小管径弹药筒高速漏磁检测方法与系统

孟 杰 王 哲 王荣彪 康宜华 邱 晨

1.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉，430074 2.武汉华宇一目检测装备有限公司，武汉，430074

0 引言

弹药筒在火炮射击时要承受巨大的骤变温度和压力，如果工件存在未检出的裂纹、夹渣等缺陷，则可能会引起炸膛或不退膛，导致设备损坏，甚至危及人身安全，导致整个火炮系统失去战斗能力[1-2]。由于弹药筒曲率大，要求检测速度快、精度高，自动化程度较低的检测设备难以满足弹药筒检测的要求，其高速自动化检测水平有待提高[3-4]。目前弹药筒自动检测方法有射线检测、机器视觉检测以及超声检测等方法，其中，超声检测应用最为广泛。高远飞等[5]先获取弹药筒的X射线图片，然后对其采取特定的图像处理算法，以判断药筒是否合格，该方法成本较高，对检测人员可能造成损害，且检测速度较低。李峰等[6]介绍了一种以坐标测量技术为核心，结合图像检测技术和Oracle数据库技术研发出的炮弹结构特征量测量系统，但该系统主要针对药筒结构测量，无法准确判断微裂纹、夹杂等缺陷。高瑜等[7]、杨顺民等[8]提出用兰姆波水浸超声探伤方法对弹药筒进行无损检测，但其检测速度慢、效率低，同时水等耦合剂若未及时处理，将影响后续加工工艺。与以上检测方法相比，漏磁检测不仅工艺简单、灵敏度高、检测速度快，而且对内外表面的裂纹、腐蚀和凹坑等缺陷具有很好的检出能力，广泛应用于管体的检测[9-11]，但目前针对弹药筒等短小工件的高速、高精漏磁检测系统的研究较少，且检测精度有待提升。本文采用弹药筒原地旋转、漏磁检测探头管体外全覆盖的漏磁检测方式，该方法是对弹药筒高精、高速检测方法的重要补充。

1 小管径弹药筒高速漏磁检测方法

1.1 小管径弹药筒结构和缺陷特点

小管径弹药筒的外径在39.2～56.4 mm之间，长度一般在175～265 mm之间，见表1。其加工工艺为坯料多次引伸成形，导致小径筒体易形成纵向裂纹，同时也会有夹渣、凹坑和折叠等缺陷出现。由于弹药筒质量要求较高，本文以长、宽、深分别为10±0.5mm、0.1±0.01mm、0.05±0.005 mm的内外人工微细裂纹作为检测标准，0.05 mm深的检测精度远高于目前工程上管体的漏磁检测精度[9-11]。

表1 弹药筒主要尺寸

1.2 弹药筒微细裂纹漏磁检测方法

1.2.1漏磁检测原理

漏磁检测是利用励磁源对被检工件进行局部磁化来实现检测。若被测工件表面光滑，内部没有缺陷，则磁通将全部通过工件；若材料表面或近表面存在缺陷，则其附近的磁场将发生畸变，通过传感器可检测到漏磁场。弹药筒主要为纵向裂纹类缺陷，所以采用纵向漏磁检测方法，检测原理见图1。

图1 纵向漏磁检测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of longitudinal magnetic flux leakage detection

1.2.2检测方式的选择

筒体、管体等工件检测方式主要有探头螺旋前进、工件固定，探头包覆、工件直线运动，工件螺旋前进、探头固定等方法，前两种检测方式系统结构较为复杂，而工件螺旋前进是旋转和直线运动两种运动形式的复合结果，工件运动稳定性很难满足高速、高精度的检测需求。考虑到弹药筒的结构特点为小管径筒体且长度较短，采用弹药筒原地旋转、漏磁检测探头管体外全覆盖的漏磁检测方式，检测时工件只进行单一旋转动作，检测状态更加稳定。

1.2.3磁化机构设计

根据磁性检测原理，检测时外加磁场方向应最大限度地与缺陷走向垂直，以激励出最大的漏磁场。纵向漏磁检测时需使工件被周向磁化，故采用U形磁轭磁化方法形成周向磁化场[12]，从而实现工件的周向磁化，磁化机构见图2。当改变弹药筒规格时，通过手轮对可调节极靴进行微调，以保证工件的磁化效果，适应多规格弹药筒的磁化的需求。

