基于渦流探傷的輪轂軸承裂紋檢測系統(tǒng)研究

劉國輝，雷良育，朱長城，胡永偉，張 琪

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.一汽大眾汽車有限公司成都分公司，四川 成都 610100)

汽車第3代輪轂軸承集成度高，增加了內(nèi)外圈的兩個(gè)法蘭盤，并且汽車第3代輪轂軸承采用冷鉚翻邊工藝進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)了汽車輪轂軸承的免維護(hù)功能，提高了汽車輪轂軸承的使用性能.但是在冷鉚翻邊過程中會(huì)出現(xiàn)裂紋的存在，導(dǎo)致裝配出的輪轂軸承產(chǎn)品不合格.為了提高輪轂軸承的產(chǎn)品質(zhì)量，通常會(huì)在冷鉚翻邊工藝之后對(duì)輪轂軸承進(jìn)行裂紋的檢測.目前輪轂軸承在線裂紋檢測為人工目檢，實(shí)驗(yàn)室采用磁粉檢測和滲透液檢測的方法.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂軸承裂紋的在線檢測，采用渦流探傷原理對(duì)輪轂軸承裂紋進(jìn)行檢測，渦流檢測作為5大常規(guī)檢測手段之一，具有易耦合、速度快、成本低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于檢測導(dǎo)電物體表面以及近表面裂紋[1-3].

1 輪轂軸承裂紋檢測方法

1.1 渦流檢測原理

渦流檢測是5大無損檢測中應(yīng)用較為廣泛的檢測方法，主要的理論基礎(chǔ)是電磁場理論.其工作原理是把待檢測工件靠近通有交流電的檢測線圈，由線圈建立交變磁場，該交變磁場通過導(dǎo)體工件，并與之發(fā)生電磁感應(yīng)作用，在導(dǎo)體工件內(nèi)建立渦流.導(dǎo)體中的渦流自身也會(huì)產(chǎn)生磁場，渦流產(chǎn)生的磁場改變了原磁場的強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致線圈復(fù)阻抗的變化.當(dāng)導(dǎo)體表面或者凈表面出現(xiàn)缺陷時(shí)，將影響到渦流的強(qiáng)度和分布情況.渦流的變化又引起了檢測線圈的電壓和復(fù)阻抗的變化，導(dǎo)體內(nèi)感生渦流的幅值、相位、流動(dòng)形式、及其伴生磁場受導(dǎo)體的物理特性影響，因此通過檢測線圈的阻抗變化即可非破壞地評(píng)定導(dǎo)體的物理及工藝性能.根據(jù)檢測線圈的電壓和副本阻抗的變化，采用相應(yīng)的信號(hào)處理方法就可以間接檢測到導(dǎo)體內(nèi)存在的缺陷[4].渦流檢測原理如圖1 所示.

圖1 渦流檢測原理圖Fig.1 Diagram of Eddy

1.2 渦流檢測探頭位置

渦流探頭安裝要滿足以下要求：① 保證渦流探頭和軸承鉚合翻邊面之間有一定的距離，這由探頭萬向安裝支架來保證.渦流探頭和被測面之間的距離不能太大，如果超出渦流探頭的提離高度，則會(huì)影響探頭的精度[5].② 要保證裂紋可能出現(xiàn)的位置配合合適的掃描運(yùn)動(dòng)使渦流探頭全面覆蓋.

