车辆轮毂缺陷的超声自动扫查

夏 沙，徐春广，赵新玉，单志鹏，肖定国

（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.内蒙古第一机械制造集团，包头 014030）

轮毂是汽车、轮式工程载重车辆等承受较大载荷和交变载荷的重要组成构件，因此容易出现裂纹等缺陷，特别是在轮毂的转角、裙边等部位，更容易产生裂纹甚至断裂。及时检测到这些缺陷并采取预防措施能有效地减少安全事故和经济损失。

由于轮毂形廓比较复杂，目前利用超声检测的方法大多数停留在手工检测阶段，工作效率低且准确率不高。笔者设计研制了A、C 轴装置并形成一套适用于复杂曲面形廓的超声检测系统，首先在轮毂的曲面部位加工平底孔来模拟天然裂纹缺陷，然后利用该检测系统对其进行超声自动扫查并实时成像。试验结果证明该系统对于具有复杂形廓的轮毂自动检测是非常有效的。

1 轮毂超声检测特点

图1所示为某大型机械轮毂结构，无论是检测其柱面、裙边平面，还是曲面部位，在超声检测过程中，探头声轴线均需要与被测点所在表面法线重合［1］，对于平面、圆柱面等相对规则形状检测较容易，而复杂曲面则比较困难，如轮毂的转角曲面位置，但是该处恰恰是承受载荷较大的部位，最容易出现裂纹等缺陷。轮毂外表面近似一个半径为30mm的圆弧，内表面为不规则表面，壁厚不均匀，因而从轮毂外表面发射的超声波接收不到内表面的回波信号。

图1 轮毂结构

2 超声检测系统设计

2.1 硬件系统

采用的硬件系统是一套超声六轴扫查系统。主要是由一台工控机、超声收发卡、数据采集卡、运动控制卡、编码器、伺服驱动装置等组成，如图2所示。系统实际选用超声激发和数据采集于一体的收发卡，它同时具有激发超声波和数据采集功能，采用多通道运动控制卡。系统为开放系统，由编码器来控制运动过程中超声激发和数据采集。

图2 超声六轴扫查硬件系统

系统由六个轴共同实现对探头的位置和角度的调整。由X、Y、Z三方向直线运动轴和A、C、T 三个旋转轴组成，如图3所示为扫查系统执行机构示意图。旋转A、C轴的设计研制是重点，图4为A、C旋转轴的结构简图，整个机械装置被固定在Z轴上。图中的C 轴，它带动图中整个装置绕Z轴旋转；A 轴的旋转运动通过一对锥齿轮传递给探头，实现了探头摆动，即绕X轴的旋转运动。

2.2 软件系统

软件系统是在VC＋＋6.0平台下开发的，主要工作是完成对六轴的运动控制及A 扫描和C 扫描的实时成像，从而实现对轮毂曲面的扫查。

由于轮毂的曲面为不规则曲面，需要通过插补运算，规划出探头运动的轨迹以及探头摆动角度［2］。选取轮毂的回转中心作为原点，通过一定的测量方法拟合出轮毂曲面部位的曲面方程，这样容易得到一些密集的点，通过控制各轴联动，使探头按这些密集点进行运动，同时探头摆动使探头中心轴线与平底孔表面法线保持一致，拟合出曲线的真实轨迹。

系统的数据采集是利用AD－IPR－1210卡采集，它具有激发超声波和采集数据的功能，将采集到的特征值点，也就是信号幅值大小，实时地按比例显示成色块图，就形成了所需的C 扫图，通过C 扫图可以很直观地看出信号的强弱，即能看出是否有缺陷存在。

3 试验过程

试验中选用探头是PANAMETRICS公司的聚焦探头C309，频率为5 MHz。轮毂曲面部位是不等厚的截面，表面法线方向与底面法线方向成一定的角度，声波沿表面法线入射后，可以接收到表面回波，而底面回波则无法被接收到。在制作平底孔时，需要使其轴线方向与声波入射方向保持一致，因而能在有平底孔的地方接收到平底孔表面的回波信号［3］。

在轮毂上加工了直径分别为2，3，5mm 的缺陷平底孔来模拟轮毂内部裂纹缺陷。根据轮毂曲面形廓特点，轮毂有缺陷平底孔和没有缺陷平底孔截面声波传播示意图见图5。由于轮毂属于回转体件，因而选择T 轴转台作为扫查轴，X，Z，C 轴三轴联动实现探头步进运动，从而实现联动扫查，生成C扫图像。

从示意图中可以看出，当没有缺陷平底孔时，换能器只能接收到轮毂表面回波，没有平底孔表面回波；而有缺陷平底孔时，能接收到轮毂表面回波和平底孔表面回波。这样就能通过平底孔表面回波信号，准确地知道是否有平底孔以及平底孔的位置。