图2 磁化机构示意图Fig.2 Schematic diagram of Magnetization mechanism

通过有限元法分析磁化机构磁化效果，对弹药筒和磁轭采用SOLID96单元，磁化器采用SOURC36单元，线圈匝数为1000，电流为每匝6 A。磁化机构的磁场的分布云图见图3a，磁化机构形成了良好的磁回路，可调极靴对磁路影响较小。待检测部位磁感应强度达到1.6 T左右，见图3b，满足磁化要求并且磁化场比较均匀，能够保证检测信号的一致性。

图3 磁化机构及弹药筒磁场分布云图Fig.3 Distribution contours of magnetic field on magnetization mechanism and bearing rings

1.2.4磁头式精密漏磁检测阵列探头设计

探头的选择和设计应结合漏磁场的大小、工件形状等因素。漏磁场强度仅与裂纹的宽度、深度有关，即弹药筒微细裂纹产生的漏磁场将极为微弱，这对探头的选择和设计提出了更高的要求。常见的线圈、霍尔元件尺寸较大，测点提离值大，磁阻磁头、巨磁阻磁头在强背景磁场下会饱和，都难以准确捕捉微细裂纹产生的漏磁场。采用一种磁头式传感器拾取微弱漏磁场，见图4，该传感器抗外界电磁干扰能力强，灵敏度高，微细裂纹检出能力达到0.03mm深，已成功应用于轴承、轮毂等高精检测领域[13-15]。

图4 磁头式传感器检测原理示意图Fig.4 Schematic diagram of magnetic head sensor

为保证被测弹药筒全覆盖检测而无漏检，要求检测探头的有效检测范围应大于弹药筒需检测的长度。由此设计了磁头式精密漏磁检测阵列探头，以满足高精度、全覆盖的检测要求。采用阵列差分的组合形式，探头由48通道组成，两个磁头差分出一个通道，见图5。采用差分组合形式，能有效消除测量过程中振动、晃动等影响，提高测量的稳定性、信噪比和抗干扰能力。同时增加隔离片、屏蔽罩，以减少电磁干扰。每个差分探头的有效检测长度约6 mm，为保证一定的重叠率，阵列探头的有效检测长度约240 mm，满足多规格弹药筒的检测覆盖需求。

图5 阵列差分探头示意图Fig.5 5Diagram of differential probe

检测时，根据弹药筒规格合理提取多通道中有效检测信号，防止无用通道开启时对其他通道造成干扰，影响检测结果。例如，检测D型弹药筒时，仅提取前37个通道的漏磁检测信号即可完成弹药筒无盲区检测，见图6。

图6 通道开启情况Fig.6 Channel condition

2 高速漏磁检测系统

高速漏磁检测系统主要包括机架、检测运动系统、漏磁检测单机、运动控制系统以及计算机信号处理系统，实现了小管径弹药筒从上料到产品检测、分选全过程自动化。

2.1 检测运动系统

检测运动系统主要包括上料机构、旋转机构以及分选装置，见图7。

图7 检测运动系统示意图Fig.7 Diagram of motor system

机架将各个机构固定；上料机构包括上料滑道、上料推杆以及上料气缸等，待检弹药筒放置在上料滑道上，气缸带动上料推杆将弹药筒送至漏磁检测单机中，同时将检测单机中已完成检测的药筒推送至分选机构中，随后复位，等待下一次上料动作；旋转机构主要靠电机带动同步齿形带运动，最终带动检测单机中滚筒转动，从而实现检测时工件所需的旋转运动，同时通过控制电机转速，实现弹药筒在2 s检测时间内旋转6圈，保证缺陷信号的重复次数；分选机构通过漏磁检测单机和计算机信号处理系统的判断结果，对弹药筒进行自动分选。各个组件相互配合，装置可以精准控制检测速度，保证了漏磁检测的稳定性和可靠性。

