凸輪軸的自動化渦流檢測方法與系統

楊 航，汪圣涵，唐 健，康宜華

(華中科技大學 制造裝備數字化國家工程研究中心，武漢 430074)

凸輪軸作為汽車發動機配氣機構核心的機械基礎件，其質量對發動機的功率、凸輪挺桿摩擦副的壽命、配氣機構的工作狀態都有直接影響，直接決定著發動機乃至整車系統的性能。無損檢測作為凸輪軸生產中的必要環節，其主要目的是對凸輪表面裂紋進行高速高精檢測，剔除不合格產品，保證凸輪軸滿足其質量體系要求。

目前，用于檢測凸輪軸的無損檢測方法主要為半自動磁粉檢測。近年來，國內外學者針對凸輪軸凸輪表面微裂紋的自動化無損檢測方法與系統展開了許多研究。彭沛欣[1]采用進口CCD(電荷耦合元件)獲取磁粉圖像，通過圖像處理技術中的自動識別順序目標標記和描述算法，實現了凸輪軸熒光磁粉探傷系統檢測結果的自動識別。朱正德[2]成功開發了基于巴克豪森原理的凸輪軸磨削燒傷自動化檢測設備。國內渦流檢測廠商一般引進國外渦流檢測主機，自研渦流檢測探頭，針對檢測對象開發渦流檢測設備，設備的可靠性及穩定性有限。

凸輪軸為精加工工件，經由磨削加工后進入無損檢測工序，表面加工質量高，缺陷多為表面微裂紋，裂紋深度一般為0.1 mm左右，通過對比幾種檢測方法，發現渦流檢測更適用于凸輪表面微裂紋的檢測，其中又以差動渦流法檢測靈敏度最高，因此開發完全自主的凸輪軸自動化渦流檢測設備具有重要的工程意義[3-5]。

1 凸輪軸自動化無損檢測難點

凸輪軸主要分為整體式凸輪軸和組合式凸輪軸兩大類，隨著汽車發動機技術的不斷更新發展，組合式凸輪軸由于其自身優勢將逐漸取代整體式凸輪軸[6]。文章將組合式凸輪軸作為研究對象，具體型號為吉利GEP3，相關研究方法可類推到其他型號凸輪軸。

1.1 凸輪軸結構及待檢測位置

組合式凸輪軸一般由進排氣凸輪、油泵凸輪、端頭、信號輪和中心鋼管組成(見圖1)。由于凸輪軸進排氣凸輪與油泵凸輪工作環境惡劣，轉速極高,進排氣凸輪與搖臂滾輪之間存在摩擦，承受極大的交變循環接觸應力，油泵凸輪亦承受極高的交變循環應力，因此文章將組合式凸輪軸進排氣凸輪及油泵凸輪作為檢測對象展開研究。

圖1 GEP3組合式凸輪軸結構示意

GEP3型凸輪軸進排氣凸輪輪廓及其分解如圖2所示，可將整體輪廓分解為2個過渡平面，1個小圓弧凸面以及1個大圓弧凸面3部分組成；油泵凸輪輪廓及其分解如圖3所示，分解為由3個過渡平面和3個圓弧凸面組成。

圖2 進排氣凸輪輪廓及其分解示意

圖3 油泵凸輪輪廓及其分解示意

1.2 凸輪軸缺陷類別及特征

凸輪軸缺陷主要分為兩大類，可目檢缺陷和不可目檢缺陷。可目檢缺陷一般在毛坯階段可目視檢出；不可目檢缺陷一般是在熱處理以及磨削加工過程中產生，表面的形態一般為微裂紋及磨削燒傷，此類缺陷深度淺，肉眼難以觀察，隱患大，檢測難度大[7]。為此，將凸輪軸進排氣凸輪和油泵凸輪的表面微裂紋作為研究對象，采用差動激勵渦流探頭配合三自由度探頭跟蹤機構實現對凸輪的全覆蓋檢測。

2 差動激勵渦流探頭制作與仿真

2.1 差動激勵渦流探頭設計制作

常見基礎線圈一般有圓形線圈、跑道形線圈和矩形線圈，由該3種線圈分別組成的差動激勵渦流探頭結構如圖4所示。小尺寸圓形線圈類探頭檢測靈敏度最高，檢測效率最低；矩形線圈類探頭檢測靈敏度最低但檢測效率最高。考慮圓弧凸面檢測時(檢測示意見圖5)，小尺寸圓形線圈類探頭和跑道型線圈類探頭兩側差動線圈提離能夠得到有效抑制，探頭靈敏度衰減較少；而矩形線圈類探頭整體長度過長，導致兩側差動線圈提離過大，探頭靈敏度大幅下降。