在輪轂軸承裂紋檢測中，首先要選用合適的渦流傳感器探頭以保證傳感器對(duì)旋壓面的全覆蓋.采用的方法是根據(jù)冷鉚過程的應(yīng)力分析找出裂紋出現(xiàn)概率的最大區(qū)域，讓渦流探頭全面覆蓋旋壓面裂紋出現(xiàn)概率最大的區(qū)域，配合回轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)旋壓面裂紋出現(xiàn)區(qū)域的全覆蓋檢測.根據(jù)裂紋出現(xiàn)區(qū)域的范圍大小計(jì)算出所需渦流探頭個(gè)數(shù).設(shè)L為裂紋區(qū)域出現(xiàn)的總長度，L大約為12 mm，D為單個(gè)渦流傳感器探頭的直徑，D=8 mm,所需探頭個(gè)數(shù)為n,渦流探頭對(duì)裂紋出現(xiàn)概率較大區(qū)域的覆蓋率為130%，利用公式nD=1.3L計(jì)算，得出n=1.95，取探頭個(gè)數(shù)為2個(gè)[6].其探頭位置示意圖如圖2 所示.

圖2 渦流探頭位置Fig.2 Eddy current porbe

2 輪轂軸承渦流檢測系統(tǒng)

2.1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)渦流探傷原理，輪轂軸承渦流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 所示，該系統(tǒng)主要包括STM32F4微處理器、DDS正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、AD信號(hào)采集模塊、自動(dòng)平衡電路、鎖相放大濾波、USB通信、上位機(jī)、裂紋阻抗顯示等組成部分.

系統(tǒng)工作原理：由STM32F4微處理器通過DDS信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于渦流探頭，帶有激勵(lì)源的探頭會(huì)在輪轂軸承表面形成渦流.再由信號(hào)采集探頭進(jìn)行對(duì)輪轂軸承渦流的信號(hào)采集，采集到的信號(hào)鎖相放大、濾波送入AD信號(hào)采集模塊，最后帶有裂紋信息的信號(hào)經(jīng)過STM32微處理器的處理通過USB傳給上位機(jī)，把裂紋阻抗圖顯示出來.

系統(tǒng)主要功用：① DDS模塊能產(chǎn)生頻率和幅值穩(wěn)定的正弦波,經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)探頭，使之在被檢測輪轂軸承表面能激勵(lì)出渦流.② 該系統(tǒng)能將檢測的微弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波.自動(dòng)平衡電路可以使檢測探頭在沒有檢測到裂紋時(shí)輸出信號(hào)為零.③ 該系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)裂紋信息.④ 該系統(tǒng)可以通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示裂紋阻抗平面圖.⑤ 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)通訊.

圖3 輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)Fig.3 Eddy current crack detection system for hub

2.2 核心模塊的設(shè)計(jì)

2.2.1 STM32F4微處理器外圍電路

由于STM32功能強(qiáng)大，在本系統(tǒng)中我們只采用部分資源，包括：使用SPI1在DDS芯片AD9954和STM32之間通信，SPI2在DA轉(zhuǎn)換芯片DAC8563自動(dòng)平衡中使用DAC8563控制電路的平衡以及和STM32之間通信；兩個(gè)DAC用來控制可調(diào)增益放大芯片AD8336的放大增益；USB接口實(shí)現(xiàn)在STM32和上位機(jī)之間通信.其他未用功能引腳均通過10 kΩ的電阻接地，電阻接地是為了減小STM32默認(rèn)浮空輸入帶來的干擾，增加整個(gè)渦流檢測系統(tǒng)的抗干擾能力[7].

2.2.2 DDS信號(hào)發(fā)生模塊

本系統(tǒng)的DDS信號(hào)發(fā)生器模塊選用ADI生產(chǎn)的AD9954芯片構(gòu)成，AD9954具有一個(gè)14 b DAC,最高可達(dá)400MSPS的DDS器件.AD9954采用先進(jìn)DDS技術(shù)開發(fā)，內(nèi)部集成了高速、高性能的DAC數(shù)字可編程器和完整的高頻合成器，能夠產(chǎn)生200 MHz的模擬正弦波.AD9954的設(shè)計(jì)提供了快速的跳頻以及優(yōu)良的控制方案.AD9954包括1 024*32的靜態(tài)RAM，支持多種模式靈活的掃頻能力.AD9954還可支持自定義線性掃頻操作，由串行I/O口輸入控制字就可以實(shí)現(xiàn)具有良好分辨率的快速變頻[8].由于DDS產(chǎn)生信號(hào)的雜散特性比較差，所以要對(duì)信號(hào)的純度進(jìn)行提高，對(duì)DDS輸出信號(hào)進(jìn)行濾波.此電路中采用了在信號(hào)輸出端添加一個(gè)低通濾波器電路進(jìn)行濾波.DDS信號(hào)發(fā)生模塊如圖4 所示.

