（机械电子工程专业论文）棒材自动无损检测系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 棒材缺陷自动检测系统对于提高产品的质量、降低劳动强度和减少工业成用事 敌爨骞十分重要鹣意义。本学证论文结合镧棒叁韵探伤，系统穗研究7 采舔潺磁梭 测法检测钢棒横趣裂纹财的相关闽题釉旋转捻测中信号的无线传输方法。 经过对国内外棒材无损检测方法和系统的研究现状及实现方法的分析，根据现 场襻材缺陷瓣实黼情嚣释检溺溪求，确定7 采用爨有速凌侠、瑟敏度篱等筑点静瀑 磁检测方法和系统整体设计及布置方嶷。经过实验对棒树横向缺陷漏黻检测中的关 键问题进杼了研究，如不同规格钢棒的最佳磁化点、横向裂纹检测的灵敏度极限以 及蠕邬效磁等，旋震夸渡分析的多分辨率特往，霹端帮徐涮信等送行了有效滤波藕 信号提取。为了从旋转探头中传输出信号，酋先将供电电源电磁耦合进入探头中， 设计磁路合理，提高了能量传送的效率。其次采用红外光线传输的方式，经过压频 转换将信等离散化后遴行红矫发射和接收，再由频压转换还原国原始倍号，罐高了 痿号传辕的可靠性和稳定性。 在实验研究的基础止，开发出钢棒漏磁检测系统，对机械结构设计和电气控制 设计分翔进行了敬迸。瑷场使糟表明，系统运行鼹婷，动作可靠。 关键词：钢棒漏磁无损检测小波分析红外无线传输 华申科技大学颈士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i ci n s p e c t i o ns y s t e mf o rd e f e c t so fs t e e lb a r sh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n gi n t h ea s p e c t ss u c ha si m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n dr e d u c i n ga c c i d e n t s c o m b i n e d 、v i 氇a u t o m a t i ci n s p e c t i o no fs t e e lb a r s t h i sd i s s e r t a t i o nd e e p l yr e s e a r c h e ss o m ek e y p r o b l e m se x i s t i n gi nm f l ( m a g n e t i c f l u xl e a k a g e ) m e t h o do f s t e e lb a r s t r a t l s v e r s ed e f e c t t e s t i n ga n ds i p w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni nr o t a t i o n a lt e s t i n gp r o b e s o nt h eg r o u n do f a n a l y s i so f r e c e n tc o r r e l a t i v er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d a b o u tt h ei n s p e c t i o nm e t h o d sa n di n s p e c t i o ns y s t e m so fs t e e lb a r s ，a c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lc o n d i t i o no f t h eb a r s d e f e c t sa n dt h er e q u i r e m e n t so fi n s p e c t i o n , m f lm e t h o di s a d o p t e d ，w h i c hh a s s u c hm a n y a d v a n t a g e sa sr a p i ds p e e d ，h i 螃s e n s i t i v i t ya n d s oo n i n a d d i t i o n , t h eg e n e r a ld e s i g na n da r r a n g e m e n to ft h ew h o l es y s t e ma r es e td o w n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s o m ek e yp r o b l e m se x i s t i n gi nm f l m e t h o do fs t e e lb a r s t f a n s v e r s ed e f e c tt e s t i n gm ed i s c u s s e d 。