肖广生
广西玉柴机器股份有限公司
广西壮族自治区玉林市537000
摘要：轴承套圈常规无损检测方法主要有磁粉检测、人工视觉检测和机器视觉检测。磁粉检测速度慢，耗费大量人力，容易遗漏；机器视觉主要实现表面检测，不能检测表面微裂纹和近表面裂纹。而且轴承套圈含有通道等曲面，涡流探头很难接近被测表面，精度不如磁粉探伤。近年来的研究表明，漏磁检测易于实现自动化和高灵敏度，可以代替人工磁粉检测方法实现轴承套圈等具有通道曲面零件的探伤。
关键词：滚动轴承；无损检测；漏磁检测；阵列探头；
为满足对轴承套圈更快捷、更全面、更精细的自动化无损检测需求，提出了一种基于交直流复合磁化的漏磁检测方法。通过布置正交的交流、直流磁化器对套圈的检测面进行复合磁化，可以激励出不同方向裂纹的漏磁场，再通过设计的差分电感仿形阵列探头检测复合磁化下漏磁场的法向分量，通过分频处理分别得到周向和轴向的裂纹信号。
一、轴承套圈漏磁检测的特点
轴承套圈分为内圈和外圈，两者结构相似，均为宽度较小的环状结构，由内、外径面和上、下端面共四个面组成。其中，内圈外径面及外圈内径面含有沟道面，沟道面为回转曲面，精密磨削加工带来的裂纹浅且方向不定。漏磁检测在石油领域已经获得广泛应用。在成熟的钢管漏磁检测中，为实现多方向裂纹的全面检测，通常采用2套独立检测设备，轴向磁化检测周向裂纹，周向磁化检测轴向裂纹。GB/T 12606—2016《无缝和焊接(埋弧焊除外)铁磁性钢管纵向和/或横向缺欠的全圆周自动漏磁检测》规定，检测的最小裂纹深度为0．4 mm，用直流磁化、阵列感应线圈扫查即可满足探伤需求。与钢管漏磁检测不同，轴承套圈的产量大，生产节拍快，要求的单只检测时间短。磨削裂纹通常是微米级别，因此检测灵敏度要求很高，至少达到磁粉探伤A型试片的最低检出裂纹深度(0.06mm)。另外，需同时检测多个面和多种走向的裂纹，检测要求更快捷、更全面、更精细。
二、磁化方法与磁化器
“更全面”指要满足各面上不同走向的裂纹检测，当磁化场与裂纹方向垂直时可以激励出最大的漏磁场，因此对于不同走向的裂纹就需要用不同方向的磁化场激励。励磁主要分为直流磁化和交流磁化。直流磁化的穿透深度大，可以检测内部缺陷;而交流磁化因趋肤和涡流效应，只能检测到浅层裂纹。为产生多向的磁化场，采用复合磁化方法。但2个互相垂直的直流磁场合成后是一个恒定方向的斜向磁场，无法达到目的;2个正交的交流磁场合成随时间变化的多向磁场，控制复杂且达不到高速检测要求。为此，提出方向正交的交流磁化器和直流磁化器复合的方法，满足磁场在时间域和空间域上的正交。
三、传感方法和探头
“更精细”的要求从传感方法和传感器设计上解决。与磁粉检测不同，漏磁检测直接用磁传感器测点拾取裂纹漏磁场的信号。为使同一测点对于多向磁化场产生的裂纹漏磁敏感，测量垂直于套圈表面的法向漏磁分量Bz，不仅可以简化探头设计，还可以降低磁化噪声带来的干扰，提高信噪比。常见的磁传感器主要是霍尔元件、感应线圈和磁敏电阻等。霍尔元件和磁敏电阻的检测灵敏度较高，但线性范围小，在强背景磁场下易饱和，而普通的感应线圈灵敏度不高，因此，选取叠层片式铁氧体微型电感构成直线或曲线阵列探头，相比于市面常见的感应线圈，微型电感灵敏度高、体积小、一致性好。
