小管徑彈藥筒高速漏磁檢測方法與系統

孟 杰 王 哲 王榮彪 康宜華 邱 晨

1.華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室，武漢，430074 2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司，武漢，430074

0 引言

彈藥筒在火炮射擊時要承受巨大的驟變溫度和壓力，如果工件存在未檢出的裂紋、夾渣等缺陷，則可能會引起炸膛或不退膛，導致設備損壞，甚至危及人身安全，導致整個火炮系統失去戰斗能力[1-2]。由于彈藥筒曲率大，要求檢測速度快、精度高，自動化程度較低的檢測設備難以滿足彈藥筒檢測的要求，其高速自動化檢測水平有待提高[3-4]。目前彈藥筒自動檢測方法有射線檢測、機器視覺檢測以及超聲檢測等方法，其中，超聲檢測應用最為廣泛。高遠飛等[5]先獲取彈藥筒的X射線圖片，然后對其采取特定的圖像處理算法，以判斷藥筒是否合格，該方法成本較高，對檢測人員可能造成損害，且檢測速度較低。李峰等[6]介紹了一種以坐標測量技術為核心，結合圖像檢測技術和Oracle數據庫技術研發出的炮彈結構特征量測量系統，但該系統主要針對藥筒結構測量，無法準確判斷微裂紋、夾雜等缺陷。高瑜等[7]、楊順民等[8]提出用蘭姆波水浸超聲探傷方法對彈藥筒進行無損檢測，但其檢測速度慢、效率低，同時水等耦合劑若未及時處理，將影響后續加工工藝。與以上檢測方法相比，漏磁檢測不僅工藝簡單、靈敏度高、檢測速度快，而且對內外表面的裂紋、腐蝕和凹坑等缺陷具有很好的檢出能力，廣泛應用于管體的檢測[9-11]，但目前針對彈藥筒等短小工件的高速、高精漏磁檢測系統的研究較少，且檢測精度有待提升。本文采用彈藥筒原地旋轉、漏磁檢測探頭管體外全覆蓋的漏磁檢測方式，該方法是對彈藥筒高精、高速檢測方法的重要補充。

1 小管徑彈藥筒高速漏磁檢測方法

1.1 小管徑彈藥筒結構和缺陷特點

小管徑彈藥筒的外徑在39.2～56.4 mm之間，長度一般在175～265 mm之間，見表1。其加工工藝為坯料多次引伸成形，導致小徑筒體易形成縱向裂紋，同時也會有夾渣、凹坑和折疊等缺陷出現。由于彈藥筒質量要求較高，本文以長、寬、深分別為10±0.5mm、0.1±0.01mm、0.05±0.005 mm的內外人工微細裂紋作為檢測標準，0.05 mm深的檢測精度遠高于目前工程上管體的漏磁檢測精度[9-11]。

表1 彈藥筒主要尺寸

1.2 彈藥筒微細裂紋漏磁檢測方法

1.2.1漏磁檢測原理

漏磁檢測是利用勵磁源對被檢工件進行局部磁化來實現檢測。若被測工件表面光滑，內部沒有缺陷，則磁通將全部通過工件；若材料表面或近表面存在缺陷，則其附近的磁場將發生畸變，通過傳感器可檢測到漏磁場。彈藥筒主要為縱向裂紋類缺陷，所以采用縱向漏磁檢測方法，檢測原理見圖1。

圖1 縱向漏磁檢測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of longitudinal magnetic flux leakage detection

1.2.2檢測方式的選擇

筒體、管體等工件檢測方式主要有探頭螺旋前進、工件固定，探頭包覆、工件直線運動，工件螺旋前進、探頭固定等方法，前兩種檢測方式系統結構較為復雜，而工件螺旋前進是旋轉和直線運動兩種運動形式的復合結果，工件運動穩定性很難滿足高速、高精度的檢測需求。考慮到彈藥筒的結構特點為小管徑筒體且長度較短，采用彈藥筒原地旋轉、漏磁檢測探頭管體外全覆蓋的漏磁檢測方式，檢測時工件只進行單一旋轉動作，檢測狀態更加穩定。

1.2.3磁化機構設計

根據磁性檢測原理，檢測時外加磁場方向應最大限度地與缺陷走向垂直，以激勵出最大的漏磁場。縱向漏磁檢測時需使工件被周向磁化，故采用U形磁軛磁化方法形成周向磁化場[12]，從而實現工件的周向磁化，磁化機構見圖2。當改變彈藥筒規格時，通過手輪對可調節極靴進行微調，以保證工件的磁化效果，適應多規格彈藥筒的磁化的需求。