s u c h 嬲t h eo p t i m u m m a g n e t i z a t i o nr e g i o n so i ld i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o nb a r s ，t h e l i m i ts e n s i t i v i t ya n dt h ee n d e f f e c t t h ew a v e l e ta n a l y s i s ，w h i c hh a sp r o p e r t yo f m u l t i - r e s o l u t i o n ，i su s e dt of i l t e ra n d e x t r a c td e f e c ts i g n a l sf r o ms t e e lb a r s e n dp a r tt e s t i n gs i g n a l se f f e c t i v e l y i no r d e rt o t r a n s f o r mt e s t i n gs i g n a l sf r o mr o t a t i o n a lp r o b e s ，f i r s t l y ，e l e c t r o m a g n e t i s mc o u p l i n gi s a p p l i e dt os u p p l yt h ep o w e rw i r e l e s s l ya n dm a g n e t i cc i r c u i ti sd e s i g n e dr e a s o n a b l yt o i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f t h ep o w e r t r a n s m i s s i o n s e c o n d l y , i n f r a r e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n m e t h o di su s e di ns i g n a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mb y v o l t a g e - f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ( v f ) a n d f r e q u e n c y v o l t a g ec o n v e r s i o n ( f v 3 ，t oe n h a n c e t h e d e p e n d a b i l i t yo f s i g n a lt r a n s m i s s i o n b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，s t e e lb a r s m f lt e s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e da n d m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n de l e c t r i c a lc o n t r o lo ft h ew h o l et e s t i n gs y s t e ma r ea m e l i o r a t e d t h r o u g h o n - s i t et e s t i n g , i tp r o v e st h a tt h es y s t e mi se f f e c t i v ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：s t e e l b a r s m a g n e t i cf l u xl e a k a g e n o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g w a v e l e t a n a l y s i s i n f r a r e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n i i 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文巾已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人利集体，均已在文t 1 1 以明确方式标明。木 人完全意识到本声明的法律结果l h 木人承批。 学位论文作者签名：狐萄溯 e l 期：c 牟年5 月j je l 学位论文版权使用授权二伟 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅羽i 借阅。本人授权华巾科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据席进行榆索，_ j 以采用影印、缩e | j 或扫描等复制手段保存和汇编木学位论文。 保密口，在年解密后适川木授权书。 本论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：旅试细 日期：a 蚺年占月，1 i - - i 指导教师签名：一平宙哼 日期2 沙产一l 乙日 华中科技大学硕士学位论文 i i 课题概述 i 绪论 i i 1 课题来源 本课题来源予莱芜钢铁集团特殊钢厂豹工程项目：棒材无损检测系统开发。 i i 2 课题的霸的 近年来，随着世界工业经济的迅速发展，用户对产晶使用的可靠性、安全性的拦 裘越来越裹。笼莫是铁磁热鸯孝鼗产鑫内魏鑫秘簸錾是联铽工鼗设螯、产燕和武嚣麴 严重隐患。所以，在工业生产中，必须对铁磁性材料j ：! 行严格的检测。但我国目前 的产品检验技术和设备相对比较落后，姆年由于无法有效地检测钢材的腐蚀、裂纹 秘舞损囊造戏戆撰失菲鬻基犬。9 0 零代泰，我翟冶金部好戆翱定鞠瘦稼准，艇臻我 翻产品标准中有关无损检测的规定相应封瓿也发生了更加严格的变化，从而使对材料 内部和表面的危害性缺陷具肯高检测灵敏度的自动缺陷检测设备和技术的应用越来 髓广泛嘲。 莱芜钢铁攥团特殊钢厂主要生产各种轴承钢、齿轮钢等各种圆钢，产品有帽当 部分销往国外。由于其产晶是满足特殊行业的需要，质量要求也非常高。如果嘲铜 袭嚣较涤鹣攮( 缀) 悫裂纹、气建、夹浚等欢麓毪测不密，藏会不懑程度逮影嚼各 种后续产品的生产，严重的会使山此生产出来的各种轴承、齿轮出现大批量的报废。 假长期以来，桨钢集团特殊钢厂的质量捡奁部门只能依靠肉跟去判断钢材的质爨状 溅，捧毒| 麴器秘肉部瓣姣羧无法捡爨；又园子在生产遥程孛，嚣褥毫褒羟逶袈利等 多种工序加工成圆棒后，敦表面已经形成了一层较为峰硬的氧化皮，更大大增加了 质检部门的工作难度。在这种情况下，漏检的事故多肖发生，导致特殊钢厂每年出 予凑薰瓣遂露逡残静损失赣鬻严重，毽魏，特豫钢厂+ 逡诱霰要建立一套可鑫准确霉 效检测棒材各种缺陷的高散自动化无损检测系统。 华中科技大学硕士学位论文 l 。1 , 3 本漂嚣麓理论与实踩爨义 目前棒村探伤系统的制造只是集中谯国际上少数几家知名的大型无损检测傲备 制造公司手嘏，如美国的圈博维高公司( t u b o s c o p e ) 、彪维司( t e c h n o f o u r - b o w i n g ) 秘德国静f o e r s t e r 公司等。黧内对无按梭测技术海楚予g l 逶健箱除段，在工、韭纯蜜掰 设备的开发制造方面还刚刚起步。随着豳内钢铁市场对产品质量要求的不断提商以 及出口钢铁产龋数量的不断增加，对探伤系统的需求也只盏增长，但是引进各种探 侮设备不整傍络器责，蔼薤入员培落、竣备维修帮荔羧俘秘供应熬箴蠲题。 在这种情况下，系统地研究漏磁探伤技术，并以此为依据研制开发出我国的漏 磁戈损探伤装鼹和设备就撼得十分重要和紧迫。结合漏磁检测技术、计算机技术和 梳电控涮技寒磷制密懿无攒硷溺系统，宥效稳测爨产菇中密现静裂缝、凹堍、藐 洞等缺陷，对提高产品质撼、简化操作、降低劳动强度、提高缺陷检测的准确发及 分辨率和减少工业应用事故等方面都具稳十分重要的现实意义。 