張榮繁，倪培君，李紅偉，李雄兵，左 欣，付 康

(1.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院， 浙江 寧波 315103; 2.中南大學(xué)CAD/CAM研究所， 長沙 410075)

1 引言

鎂合金材料具有密度小、尺寸穩(wěn)定高、阻尼減震性能好、機(jī)械加工方便等優(yōu)良力學(xué)性能，相比傳統(tǒng)鋼質(zhì)或鋁合金具有明顯的減重優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化的重要技術(shù)途徑。目前，變形鎂合金在航空、航天、軍工及汽車制造領(lǐng)域均已取得了廣泛應(yīng)用。而復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件受原材料，以及制造過程中擠壓、鍛造等工藝的影響，構(gòu)件內(nèi)部容易出現(xiàn)小當(dāng)量的缺陷，如夾雜、細(xì)小裂紋和高密度偏析。如不能及時有效檢出工件中的缺陷，將嚴(yán)重影響武器裝備的整體性能和服役安全。

現(xiàn)階段針對復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件內(nèi)部缺陷無損檢測的方法中，超聲波檢測則由于其適應(yīng)性強(qiáng)、檢測成本低，可作為有效檢測手段。而目前大多采用龍門架式多軸超聲檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)規(guī)則回轉(zhuǎn)體的自動檢測，但難以實(shí)現(xiàn)鎂合金殼體構(gòu)件這種變曲率、變厚度組合回轉(zhuǎn)體的全覆蓋式掃查，且存在效率低、曲面跟蹤精度差等問題；另外，回轉(zhuǎn)類工件螺旋C掃描檢測過程中，受檢測機(jī)制影響，內(nèi)部缺陷定位時除了深度信息外，三維坐標(biāo)定位以及對于缺陷在實(shí)際被檢工件上的標(biāo)定也成為一大難題。因此，針對當(dāng)前檢測現(xiàn)狀，本文提出了一種基于6自由度工業(yè)機(jī)器人的螺旋C掃描檢測方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面構(gòu)件全覆蓋掃描成像檢測，并能對內(nèi)部缺陷的進(jìn)行精確定量與定位分析，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 鎂合金構(gòu)件自動檢測方案

2.1 檢測系統(tǒng)設(shè)計

復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件檢測系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)原理示意圖分別見圖1、圖2，系統(tǒng)由超聲波探頭、史陶比爾6自由度關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人TX60L、轉(zhuǎn)盤、自定心夾緊裝置、基座、水槽、水循環(huán)系統(tǒng)、JSR脈沖發(fā)射接收器DPR300、Spectrum高速數(shù)據(jù)采集卡M4i.4420、研華工控機(jī)及配套線纜組成。其中，工業(yè)機(jī)器人用于夾持探頭完成掃查路徑；轉(zhuǎn)盤軸用于帶動被檢工件高速旋轉(zhuǎn)，其伺服電機(jī)由PCI總線運(yùn)動控制卡獨(dú)立控制，并實(shí)時反饋位置信號。

2.2 掃描成像方法

為實(shí)現(xiàn)鎂合金構(gòu)件全覆蓋式螺旋C掃描成像，構(gòu)件由內(nèi)撐式三爪卡盤夾緊，并在轉(zhuǎn)盤帶動下按規(guī)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；同時，6自由度工業(yè)機(jī)器人帶動超聲波探頭，沿構(gòu)件輪廓母線勻速運(yùn)動，檢測過程中超聲波聲束始終與構(gòu)件表面垂直。并利用被檢工件CAD模型實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃，從而大大簡化機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，如圖3所示。掃描過程中，通過轉(zhuǎn)盤軸編碼器信號實(shí)現(xiàn)超聲波信號同步外觸發(fā)采集，以保證超聲波信號與被檢工件空間位置的精確對應(yīng)，避免C掃描圖像出現(xiàn)錯位、鋸齒等問題。