圖2 磁化機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of Magnetization mechanism

通過有限元法分析磁化機構磁化效果，對彈藥筒和磁軛采用SOLID96單元，磁化器采用SOURC36單元，線圈匝數為1000，電流為每匝6 A。磁化機構的磁場的分布云圖見圖3a，磁化機構形成了良好的磁回路，可調極靴對磁路影響較小。待檢測部位磁感應強度達到1.6 T左右，見圖3b，滿足磁化要求并且磁化場比較均勻，能夠保證檢測信號的一致性。

圖3 磁化機構及彈藥筒磁場分布云圖Fig.3 Distribution contours of magnetic field on magnetization mechanism and bearing rings

1.2.4磁頭式精密漏磁檢測陣列探頭設計

探頭的選擇和設計應結合漏磁場的大小、工件形狀等因素。漏磁場強度僅與裂紋的寬度、深度有關，即彈藥筒微細裂紋產生的漏磁場將極為微弱，這對探頭的選擇和設計提出了更高的要求。常見的線圈、霍爾元件尺寸較大，測點提離值大，磁阻磁頭、巨磁阻磁頭在強背景磁場下會飽和，都難以準確捕捉微細裂紋產生的漏磁場。采用一種磁頭式傳感器拾取微弱漏磁場，見圖4，該傳感器抗外界電磁干擾能力強，靈敏度高，微細裂紋檢出能力達到0.03mm深，已成功應用于軸承、輪轂等高精檢測領域[13-15]。

圖4 磁頭式傳感器檢測原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of magnetic head sensor

為保證被測彈藥筒全覆蓋檢測而無漏檢，要求檢測探頭的有效檢測范圍應大于彈藥筒需檢測的長度。由此設計了磁頭式精密漏磁檢測陣列探頭，以滿足高精度、全覆蓋的檢測要求。采用陣列差分的組合形式，探頭由48通道組成，兩個磁頭差分出一個通道，見圖5。采用差分組合形式，能有效消除測量過程中振動、晃動等影響，提高測量的穩定性、信噪比和抗干擾能力。同時增加隔離片、屏蔽罩，以減少電磁干擾。每個差分探頭的有效檢測長度約6 mm，為保證一定的重疊率，陣列探頭的有效檢測長度約240 mm，滿足多規格彈藥筒的檢測覆蓋需求。

圖5 陣列差分探頭示意圖Fig.5 5Diagram of differential probe

檢測時，根據彈藥筒規格合理提取多通道中有效檢測信號，防止無用通道開啟時對其他通道造成干擾，影響檢測結果。例如，檢測D型彈藥筒時，僅提取前37個通道的漏磁檢測信號即可完成彈藥筒無盲區檢測，見圖6。

圖6 通道開啟情況Fig.6 Channel condition

2 高速漏磁檢測系統

高速漏磁檢測系統主要包括機架、檢測運動系統、漏磁檢測單機、運動控制系統以及計算機信號處理系統，實現了小管徑彈藥筒從上料到產品檢測、分選全過程自動化。

2.1 檢測運動系統

檢測運動系統主要包括上料機構、旋轉機構以及分選裝置，見圖7。

圖7 檢測運動系統示意圖Fig.7 Diagram of motor system

機架將各個機構固定；上料機構包括上料滑道、上料推桿以及上料氣缸等，待檢彈藥筒放置在上料滑道上，氣缸帶動上料推桿將彈藥筒送至漏磁檢測單機中，同時將檢測單機中已完成檢測的藥筒推送至分選機構中，隨后復位，等待下一次上料動作；旋轉機構主要靠電機帶動同步齒形帶運動，最終帶動檢測單機中滾筒轉動，從而實現檢測時工件所需的旋轉運動，同時通過控制電機轉速，實現彈藥筒在2 s檢測時間內旋轉6圈，保證缺陷信號的重復次數；分選機構通過漏磁檢測單機和計算機信號處理系統的判斷結果，對彈藥筒進行自動分選。各個組件相互配合，裝置可以精準控制檢測速度，保證了漏磁檢測的穩定性和可靠性。

