超細硬質合金棒材缺陷電渦流檢測系統研發*

余劍武，羅嗣春，徐　濤，李典紅，涂建剛，羅　紅

（1.湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心，長沙410082；2.硬質合金國家重點實驗室，湖南株洲412001）

超細硬質合金棒材缺陷電渦流檢測系統研發*

余劍武1*，羅嗣春1，徐濤2，李典紅1，涂建剛2，羅紅1

（1.湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心，長沙410082；2.硬質合金國家重點實驗室，湖南株洲412001）

PCB板鉆頭是由超細硬質合金棒材加工出來的，而超細硬質合金棒材在無心磨削加工過程中常會產生崩角、磨面等缺陷。針對目前硬質合金棒材缺陷人工檢測效率低、誤檢率高的問題，采用電渦流無損檢測方法，開發了一套硬質合金棒材缺陷檢測系統，以單片機為控制核心，設計了數據采集、A/D轉換、通訊、執行機構等電路，開發了相應的控制軟件。通過實驗研究了檢測系統的提離效應和邊界效應，實驗結果表明研發的硬質合金棒材缺陷檢測系統能有效分選出有缺陷的棒材，可以有效提高檢測準確率和檢測效率。

自動檢測；硬質合金棒材缺陷；渦流傳感器；提離效應；邊界效應

EEACC：1280；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.002

印刷電路板（PCB）的加工過程中一個重要的環節是鉆孔，孔的質量是衡量PCB板質量的一個重要指標。PCB板鉆頭是由超細硬質合金棒材加工出來的，而超細硬質合金棒材在無心磨床加工過程中會產生崩角、磨面等缺陷，如圖1所示。這些缺陷會影響鉆頭的質量。為了篩選出有缺陷的鉆頭，往往采用人工檢測的方法。該方法效率低并且可靠性不高。開發一套超細硬質合金棒材缺陷自動檢測系統主要有以下難點：首先，選擇一種合適的檢測方法是開發這套檢測系統的關鍵，所選的檢測方法要達到良好的檢測效果，并且檢測本身對超細硬質合金棒材沒有二次損傷，達到無損檢測的要求；其次，檢測系統要具有一定的普適性，能夠方便推廣到其他棒材檢測場合使用。

圖1　超細硬質合金磨面缺陷示意圖

目前主要的無損檢測方法有以下幾種：射線照相檢測（RT）對體積型缺陷（氣孔、夾渣、燒穿等）的檢出率很高，對面積型缺陷（未焊透、未熔合等）容易漏檢。超聲波檢測（UT）［1］對面積型缺陷的檢出率較高但對試件中的缺陷進行精確的定性、定量存在不足。磁粉檢測（MT）［2］適用于檢測鐵磁性材料表面和近表面尺寸很小、間隙極窄，目視難以看出的不連續性缺陷，但它不能檢測銅、鋁、鎂、鈦等非磁性材料。液體滲透檢測（PT）［3］可以檢測金屬、非金屬材料的表面開口缺陷；也可以檢測焊接、鍛造、軋制等加工件產生的缺陷。但它只能檢出表面開口的缺陷，不適于檢查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件［3］。電渦流檢測是以電磁感應原理為基礎，利用交變磁場作用下在不同材料有不同幅值和相位的渦流值來檢測磁性和非磁性材料的物理性能、結構和冶金情況的差異性，從而發現裂紋、折疊、氣孔、夾雜和劃傷等缺陷［4-7］。

渦流檢測作為一種應用廣泛的無損檢測手段，它具有結構簡單、靈敏度高、動態響應特性好、易于實現非接觸測量等一系列優點，特別適應于導電材料的表面和近表面缺陷的檢測［8］。電渦流傳感技術在不同領域得到了廣泛的應用，比如：江南工大學的周德強等研究了將渦流無損檢測技術運用到碳纖維增強復合材料的缺陷檢測中，通過實驗證明了脈沖渦流傳感器能夠有效檢測碳纖維增強復合材料的電導率和缺陷［9］；郭玉等人將電渦流傳感器技術應用到硬幣辨偽系統中，設計出了一套檢測速度快、結構簡單、靈敏度高的自動化硬幣辨偽系統［10］；空軍工程大學的李培源等人研究了柔性渦流傳感器疲勞裂紋監測試驗，使柔性渦流傳感器感應線圈實現了對裂紋的識別和定量監測［11］。

