變壁厚回轉體零件超聲檢測動態閘門技術研究

吳玄　周世圓　張翰明　黃巧勝　程壟

摘要：針對回轉體自動化超聲檢測系統難以對變壁厚零件進行全尺寸檢測的特點，提出一種基于底波聲時預掃查的閘門動態控制技術。首先利用預掃查獲取底波聲時信息，然后對無底波聲時信息的過渡區討論線性及非線性插值方法，構建出閘門寬度控制數組，最后設計算法實現與驗證試驗，用該數組實時控制掃查閘門寬度，實現對變壁厚回轉體的全尺寸掃查成像檢測。實驗結果表明：動態閘門技術可以有效檢測出變壁厚回轉體零件中的缺陷。

關鍵詞：超聲檢測；變壁厚；預掃查；動態閘門；回轉體

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0103-05

0引言

回轉體作為軍事及民用機械產品的關鍵零部件，承受著橫向與徑向載荷的同時作用。大部分回轉體多采用鍛造、鑄造成型，內部易于出現裂紋、氣孔、疏松等缺陷，嚴重影響使用安全，目前大多需采用自動化超聲檢測對其進行全面檢測。

相較于傳統的檢測方法，自動化超聲檢測系統能夠實現數字化全尺寸掃查成像檢測，具有生產效率高、信息化程度高等優點。系統核心為超聲信號收發儀，其波形特征提取功能的實現為檢測閘門，現有大部分檢測系統多具有上表面波前沿跟隨的固定寬度閘門，可以適應檢測過程中上表面輪廓改變對檢測信號產生的影響，但無法滿足變壁厚零件的全尺寸檢測需求。

針對這一問題，國內已有研究提出解決辦法，如超聲測厚，但該方案成本高、操作復雜、受到零件形狀的局限。也有使用前沿聲時掃查圖表征缺陷的方法，該方法目前多用于精度要求不高的場合，只能通過觀察的方式區分缺陷與非缺陷的顏色差別。實時性要求不高的場合，利用小波變換進行缺陷判定也是一種常用的辦法。國外RITEC公司提供了一種高準確度智能化解決方案，但其成本極高，難以適應于大部分中低端場合。

為解決該問題，本文提出了一種基于底波聲時預掃查的閘門動態控制技術，首先進行預掃查，通過底波聲時獲取閘門寬度控制數組，然后在實際掃查時，實時動態控制閘門寬度，實現變壁厚回轉體全尺寸檢測。該方案利用了現有檢測系統中的硬件條件，易于實現，在保證成像精度的情況下，降低了實現成本，并且可以適用于復雜母線回轉體的全體積檢測，擴展了檢測系統的應用范圍。

1基于機械手的回轉體超聲檢測系統

基于機械手的回轉體超聲檢測系統如圖1所示，包括超聲檢查子系統、運動控制子系統和計算機控制子系統。檢測時，轉臺帶動工件旋轉，機械手夾持探頭沿母線運動，形成螺旋掃查；探頭激勵出的超聲波在工件內外表面產生回波，當存在缺陷時，在工件內外表面回波之間會出現缺陷回波，將閘門設置于內外表面回波之間，利用閘門內峰峰值進行C掃繪圖，實現回轉體的全尺寸成像檢測，如圖2所示。輪轂、法蘭盤等典型回轉體零件母線截面輪廓變化大、內外壁平行度差。自動檢測時，需根據截面尺寸對閘門寬度進行實時控制，才能實現其全尺寸掃查成像檢測。

2基于底波聲時預掃查的閘門動態控制

對回轉體超聲檢測時，首先根據各掃查點處的回波信號提取出內外表面回波聲時差，然后將其用于掃查中的閘門寬度動態控制。對無法采集到底面回波的掃查點，根據附近掃查點的數據值進行插值，生成其閘門寬度特征值，得到完整的閘門寬度控制數組，實現可靠的全尺寸掃查。

2.1回轉體檢測回波信號

多入射點回波情況如圖3所示，截面內壁厚變化形式有兩類：1）法蘭盤或安裝孔等階梯結構導致的壁厚突變區，其內外壁表面平行；2）圓角等結構過渡區導致的壁厚漸變區，其內外壁表面不平行。

預掃查時，壁厚突變處可檢測到底面回波，直接提取作為閘門寬度控制數組：漸變處僅有個別點可檢測到底面回波，如圖3中的⑤、⑦和⑨等掃查點，對其進行插值處理后，得到其閘門寬度控制數組。

