擠壓棒材的機器人超聲無損檢測系統(tǒng)

禹 岳，李立鴻，鐘 敏，邊成亮，楊辰龍

(1.浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，杭州 310027；2.廣東華興換熱設(shè)備有限公司，潮州 515000)

擠壓加工技術(shù)是金屬材料工業(yè)生產(chǎn)、新材料制備及加工的重要方法，具有高效、優(yōu)質(zhì)、低能耗等特點。金屬材料經(jīng)加熱后，通過擠壓可以生產(chǎn)出包括扁材、棒材、管材、線材及異型材等產(chǎn)品，也可以提供小規(guī)格的棒材、管材、型材的坯料[1]。

金屬在擠壓加工過程中，擠壓工藝參數(shù)的選擇、生產(chǎn)過程控制、原料質(zhì)量、擠壓模選擇等因素會導(dǎo)致擠壓產(chǎn)品出現(xiàn)各種缺陷。這些缺陷會導(dǎo)致擠壓產(chǎn)品的力學(xué)性能降低，疲勞壽命低于合格產(chǎn)品的以及無法裝配等問題，所以工廠需要對擠壓產(chǎn)品進行缺陷檢測。超聲檢測具有操作安全、缺陷定位準(zhǔn)確、靈敏度高、成本低等特點，成為擠壓產(chǎn)品缺陷檢測的重要方法之一[2]。

1 擠壓棒材超聲檢測的難點

雖然超聲檢測技術(shù)在金屬加工領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但是檢測過程中仍然有很多難點需要解決，特別是在金屬擠壓制品的實際超聲檢測中，主要存在以下幾個難點[3]: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別難度較大;④ 生產(chǎn)環(huán)節(jié)中超聲檢測的檢測效率與精度之間的矛盾;⑤ 手工檢測時對操作人員有較高要求。

1.1 擠壓棒材的規(guī)格多樣性分析

隨著金屬擠壓加工技術(shù)的發(fā)展，其擠壓制品的應(yīng)用范圍越來越廣，制品本身的形狀尺寸多種多樣。除了常見的圓形截面棒材外，還有矩形截面棒材、變厚度截面棒材和其他形狀的型材。一些常見規(guī)格的擠壓棒材外觀如圖1所示。被測件形狀的不規(guī)則會對超聲波的傳播造成影響，尤其在對一些變厚度截面制品進行檢測時，若采用超聲脈沖反射法，其底波位置會隨著工件形狀發(fā)生變化，對一些依靠底波位置進行識別的缺陷就可能無法檢出。一些厚度差異較大的棒材在被檢測時甚至?xí)霈F(xiàn)無底面回波的情況。

圖1 常見規(guī)格擠壓棒材外觀

即使在同一個生產(chǎn)車間，根據(jù)擠壓生產(chǎn)工藝的特點，會經(jīng)常變換產(chǎn)品的規(guī)格，從而對超聲檢測設(shè)備有較強的適用性要求。超聲脈沖檢測法對不同工件有不同的檢測工藝要求，如需要改變延時、采樣長度、增益等參數(shù)，甚至需要更換超聲探頭。

1.2 擠壓棒材缺陷類型的復(fù)雜性分析

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。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,這些位置的缺陷因為在工件邊緣,所以較難被識別。矩形截面和圓形截面擠壓棒材中常見的缺陷及位置分布如圖2所示。

圖2 矩形截面和圓形截面擠壓棒材中常見的缺陷及位置分布

針對不同的缺陷類型，超聲檢測方法也不一樣。例如,夾雜缺陷需要依賴缺陷回波進行識別，而分層缺陷則可能需要依賴底波的位置變化來進行識別。

1.3 近表面缺陷識別難度分析

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技術(shù)中，由于表面回波存在一定的寬度，所以在被測件近表面區(qū)域存在一定的盲區(qū)，無法識別其中是否存在缺陷。這就導(dǎo)致了實際生產(chǎn)應(yīng)用中，操作人員通常選擇從缺陷的遠(yuǎn)表面進行檢測，依靠底面回波前移等特征來識別缺陷。