圖4 3種基礎線圈差動激勵渦流探頭結構示意

圖5 3種基礎線圈差動激勵渦流探頭圓弧凸面檢測示意

為保證差動激勵渦流探頭的檢測靈敏度及檢測效率，筆者設計的探頭(見圖6)采用3組匝數和形狀完全一致的跑道形線圈作為基礎線圈，線徑為0.1 mm，總匝數為60匝，尺寸為5 mm×1 mm×5 mm×0.25 mm(長×寬×高×壁厚)。線圈中心均放置尺寸為4 mmX0.5 mmX5 mm(長×寬×高)的硅鋼片作為導磁鐵芯。三線圈并列放置在0.1 mm厚的POM(聚甲醛)片上便于安裝，同時為避免劃傷線圈及線圈劃傷凸輪表面，采用PEEK(聚醚醚酮)材料做封裝外殼，尺寸為5 mm×5 mm×6 mm×0.5 mm(長×寬×高×壁厚)。3個線圈中，兩側線圈互為反向連接，引出兩根線，中間線圈為檢測線圈。

圖6 差動激勵渦流探頭結構示意

2.2 差動激勵渦流探頭檢測仿真模型

采用COMSOL Multiphysics仿真軟件對差動激勵渦流探頭進行仿真分析。

凸輪表面輪廓主要由圓弧凸面和過渡平面組成，為縮減計算時間，將跑道形線圈簡化為圓形線圈，直接選用二維模型進行仿真分析。物理場添加磁場和電場進行耦合。平面及圓弧凸面渦流檢測物理仿真模型如圖7，8所示。

圖7 平面渦流檢測物理仿真模型

圖8 圓弧凸面渦流檢測物理仿真模型

在平板上刻長為10 mm,寬為0.1 mm，深為0.1 mm的刻槽作為刻傷缺陷，對其進行檢測得到如圖9所示的感應電磁場分布特征。

圖9 平板缺陷的磁場分布

在圓弧凸面上刻長為10 mm,寬為0.1 mm，深為0.1 mm的刻槽作為刻傷缺陷，對其進行檢測得到如圖10所示的感應電磁場分布特征。

圖10 圓弧凸面缺陷的磁場分布

2.3 線圈間隔對檢測信號的影響

根據試驗結果，選取頻率為100 kHz，電壓為4 V的激勵。

線圈間距為相鄰線圈的線圈外層間的間隔距離。線圈間距的增大一方面對檢測靈敏度不利，更主要的是，對于圓弧凸面及平面檢測，會造成檢測靈敏度的不一致。選用過渡平面以及最小曲率半徑為12 mm的圓弧凸面為檢測對象，對線圈間距不同的差動激勵渦流探頭進行仿真分析。

不同線圈間距的仿真檢測信號峰值變化曲線如圖11所示，由圖11可知，相比于過渡平面，圓弧凸面由于附加提離效應的影響，故探頭的檢測靈敏度衰減更快。線圈間距在0.1 mm以內時，其大小對差動激勵渦流探頭檢測靈敏度基本無影響，當線圈間距達到1.7 mm以后，探頭檢測靈敏度衰減50%左右。為此，設計的差動激勵渦流探頭線圈間距控制在0.1 mm以內。

圖11 不同線圈間距的仿真檢測信號峰值變化曲線

2.4 提離效應對差動激勵渦流探頭的影響

在對圓弧凸面的檢測中，渦流探頭對提離的變化尤其敏感。不同提離的仿真檢測信號峰值變化曲線如圖12所示。由圖12可知，當提離大于1.5 mm時，信號幾乎為零；提離在0.10.4 mm時，隨著提離增大，信號急劇衰減。

圖12 不同提離的仿真檢測信號峰值變化曲線

3 凸輪曲面渦流檢測方法

3.1 曲面產生的附加提離對檢測信號的影響

圓弧凸面與渦流檢測探頭的位置關系如圖13所示(圖中h0和h分別為中間線圈底部與兩側差分線圈底部到圓弧凸面的距離)，可見圓弧凸面曲率半徑的減小，會使兩側差動激勵線圈提離距離h增加。根據凸輪參數，使圓弧凸面的曲率半徑由6 mm增加至24 mm，進行仿真分析。

圖13 圓弧凸面與渦流檢測探頭位置關系示意

不同曲率半徑的圓弧凸面仿真檢測信號峰值變化曲線如圖14所示，由圖14可知，當圓弧凸面曲率半徑在20 mm以上時，輸出信號幅值基本無變化；圓弧凸面曲率半徑為12 mm時，信號衰減10%左右；為4 mm時，衰減27%左右。GEP3型凸輪軸圓弧凸面最小曲率半徑為12 mm，信號衰減僅為10%左右，在可接受范圍內。

圖14 不同曲率半徑的圓弧凸面仿真檢測信號峰值變化曲線

3.2 檢測探頭姿態的影響

渦流探頭緊貼凸輪表面的姿態不同，3個線圈有可能處于近零、小提離和大提離3種狀態。在檢測中，只有當兩側的差動激勵線圈提離距離相等時，中間的接收線圈才能正常工作。平面檢測時很容易滿足該要求，但圓弧凸面檢測時，激勵線圈的提離會產生差異，造成檢測信號不穩定以及靈敏度降低。