針對株洲硬質合金集團有限公司超細硬質合金棒材的磨削加工過程及檢測要求，采用電渦流傳感器來檢測硬質合金棒材的缺陷并設計制造檢測系統。

1　系統總體設計方案

本檢測系統硬件分為檢測和控制兩部分。檢測部分由電渦流傳感器模塊和A/D轉換模塊部分組成，控制部分由單片機系統、液晶顯示模塊、執行機構模塊組成。系統硬件的主要功能是檢測棒材缺陷信號，然后進入A/D轉換電路處理，處理后的數字信號傳輸到單片機中，進行下一步處理。軟件部分是在單片機系統中燒入使用C語言編寫的程序，主要功能是把轉換后的數字電壓與給定的合格棒材的數字電壓值進行對比，通過軟件來判別棒材是否合格；當檢測出棒材為不合格時，系統會接通執行機構，對不合格棒材進行分選；另外還會將檢測結果在液晶顯示屏上面顯示出來，包括已檢測棒材數量及合格率等信息。總體設計方案如圖2所示。

圖2　檢測系統總體設計方案圖

2　各個模塊設計及功能

2.1電渦流傳感器模塊

電渦流傳感器檢測到硬質合金棒材存在缺陷時，會導致渦流的大小和分布情況發生變化，使線圈的阻抗發生變化，然后測量電路將阻抗的變化量轉換為電壓的變化，根據輸出電壓的變化來識別硬質合金棒材的缺陷。本裝置要檢測的硬質合金棒材的直徑為3.2 mm，于是定制了探頭直徑為3.0 mm的電渦流傳感器，它由三部分組成：探頭、延伸電纜、前置器，如圖3所示。該傳感器靈敏度高，當有0.01 mm位移變化時，就會有0.1 V的電壓變化。

圖3　定制的電渦流傳感器

2.2A/D轉換模塊

A/D轉換模塊將測量的模擬量轉變為數字量。本檢測系統根據電渦流傳感器輸出電壓的位數以及一些其它的特性，選擇AD7887芯片，該芯片是一種可工作在2.7 V～5.25 V單一電源下的高速、低功率12 bit ADC，具有125 ksample/s的吞吐率。其輸入端相當于一個采樣周期為500 ns的單端采樣器，任何信號經轉換后均可以二進制編碼形式由輸出端輸出［12］。A/D芯片與單片機、電渦流傳感器的連接電路如圖4所示。

圖4　A/D轉換模塊

圖4中，A/D芯片的第4引腳是模擬電壓的輸入端與電渦流傳感器連接，第1、6、7、8引腳與單片機連接，其中通過1、6、8腳的電平變化來控制A/D轉換，第7腳是轉換后的數字電壓輸出端。

2.3液晶顯示模塊

檢測系統LED顯示屏要顯示的內容包括經過A/D轉換后的數字電壓，以及顯示產品合格與不合格，產品的總數及產品的合格率。要求液晶顯示模塊能夠顯示數字、符號和漢字，及屏幕能夠把它們同時顯示出來。根據要求選擇12864液晶模塊，它是一種圖形點陣液晶顯示器，它使用ST7920控制器，5 V電壓驅動，帶背光，內置8 192個16X16點陣、128個字符及64X256點陣顯示RAM。與外部CPU接口可采用串行或并行方式控制。本裝置中液晶屏與單片機的連接采用并行方式控制，連接電路如圖5所示。

圖5　液晶顯示模塊

2.4執行機構模塊

執行機構模塊由電磁鐵，三極管、光耦、二極管以及一些電阻組成。在本文開發超細硬質合金棒材自動檢測系統中，當電渦流傳感器檢測到有不合格的產品時，就要求有執行機構把不合格的產品及時分選掉。經過分析棒材的分選方法，本系統選用貫通型推拉式24 V的電磁鐵把不合格的硬質合金棒材從傳送帶上進行分選。光耦是以光為媒介來傳輸電信號的器件，它由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。光耦起到隔離輸入輸出的作用，執行模塊電路選擇的光耦為TLP521-1。當單片機系統檢測到有不合格的棒材時，P0.1口的電壓變為低電平，光耦接通，電磁鐵工作推掉不合格的棒材。整個執行機構模塊的電路圖如圖6所示。

圖6　執行模塊

2.5軟件系統模塊

單片機是控制的核心，本裝置使用單片機STC89C52單片機，它有40個引腳，32個I/O口，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器，完全可以滿足系統要求。該單片機使用傳統的MCS-51內核，同時又做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。單片機是整個裝置的核心，所有模塊與單片機的連接如圖7所示。

圖7　控制系統整裝圖

本系統的軟件是使用C語言進行編寫的。軟件系統主要分為以下3個模塊：A/D轉換程序，液晶顯示程序，主程序。程序的主要功能是實現對有缺陷的硬質合金棒材進行自動分選。通過渦流傳感器的檢測，將模擬信號經A/D，輸出數字信號進去單片機進行運算處理，判斷硬質合金棒材是否有缺陷，如果判斷為有缺陷，就發出信號，使執行機構的線圈動作，篩選出有缺陷的棒材。程序的流程圖如圖8所示。