1.4 超聲檢測工藝難點分析

雖然超聲檢測技術(shù)在理論上能夠識別很微小的缺陷，但是想要識別這些微小缺陷，就需要對工件進行全面檢測。在相同的儀器設(shè)備等檢測條件下，希望被測到的最小缺陷越小，則檢測的總時間就越長。在實際生產(chǎn)中，擠壓制品一般都有著大批量的特性，這就對檢測環(huán)節(jié)的耗時有了限制。如何在超聲檢測的檢測精度和檢測時間之間取得平衡，或是在一定的檢測精度要求下優(yōu)化檢測流程(工件運轉(zhuǎn)方式等)，是實際應(yīng)用中遇到的難點之一。

1.5 檢測人員技能需求分析

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儀進行擠壓制品的超聲檢測。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行檢測。這就對操作人員的檢測水平有較高的要求，使得培養(yǎng)熟練檢測工人的成本較高。超聲檢測作業(yè)時需要注意力高度集中，檢測人員長時間工作后容易疲勞，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環(huán)節(jié)，利用計算機技術(shù)和工業(yè)機器人等自動化技術(shù)代替人工進行檢測，降低操作人員的工作強度和門檻，是擠壓棒材超聲檢測需要解決的問題。

2 機器人超聲檢測系統(tǒng)設(shè)計

為了提高金屬擠壓件缺陷的檢測規(guī)范性和易操作性，筆者設(shè)計了一個針對金屬擠壓件的超聲檢測系統(tǒng)。通過使用該系統(tǒng)可以幫助金屬擠壓件的超聲檢測進行較大缺陷的自動識別。系統(tǒng)同樣具備信號的采集保存和數(shù)據(jù)定量分析功能。

2.1 檢測系統(tǒng)模塊設(shè)計

整個超聲檢測系統(tǒng)從功能上可以分為被檢件的運動控制與超聲檢測兩部分。這兩部分同樣還可以進行細(xì)分:被檢件運動控制部分可以分為機器人控制模塊與傳送控制模塊;超聲檢測部分可以分為超聲檢測硬件模塊與超聲檢測軟件模塊。超聲檢測系統(tǒng)各模塊之間關(guān)系如圖3所示。

圖3 超聲檢測系統(tǒng)各模塊之間的關(guān)系

機器人控制模塊與傳送帶控制模塊主要負(fù)責(zé)對機器人與傳送帶進行控制，實現(xiàn)被測件全流程的運動。機器人模塊采用ABB公司的機器人，由專用控制柜進行驅(qū)動與控制[4-5]。傳送帶由伺服電機驅(qū)動，通過伺服電機驅(qū)動器、阻擋器和接近開關(guān)實現(xiàn)對傳送帶的精確控制，實現(xiàn)輸送模塊與機器人控制模塊的有效聯(lián)動。

超聲檢測硬件模塊主要由超聲探頭、超聲發(fā)射采集卡、檢測水槽和探頭固定裝置等組成。該模塊負(fù)責(zé)完成超聲信號的發(fā)射和采集工作，并將采集后的信號傳輸給超聲檢測軟件模塊。針對金屬擠壓棒材產(chǎn)品種類多樣化的特點，在超聲檢測探頭固定裝置上加上伺服導(dǎo)軌，實現(xiàn)位置的可調(diào)。

超聲檢測軟件模塊有3大功能：系統(tǒng)總控制、超聲信號采集控制和檢測信號處理。系統(tǒng)總控制負(fù)責(zé)對其余3項模塊的運行停止進行控制；超聲信號采集控制主要負(fù)責(zé)超聲信號的采集參數(shù)設(shè)定，包括采樣長度、采樣延時和增益等；檢測信號處理主要采用時域識別的方法，結(jié)合部分頻域信息來實現(xiàn)較大缺陷的自動識別[6]。