2.2壁厚漸變區閘門寬度控制數組構建

針對壁厚漸變區，本文討論了線性插值與非線性插值兩種構建方法，及其插值誤差對檢測效果的影響，給出了壁厚漸變區閘門寬度控制數組構建方法。

1）線性插值法

如圖4所示的過渡圓角母線截面輪廓中，將探頭運動軌跡以△長度劃分為N個掃查點，零件底面ABCDE點均可測得底面聲時T，AB段、C點、DE段上下表面法線重合，總是可檢測到底面聲時，BC段和CD段為過渡區，無法檢測到底面聲時，設B點、C點、D點底波聲時為T_R、T_C、T_N，掃查點序號為N_R、N_C、N_D，則線性插值時，過渡區BC段和CD段中任意一點的底波聲時分別為

2）非線性插值法

利用二次及以上非線性插值法構建過渡區閘門控制數組時，均采用了極值點估計迭代法。其中二次非線性插值為三點二次插值法，假設極值點為N_i，其算法為

閘門寬度插值結果如圖5所示，由圖5（a）可以看出，直接使用線性插值法存在較大誤差：閘門過長時，會在掃查點附近的下表面缺陷形成虛像，引起誤判；閘門過短時，無法完全覆蓋整個壁厚，出現漏檢。如圖5（b）和圖5（c）所示，二次插值過程存在較小區域的覆蓋不足，三次插值法與實際零件形狀基本吻合，適用于構建圓角過渡區域的閘門寬度控制數組。

2.3閘門寬度動態控制

采用基于機械手的回轉體超聲檢測系統進行掃查檢測時，首先利用機械手夾持探頭沿母線移動進行預掃查，獲得每個掃查點的閘門寬度，構成閘門寬度數組：導入Matlab對其進行三次插值，通過底波聲時獲取閘門寬度控制數組，然后在實際掃查時，實時動態控制閘門寬度，實現變壁厚回轉體全尺寸檢測（如圖6所示）。

本文所采用的超聲收發儀為中旭多通道超聲收發儀，已有編寫好的超聲檢測軟件，故從上位機調用其動態鏈接庫中的SetGateBegining函數和SetGateWidtll函數，按照圖6所示算法實現，將閘門寬度控制數組實時發送到超聲收發儀中。

3驗證實驗

為驗證上述閘門動態控制技術，設計了如圖7所示的試樣，圖7（a）為其中某一圓角過渡區。分別在等壁厚區和壁厚漸變區的3個不同位置預制大小為φ2mm、φ4mm和φ5mm的平底孔，共9個。

母線預掃查獲得的閘門寬度初始數組如表1左所示，存在多個聲時為0的掃查點，這些掃查點位于過渡區，不存在底面回波，無法獲取底波聲時。對其進行三次插值，補充過渡區缺失數據，得到如表1右所示的最終閘門寬度控制數組。

對驗證試樣進行螺旋掃查，采用固定閘門獲取的掃查圖如圖8（a）所示，僅檢出部分缺陷，并且存在明顯漏判與誤判；如圖8（b）所示，使用中旭多通道超聲收發儀采用閘門寬度控制數組對閘門實時動態調整，獲取的掃查圖清晰正確，檢出了全部預制缺陷。

4結束語

本文針對變壁厚回轉體提出了一種基于底波聲時預掃查的閘門動態控制技術，利用預掃查獲取閘門寬度控制數組并對過渡區進行了重構，利用重構后的數組在掃查中實時控制檢測閘門寬度，實現了變壁厚回轉體的全尺寸自動成像檢測。

對于母線截面中壁厚漸變的圓角過渡區，討論了線性、非線性插值法優缺點，其中線性插值、二次插值具有閘門覆蓋不足或覆蓋過度區域，三次插值能很好地還原閘門覆蓋范圍，故基于三點三次插值法重構了圓角過渡區的閘門寬度控制數組。

基于VC++編程，在機械手回轉體超聲檢測系統中實現了基于底波聲時預掃查的閘門動態控制。

對驗證試樣進行對比試驗，實驗表明，相比于固定寬度閘門，采用基于底波聲時預掃查的閘門動態控制技術能夠清晰正確檢出過渡區全部預制缺陷，并具有更佳的信噪比，驗證了閘門寬度動態控制方法的有效性。

（編輯：莫婕）