圖8　系統程序流程圖

3　實驗驗證及分析

3.1提離效應與邊界效應的影響

被測物體與電渦流傳感器探頭之間的距離的變化會引起線圈阻抗的變化稱為提離效應，被測物體與傳感器探頭之間的距離稱為提離值。為了驗證本檢測系統的提離效應，對硬質合金棒材進行檢測試驗，本實驗使用的合格超細硬質合金棒材和缺陷超細硬質合金棒材都由廠家提供，棒材的尺寸長為38 mm，直徑為3.2 mm。以合格棒材為樣本，使檢測電渦流探頭和棒材的中心線重合，測量不同提離值下的輸出電壓，結果如圖9所示。

圖9　提離值與電壓的關系

實驗結果表明當提離值在0.43 mm與0.88 mm之間的時候，輸出電壓與提離值之間成正比關系，可視為有效的檢測距離。在實際的檢測過程中，取線性中點0.68 mm作為最佳檢測提離值。

在檢測過程中，探頭在逐漸靠近被檢測物邊緣時，被檢測體內會發生一系列不規則變化，這種變化稱為邊界效應。電渦流探頭與硬質合金棒中心線偏移距離為偏心距，在實驗檢測偏心距與輸出電壓的關系時，使用最佳提離值0.68 mm，圖10表明了在輸出電壓與偏心距的變化情況。實驗結果表明中心距在0～0.22 mm之間，輸出電壓在2.6 V范圍內小幅度波動，可以認為這個范圍內的超細硬質合金棒材是合格的，因此可以將2.6 V作為參考電壓，當系統輸出電壓小于2.6 V時認為硬質合金棒材是合格的；當系統輸出電壓大于2.6 V時，判斷硬質合金棒材有缺陷。

圖10　偏心距與輸出電壓的關系

3.2驗證實驗

在驗證實驗時，取磨面缺陷超細硬質合金棒材9根，崩角缺陷超細硬質合金棒材9根，分兩組進行實驗。其中實驗使用最佳提離值0.68 mm，參考電壓為2.6 V。實驗結果如表1所示，所有輸出電壓均大于2.6 V。由實驗可以得出以下結論：參考電壓選取為2.6 V是合適的參考電壓值，兩組實驗的實驗結果都表明研發的電渦流檢測系統能夠有效的識別出不合格的硬質合金棒材。

表1　兩種典型缺陷下的輸出電壓

4　結論

①針對現有超細硬質合金棒材缺陷人工檢測中存在誤檢率高、效率低的問題，提出了棒材缺陷的電渦流檢測方法，設計了基于單片機系統的檢測電路，開發了相應的控制軟件，研發了一套超細硬質合金棒材缺陷檢測裝置。

②在研發的檢測系統上，研究了提離效應和邊界效應對硬質合金棒材檢測時的影響，確定了最佳提離值和偏心距。實驗結果表明該檢測系統能夠自動檢出有缺陷的硬質合金棒材，提高了檢測準確率和效率，自動化程度高，節約了人力成本。

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余劍武（1968-），男，湖南大學機械與運載工程學院/國家高效磨削工程技術研究中心，教授，博士生導師。主要為從事超精密加工技術及裝備；特種加工技術（放電加工、超聲波加工、電化學加工）；磨削技術及數控裝備研究等。2010年來，參與和完成了國家重大專項6項、國家科技支撐項目1項，國家自科基金項目3項，湖南省自科基金項目1項，獲中國機械工業科技進步一等獎1項，yokenbu@yeah.net；

羅嗣春（1989-），男，碩士研究生，研究方向為高速/超高速磨削技術及數控裝備，luosichun2015@163.com。

Development of Defects Detection System for Ultrafine Cemented Carbide Rod Based on Eddy-Current Sensor*

YU Jianwu1*，LUO Sichun1，XU Tao2，LI Dianhong1，TU Jiangang2，LUO Hong1
（1.National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding，Hunan University，Changsha 410082，China；2.State Key Laboratory for Cemented Carbides，Zhuzhou Hu’nan 412001，China）

Drills for drilling PCB are processed from cemented carbide rods whose edge and surface are usually damaged during centerless grinding process.In order to avoid low defect detection efficiency and high false detec?tion rate by eye inspection，a defect detection system used for ultrafine cemented carbide rods inspection based on eddy-current sensor is developed，and circuits and related software are designed.Lift-off effect and boundary effect are experimentally studied on developed defects detection system，and experimental results show that detection sys?tem can inspect the defected cemented carbide rods effectively and improve detection accuracy rate.

automatic detection，defects of cemented carbide rod；eddy-current sensor；lift-off effect；boundary effect

TP23

A

1004-1699（2016）05-0637-05

項目來源：湖南省自然科學基金項目（12JJ6037）；硬質合金國家重點實驗室項目（201103003）

2015-07-31修改日期：2016-01-20