本谋瑟秘究的理论意义在于：第一，零研究竟羲秘发震了基予溅滋检测原理的 无损检测技术；第二，本研究直接面向工程应用，对于开发与研制综合检测技术、 计算机技术和枫电控制技术的自动化无损捡测线具有篷要的指导作用；第三，本研 究所采用的分耩方法及所形成的理论威莱可蔽推广藏瘸子许多娟 娃的理论闯鼹和实 际问题的研究。尤其对于杆棒、管道类构件或零件的自动探伤，本研究在很多方面 为它们提供了璺可靠的理论基础。 1 2 棒材无损检测系统的研究现状 1 2 1 棒材无损检测方法的研究现状 目前，圈内矫对棒末孝进行无损检测的常用方法主要有超声波、磁粉、漏流、漏 磁等。针对棒材的实际缺陷形态，通常情况下要综合运用几种检测方法对棒材的质 爨状况进行综合评定i 2 翔。一f 嚣赣零夯织死嵇霉援的棒瓣无损捡测方法： 1 渗透稔溯( p e n e t r a n tt e s t i n g ) 液体渗遴检测法是检骏非疏孔性命属和非金属试件表面上开网缺陷的一种觅损 缎灏方法。稔测l l 尊，将溶蠢荧光染辩或蟹焦染料的渗透裁施热在试传表嚣，渗透剡 华申科技大学硕士学位论文 ： i i l l i 目 e 日e z ； = = = = 眷 由于毛细作用能渗入到备种类溅_ 丌口子表面的细小缺陷中。清除附着畿试件装丽上 多余的渗透潮，经干燥和施r 蕊髭像剂焉，缺陷处就可呈联出荧光，用醋视裣焱就能 发删4 1 。 般说来，液体渗透检测只能检焱试件袭丽的开门缺陷，对埋藏程皮下绒内部 的缺陷刚秃能为力。它的优点蹙方法简单、成本低，适用于有色金属、黑色愈属和 葭金属等各秘耪辩裁各释髟状复杂熬零邦传，毽对多孔烂枣毒料不逶舍( 毽为姣貉曩 示的图像滩以判断) ，鼠检验缺陷的黧复性较差吼 2 超声波探伤方法( u l t r a s o n i ct e s t i n g ) 超声波探伤的基本原理是：将高频声波脉冲导入被检测的材料，当声波传输的 过程孛遇戮缺麓瓣，一部分声波会被爱爨羁，产：垒遥滚，系统霹捡测到这些熬波， 并进行放大处理，转换成数字储号，呈现在屏幕上，从而获得被铡材料的缺陷状况【6 l 。 一般情况下，超声搽伤主鼗用来探测棒柑的纵向缺陷f t 酎，根据用户需要也可探 测攘囊获酸娜。窘动纯缴淘缺聚弱探溺速凌遽攀为2 0 m m i n 左豢，辏翔姣貉瀚探溺 速度通常为1 0 m m i n 左崽。超声探伤有较商的检测灵敏度，对棒材中的裂纹、直道 等缺陷比较敏感，也能搛测出薯仁金属夹杂等体积型缺陷。因此，它适用于检验质量 要求疑静褡枣孝窝蛰辩爱投榜等，其缺点是梭溺速寝较馒。因噩乏一般俸必离矮鬣毒季籽 的离线检验手段【2 1 。 3 荧光磁粉探伤方法( f l u o r e s c e n tm a g n e t i cp o w d e r t e s t i n g ) 荧光磁粉探伤是近年来广泛应用的探伤方法，应用领域比较广。磁粉受到漏磁 场豹啜弓| ，沉积在表面缺陷圭，当暴穗普通磁粉璨伤时，由予棒榜表藤的氧化色与 磁粉颜色反差低，观察时缺陷处磁痕不够清晰、磁痰易脱落丽造成误捡或漏捡。采 用荧光磁粉探伤则可解决上述问题：在铁磁性粉末外面包覆一层荧光物质，当荧光 磁粉受鞠灞磁场彳窜鬻沉积在缺陷上时，在紫舞线汀光豹照射下，荧兔磁粉表联的荧 光物质激发出黄绿色豹荧光，鼹示出缺路的彤状和位置。荧光磁粉掾伤灵敏发毫， 容易检测到微小裂纹，但检测姑果受人为因素的影响较大。此方法主要用于各种材 辩表瑟细小缺陷静探伤，萁主黉缺点楚设备结梅羹杂，辩环境癸求高，一般凝有专 华申科技大学硕士学位论文 用的暗室【1 0 , 1 1 。近年来，人们逐渐将计算机成像技术引入磁粉探伤中，采用c c d 摄 像头将磁粉的图像摘裰下来后，通过图像采巢卡将英输入到计葬税中，再耐带图形 识别技术，姆图像与姣熬黠应趣曩乏，扶瑟实瑷了磁羧探绕浆鑫动他。 4 。漏溅探伤方法( e d d y c u r r e n t t e s t i n g ) 涡流探伤法题工业备领域中应用较为广泛的无损检测方法。它以电磁感应理论 为基础，不需任何耦合剂就可对试件进行百分之酉的快速自动检测f 1 2 1 。涡流探伤对 予掺幸葶这耱形状栽列嚣擎一熬试 串亲诞，剃更是丈嚣乏量快速捡溯熬毒力工具。 其检测的基本原理是：用个高频振荡器供给激磁线圈，使其产生激磁电流， 并在被检测件中感应出涡状电流，涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用消弱激 磁磁场熬交纯。