圖1 復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件超聲檢測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Ultrasonic testing system for magnesium alloy components with complex profile

圖2 超聲自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.2 Structural diagram of automatic ultrasonic testing system

圖3 鎂合金構(gòu)件螺旋C掃描示意圖Fig.3 Spiral C-scan diagram of magnesium alloy components

為簡化鎂合金構(gòu)件C掃描的成像模型，在對其像素點(diǎn)進(jìn)行劃分時，按照構(gòu)件的實(shí)際尺寸將成像模型劃分為×個四邊形面片，每個四邊形面片對應(yīng)一個檢測采樣點(diǎn)，各母線段掃描過程中單行均采集個原始超聲回波信號。為簡化計算，由復(fù)雜型面構(gòu)件最大直徑和掃描步距決定：

(1)

掃描開始時，工業(yè)機(jī)器人從母線起點(diǎn)處開始運(yùn)動，轉(zhuǎn)盤從零位轉(zhuǎn)動。掃描過程中按照設(shè)置的掃描步距與觸發(fā)脈沖參數(shù)進(jìn)行到位采集，并實(shí)時更新機(jī)器人空間位置。相鄰母線段的轉(zhuǎn)角處，機(jī)器人從當(dāng)前母線段終點(diǎn)調(diào)整到下一母線段的起始點(diǎn)位姿，過程中轉(zhuǎn)盤依然保持勻速空轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器人到位后發(fā)送消息，則從當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)盤的角度位置處開始重新采集超聲信號，并重新成像，避免相鄰2個母線段圖像產(chǎn)生錯位，最終完成整個回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的掃描成像。

2.3 動閘門、多閘門設(shè)置

超聲波螺旋C掃描過程中，復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件往往存在一定的裝夾誤差，以及被檢件的加工誤差，導(dǎo)致構(gòu)件高速旋轉(zhuǎn)過程中表面回波、底波存在一定抖動現(xiàn)象。普通單閘門掃描成像時，轉(zhuǎn)動過程中表面回波或底波嚴(yán)重抖動往往導(dǎo)致缺陷的誤判；另外，復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件作為組合回轉(zhuǎn)體，存在多個母線段，且具有變曲率、變壁厚等特點(diǎn)。各母線段的壁厚均不相同，甚至部分壁厚存在一定坡度，導(dǎo)致底波也會隨掃查高度而改變位置。

為此，采用動閘門與多閘門的形式解決該問題。具體為：設(shè)置3個閘門，界面波閘門和底波閘門分別實(shí)現(xiàn)表面回波與底波的跟蹤識別；缺陷波閘門根據(jù)所處位置的壁厚進(jìn)行設(shè)置，從而確定該閘門的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。掃描過程中自動識別表面與底面回波信號，用于成像的缺陷波閘門自動跟隨表面、底面回波時域位置進(jìn)行跳動。另外，各母線段還需設(shè)置多段不同的閘門參數(shù)。如圖4(a)、圖4(b)所示，即為針對圖3所示鎂合金構(gòu)件第1、第2母線段分別所設(shè)置的動閘門參數(shù)。而為了保證大批量檢測效率，鎂合金構(gòu)件進(jìn)行全覆蓋式掃描時自動選取適宜的閘門，相鄰母線段之間當(dāng)探頭位姿調(diào)整完畢后自動跳入下一組閘門參數(shù)。同一類型被檢件的多段動閘門參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行存儲，批量檢測時可大大提高檢測效率。