同时，采用差分组合的测量形式，消除检测过程中由于振动或环境电磁干扰等造成的共模噪声。与磁化器一样，探头也需要满足“更全面”的要求。探头分为外探头和内探头，外探头负责沟道面和一个端面，内探头负责内径面和另一个端面(以内圈为例)。每套探头包含32个电感，2个电感差动连接组成一个差动检测通道，输出16个通道信号。2套仿形探头实现对套圈所有面(包括倒角和沟道面)的全方位覆盖，针对不同型号的套圈，可选用尺寸相配套的电感构成阵列探头，以保证无死角的检测效果，检测时，机械手上的支撑轮与套圈内、外径面接触定位，保证仿形探头与套圈沟道之间具有恒定微小的提离值，实现小于0．1 mm的近零提离。对于不同型号的套圈，需要根据外形尺寸设计对应的探头和支撑轮，通过标准接口与机械手固定，满足快速换型的需求。由于是在同一测点同时检测交、直流漏磁信号，需对传感器接收到的信号进行分频处理，分离出交流和直流检测，从而判别不同走向的裂纹。
四、双机械手操作的探伤系统
1.自动探伤系统的动作单个套圈的检测动作流程，从上料、检测到下料口筛选动作全部由机械手在计算机实时控制下完成。
2.实现方法。每次检测开始前或换型后，需用人工缺陷样件进行标定，判别设备是否正常。检测时，套圈在前移的过程中同时自转超过2圈后进入下一步骤，期间无报警该套圈合格;重复出现2次及以上报警则判定套圈为异常。此动作由机械手末端安装的支撑轮和皮带机协作完成:机械手带动支撑轮施加一个垂直于皮带方向的压力，且机械手沿皮带运动方向上前进的速度小于皮带运动的速度，从而使套圈在皮带摩擦力作用下产生自转。支撑轮是该系统的关键零件，分为环内、环外支撑轮，环内支撑轮需要在检测开始时将套圈推上皮带机，环外支撑轮需要在检测后按照结果进行套圈分选，两者结构设计上有一定区别。支撑轮与探头的相对位置在装配时已经固定，因此，支撑轮压紧套圈后，探头与套圈的位置也随之确定，通过这种方式确保探头与套圈的提离值。环内检测探头在完成检测后，支撑轮将带动套圈减速至停止，待环外支撑轮完成对套圈的定位与压紧动作后，环内检测探头及支撑轮离开套圈，由环外检测探头及支撑轮独立带动套圈旋转并进行外径面检测，整个交接过程用时约为1 s。环外支撑轮同时协助实施分选，过程如下:检测完成后，若套圈无缺陷，机械手垂直于皮带轮向上运动离开套圈，套圈随皮带运动做平抛运动到达下料道;若检测中有缺陷，机械手带动支撑轮继续贴在套圈外表面并引导其做减速运动直到圆弧处，套圈在到达皮带末端时水平速度较低，不足以到达下料道，从而落入废料框中。在此，最关注的是机械手的重复定位精度。若机械手重复定位精度不高，则环内、环外检测机械手均无法实现支撑轮对套圈的定位和后续的推动动作，导致检测精度不高或因定位精度不准而无法完成检测。本系统采用的机械手由4个双环反馈控制的伺服电动机系统构成，包含1个滚珠丝杠机构，2个转轴和1个末端转轴，可以实现竖直方向上的平动，平面上2个自由度的平动以及水平面上探头角度的调整。机械手通过路由器与电脑连接，采用实时通信反馈机械手坐标信息及传输动作指令。各转轴重复精度均为±0.01°，在600 r/min转速下机械手运动稳定。机器人采用笛卡尔空间轨迹规划法，可直观的根据套圈和系统各零件的尺寸定义始末坐标点以实现单段运动轨迹，组合多个单段运动轨迹以合成探头所需的检测轨迹。机械手在入料道将套圈提至皮带上以及在出料道前分离不合格套圈时，其运动轨迹为圆弧。圆弧轨迹由抛物线过渡的直线逼近法生成，该方法在保证运动平稳性的同时，具有对计算量要求小，运算速度快的优势。
总之，提出了一种轴向直流、周向交流磁化的轴承套圈正交磁化漏磁检测方法，可在单个测点同时完成多方向裂纹漏磁信号的拾取。选取微小尺寸的叠层片式铁氧体电感元件设计仿形阵列探头，解决了曲面探头的制作难题，确保了多测点灵敏度的一致性。
参考文献：
［1］邹红．基于图像处理的大型轴承套圈缺陷检测研究．2019．
［2］葛伟强．关于双机械手操作的轴承阵列漏磁检测方法研究.2020.