo)致誤報(bào)，或由于檢測(cè)重復(fù)度低導(dǎo)致漏檢，由此人為控制彈藥筒在2秒檢測(cè)時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)6圈，即理論上若出現(xiàn)缺陷可出現(xiàn)6次缺陷信號(hào)，形成有規(guī)律的檢測(cè)信號(hào)再通過(guò)減少誤判的信號(hào)處理方法處理，以達(dá)到減少誤報(bào)并避免漏檢的目的。外界的電磁干擾、機(jī)械抖動(dòng)等問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)導(dǎo)致誤報(bào)，檢測(cè)過(guò)程中典型誤報(bào)信號(hào)與缺陷信號(hào)見(jiàn)圖9。

圖9 典型誤報(bào)信號(hào)與缺陷信號(hào)Fig.9 Typical false alarm signals and defects signal

分析典型誤報(bào)信號(hào)與缺陷信號(hào)的特征可發(fā)現(xiàn)：在2 s檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，缺陷信號(hào)呈周期性分布，近似等距出現(xiàn)6次左右且峰值穩(wěn)定，而干擾信號(hào)出現(xiàn)位置隨機(jī)且頻率低?；谝陨闲盘?hào)特征，若以檢測(cè)信號(hào)等距出現(xiàn)6次超過(guò)報(bào)警門(mén)限信號(hào)為報(bào)警分選條件，則報(bào)警條件太過(guò)于苛刻，容易漏報(bào)。但若檢測(cè)信號(hào)超過(guò)報(bào)警門(mén)限信號(hào)就進(jìn)行報(bào)警分選，將導(dǎo)致誤報(bào)增加。因此，在形成有規(guī)律的檢測(cè)信號(hào)的同時(shí)，設(shè)定了缺陷判定算法，信號(hào)處理算法思路如下：

(1)完成2 s內(nèi)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)樣本X采集；

(2)將X等分為6塊，提取出Xi中的信號(hào)峰值A(chǔ)i以及該峰值的橫坐標(biāo)ai(i=1，2，…，6);

(3)判斷信號(hào)峰值A(chǔ)i超過(guò)門(mén)限A的次數(shù)是否大于4次，若是，則進(jìn)入不合格品區(qū)，否則進(jìn)入下一步；

(4)統(tǒng)計(jì)信號(hào)峰值是否滿(mǎn)足Ai≈Ai+1≈Ai+2或出現(xiàn)位置滿(mǎn)足ai+1-ai≈ai+2-ai+1，若是，則進(jìn)入不合格品區(qū)，否則消除誤判信號(hào)，進(jìn)入合格區(qū)。

經(jīng)減少誤判的信號(hào)處理后，誤報(bào)信號(hào)的處理結(jié)果見(jiàn)圖10，檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的誤報(bào)信號(hào)被有效消除。

圖10 誤報(bào)信號(hào)處理情況Fig.10 Signal processing results

3 檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

本文的研究對(duì)象是小管徑彈藥筒，選取A彈藥筒進(jìn)行探傷測(cè)試，樣件見(jiàn)圖11。

圖11 測(cè)試樣件Fig.11 Test sample

樣件人工缺陷為縱向分布的兩種標(biāo)準(zhǔn)傷：長(zhǎng)、寬、深分別為10±0.5 mm、0.1±0.01 mm、0.05±0.005 mm的內(nèi)外微裂紋。用刻有標(biāo)準(zhǔn)傷的樣件對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)調(diào)整增益，使得0.05 mm深內(nèi)傷信號(hào)峰值為2.5 V，為保證標(biāo)準(zhǔn)傷不漏檢且系統(tǒng)誤報(bào)率低，設(shè)定報(bào)警門(mén)限為2 V，將信號(hào)峰值高于報(bào)警門(mén)限的漏磁檢測(cè)信號(hào)定為報(bào)警信號(hào)，結(jié)合減少誤判的信號(hào)處理方法判定彈藥筒是否合格，檢測(cè)信號(hào)波形見(jiàn)圖12。

圖12 檢測(cè)信號(hào)波形Fig.12 Detection signal of test sample

檢測(cè)結(jié)果顯示，內(nèi)外微細(xì)裂紋的漏磁信號(hào)較強(qiáng)，信噪比大于8 dB。完成信號(hào)標(biāo)定后，分別對(duì)160根A彈藥筒進(jìn)行批量檢測(cè)，可精準(zhǔn)檢測(cè)出彈藥筒上存在的自然傷及標(biāo)準(zhǔn)樣傷，檢測(cè)信號(hào)分別見(jiàn)圖13和圖14。在報(bào)警門(mén)限為2 V的情況下，樣傷管無(wú)漏報(bào)，誤報(bào)率僅為2%，報(bào)警門(mén)限設(shè)置滿(mǎn)足檢測(cè)需求，同時(shí)單機(jī)檢測(cè)速度可達(dá)4 s/件，是彈藥筒超聲單機(jī)檢測(cè)速度的2～4倍。

高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物見(jiàn)圖15，操作人員通過(guò)操作控制柜即可對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，操作過(guò)程簡(jiǎn)單便捷。

圖13 彈藥筒自然傷Fig.13 Natural defects

圖14 自然傷檢測(cè)信號(hào)Fig.14 Detection signal of natural defects

圖15 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物Fig.15 Detection system

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析彈藥筒結(jié)構(gòu)和缺陷特點(diǎn)，采用彈藥筒原地旋轉(zhuǎn)、漏磁檢測(cè)探頭管體外全覆蓋的漏磁檢測(cè)方式，提高了彈藥筒檢測(cè)速度以及穩(wěn)定性。

(2)針對(duì)多規(guī)格彈藥筒磁化需求，設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)探靴、U形磁軛磁化機(jī)構(gòu)，通過(guò)有限元法分析磁化機(jī)構(gòu)，待檢測(cè)部位磁化場(chǎng)均勻能夠保證檢測(cè)信號(hào)的一致性。

(3)設(shè)計(jì)了磁頭式精密漏磁檢測(cè)陣列探頭拾取微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，合理提取多通道中有效檢測(cè)信號(hào)并進(jìn)行減少誤判的信號(hào)處理，滿(mǎn)足多規(guī)格彈藥筒高精、高穩(wěn)定性的漏磁檢測(cè)需求。