3 超聲測量模型

超聲波檢測小缺陷定量分析時，可采用計算法、試塊當(dāng)量對比法。而計算法只能針對聲程大于3(為探頭近場長度)的缺陷才能夠計算當(dāng)量大小，局限性較大；試塊當(dāng)量對比法前期需要加工足夠的標(biāo)準(zhǔn)試塊，尤其復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件檢測時需要大量不同曲率半徑的試塊，成本花費(fèi)高。本文中，結(jié)合對鎂合金構(gòu)件平面類型、曲面類型超聲波入射模式時的多元高斯聲場模型、超聲檢測系統(tǒng)影響因子以及基于基爾霍夫近似的超聲散射模型，從而建立精確的超聲測量模型，通過獲取的系統(tǒng)函數(shù)以及被檢工件材料、尺寸等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部缺陷的超聲回波信號預(yù)測，生成平面工件和不同曲率半徑(30～100 mm)鎂合金構(gòu)件中直徑為φ0.5 mm～φ2.5 mm，深度為0～50 mm平底孔的DAS曲線簇，基于定量曲線以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件內(nèi)部缺陷的精確定量分析。

圖4 多閘門與動閘門設(shè)置示意圖Fig.4 Schematic diagram of multi gate and movable gate setting

3.1 理論模型

超聲波系統(tǒng)通常由以下幾個部分構(gòu)成：輸入系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。輸入電壓在超聲換能器中轉(zhuǎn)換成超聲波信號，進(jìn)行發(fā)射和接收之后，再由接收器將超聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過變換成為數(shù)字信號以便于用后續(xù)處理。其中，內(nèi)部缺陷的輸出電壓響應(yīng)()可以使用給定的物理參數(shù)來表示。輸入電壓()，脈沖發(fā)生器和電纜的響應(yīng)()，電子信號通過發(fā)射器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動的過程()，傳播到缺陷的波束()，材料衰減()，缺陷的衍射效應(yīng)()，聲波從水到工件的傳播過程()，缺陷的散射()，從試塊到水的傳播過程()，缺陷波被換能器接收的衍射效應(yīng)()，電信號經(jīng)由接收換能器的轉(zhuǎn)換過程()，以及接收器和電纜的修正()。當(dāng)超聲波測量系統(tǒng)被認(rèn)為是線性時不變系統(tǒng)時，輸出電壓響應(yīng)為：

(2)

但通過對物理過程建模來精確獲得這些參數(shù)比較困難，特別是對于與脈沖發(fā)生器接收器和電纜相關(guān)的參數(shù)。因此通過將一些相關(guān)物理量簡化為簡單且易于獲得的參數(shù)，即將相關(guān)的參數(shù)整和到一個單一的參數(shù)，式(2)可以改寫為：

()=()()

(3)

其中

()=()()()()()

(4)

()=()()()()()()()

(5)

()代表系統(tǒng)影響因子，即系統(tǒng)函數(shù)，由檢測系統(tǒng)的信號輸入、信號放大、信號轉(zhuǎn)換等部分構(gòu)成。()代表聲彈性傳遞函數(shù)，表示介質(zhì)和界面以及檢測缺陷之間的轉(zhuǎn)換元素。式(3)表明整個測量模型由兩個部分組成：一個是系統(tǒng)影響因子，只考慮測量系統(tǒng)中的所有電氣和機(jī)電部件；另一部分是聲彈性傳遞函數(shù)，描述了超聲波的傳播和反射，以及缺陷散射和接收過程。聲彈性傳遞函數(shù)又與超聲在介質(zhì)中的聲場以及缺陷散射有關(guān)。

3.2 系統(tǒng)函數(shù)測定

系統(tǒng)影響因子是由檢測系統(tǒng)中的許多因素構(gòu)成的復(fù)雜函數(shù)，所以求出系統(tǒng)影響因子最好的辦法不是將每個因素精確測量，這樣很難保證測量精度和準(zhǔn)確性，而是將其作為一個整體，用一個理想狀況的系統(tǒng)設(shè)置間接求出。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)函數(shù)通常通過在平面反射體的垂直入射脈沖回波實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行校準(zhǔn)測量來獲得。式(6)表明可以通過反卷積獲得系統(tǒng)函數(shù)，即

(6)

其中：_ref()代表校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到的平面反射體回波；_ref代表聲彈性函數(shù)。