2.2 運動控制系統

運動控制系統是實現自動化檢測的重要環節之一，本系統使用PLC進行控制，主要檢測流程見圖8。

圖8 彈藥筒檢測流程Fig.8 Flow chart of detection

2.3 減少誤判的信號處理方法

為了進一步提高系統穩定性，降低誤報率，進行了減少誤判的信號處理算法研究。理論上彈藥筒只需被全覆蓋檢測一周即可完成檢測，但產生的檢測信號易受外界干擾導致誤報，或由于檢測重復度低導致漏檢，由此人為控制彈藥筒在2秒檢測時間內旋轉6圈，即理論上若出現缺陷可出現6次缺陷信號，形成有規律的檢測信號再通過減少誤判的信號處理方法處理，以達到減少誤報并避免漏檢的目的。外界的電磁干擾、機械抖動等問題會產生干擾信號導致誤報，檢測過程中典型誤報信號與缺陷信號見圖9。

圖9 典型誤報信號與缺陷信號Fig.9 Typical false alarm signals and defects signal

分析典型誤報信號與缺陷信號的特征可發現：在2 s檢測時間內，缺陷信號呈周期性分布，近似等距出現6次左右且峰值穩定，而干擾信號出現位置隨機且頻率低。基于以上信號特征，若以檢測信號等距出現6次超過報警門限信號為報警分選條件，則報警條件太過于苛刻，容易漏報。但若檢測信號超過報警門限信號就進行報警分選，將導致誤報增加。因此，在形成有規律的檢測信號的同時，設定了缺陷判定算法，信號處理算法思路如下：

(1)完成2 s內所有檢測數據樣本X采集；

(2)將X等分為6塊，提取出Xi中的信號峰值Ai以及該峰值的橫坐標ai(i=1，2，…，6);

(3)判斷信號峰值Ai超過門限A的次數是否大于4次，若是，則進入不合格品區，否則進入下一步；

(4)統計信號峰值是否滿足Ai≈Ai+1≈Ai+2或出現位置滿足ai+1-ai≈ai+2-ai+1，若是，則進入不合格品區，否則消除誤判信號，進入合格區。

經減少誤判的信號處理后，誤報信號的處理結果見圖10，檢測過程中產生的誤報信號被有效消除。

圖10 誤報信號處理情況Fig.10 Signal processing results

3 檢測系統測試與應用

本文的研究對象是小管徑彈藥筒，選取A彈藥筒進行探傷測試，樣件見圖11。

圖11 測試樣件Fig.11 Test sample

樣件人工缺陷為縱向分布的兩種標準傷：長、寬、深分別為10±0.5 mm、0.1±0.01 mm、0.05±0.005 mm的內外微裂紋。用刻有標準傷的樣件對檢測系統進行標定，通過調整增益，使得0.05 mm深內傷信號峰值為2.5 V，為保證標準傷不漏檢且系統誤報率低，設定報警門限為2 V，將信號峰值高于報警門限的漏磁檢測信號定為報警信號，結合減少誤判的信號處理方法判定彈藥筒是否合格，檢測信號波形見圖12。

圖12 檢測信號波形Fig.12 Detection signal of test sample

檢測結果顯示，內外微細裂紋的漏磁信號較強，信噪比大于8 dB。完成信號標定后，分別對160根A彈藥筒進行批量檢測，可精準檢測出彈藥筒上存在的自然傷及標準樣傷，檢測信號分別見圖13和圖14。在報警門限為2 V的情況下，樣傷管無漏報，誤報率僅為2%，報警門限設置滿足檢測需求，同時單機檢測速度可達4 s/件，是彈藥筒超聲單機檢測速度的2～4倍。

高速漏磁檢測系統實物見圖15，操作人員通過操作控制柜即可對檢測過程進行實時控制，操作過程簡單便捷。

圖13 彈藥筒自然傷Fig.13 Natural defects

圖14 自然傷檢測信號Fig.14 Detection signal of natural defects

圖15 檢測系統實物Fig.15 Detection system

4 結論

(1)通過分析彈藥筒結構和缺陷特點，采用彈藥筒原地旋轉、漏磁檢測探頭管體外全覆蓋的漏磁檢測方式，提高了彈藥筒檢測速度以及穩定性。

(2)針對多規格彈藥筒磁化需求，設計了可調節探靴、U形磁軛磁化機構，通過有限元法分析磁化機構，待檢測部位磁化場均勻能夠保證檢測信號的一致性。

(3)設計了磁頭式精密漏磁檢測陣列探頭拾取微細裂紋產生的漏磁場，合理提取多通道中有效檢測信號并進行減少誤判的信號處理，滿足多規格彈藥筒高精、高穩定性的漏磁檢測需求。