高鐵電機精密銅導條機器人超聲無損檢測技術研究*

劉 波，姚沛衡，禹 岳，邊成亮，楊辰龍

(浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

高鐵要安全穩定運行，牽引電傳動系統起著關鍵作用，牽引電機轉子結構如圖1所示，其轉子鐵芯鑲嵌有轉子導條，導條和兩個短路環構成鼠籠結構。導條的斷裂是電機的常見故障之一，導條為銅合金材料，通常的生產方式是擠壓生產[1－2]，銅導條在擠壓生產中會產生缺陷，這些缺陷會危害高鐵的行駛安全。在工業檢測中可以用超聲波對銅導條缺陷進行識別和定位。超聲檢測是一種常用的無損檢測技術，通過超聲的反射、透射等性質，利用回波的時間和幅值對缺陷進行檢測和定位。但由于金屬材料內部存在粗晶粒，超聲波在金屬中傳播時會產生散射現象導致出現背景噪聲[3]，從而降低超聲信號的信噪比；而且表面回波存在一定的寬度，導致常規超聲檢測存在盲區，對皮下縮尾缺陷等近表面缺陷容易漏檢。

圖1 高鐵電機結構示意圖

針對近表面缺陷檢測中出現的問題，一些研究人員選擇提高超聲換能器的性能[4－5]或使用相控陣探頭消除盲區[6]，但在工業檢測中，硬件的更換和維修成本較大；也有一些研究利用表面波[7]和蘭姆波[8]檢測表面缺陷，但其不利于自動化設備集成。本文采用高頻水浸聚焦探頭，利用表面聚焦技術進行檢測，可以將近表面盲區縮小到1 mm，便于集成，且設備容易維護和更換。

傳統的人工檢測方法主要依靠操作人員手持探頭進行檢測，在對工件進行全面掃描時，無法控制掃描間距，可能會出現漏檢現象。人工檢測對缺陷信號的判斷依賴于檢測人員的經驗，在進行大批量檢測時檢測員可能會出現疲勞情況，影響檢測精度。工業機器人具有精確控制掃描間距、不依賴人員經驗、連續工作而不疲勞的特點，可以提高檢測效率。北京首鋼集團研發了一條應用于圓柱形棒材的渦流無損檢測流水線，可以實現上料、下料和分類的自動化[9]。北京航空航天大學的周正干和孫廣開等人以機器人技術結合激光超聲技術開發出了針對復合材料超聲檢測的非接觸、高精度自動化檢測系統[10]。但是目前尚沒有銅導條機器人超聲檢測系統的相關文獻報道。

本文以高頻水浸聚焦探頭表面聚焦技術和工業機器人為基礎，研制了一種用于銅導條的自動超聲檢測系統，通過機器人對銅導條進行抓取、檢測和分類，提高檢測的效率和準確性。

1 銅導條中的皮下縮尾缺陷

銅導條在生產過程中會產生各種缺陷，其中超聲檢測技術主要檢測的缺陷類型有裂紋、分層、夾雜、疏松和擠壓縮尾等。

擠壓縮尾是一種出現在擠壓產品尾部的特殊缺陷，一般易出現在擠壓棒材、型材、厚壁管材中。在擠壓生產的后期階段，當擠壓筒內坯料的剩余長度減小到與穩定流動塑性區的高度相等時，擠壓力開始上升，金屬徑向流動速度增加，變形死區的金屬料也參與進變形中，從而導致坯料表面的氧化皮、擠壓設備中的潤滑油等污物流入成品中，導致金屬之間的分層[11－12]。擠壓縮尾缺陷按照其在銅導條中分布的位置，可以分為中心縮尾和皮下縮尾，如圖2所示。

圖2 銅導條擠壓縮尾缺陷

其中比較難以檢測到的缺陷是皮下縮尾缺陷，如圖2(b)所示。擠壓筒與錠坯的溫度差使得死區金屬受到冷卻，相比于中心區域的金屬，其金屬塑性性能降低，與塑性流動區界面產生劇烈的滑移使得金屬發生剪切變形而斷裂。同時坯料表面的氧化皮等臟物沿剪切斷面流動，覆蓋在擠壓產品的近表面上就產生了皮下縮尾。皮下縮尾由于其缺陷位置，嚴重影響擠壓制品的后續冷加工。

皮下縮尾多出現在銅導條的表面和近表面，而在常規的脈沖反射法超聲檢測技術中，表面回波存在一定的寬度，表面附近的缺陷回波難以識別，導致在被測件近表面區域存在一定的檢測盲區，無法識別是否存在缺陷。