圖4 DDS信號(hào)發(fā)生電路Fig.4 DDS signal generation circuit

2.2.3 AD信號(hào)采集模塊

軸承裂紋檢測中由DDS信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)在軸承表面形成的渦流信號(hào)是不能直接被檢測出來的，其中有用的是帶有裂紋信息的低頻調(diào)制信號(hào)，高頻載波信號(hào)是激勵(lì)信號(hào).故采用鎖相放大技術(shù)對(duì)信號(hào)解調(diào)出有用的低頻信號(hào).如圖5 所示，鎖相放大檢測系統(tǒng)一般可以由低通濾波器和相敏檢波器組成.當(dāng)被檢測信號(hào)Ux和參考信號(hào)Uy被相敏檢波器檢測到時(shí)，假設(shè)被檢測信號(hào)Ux=Asin(ωt+φ1)，參考信號(hào)假設(shè)為Uy=Bsin(ωt+φ2)，通過相敏檢波器后可以得到:

Uxy=ABsin(ωt+φ1)*sin(ωt+φ2)=

(1)

圖5 鎖相放大原理圖Fig.5 Phase lock magnification

渦流檢測信號(hào)提取時(shí)可以假設(shè)被檢信號(hào)[9]

U1=Asin(2πf1t+θ)+Ansin(2πfnt+θ).

(2)

在式(2)中首項(xiàng)為有用的被檢測信號(hào)，幅值為A，頻率為f1.第二項(xiàng)為干擾信號(hào)，幅值為An，頻率為fn.參考信號(hào)

V1=Bsin(2πf2t+θ+φ)，

(3)

則經(jīng)過相敏檢波輸出的信號(hào)為

(4)

如果低通濾波器的截止頻率fw足夠小的話，即滿足fw<|fn-f2|和fw

(5)

假設(shè)參考信號(hào)的頻率和渦流檢測信號(hào)的頻率相同，即可以得到

(6)

式(6)中有兩個(gè)未知量A和φ.為了達(dá)到對(duì)渦流信號(hào)幅值提取的目的，采用正交鎖相放大技術(shù)通過兩路相敏檢波器和兩路低通濾波器以及兩路參考信號(hào)為相位差90°的正弦信號(hào)進(jìn)行提取.通過正交鎖相放大器可以輸出同相的I和正交的Q兩個(gè)信號(hào).

(7)

(8)

由I和Q可以求出幅值A(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)渦流檢測信號(hào)幅值提取的目的.

為了能夠得到含有裂紋信息的信號(hào)，在數(shù)字電路中應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊.該模塊的作用是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.由于STM32F4內(nèi)部自帶ADC為單極性且只有兩個(gè)轉(zhuǎn)換通道，不滿足使用要求，故在該數(shù)據(jù)采集模塊中選用4通道AD7606作為AD轉(zhuǎn)換芯片.所有的采集通道都能以高達(dá)200 KSPS的采樣速率進(jìn)行采樣，也可以使用多片AD7606級(jí)聯(lián)組成多通道同步采集系統(tǒng)，因?yàn)槊總€(gè)輸入端都有箝位保護(hù)電路，故AD7606芯片能承受最高達(dá)±16.5 V的電壓[10].AD采集模塊如圖6 所示.