蠢于涡淡磁场中包含着捧秘黢凌簿各穆镄怠( 魏捧耪孛存在游各静 缺陷) ，仪器通过检测线圈把涡流磁场信号检出，进行滤波、鉴相、放大等处理，并 抑制非缺陷的各种噪声信号( 如材料性能的差异、运动不平稳等) ，以此来判别棒材 孛竣陷的存在1 1 3 , 1 4 。浜漉探伤主要瘸于棒耪表瑟簸麓懿狳测，懿莱要检测捧毒葶蠹帮 的缺陷，涡流探伤方法则无能为力了。 涡流梭测探头有两种：点式探头和穿过式探头。采用点式探头高速旋转的方法 可戳探测撩毒孝中戆缀彝袋陪；褥穿j 叠式探傍羽采躅穿遂式探头来检溅诵棒表嚣静横 向缺陷。这种方法设备简单，探伤速度快( 般可迭6 0 m r a i n 以上) ，对棒材表露和 近表面的常见缺陷如裂口、叫黼、绐疤及部分外折等有较高的检测灵敏度，因此成 为棒零孝表藤检验的主要方法之一。 涡流捡测具蠢捡测灵敏度麓、不震要嘏台剂、易实现毫速囊动化等 茏点，但是 对铁磁性棒材的梭测来悦，由于渗透深度受到严熏限制，磁导举变化的严重影响难 醛潲除。 s 。灞磁探伤方法( m a g n e t i c f l u xl e a k a g e t e s t i n g ) 出于涡滚探伤方法只戆检测麴转表嚣缺憋，为戴，扶8 0 年t 起，美翻的t u b o s c o p e 公司、德围的f o r s t e r 研究所等开始研究探索新的检测方法漏磁检测法，并很快 推皤大型成套设备。美国酶a p i ( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 标凇、军标m i l ( m i l i t a r y 华中科技大学硕士学位论文 s t a n d a r d ) 中餐竣确缓定暴麓潺磁法寒稔渊铁磁缝秘整 l 舅。 漏磁法检测是建立在铁磁材料的高磁导率这特性之上，其籀本原理是：被测 树料在外加磁场作用下被磁化，当材料中无缺陷时，磁力线绝大部分通过被测材料， 藏海磁力线均匀分毒 当聿葶鹈内罄有姣麓簿，磁力线发生弯麴，并疆骞一都分磁力 线泄漏出材料表面，形成漏磁场。用霍尔元件等磁敏元件检测被磁化材料表面逸出 的漏磁场，就可判断缺陷怒西存在。同样尺寸的缺陷，位于表面上和表面下形成的 漏磁场不弱：淡嚣上缺貉产玺瓣瀑磁场大；缺雍在表 拜下瓣，形黢懿潺磁场逡鬟萋 变小。所以，漏磁通法适用于各种铁磁材料，可以对裂纹、腐蚀蹲缺陷进行检验， 并可以判别缺陷的位置，麒检测时不需袋耦合剂，也不容易发生漏检【1 6 , 1 7 1 。 瀑磁捡测法豹主要褥庭：f l ，霹器耱撰臻鹭其舂较凑熬裣测速囊；稼) 薅铁磁镶秘 料表面、近袭颂、内部裂纹以及锈蚀等均可获得满意的检测效果：( 3 ) 探头装臀结构 简单、易于实现、成本低鼠操作简单；( 4 ) 出于磁性的变化易于非接触测量和实现在 线实露猃测，磁场癌号不受被溅聿辛餐表 l l ；污染凝态静彰鹃，迸耄亍梭溺对被溺楗耱表 湎就不需清洗，因此将大大提高检测的效率，减小工作量；( 5 ) 可以实现全自动化检 测，非常适仑在流水线上邀行质量检测鞠生产过程控制。 霞藏，褒壤今众多夔舔零葶和管耱硷测方法牵，灞磁猃溺方法 雯爝广泛。 漏磁检测机理分析：检测缺陷应具备两大要素，一是外加磁场威最大限度同缺陷 所在平面垂赢，以获得缺陷处最大漏磁场：二是霍尔元件对缺陷袋面保持最大乎叠查 涎闻，戳获褥激天豹潺磁逶。掰鞋霹捧耩或管穆覆畜，检测禳蠢较融帮缀自酸貉霹 采用如图1 1 所示的方法。 溪元 譬 料 a ) 横向缺陷检测原理图b ) 纵向缺陷检测原理图 阉1 1 漏磁法捡测原理图 华中科技大学硕士学位论文 羧嚣薅麓鹣横淘缺陷霹 三l 采弱捡测搽头不动，薅秘壹线翦遗帮撵头麦线运动， 棒材不动两种梭测方式。检测纵向缺陷可以采用三种方式进行检测，分别是：探头 旋转，被测棒材直线前进；探头不动，檫材螺旋前进：探头螺旋前滋，棒材不动。 l 。2 。2 棒糖无攒检测系统的磷究及应用瑗获 国内外的笼损检测系统酱遍应用在钢管的检测上，用于棒材的检测系统则相对 较少。无损梭测系统豹生产厂家主要以荚国静t u b o s c o p e 公司以及德国的f o r s t e r 、 n u k e m 等公嗣最为著名。其产品综合威用了超声波、漏磁和涌流等多种检测方法。 国外在无损检测系统方颟的研究较早，很早就建立越了较为先进的棒材集成咒损 捻浏线，如丸卡年代初美毽共帮钢铁公镯豹棒材无损捻测系统。该梭溺系统把捺撼 矫直和成型工序与自动检测和打捆工序究全集成越柬，不但能够检测棒材的外部移 内部质量，而胤能测定棒材的钢号，当棒材出现缺陷时，系统还可以自动追踪缺陷 源熬位霉瓤瑟浆取铰垂播旋。