擠壓棒材的機器人超聲無損檢測系統

禹 岳，李立鴻，鐘 敏，邊成亮，楊辰龍

(1.浙江大學 機械工程學院，杭州 310027；2.廣東華興換熱設備有限公司，潮州 515000)

擠壓加工技術是金屬材料工業生產、新材料制備及加工的重要方法，具有高效、優質、低能耗等特點。金屬材料經加熱后，通過擠壓可以生產出包括扁材、棒材、管材、線材及異型材等產品，也可以提供小規格的棒材、管材、型材的坯料[1]。

金屬在擠壓加工過程中，擠壓工藝參數的選擇、生產過程控制、原料質量、擠壓模選擇等因素會導致擠壓產品出現各種缺陷。這些缺陷會導致擠壓產品的力學性能降低，疲勞壽命低于合格產品的以及無法裝配等問題，所以工廠需要對擠壓產品進行缺陷檢測。超聲檢測具有操作安全、缺陷定位準確、靈敏度高、成本低等特點，成為擠壓產品缺陷檢測的重要方法之一[2]。

1 擠壓棒材超聲檢測的難點

雖然超聲檢測技術在金屬加工領域已經得到了越來越廣泛的應用，但是檢測過程中仍然有很多難點需要解決，特別是在金屬擠壓制品的實際超聲檢測中，主要存在以下幾個難點[3]:① 擠壓棒材的規格多樣性;② 擠壓棒材缺陷類型的復雜性;③ 擠壓棒材近表面缺陷識別難度較大;④ 生產環節中超聲檢測的檢測效率與精度之間的矛盾;⑤ 手工檢測時對操作人員有較高要求。

1.1 擠壓棒材的規格多樣性分析

隨著金屬擠壓加工技術的發展，其擠壓制品的應用范圍越來越廣，制品本身的形狀尺寸多種多樣。除了常見的圓形截面棒材外，還有矩形截面棒材、變厚度截面棒材和其他形狀的型材。一些常見規格的擠壓棒材外觀如圖1所示。被測件形狀的不規則會對超聲波的傳播造成影響，尤其在對一些變厚度截面制品進行檢測時，若采用超聲脈沖反射法，其底波位置會隨著工件形狀發生變化，對一些依靠底波位置進行識別的缺陷就可能無法檢出。一些厚度差異較大的棒材在被檢測時甚至會出現無底面回波的情況。

圖1 常見規格擠壓棒材外觀

即使在同一個生產車間，根據擠壓生產工藝的特點，會經常變換產品的規格，從而對超聲檢測設備有較強的適用性要求。超聲脈沖檢測法對不同工件有不同的檢測工藝要求，如需要改變延時、采樣長度、增益等參數，甚至需要更換超聲探頭。

1.2 擠壓棒材缺陷類型的復雜性分析

在擠壓制品中存在裂紋、擠壓縮尾、分層、夾雜、晶粒粗大和疏松等缺陷。有些缺陷的產生位置較固定，如裂紋多出現在制品的近表面,中心縮尾多出現在制品的中心部位。擠壓制品外形規格不同，特別是矩形棒材制品中會出現存在于拐角處或側邊的微小缺陷，如分層、夾雜等,這些位置的缺陷因為在工件邊緣,所以較難被識別。矩形截面和圓形截面擠壓棒材中常見的缺陷及位置分布如圖2所示。

圖2 矩形截面和圓形截面擠壓棒材中常見的缺陷及位置分布

針對不同的缺陷類型，超聲檢測方法也不一樣。例如,夾雜缺陷需要依賴缺陷回波進行識別，而分層缺陷則可能需要依賴底波的位置變化來進行識別。

1.3 近表面缺陷識別難度分析

在擠壓棒材的典型缺陷中，皮下縮尾和分層缺陷都有可能出現在制品的近表面區域。在超聲脈沖反射法檢測技術中，由于表面回波存在一定的寬度，所以在被測件近表面區域存在一定的盲區，無法識別其中是否存在缺陷。這就導致了實際生產應用中，操作人員通常選擇從缺陷的遠表面進行檢測，依靠底面回波前移等特征來識別缺陷。

1.4 超聲檢測工藝難點分析

雖然超聲檢測技術在理論上能夠識別很微小的缺陷，但是想要識別這些微小缺陷，就需要對工件進行全面檢測。在相同的儀器設備等檢測條件下，希望被測到的最小缺陷越小，則檢測的總時間就越長。在實際生產中，擠壓制品一般都有著大批量的特性，這就對檢測環節的耗時有了限制。如何在超聲檢測的檢測精度和檢測時間之間取得平衡，或是在一定的檢測精度要求下優化檢測流程(工件運轉方式等)，是實際應用中遇到的難點之一。

1.5 檢測人員技能需求分析

現在，許多擠壓加工制造領域的企業都還在使用一些老式的超聲檢測儀進行擠壓制品的超聲檢測。特別是一些形狀較為復雜、尺寸較大的擠壓棒材，只能依靠人工手持探頭的方式進行檢測。這就對操作人員的檢測水平有較高的要求，使得培養熟練檢測工人的成本較高。超聲檢測作業時需要注意力高度集中，檢測人員長時間工作后容易疲勞，以致于發生漏檢等情況。如何在一些尺寸較小，外觀形狀較為規則的擠壓制品超聲檢測環節，利用計算機技術和工業機器人等自動化技術代替人工進行檢測，降低操作人員的工作強度和門檻，是擠壓棒材超聲檢測需要解決的問題。