2 表面聚焦技術

皮下縮尾缺陷位于工件近表面，常規超聲探頭表面盲區大，難以識別出缺陷，因此采用高頻聚焦探頭進行檢測，可將表面盲區減小到1 mm，滿足銅導條檢測需求。聚焦探頭在焦點處的聲束聚集，聲場內部組織散射信號明顯變少，可以提高超聲檢測的信噪比。

2.1 表面聚焦與內部聚焦對比

一般來說，聚焦聲束經過平面后仍可以聚焦于一點[13]。在對銅導條進行檢測時，聚焦探頭聲束在工件表面二次聚焦，聲束折射及焦點位置如圖3所示。由光線模型折射定律和幾何關系，可以得到超聲波聲束在工件中的焦點深度，如式(1):

圖3 聚焦聲束在平面的折射示意圖

式中，H指水聲程，F表示探頭在水中的焦距，K指水中和金屬中的縱波波速之比，d指聲束在工件中的焦點離工件表面的距離，即焦點深度。

可以通過改變水聲程進而改變聚焦聲束焦點的位置，根據待檢測缺陷的位置，可以選擇表面聚焦和內部聚焦兩種不同的聚焦方式，兩種聚焦方式如圖4所示。

圖4 聚焦探頭表面聚焦和內部聚焦示意圖

在表面聚焦時，超聲波的能量集中于工件表面區域，因此對近表面缺陷檢測效果好，但聲波的穿透能力弱，會造成能量的浪費；使用內部聚焦時，聲波焦點位于工件內部，能量集中于焦柱區域，對內部缺陷檢測效果好，但存在一定的表面盲區。

張延微[14]用表面聚焦和內部聚焦兩種方式對W/Al復合材料進行檢測，分別得到圖5(a)、圖5(b)所示的超聲波A掃描波形圖。可以看出在內部聚焦時底波幅值大，但始波的寬度寬，容易造成被測工件表面盲區增大；而表面聚焦時始波寬度窄，表面盲區小。

圖5 表面聚焦和內部聚焦時超聲波A掃描波形圖對比

在內部聚焦時，為了將焦點聚集在較深位置，需采用大焦距探頭，超聲信號受表面形狀和粗糙度影響大，會產生表面回波變寬的現象。而表面聚焦方式則可以采用小焦距探頭，信號受表面形狀影響小，表面回波也更清晰。

2.2 近表面聚焦探頭聲場仿真

由于探頭種類多樣，需要進行多次嘗試才能夠選取到合適的探頭和檢測參數，考慮成本和時間，每次都采用實驗測試的方法是不切實際的。因此先對聚焦探頭聲場進行仿真分析，以此來初步選擇檢測方案。

CIVA軟件基于pencil法修正的適用于超聲檢測聲場仿真的瑞利積分模型，包含多種無損檢測方法的仿真功能，可以初步對超聲檢測方案進行可行性分析[15－17]。其中的超聲檢測部分包含聲場計算和缺陷響應兩個模塊，可以計算不同參數的探頭在工件中的超聲聲場，也可以模擬各種缺陷和聲場的相互作用。因此本節采用CIVA軟件進行超聲探頭的仿真。

首先建立矩形銅導條的模型，材料參數及模型尺寸如表1所示，幾何尺寸為30 mm×20 mm×120 mm。設置超聲探頭的頻率為15 MHz，焦距分別為12.7 mm、51 mm、76 mm、110 mm，各探頭具體參數如表2所示。分別設置水聲程，使聚焦探頭焦點位于導條近表面。

表1 工件模型材料參數及尺寸

表2 仿真設置的各探頭屬性

經過仿真后得到如圖6所示的聲場分布圖和圖7所示的聲壓分布曲線。

圖6 矩形截面擠壓銅導條聲場計算仿真結果

圖7 矩形截面銅導條聲束軸線處聲壓分布曲線

從聲場分布圖和分布曲線可以看出:①探頭焦距越大，其焦柱長度越大；②焦距與晶片直徑大的聚焦探頭檢測范圍寬，在近表面處聲壓低，但在工件內部聲壓穩定，可以用于檢測芯部缺陷；③小直徑短焦距的探頭在近表面處的聲壓盲區小，聲壓強，而在工件內部的聲壓低，可以推測其對近表面缺陷的檢測有利。

根據仿真結果可以看出，為了保證強聲壓和大信噪比，應使用小直徑、短焦距的聚焦探頭檢測皮下縮尾缺陷等近表面缺陷。

3 銅導條機器人自動檢測系統設計及實驗

3.1 機器人超聲檢測工藝方案

3.1.1 檢測系統隨動件選擇

在超聲檢測工藝中，存在兩種主要的檢測方式。一種方式是將超聲探頭固定在運動模塊上，通過特殊夾具操作超聲探頭運動進行超聲檢測。另外一種則是在檢測時利用夾具控制工件運動，在固定的超聲探頭下進行超聲檢測。由于擠壓銅導條具有尺寸小、幾何形狀規則、生產品種多樣、數量多的特點，使用工件隨動的檢測方式能夠在保障檢測精度要求的前提下，快速完成工件的超聲檢測作業。因此采用工件隨動的檢測方式完成檢測系統方案的設計。