系统采斓豹是超声法耱瀑磁法相缝合豹检测方法： 超声波检测主黉用于检测棒丰孝内部缺陷，由一套k r a u t k r a m e rr o t l 3 0 型超声波设备 究成：棒材的寝面质量检测则由基于漏磁检测原理的f o e r s t e rc i r c o f l u x 设备完成。检 溺系统可检测鹣最小表嚣缺貉为0 。2 m m ( 深) 1 5 2 m m ( 长) ，最小内部缺陷必由 0 5 m m 1 5 2 m m ( 长) 。在赢径3 8 m m 副1 2 7 m m 的范潮内，0 3 3 6 m 到1 0 6 6 8 m 的长 魔范围内的碳钢和合金棒木于均可以用这条检测线进行检测，速度可迭l l m m i n 。 舅豁毽蠢瓣髫终钢铁公蠲采遥超声波法秘涝滚法嬲缕台豹梭测方法t 诤i 。 国内的钢铁公司应用的棒材检测系统则主要以引进国外的设备为主。如北钢集团 程精整生产线上引进了具有世界先进水平的德国k r a u t k r a m e r 公词的r o b - - 6 5 v i s 溅超声波捡溅竣备窝德国f o e r s t e r 公司瓣c 1 r c o f l u xs 6 。1 4 4 灞磁捡测设鍪，嚣肇争 检测装置相辅相成，实现了棒材的全面探伤| 2 0 。 国内也商少数厂家自行研制了棒材梭测系统，如宝鸡有色金属加工厂研制的 爨大蛊经棒零孝超声波嚣囊掇侥系统。魏系统霹掇溺棼誊季毒镑为垂1 0 0 3 5 0 m m ，长澄 为3 0 0 4 0 0 0 m m 。但此系统对棒材的表面质量r a 臻求小于3 2 。棒材不直度也在 3 m m m 以下。酋钢检测中心针对棒材进行了涡流探伤仪器设备的研制开发，并鼯己合 怒声波检溅设冬，建立了条冷控捧楗满滚趣声综会嚣擐羧测绞。该检测线霹蜜瑷 华中科技大学硕士学位论文 被检棒材的自动上料、下料以及材料自动分选等功能。其中涡流探伤设备用于检测 棒材的表面缺陷，而超声波检测设备则用于内部缺陷的检测。此检测线用于探测直 径在2 0 m m 以内，长度3 6 m ，弯曲度在2 m m m 的棒材，其探测速度为4 0 m m i n ， 端部的检测盲区在2 0 0 m m 以内，能检测深度为表面光滑冷拉棒材公称直径1 5 ， 长度不大于5 0 m m 的槽形人工缺陷i ”i 。 1 3 论文的主要工作 本文根据莱芜钢铁集团特殊钢厂的检测要求以及实际棒材的缺陷情况，对检测 系统进行了较为细致的方案设计和难点分析，解决了以下几个方面的问题： 1 综合比较了国内外各种自动化无损检测系统的原理及实现方法，确定了适合 现场实际情况的检测方法。以此为基础，研制了一套对于棒材各种缺陷均能有效检 出的检测系统，可完成自动上下料、自动检测并按有无缺陷区分棒材等功能。 2 系统地研究了横向缺陷漏磁检测原理，并通过实验研究讨论了棒材横向缺陷 漏磁检测中存在的若干问题，如不同规格棒材的最佳磁化点、棒材横向缺陷漏磁检 测的灵敏度极限以及端部效应等问题。并应用小波分析的多分辨率分析特性实现了 漏磁缺陷信号的提取。 3 旋转探头供电及信号的无线传输方法研究。 4 对检测系统中上下料装置、横向缺陷检测装置及其他辅助装置进行了机械结 构和控制方面的设计。 因此，本论文也将主要围绕上述的备方而丌展研究工作，主要内容如下： 第一章为绪论，首先概述了本学位论文课题的来源和意义，然后综合介绍了国 内外关于棒材无损检测方法和自动检测系统的研究情况，对论文所做的工作进行了 简述。 第二章确定了系统采用的检测方法和装置的检测方案，并根据系统要求的功能对 其整体结构布置进行了设计。 第三章首先确定了棒材横向缺陷检测装置中的磁化方式，并就此磁化方式下信号 检测的若干问题进行了实验研究：对棒材最佳磁化点的实验研究；对横向缺陷检测 灵敏度极限在光滑表面和腐蚀表面下的研究；棒材端部效应的研究，并介绍了几种 华中科技大学硕士学位论文 消除端部效应的方法。最后介绍了小波分析在漏磁缺陷信号提取中的原理和两种她 型应用。 第四章对纵向缺陷检测装置中供电及检测信号的无线传输方法进行了研究。首 先，根据电磁耦合原理设计了供电系统，满足了检测元器件长时间稳定供电的需要。 信号传输系统设计则采用了红外无线传输的方式，且传输过程中采取将模拟信号转 换为数字信号进行传输的手段，增强了信号传输的可靠性和稳定性。 第五章介绍了棒材无损检测系统中各装置的结构设计和系统控制的实现方法。 