3.3 平面工件的超聲測量模型

多元高斯模型對于超聲聲場的建模中的最大優(yōu)點(diǎn)在于該方法計算效率高，而且利用聲束疊加，可以模擬出平面波球面波。利用近軸近似可以得到單高斯聲束的表達(dá)式改寫為：

(7)

對于平面超聲換能器，將它考慮成活塞聲源，用高斯系數(shù)的疊加來得到聲束的近似結(jié)果，由聲場計算的格林函數(shù)，通過近軸近似的方法，從而可以推導(dǎo)出空間內(nèi)任一點(diǎn)的聲振動速度和聲壓幅值：

(8)

(9)

當(dāng)預(yù)測缺陷回波時，需要同時得到缺陷的散射聲場。對于超聲檢測的內(nèi)部缺陷，可以通過建立對應(yīng)當(dāng)量尺寸的缺陷散射模型確定其散射幅值，進(jìn)而確定含有缺陷輻射聲場中的聲壓值。具體地，當(dāng)超聲波輻射到標(biāo)準(zhǔn)平底孔缺陷時，可以使用基爾霍夫近似來寫入缺陷散射，其中缺陷半徑為。結(jié)合缺陷散射和波束，可以獲得平底孔的聲彈性傳遞函數(shù)：

(10)

當(dāng)聲束入射面為平面并且表面光潔時，結(jié)合式(3)和式(10)可以得到理想試樣的超聲測量模型為：

(11)

其中()為系統(tǒng)影響因子，常數(shù)項(xiàng)為系統(tǒng)和試塊的參數(shù)，積分項(xiàng)為所求的測試點(diǎn)聲壓平方對超聲換能器的表面積分。結(jié)果為頻域范圍內(nèi)的預(yù)測波形，經(jīng)過快速傅里葉變換可以轉(zhuǎn)化為可以具有識別度的數(shù)據(jù)信號，即成為時域范圍內(nèi)的預(yù)測波形。

3.4 曲面工件的超聲測量模型

基于多元高斯聲束模型的聲場建模中，引入帶曲率的高斯參數(shù)復(fù)值矩陣(即矩陣)，從而擬合較為準(zhǔn)確的聲場模型。式(12)為擬合超聲聲壓的多元高斯聲束模型，

(12)

各層介質(zhì)的初始矩陣的表達(dá)式可以表示為：

(13)

對于不同介質(zhì)的界面發(fā)生透射時，考慮入射角和相位角，由此得到的透射到第二層介質(zhì)的透射矩陣：

(14)

考慮到曲面界面的存在，需要添加另外的曲面散射聲場矩陣。在矩陣式的內(nèi)部，加入了曲率矩陣于式(14)，、、、分別表示所求點(diǎn)所在表面的法向主曲率。本文研究的曲面都是可展面，以柱面的應(yīng)用最為廣泛，其曲率矩陣元素可以表示為：=1，=∞，==0。通過改進(jìn)聲束散射模型，可完成曲面界面的超聲測量模型修正。

以外徑為146 mm鎂合金圓筒試塊中埋深10 mm、直徑2 mm的平底孔人工缺陷為例，采用10 MHz、φ6.35 mm的水浸直探頭，水聲程50 mm，采集到最大缺陷回波和利用測量模型得到的預(yù)測缺陷回波信號如圖5所示，最大回波的幅值相差不超過5%。

圖5 曲面試樣內(nèi)部缺陷的實(shí)測和預(yù)測回波信號曲線Fig.5 Actual and predicted echo signals of internal defects in curved specimens