圖6 數(shù)據(jù)采集電路圖Fig.6 Data acquisition circuit

因?yàn)锳D7606芯片具有同步采集功能，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，只需將CONVSTA引腳和CONVSTB引腳進(jìn)行連接就可以實(shí)現(xiàn)同步采集模式.同步采集模式就是實(shí)現(xiàn)所有通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.在需要同時(shí)采集多個(gè)通道數(shù)據(jù)時(shí)多數(shù)使用的就是同步采集模式.當(dāng)AD7606芯片在同步采集模式下工作時(shí)，STM32F4微控制器就會(huì)給CONVSTA/CONVSTB引腳一個(gè)上升沿脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)多通道同步轉(zhuǎn)換.AD7606芯片的BUSY引腳功能是表示信號(hào)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)CONVST引腳為上升沿信號(hào)時(shí)，BUSY引腳變?yōu)檫壿嫺唠娖剑?dāng)整個(gè)轉(zhuǎn)換過程結(jié)束時(shí)BUSY引腳變?yōu)檫壿嫷碗娖?當(dāng)BUSY引腳為下降沿信號(hào)時(shí)，表示可以從并行總線DB[15∶0]，Dout A/Dout B 串行數(shù)據(jù)線路以及并行字節(jié)總線DB[7∶0]讀取新數(shù)據(jù)[11].

3 輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)的性能，我們?cè)谥般T合過程中找出帶有不同大小的裂紋次品軸承進(jìn)行驗(yàn)證，次品軸承可以分為4類：① 斷裂性裂紋，裂紋長度在5 mm以上，深度2 mm 以上；② 明顯裂紋，裂紋長度在2～5 mm，深度2 mm以下；③ 微小裂紋，裂紋長度在2 mm以下，深度 1 mm 以下；④ 鉚合壓痕.選用4種不同類型的裂紋在第3代汽車輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)上在線檢測實(shí)驗(yàn).4種不同類型的裂紋如圖7 所示.

圖7 不同類型裂紋Fig.7 Different types of cracks

把帶有這4種裂紋的軸承依次放入輪轂軸承渦流裂紋檢測裝置之后，檢測結(jié)果都為NG產(chǎn)品，其裂紋阻抗檢測結(jié)果如圖8～圖11 所示.根據(jù)4種裂紋檢測阻抗圖可以看出，裂紋大小不同阻抗范圍就會(huì)不同，當(dāng)裂紋很大時(shí)，阻抗范圍完全超出顯示范圍，這種裂紋最容易檢測出來，當(dāng)裂紋是微小裂紋時(shí)，阻抗范圍超過橢圓阻抗安全范圍，表示有裂紋存在.當(dāng)沒有裂紋時(shí)，阻抗范圍不會(huì)超過橢圓安全范圍，沒有明顯的阻抗變化，不會(huì)被剔除.

圖8 斷裂性裂紋阻抗圖Fig.8 Fracture crack impedance map

圖9 明顯裂紋阻抗圖Fig.9 Obvious crack impedance

圖10 微小裂紋阻抗圖Fig.10 Tiny crack impedance

圖11 壓痕阻抗圖Fig.11 Impedance of indentation

4 結(jié)束語

本文根據(jù)渦流探傷原理確定輪轂軸承的裂紋檢測方法；對(duì)輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括STM32F4微處理器、DDS正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、AD信號(hào)采集模塊、自動(dòng)平衡電路、鎖相放大濾波、USB通信、上位機(jī)、裂紋阻抗顯示等組成部分；根據(jù)輪轂軸承渦流裂紋出現(xiàn)的位置，確定采用兩個(gè)渦流探頭進(jìn)行對(duì)輪轂軸承裂紋檢測；最后通過對(duì)不同類型裂紋進(jìn)行的檢測實(shí)驗(yàn)，表明了輪轂軸承渦流裂紋檢測系統(tǒng)能夠有效檢測出不同類型裂紋，并且能夠通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示裂紋阻抗平面圖.降低了勞動(dòng)成本，提高了軸承生產(chǎn)的自動(dòng)化程度以及工廠效益.