第六章针对本学位论文课题有关内容进行了总结，给出了本文的结论，并对下一 步的工作进行了展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 棒材无损检测系统方案设计 2 1 引言 棒材无摈检测系统主要翔于裣溺蒹薨钢铁集霞特殊锵厂生产豹巍锵棒毒孝的表谣 及近表面出现的裂纹、夹杂等各种缺陷。根据现场使用的实际情况，系统必须满足 多规格、商效濑垒瑟擐伤躬要求，并可以封棒材出现的各种缺陷进行实对捡测、分 轿和舞断，铁稀能够大疆庭撵离棒榜静蕊爨检验程度，掇高产鑫的僚誉帮竞争力。 棒材检测麓统要做到无搠探伤的高速、高效和自动化，其各组成部件都必须自做 熬 运动统一、w 靠、安全、协诞一致地完成棒材的搽伤全过程，尤其是作为系绕核 心部件鳃检测装簧要对捧乖季瀣现的各种缺陷都要自可熊捡出。 本章在比较了国内外几种检测系统方案的基础上，确定了棒材自动化无损梭测 线所采用的检测方法，并制定了相应的系绫整谚设计方案。 2 2 检测方法的选择和确定 如第一章所述，捧材的缺陷检测可以商缀多种方法，但每种检测菇法都存在器自 静傀映点。遥常情况下，梭溯方法酶选择癸综合考虑徽多鑫素：如棒材的缺陷形式， 鼷求的检测效礅和检测灵敏度等等 2 2 , 2 3 1 。就缺陷形式来讲，检测棒材表面的缺陷最 好选用涡流或漏磁检测法，因为其具有灵敏发高、检测效果好的特点；两捡测内部 较深的缺陷瓣蔫采用超声波稔测法，涡流釉漏磁法藏光能为力了。嚣忿，裰据棒树 的实际情况和备种检测方法的优缺点等因素综合选择合适的检测膏法是非常黧装 麴。 由第一章掰论述翡国内雏棒耪检测线选择的稔测方法w 戳看出，缝穴部分斡藏囊 检测设备都采用探测棒材表蹰缺陷的涡流法或漏磁法和探测内部缺陷的超声波梭测 法缀合豹方式，这种组合方式可以有效她检溅出棒毒季巾绝丈部分缺黢。然露，由乎 越声波检测法速度上的限锻，适度不了棒材高速检测的要求，也每游磁或满流搛伤 的速度无法匹配，因而通常情况下采取了降低漏磁或涡流探伤的速度以便和超声波 攘伤王捧步调一致静方法，嫒褥系统探伤遮度和效率大大下降。 华申科技大学硕士学位论文 = = = = # 燃= = 0 = # # = = = 目= = = = ；粼篁= = = 省= = = = # ；= = 鲁 = ；眷= = = = m 日= = 删i = = = = = = = = = = 常_ _ _ 茸# # 誊 综合以上论述可知，实现棒材的企面探伤往往娶综合比较备种检测方法的优缺 点，根据现场的实际情况选择会适的检测方法。 以下是瓣菜甍镪铁繁强特殊锅厂瓣蒋艇翡捡溅要求亵棒麓实酥缺翳澎式鹣通套 结果： 1 高速检测和低成本的要求 莱芜镄铁集爨特殊钢厂每牮嚣检测静襻耪离这尼百万湾，棒瓣壹经落垂在2 5 r a m 和1 3 0 m e n 之间变化，这就需要检测蓉统必须达到蹴速、嘲效的摭铡要求。这糟情况 下，采用越声波探伤的方法显然不太适合这种高速的检测要求，而且超声波探伤设 备成本较蠢，维护起来魄菲露褥不方艇。采羯溪流或添磁探伤滚甏完全霹錾逶合褰 速检测的需要，鼠探伤成本较低。 2 缺陷的基本形式 莱芜镶铁集溺特殊镪厂棒材孛常凳瓣缺貉类蝥骞瑷下届耱 2 4 , 2 5 l ： 纵向裂纹 纵向裂纹是种比较深的线状裂纹。它燎出于热应变、时效以及材料性能不良， 茏其楚壶予榜攀 蠢锌藐、气藐簿原因褥产生鹣。秀【l _ i 过耩孛，翔气藐、袭纹之类圈 有的表面不连续缺陷经轧制和控拔詹星缴向分布，在材料表露镁产生则陷。出于这 一缺陷的圆滑过渡不佳成尺寸过大，就可能以此为源头，在半成品或成品上产生纵 离裂缝。表藩羲纯皮翔繁断续戆堆狡褥狠离辩，氇常常衾在穰榜表面形成穰深的直 线状裂缝。 横向裂纹 横淘裂纹是露篷延方尚襁黎宣豹横淘襞歼的缺陷。它怒由予树辩成分不适窟、热 热不妥当或者脱瓴不良磁产生的。 皮下气孔、鳞状折叠等 皮下气我是在装面之内的空洞。它是由予原辩巾存在的缩孔、气孔等没有披压合 两产生豹。鳞状搬叠是搬分布程捧糕部分表疆上黪鳞扶援叠缺戆。它怒走予孝葶辩表 面粗糙、有气孔戏模子过紧而产生的。 觚鼓上论述酶缺陷类篷来看，缺陷主要分布予棒裙表蔺和近寝面。茄外，特殊钢 华中科技大学硕士学位论文 厂耱年来露检验密来翡获陷菝及蔫产虢爱後意觅逶雩亍绕诗分辑，缭袋最示鞋表露筑 纵向裂纹出现最多，约占所脊缺陷的7 0 。其次为横向裂纹和鳞状折叠。 综合1 和2 的论述，确定使用漏磁法慰棒材进行检测。 潺磁检溅獒番速度侠、瑟敏度鑫、穿遴麓力强彝不受潴采影酶等耱蔗，霹捧麓袋 耐芹口近表面缺陷的检测具有较好的灵敏魔，且设备成本低、操作简单。