2.2 运动控制系统

运动控制系统是实现自动化检测的重要环节之一，本系统使用PLC进行控制，主要检测流程见图8。

图8 弹药筒检测流程Fig.8 Flow chart of detection

2.3 减少误判的信号处理方法

为了进一步提高系统稳定性，降低误报率，进行了减少误判的信号处理算法研究。理论上弹药筒只需被全覆盖检测一周即可完成检测，但产生的检测信号易受外界干扰导致误报，或由于检测重复度低导致漏检，由此人为控制弹药筒在2秒检测时间内旋转6圈，即理论上若出现缺陷可出现6次缺陷信号，形成有规律的检测信号再通过减少误判的信号处理方法处理，以达到减少误报并避免漏检的目的。外界的电磁干扰、机械抖动等问题会产生干扰信号导致误报，检测过程中典型误报信号与缺陷信号见图9。

图9 典型误报信号与缺陷信号Fig.9 Typical false alarm signals and defects signal

分析典型误报信号与缺陷信号的特征可发现：在2 s检测时间内，缺陷信号呈周期性分布，近似等距出现6次左右且峰值稳定，而干扰信号出现位置随机且频率低。基于以上信号特征，若以检测信号等距出现6次超过报警门限信号为报警分选条件，则报警条件太过于苛刻，容易漏报。但若检测信号超过报警门限信号就进行报警分选，将导致误报增加。因此，在形成有规律的检测信号的同时，设定了缺陷判定算法，信号处理算法思路如下：

(1)完成2 s内所有检测数据样本X采集；

(2)将X等分为6块，提取出Xi中的信号峰值Ai以及该峰值的横坐标ai(i=1，2，…，6);

(3)判断信号峰值Ai超过门限A的次数是否大于4次，若是，则进入不合格品区，否则进入下一步；

(4)统计信号峰值是否满足Ai≈Ai+1≈Ai+2或出现位置满足ai+1-ai≈ai+2-ai+1，若是，则进入不合格品区，否则消除误判信号，进入合格区。

经减少误判的信号处理后，误报信号的处理结果见图10，检测过程中产生的误报信号被有效消除。

图10 误报信号处理情况Fig.10 Signal processing results

3 检测系统测试与应用

本文的研究对象是小管径弹药筒，选取A弹药筒进行探伤测试，样件见图11。

图11 测试样件Fig.11 Test sample

样件人工缺陷为纵向分布的两种标准伤：长、宽、深分别为10±0.5 mm、0.1±0.01 mm、0.05±0.005 mm的内外微裂纹。用刻有标准伤的样件对检测系统进行标定，通过调整增益，使得0.05 mm深内伤信号峰值为2.5 V，为保证标准伤不漏检且系统误报率低，设定报警门限为2 V，将信号峰值高于报警门限的漏磁检测信号定为报警信号，结合减少误判的信号处理方法判定弹药筒是否合格，检测信号波形见图12。

图12 检测信号波形Fig.12 Detection signal of test sample

检测结果显示，内外微细裂纹的漏磁信号较强，信噪比大于8 dB。完成信号标定后，分别对160根A弹药筒进行批量检测，可精准检测出弹药筒上存在的自然伤及标准样伤，检测信号分别见图13和图14。在报警门限为2 V的情况下，样伤管无漏报，误报率仅为2%，报警门限设置满足检测需求，同时单机检测速度可达4 s/件，是弹药筒超声单机检测速度的2～4倍。

高速漏磁检测系统实物见图15，操作人员通过操作控制柜即可对检测过程进行实时控制，操作过程简单便捷。

图13 弹药筒自然伤Fig.13 Natural defects

图14 自然伤检测信号Fig.14 Detection signal of natural defects

图15 检测系统实物Fig.15 Detection system

4 结论

(1)通过分析弹药筒结构和缺陷特点，采用弹药筒原地旋转、漏磁检测探头管体外全覆盖的漏磁检测方式，提高了弹药筒检测速度以及稳定性。

(2)针对多规格弹药筒磁化需求，设计了可调节探靴、U形磁轭磁化机构，通过有限元法分析磁化机构，待检测部位磁化场均匀能够保证检测信号的一致性。

(3)设计了磁头式精密漏磁检测阵列探头拾取微细裂纹产生的漏磁场，合理提取多通道中有效检测信号并进行减少误判的信号处理，满足多规格弹药筒高精、高稳定性的漏磁检测需求。