4 內(nèi)部缺陷定量分析

基于超聲測量模型的復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件內(nèi)部缺陷定量分析，包括以下步驟：首先預(yù)測缺陷回波信號，獲取DGS定量曲線簇。根據(jù)被檢件的實(shí)際尺寸規(guī)格，針對鎂合金構(gòu)件中平面工件、曲面工件(曲率半徑分別為30 mm、31 mm、32 mm、…、100 mm)等不同入射面，獲取直徑分別為φ0.5 mm、φ0.6 mm、φ0.7 mm、…、φ2.5 mm，埋深分別為1 mm、2 mm、3 mm、…、60 mm的90 720個標(biāo)準(zhǔn)平底孔反射體回波信號。接著提取其回波幅值，繪制相應(yīng)的距離-波幅-當(dāng)量曲線，共計72幅DGS曲線。如圖6所示，為平面鎂合金工件所對應(yīng)的DGS定量預(yù)測曲線。其中，△為實(shí)際對比試塊中，缺陷埋深分別為5 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，直徑分別為φ0.8 mm、φ1.2 mm、φ2.0 mm平底孔人工缺陷的實(shí)測最大波幅。經(jīng)驗(yàn)證，預(yù)測DGS曲線與實(shí)際對比試塊中平底孔缺陷的波幅吻合較好，為后續(xù)缺陷精確定量提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 平面入射時鎂合金DGS定量預(yù)測曲線Fig.6 DGS quantitative curve of plane magnesium alloy

接著，在完成被檢工件的C掃描成像后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。識別缺陷區(qū)域中最大缺陷波幅，獲取該采樣點(diǎn)位置信息，調(diào)取該點(diǎn)原始A波，以及該母線段設(shè)置的界面波、底波、缺陷波閘門參數(shù)。最終，得到缺陷埋深、最大幅值，以及缺陷所處位置的曲率半徑。最后，調(diào)取上述步驟中曲率半徑所對應(yīng)的預(yù)測DGS曲線，通過對比埋深處缺陷波幅所對應(yīng)的當(dāng)量曲線，從而確定該缺陷的當(dāng)量大小，如圖7所示。

圖7 內(nèi)部缺陷定量分析原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of quantitative analysis of internal defects

以某試塊為例進(jìn)行全覆蓋C掃描檢測實(shí)驗(yàn)，該試塊內(nèi)部分別加工有埋深為5 mm、10 mm、20 mm，直徑為φ0.8mm、φ1.2mm、φ2.0 mm的9個人工平底孔缺陷，如圖8所示。超聲C掃描檢測實(shí)驗(yàn)時，采用頻率為10 MHz、晶片直徑為φ6.35 mm的奧林巴斯水浸直探頭，水聲程設(shè)置為50 mm，掃描步距為0.4 mm，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60 r/min，機(jī)器人末端移動速度20 mm/s，脈沖發(fā)射接收器增益為30 dB，脈沖幅度475 V，高低通濾波頻率分別為1.0 MHz和15 MHz，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為300 MHz，采樣延遲依據(jù)水聲程設(shè)置為60 μs，采樣長度依據(jù)工件最大厚度設(shè)置。

圖8 試塊圖Fig.8 Design drawing of specimen

最終得到掃描圖像如圖9(a)所示，9個人工缺陷均有效檢出且能直觀顯示。以埋深5 mm、孔徑φ1.2 mm平底孔為例，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可知該缺陷埋深為5.18 mm，缺陷波最大幅值2.06 V，缺陷所處入射面為平面，則依據(jù)預(yù)測DGS曲線可直接確定缺陷大小為φ1.3 mm當(dāng)量，如圖9(b)檢測軟件所示。表1所示，對所有人工缺陷進(jìn)行定量分析處理，結(jié)果表明采用本文方法時9個人工平底孔缺陷定量誤差均小于0.3 mm當(dāng)量直徑；而采用傳統(tǒng)計算DGS法時普遍誤差較大，尤其對于3倍近場區(qū)內(nèi)的缺陷，其定量分析最大誤差達(dá)0.68 mm當(dāng)量直徑。

圖9 某型號對比試塊C掃描圖像及定量結(jié)果示意圖Fig.9 C-scan image and quantitative results of a certain type of reference specimen