2.2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計

整個超聲檢測系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 超聲檢測系統(tǒng)工作流程圖

總控制開始后，由超聲檢測軟件模塊向機器人控制和傳送帶控制模塊發(fā)送開始信號，兩功能模塊開始工作。檢測人員在傳送帶的上料區(qū)完成被測件的上料。傳送帶將被測件送達機器人取件工位，并將到位信息發(fā)送給機器人。機器人控制模塊接收信號后，開始夾取被測件，將其運送到超聲檢測水槽中進行超聲檢測。此期間,超聲水槽中的傳感器會檢測被測件是否到達檢測區(qū)域并發(fā)送信號給超聲檢測軟件，控制超聲信號采集的開始與結(jié)束。當(dāng)機器人完成檢測動作,離開檢測區(qū)域后，軟件會通過自動識別檢測信號中是否存在缺陷波，并給予機器人產(chǎn)品是否合格的結(jié)果，在此之前機器人將于特定位置等待。收到信號后,機器人將被測件進行分揀，并依據(jù)軟件信號進入下一次循環(huán)或停止檢測。

3 試驗方案

為了驗證設(shè)計的機器人超聲檢測系統(tǒng)的可行性，筆者搭建了相應(yīng)的機器人超聲檢測系統(tǒng)，并利用檢測系統(tǒng)對含有缺陷的銅合金擠壓棒材進行超聲檢測，利用時頻分析方法進行缺陷的自動識別。最后將銅合金擠壓棒材進行破壞，并與時頻分析結(jié)果進行對比。

設(shè)備為上一節(jié)所述的擠壓棒材檢測系統(tǒng)，所用超聲探頭為5 MHz頻率的點聚焦水浸探頭。擠壓棒材機器人檢測系統(tǒng)外觀如圖5所示。

圖5 擠壓棒材機器人檢測系統(tǒng)外觀

被檢測對象為一根銅合金矩形截面擠壓棒材(見圖6)。已知在該擠壓棒材中存在種類未知的缺陷。

圖6 存在缺陷的銅合金矩形截面擠壓棒材外觀

為了對銅合金擠壓棒材缺陷進行識別，對其進行了超聲檢測試驗，試驗步驟如下所述。

(1) 在擠壓棒材的兩端劃分4個檢測區(qū)域，分別為a，b，c，d。

(2) 使用機器人超聲檢測系統(tǒng)對擠壓棒材的4個區(qū)域進行檢測，采集超聲檢測信號并保存。

(3) 使用時頻分析方法對采集到的超聲信號進行缺陷的自動識別，在檢測到缺陷后對擠壓棒材進行破壞性試驗，觀察棒材斷面是否存在缺陷，驗證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

試驗中使用機器人超聲檢測系統(tǒng)對擠壓棒材進行輸送，由傳送帶將被測件運送至機器人處，由機器人夾取被測件，放進檢測水槽中進行檢測。被測件運動控制部分外觀如圖7所示。

圖7 被測件運動控制部分外觀

在被測件到達檢測區(qū)域后，使用機器人超聲檢測系統(tǒng)對擠壓棒材進行超聲檢測，檢測現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 棒材的超聲檢測現(xiàn)場

經(jīng)過檢測系統(tǒng)的超聲檢測及信號采集，分別獲得了在a,b,c,d 4個區(qū)域的超聲檢測信號。各區(qū)域的超聲檢測信號如圖9所示。系統(tǒng)的自動識別功能判斷出a，b區(qū)域存在缺陷，而c，d區(qū)域沒有缺陷。

圖9 各區(qū)域的超聲檢測信號

為了驗證遞歸分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對被測件進行破壞性試驗，觀察其斷面情況。被測件斷面外觀如圖10所示。

圖10 被測件斷面外觀

在圖10 (a)的紅框處，可以看到被破壞過程放大的近表面分層缺陷，其缺陷尺寸很小，寬度約為2 mm，空腔厚度約為0.1 mm；而圖10(b)中則不存在明顯的缺陷。破壞性試驗結(jié)果與系統(tǒng)自動識別結(jié)果一致，驗證了機器人超聲檢測系統(tǒng)用于金屬擠壓制品超聲檢測的可靠性。

4 結(jié)語

針對擠壓棒材的大批量超聲檢測問題，提出了一種擠壓棒材機器人超聲無損檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)從功能上可以分為被測件運動控制與超聲檢測兩部分，可以實現(xiàn)被測件運送與超聲檢測的完全自動化。

通過試驗驗證，可以得知此擠壓棒材機器人超聲無損檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識別擠壓棒材中的缺陷，且檢測速度快，能進行大批量檢測，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化檢測提供了一種新的解決思路，具有重大的應(yīng)用前景。