3.1.2 超聲檢測耦合方法

在超聲檢測技術中常用的耦合方法主要有直接接觸法和液浸法。直接接觸法的優點在于檢測圖形簡單，對缺陷的靈敏度高，但是要求被檢測面的粗糙度小。液浸法的優勢在于波形穩定，便于在自動化檢測中使用。在擠壓銅導條大批量檢測中，由于需要搭建機器人自動檢測系統，再加上需要使用水浸聚焦探頭對近表面進行檢測，故選擇液浸法，以水作為耦合劑。

3.2 機器人自動檢測系統設計

3.2.1 檢測系統模塊設計

機器人自動檢測系統主要分為運動控制和超聲檢測兩部分。其中運動控制又可分為機器人控制模塊與傳送帶控制模塊，超聲檢測可分為超聲檢測硬件模塊與超聲檢測軟件模塊。系統中各模塊關系如圖8所示。

圖8 超聲檢測系統模塊設計

傳送帶控制模塊和機器人控制模塊主要負責對機器人和傳送帶的運動進行控制，實現被檢測工件的運動；超聲檢測硬件模塊負責超聲信號的發射和采集工作，并將采集后的信號傳輸給超聲檢測軟件模塊；超聲檢測軟件模塊負責超聲信號采集控制和檢測信號的處理和缺陷識別，同時也負責系統總控制功能，可以對其余三項模塊的運行進行控制。

3.2.2 系統工作流程設計

機器人自動超聲檢測系統的工作流程如圖9所示。

圖9 機器人檢測系統工作流程

總控制開始后，由超聲檢測軟件模塊向機器人控制模塊和傳送帶控制模塊發送開始信號，兩功能模塊開始工作。檢測人員在傳送帶的上料區完成被測件的上料。傳送帶將被測件送達機器人取件工位，并將到位信息發送給機器人。機器人控制模塊接收到到位信號后，開始夾取被測件，將其移動到超聲檢測水槽中進行超聲檢測。此期間超聲檢測水槽中的傳感器會檢測被測件是否到達檢測區域并發送信號給超聲檢測軟件，控制超聲信號采集的開始和結束。當機器人完成檢測動作離開檢測區域后，軟件會通過自動識別檢測信號中是否存在缺陷波，并給予機器人產品是否合格的檢測結果，在此之前機器人將于特定位置等待。收到信號后機器人將對被測件進行分揀，并依據軟件信號進入下一次循環或停止檢測。

3.3 銅導條近表面缺陷超聲檢測實驗

為了驗證基于表面聚焦技術的機器人系統在近表面缺陷處理中的可行性，搭建圖10所示的機器人超聲檢測系統。該系統自動化程度高，操作人員只需進行上下料工作，抓取、檢測、分類環節都由機器人完成，可以提高檢測效率和精度。

圖10 機器人超聲檢測系統工作現場

利用系統對擠壓生產的銅導條進行檢測，銅導條尺寸為35 mm×10 mm×200 mm，圖11為在檢測中采集到的超聲A掃信號圖，圖12為無缺陷時的波形圖。根據對比可以發現，圖11在表面回波附近存在明顯的缺陷回波。機器人系統根據信號判斷出該部位近表面存在缺陷，將其分入廢料區。對該銅導條進行破壞性驗證，如圖13所示，可以看出銅導條存在皮下縮尾缺陷。這驗證了該機器人系統在檢測銅導條近表面缺陷時的可靠性。

圖11 缺陷位置的超聲檢測信號波形圖

圖12 無缺陷時的超聲檢測信號波形圖

圖13 銅導條皮下縮尾微缺陷破壞性試驗

4 結論

對于難以檢測的擠壓銅導條的近表面皮下縮尾缺陷，提出了表面聚焦的方法，可以有效提高近表面缺陷回波的幅值和信噪比，提高對近表面缺陷的識別能力。并且設計了機器人自動檢測系統，可以提高檢測的速度和精度。

通過實驗，可以看出采用表面聚焦技術的機器人系統可以識別出常規超聲檢測方法難以檢測出的表面皮下縮尾缺陷，并對銅導條進行分類。該機器人檢測系統能夠提高擠壓銅導條近表面檢測的精度和檢測效率，具有廣闊的應用前景。