表1 人工缺陷定量分析結(jié)果Table 1 Quantitative analysis results of artificial defects

5 內(nèi)部缺陷定位分析

常規(guī)龍門架式超聲波C掃描檢測系統(tǒng)可針對平面工件進(jìn)行掃查成像，且可依據(jù)工件自身邊界對工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行二維定位及埋深定位。而基于機(jī)械手、轉(zhuǎn)盤的螺旋三維C掃描檢測系統(tǒng)中，工件在裝夾過程中其標(biāo)記零位難以與掃查系統(tǒng)絕對零位精確對齊，如圖10所示。因此，受檢測機(jī)制的影響，三維C掃描圖像中缺陷除了埋深、高度位置之外，角度位置難以與缺陷在工件中的實(shí)際位置精確對應(yīng)，從而給缺陷定位帶來了難題，使檢出的缺陷難以在被檢工件上精確標(biāo)定。

圖10 掃查零位示意圖Fig.10 Schematic diagram of scanning zero position

本文采用標(biāo)記線識別的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的定位，具體做法如下：首先使用聲能增透膜對復(fù)雜型面構(gòu)件沿任意一條軸線進(jìn)行標(biāo)記，并以既定的檢測工藝對工件進(jìn)行C掃描成像檢測；檢測完成后得到C掃描圖像，從該圖像可直接獲得缺陷在三維成像模型中高度位置、埋深信息；接著以二次界面波或底波進(jìn)行二次成像，由于增透薄膜材料可使超聲波透射率增大，反射率降低，且標(biāo)記線位置的底波可有效提高2～5 dB，而二次界面波相應(yīng)降低。以二次界面波或底波成像時標(biāo)記線位置可清晰識別，且不造成標(biāo)記線位置處的檢測靈敏度降低，從而在二次成像模型中可有效識別標(biāo)記線，獲得標(biāo)記線在成像模型中的精確位置；最后，計算缺陷與標(biāo)記線相對位置，最終得到缺陷在實(shí)際工件中的精確位置。

圖11(a)所示為鎂合金圓筒對比試塊表面采用增透膜二次界面波成像的識別效果圖；圖11(b)所示，為閘門位于一次底波得到的圖像，可直接得到鎂合金圓筒對比試塊中直徑為φ2.0 mm、埋深為5 mm的平底孔缺陷投影在C掃描三維成像模型中的空間坐標(biāo)位置為(=75.1 mm，=48.3 mm，=20.2 mm)，其中z坐標(biāo)即為缺陷距離工件底部的高度。另外，缺陷與右側(cè)標(biāo)記線的弧長距離可確定缺陷在圓周方向的位置，缺陷埋深即為缺陷深度，以此最終確定內(nèi)部缺陷在被檢工件中的實(shí)際位置。表2所示為該缺陷的定位分析結(jié)果，其誤差均小于0.5 mm。

圖11 標(biāo)記線識別及缺陷定位示意圖Fig.11 Schematic diagram of mark line identification and defect location

表2 缺陷定位結(jié)果Table 2 Defect location analysis results

6 結(jié)論

1) 針對復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件的規(guī)格多樣、變曲率、變壁厚等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其檢測難度，提出了一種基于工業(yè)機(jī)器人的超聲波自動檢測系統(tǒng)，可解決構(gòu)件全覆蓋、螺旋式高速C掃描成像檢測；

2) 基于超聲測量模型獲取鎂合金構(gòu)件不同曲率入射時的DGS曲線簇，可應(yīng)用于鎂合金殼體構(gòu)件內(nèi)部缺陷的精確定量分析，定量誤差小于0.3 mm當(dāng)量直徑；

3) 本文提出的被檢件表面標(biāo)記線識別法可有效解決螺旋三維C掃描檢測中內(nèi)部缺陷的定位難題，實(shí)現(xiàn)缺陷在實(shí)際工件中精確標(biāo)記定位，定位誤差小于0.5 mm。