图6为轮毂超声检测实物图，由于水为耦合剂，轮毂泡在水中会生锈，因此将轮毂所有表面喷涂了一层薄薄的漆，用来防锈却不影响测验结果。探头摆角θ与缺陷盲孔轴心线的角度应该相同，实际试验时将探头与竖直平面的角度设置为45°，也是平底孔中心轴线与竖直平面所成的角度。扫查过程中，只有在这个位置时接收到信号最大，找到探头中轴线与平底孔轴线重合的地方调整各个参数，得到期望的试验结果。图7是得到的φ3mm 平底孔A扫波形图，其中横坐标表示声时。图中第一个波形是轮毂外表面回波，反射信号较强，第二个波是平底孔表面回波。通过测量知道，探头发射表面距离轮毂表面为65.5mm，平底孔底面与轮毂入射表面距离d为10mm，在常温下（25℃）在水和钢中的声速分别近似为1 500m／s和6 000m／s［4］，通过计算验证了这些波形分别是表面回波、平底孔表面回波和平底孔表面第二次回波。同样通过对φ2 mm，φ5mm平底孔得到的A 扫波形进行了验算，证明了得到的信号是准确的回波信号。

图7 φ3mm 平底孔A 扫波形图

4 成像结果及分析

利用六轴扫查系统的优势，可以对曲面进行扫查，进而得出C扫描图。得出的C 扫描图像是一个曲面展开的二维平面图，其中横坐标表示轮毂转过的弧长，由T 轴转盘转过的角度和轮毂曲面回转半径决定，纵坐标表示的是轮毂截面的曲线长度（即竖直平面内弧长）。实际试验中，设置T 轴扫查的角度是20°，而平底孔所在位置相对轮毂回转中心的直径为φ290mm，得到横坐标值为50.6mm，通过测量曲线长度约为10.5mm，即为纵坐标值。

如图8为不同直径平底孔得到的C 扫描图像，从图中可以看出，可以接收到φ2，φ3，φ5mm 平底孔较好的信号，说明系统对于φ2 mm 直径缺陷孔仍然有较好的检测效果，满足了一般轮毂的检测要求［5］。接收缺陷信号最强的位置，也就是平底孔的中心位置即缺陷的位置。图中3个孔径平底孔的中心基本符合预期位置，横坐标在25mm，纵坐标在5mm附近，有一定的偏差可能是平底孔位置误差、机械系统误差等其它误差造成的。而缺陷大小与实际平底孔孔径大小相比，变化规律符合按孔径大小增大而增大，单个孔与实际孔大小对比知道，扫查图像比实际孔大，但是误差较小，这是因为探头也有一定的直径，能覆盖一定的区域，这样造成探头中心线未到达平底孔就能接收微弱信号，即图中缺陷边缘部分。

图8 不同直径平底孔C扫描图像

5 结论

试验表明，通过六轴联运系统的控制，将探头的角度调整到与被测表面法向一致，结合超声A，C 扫图，能够得到缺陷的有无、大小以及位置等信息，实现轮毂曲面的缺陷平底孔的检测。通过超声A 扫图可以看到回波信号，得到声波到达时间，结合声速可以够准确确定缺陷在探头轴线方向上的位置；通过C扫图，能够判别出缺陷在第一回波信号平面内的大小以及位置信息。

平底孔缺陷模拟了轮毂中与轮毂表面平行裂纹等缺陷。对于一般裂纹缺陷，与轮毂表面不平行，这时候需要用几个探头（一般5个），布置成不同的角度，每个探头中心轴线均与被测表面垂直，这样总有一个探头能接收到缺陷回波信号，也就找到了缺陷的大致位置，再通过微调探头角度找到信号最强的位置，认为这个位置就是缺陷所在平面位置，然后利用上述试验方案，即可准确地测出缺陷的大小、位置、深度等信息。

［1］ MA H W，ZHANG X H，WEI J.Research on an Ul－trasonic NDT System for Complex Surface Parts［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，129：667－670.

［2］ TAKESURE N，ZHANG G.Precise position control of robot arms using a homogeneous ER fluid［J］.Control Systems Magazine，IEEE，1999，19（2）：55－61.

［3］ TIMOTHY J Case，ROBERT C Waag.Flaw Identification from Time and Frequency Features of Ultrasonic Waveforms［J］.Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，IEEE Transactions on，1996，43（4）：592－600.

［4］ PALANICHAMY P，VASUDEVAN M.Ultrasonic Techniques for Assessment of Microstructures and Residual Stresses in Austenitic Stainless Steels［J］.Journal of Pure and Applied Ultrasonics，2010，32（4）：101－108.

［5］ ROCKSTOH B，WALTE F.New ultrasound testing systems for the production testing of rail wheels［J］.Insight－Non－Destructive Testing and Condition Monitoring，2007，49（6）：333－336.