2 機器人超聲檢測系統設計

為了提高金屬擠壓件缺陷的檢測規范性和易操作性，筆者設計了一個針對金屬擠壓件的超聲檢測系統。通過使用該系統可以幫助金屬擠壓件的超聲檢測進行較大缺陷的自動識別。系統同樣具備信號的采集保存和數據定量分析功能。

2.1 檢測系統模塊設計

整個超聲檢測系統從功能上可以分為被檢件的運動控制與超聲檢測兩部分。這兩部分同樣還可以進行細分:被檢件運動控制部分可以分為機器人控制模塊與傳送控制模塊;超聲檢測部分可以分為超聲檢測硬件模塊與超聲檢測軟件模塊。超聲檢測系統各模塊之間關系如圖3所示。

圖3 超聲檢測系統各模塊之間的關系

機器人控制模塊與傳送帶控制模塊主要負責對機器人與傳送帶進行控制，實現被測件全流程的運動。機器人模塊采用ABB公司的機器人，由專用控制柜進行驅動與控制[4-5]。傳送帶由伺服電機驅動，通過伺服電機驅動器、阻擋器和接近開關實現對傳送帶的精確控制，實現輸送模塊與機器人控制模塊的有效聯動。

超聲檢測硬件模塊主要由超聲探頭、超聲發射采集卡、檢測水槽和探頭固定裝置等組成。該模塊負責完成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。針對金屬擠壓棒材產品種類多樣化的特點，在超聲檢測探頭固定裝置上加上伺服導軌，實現位置的可調。

超聲檢測軟件模塊有3大功能：系統總控制、超聲信號采集控制和檢測信號處理。系統總控制負責對其余3項模塊的運行停止進行控制；超聲信號采集控制主要負責超聲信號的采集參數設定，包括采樣長度、采樣延時和增益等；檢測信號處理主要采用時域識別的方法，結合部分頻域信息來實現較大缺陷的自動識別[6]。

2.2 系統工作流程設計

整個超聲檢測系統的工作流程如圖4所示。

圖4 超聲檢測系統工作流程圖

總控制開始后，由超聲檢測軟件模塊向機器人控制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信號后，開始夾取被測件，將其運送到超聲檢測水槽中進行超聲檢測。此期間,超聲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與結束。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 試驗方案

為了驗證設計的機器人超聲檢測系統的可行性，筆者搭建了相應的機器人超聲檢測系統，并利用檢測系統對含有缺陷的銅合金擠壓棒材進行超聲檢測，利用時頻分析方法進行缺陷的自動識別。最后將銅合金擠壓棒材進行破壞，并與時頻分析結果進行對比。

設備為上一節所述的擠壓棒材檢測系統，所用超聲探頭為5 MHz頻率的點聚焦水浸探頭。擠壓棒材機器人檢測系統外觀如圖5所示。

圖5 擠壓棒材機器人檢測系統外觀

被檢測對象為一根銅合金矩形截面擠壓棒材(見圖6)。已知在該擠壓棒材中存在種類未知的缺陷。

圖6 存在缺陷的銅合金矩形截面擠壓棒材外觀

為了對銅合金擠壓棒材缺陷進行識別，對其進行了超聲檢測試驗，試驗步驟如下所述。

(1) 在擠壓棒材的兩端劃分4個檢測區域，分別為a，b，c，d。

(2) 使用機器人超聲檢測系統對擠壓棒材的4個區域進行檢測，采集超聲檢測信號并保存。

(3) 使用時頻分析方法對采集到的超聲信號進行缺陷的自動識別，在檢測到缺陷后對擠壓棒材進行破壞性試驗，觀察棒材斷面是否存在缺陷，驗證分析結果的準確性。

試驗中使用機器人超聲檢測系統對擠壓棒材進行輸送，由傳送帶將被測件運送至機器人處，由機器人夾取被測件，放進檢測水槽中進行檢測。被測件運動控制部分外觀如圖7所示。

圖7 被測件運動控制部分外觀

在被測件到達檢測區域后，使用機器人超聲檢測系統對擠壓棒材進行超聲檢測，檢測現場如圖8所示。

圖8 棒材的超聲檢測現場

經過檢測系統的超聲檢測及信號采集，分別獲得了在a,b,c,d 4個區域的超聲檢測信號。各區域的超聲檢測信號如圖9所示。系統的自動識別功能判斷出a，b區域存在缺陷，而c，d區域沒有缺陷。

圖9 各區域的超聲檢測信號

為了驗證遞歸分析結果的準確性，對被測件進行破壞性試驗，觀察其斷面情況。被測件斷面外觀如圖10所示。

圖10 被測件斷面外觀

在圖10 (a)的紅框處，可以看到被破壞過程放大的近表面分層缺陷，其缺陷尺寸很小，寬度約為2 mm，空腔厚度約為0.1 mm；而圖10(b)中則不存在明顯的缺陷。破壞性試驗結果與系統自動識別結果一致，驗證了機器人超聲檢測系統用于金屬擠壓制品超聲檢測的可靠性。

4 結語

針對擠壓棒材的大批量超聲檢測問題，提出了一種擠壓棒材機器人超聲無損檢測系統。該系統從功能上可以分為被測件運動控制與超聲檢測兩部分，可以實現被測件運送與超聲檢測的完全自動化。

通過試驗驗證，可以得知此擠壓棒材機器人超聲無損檢測系統可以準確識別擠壓棒材中的缺陷，且檢測速度快，能進行大批量檢測，可直接用于工業生產中。該系統的研究為擠壓棒材的自動化檢測提供了一種新的解決思路，具有重大的應用前景。