對于凸輪非規則回轉體的表面檢測，已有的檢測設備采用二自由度的探頭跟蹤機構，極易產生2個激勵線圈提離的失衡，在此提出一種三自由度探頭跟蹤機構，保證檢測探頭始終在法向上緊貼凸輪輪廓表面，同時保證提離值的對稱變化。檢測凸輪的軸進排氣凸輪大圓弧凸面、過渡平面、小圓弧凸面和油泵凸輪的圓弧凸面、過渡平面等位置的探頭姿態如圖15所示。由圖15可知，在進排氣凸輪大圓弧凸面、小圓弧凸面和油泵凸輪圓弧凸面處，兩側差動激勵線圈為小提離姿態，中間接收線圈為近零提離姿態；在進排氣凸輪過渡平面和油泵凸輪過渡平面處，兩側差動激勵線圈和中間接收線圈都為近零提離姿態。

圖15 三自由度探頭檢測不同檢測面時的探頭姿態示意

3.3 三自由度探頭跟蹤機構

凸輪軸三自由度探頭跟蹤機構如圖16所示,其主要由差動激勵渦流探頭、探頭安裝座、彈簧、擺動座、蓋板、搖臂、導向輪、薄型氣缸、機架等組成。整個機構具備3個轉軸，分別為探頭安裝座轉軸、擺動座轉軸以及搖臂轉軸，其保證差動激勵渦流探頭在沿檢測平面切向運動時，始終保持法向姿態。

圖16 三自由度探頭跟蹤機構結構示意

3.4 自動化渦流檢測試驗及結果

為了驗證三自由度探頭跟蹤機構的可靠性，采用凸輪軸人工刻傷試件進行試驗。凸輪軸標準刻傷試件的刻傷位置分別在進排氣大圓弧凸面、過渡平面、小圓弧凸面和油泵圓弧凸面、過渡平面等5個位置，人工刻槽寬度為0.1 mm，深度為0.1 mm，長度覆蓋整個凸輪寬度，人工刻傷如圖17，18所示。

圖17 凸輪軸進排氣凸輪人工刻傷

圖18 凸輪軸油泵凸輪人工刻傷

凸輪軸自動化檢測結構如圖19所示，采用驅動裝置驅動凸輪軸沿自身軸線主動旋轉，差動激勵渦流探頭在探頭跟蹤機構的作用下，迫使探頭始終垂直緊貼待檢測表面實現被動跟隨，完成凸輪軸凸輪表面的無損檢測。

圖19 凸輪軸自動化檢測結構示意

檢測試驗平臺如圖20所示，凸輪軸由凸輪軸驅動裝置中的三爪卡盤定位夾緊并旋轉；薄型氣缸通氣后推動渦流探頭緊壓在凸輪表面，實現三自由度探頭跟蹤機構的被動跟隨。凸輪軸旋轉一周后，差動激勵渦流探頭完成對凸輪軸凸輪整個輪廓表面的全覆蓋檢測。

圖20 檢測試驗平臺的組成

每個刻傷位置的檢測信號截取1 000個采集點數，得到各缺陷的檢測信號如圖21所示。

圖21 凸輪軸自動化渦流檢測缺陷信號

4 自動化渦流檢測系統

4.1 設計參數

根據凸輪軸的生產需求，檢測系統的主要技術指標如下所述。

(1) 檢測靈敏度要求：人工裂紋深度為0.1 mm，寬度為0.1 mm。

(2) 工作可靠性要求：誤報率不大于1%，漏報率為0%。

(3) 檢測速度要求：每個試件的檢測時間小于30 s。

(4) 產品質量要求：凸輪表面無劃痕，產品剩磁量不大于2 Gs。

(5) 防錯需求：凸輪軸型號識別。

4.2 總體方案設計

凸輪軸自動化渦流檢測系統主要由上料輔機、檢測主機以及下料輔機等3部分組成，檢測系統總體結構如圖22所示(圖中NG表示不合格件)。上料輔機的功能包括進氣凸輪軸與排氣凸輪軸的型號識別、凸輪軸自動搬料前進、凸輪軸二維碼讀取和自動剔料等。檢測主機包括檢測工位1和檢測工位2，主要功能為完成凸輪軸進排氣凸輪和油泵凸輪的全覆蓋無損檢測。下料輔機的功能包括凸輪軸自動搬料、檢測缺陷、自動剔料和凸輪軸自動退磁等。

圖22 檢測系統總體結構示意

5 結語

基于差動渦流探頭的凸輪軸凸輪表面微裂紋的檢測方法，設計制作了差動激勵渦流探頭，分析了提離效應、線圈間距、探頭姿態和圓弧凸面對差動激勵渦流探頭的影響，提出了一種三自由度探頭跟蹤機構，開發出一套凸輪軸自動化渦流檢測系統。現場應用顯示，檢測系統檢測速度為27 s/件，誤報率為0.83%，漏報率為0%，檢測完成后凸輪軸剩磁量均小于2 Gs。