采用漏磁方 法作为棒材的免掇检测方法，其优点在于； t 蘑同一种检测方法霹鞋镀到两辩辩袭嚣帮遥表露鹣无撰探伤，麸设备匏霸浚 考虑，制造安敞简单，操作方便，成本较低，且工人培训简单，易于掌握。 2 避免了常规检测系统两种捡测方法综台使用的方式，极大地方便了设备日常 的维修和探头麓燹换。 3 由于采用了同一种检测方法，非常容易地实现了横向缺陷和纵向缺陷检测的 速发匹配。 2 3 检测方案的确定 出漏磁无损检测的机理可知，漏磁无攒捡测要实现对棒材的无损棱测，必须使用 横，缴自绫陷缀会检测装萋。横囱浃褡捡溺装菱主要矮予捡溅棒l 孝蠢蠛静横自裂纹及 腐蚀坑和孔洞储号；纵向缺陷检测装置则用于检测棒村出现的纵向裂纹及相似缺陷。 幽予检测机理的限制，使得磁化方向和撵熬的运动方肉楣对于缺陷的方向必须垂盥， 这样横彝缺陷稔溯藏霹浚采取检灏探头零貔，襻奉| 壹线蘸避静方式；两缓自缺黧检 测就有以下三种检测方案： 1 探头旋转，棒材直线前进。 诧方案酶俊煮是检测逮壤俊，检溅灵敏溲寒，整体方案实慈较为方便。缺熹建国 予纵向缺陷检测探头贴合在前进的棒材表面做非常稳蹴的高速旋转，因而对整个旋 转机械装置的设计、制造和蜜裴精度和邂心装爱的设计及制造等方檄都提出了缀筒 酶簧求。忿井。在缀两缺酶稔溺装置中，由于检溅探受在棒韦| 表面的赢速旋转，馒 得检测元件供电电流的输入和检测信号的输出需要采用特殊的耦合方式，这种耦合 方式要能够保诞梭测元件供电的稳定和徽鞲检测信号豹嚣畸变输出。因此，上磁提 到趁釜登回嚣怒蘧匿这叠杰鬈盛筮要艇掇瓣燕盎。 华申科技大学硕士学位论文 目前国外的纵向缺陷检测装置无例外的使用的是这种探头旋转，棒材直线前进 的方案。 2 。耱耪苓凌，探头舔凑扫镒。 这种方嶷在枫械结构方面实现起来比较炭杂，骤因是要使检测装置在捧材袭面傲 螺旋状运动，运动的同时还要对棒材进行局部磁化，这样必然使得实现机构的设计 变簿 常戮难。褥显在稔涮过程中，出于棒率孝较长，探头在棒誊季上经篾运动，登熬 使褥检测效率不离，难以实现麓效自动化。这静检测方鬃在离遵棒材梭测系缆中应 用较少。 3 。探头不确，棒耪糕旋翦避。 此方寨与上露方案棚比是采用捧材旋转的方式。这秭运动方戏下，检测装鬟可以 静止不动，这使褥检测倍号省擞了耦舍等复杂的传递过瑕，避免了干扰的影响，丽 置稔测探熬对棒稽的隧韵性可爨傈持褥穰好。舅静采用遽耱运韵方式w 良使检溺设 冬设计、安装及使用起来筏单方便。坦应用在太蠹径捧材的检测方疆，缺点也是棼 常明显的。因为黎使重爨较大的棒材旋转起来，所需的传动装鬣的驱动能力必须很 高，藩虽棒材旋转不可耱有较商的旋转速度，这样就降低了整个检测装置的检湔效 率。另一方疆，癞予捧枣| 熬旋转速度受到限制，就使褥捡测接母的接噪比拄：起在探 头旋转的王作方式下的储噪比癸小得多，不利于缺陷信号的分辨。 酷前国内稚隧酌一蘩钢管稔溅设备采餍的是这种方案。 2 4 总体结构希置方案设计 国予要捡溯鹣襻橱爨有痰穰多、蠹径帮黧量跨度夫静特熹，在潺磁检测舔瑾酌基 础上，出予对检测装置的布曼以及铸输线豹驱动熊力等方嚣约考虑，提出了以下两 种设计方案： l 。多蔑格驱动及检测绫。帮按棒奉孝的蹇径对箕分档，每一穑都专门设计传动线 和捡测装鬟。 由于棒材规格较多，而漏磁法检测要求探头完成对檫材表两的完仝扫描，因此 有妊要对检测探头的瓣格分裆，对应的棒材也褶暾分档矜羽检浏；另方面，由予 蕉羹援整教堂夔。建堡蒸重量攫壹鼓太麴蒸慰：麴蓬弪豢太塑攮越麴爱尘麴攘越莺 华中科技大学硕士学位论文 爨差羽在$ 0 0 k g 左右，这铎获传输线豹熬动l 力方瑟考虑毪应该砖梭瓣捧耱分秘。 因此综合这两方面的考虑，拟将被检棒材划分为四个规格中2 5 - - - 4 0 m m ，中4 0 - - , 6 5 m m ， 6 5 9 0 m m ，巾9 0 1 3 0 m m 。对这个四个澳格的棒材成分别设计检测装置和传动线。 既方案的貔点是：由予楚锋对每个筑格酶襻专| 都分潮进行探头和传输线的设谤， 所以可实现四个规格的棒材同时探伤，检测过程中也无须调整励磁强度和更换探喜k ， 大大提高了检测的效率。此方案的缺点怒占地面积大，设计复杂且成本较高。 2 。肇一驱动及检溅线。帮设计单一骥凑及捡溺线，谭对所有溉穰的棒耪实蕊完 愈检测。 采用此方絮，系统总成本较低，且设麓制造、安装方便，占地霹积小。但也移在 些难点：设舔驱动线静骥确髓力要髓满足多撰稿棒率芎的驱动要求；由于采爝瀚楚 漏磁检测法，检测装置要能适应多规格棒材检测，对姆一规格的棒材都能做到有效 磁化；，捡测探头要能适应棒毒| 觏格的交他，敲到棒材的茏缝隙覆盖检测。 以上两释设诗方案各有德缺点，密予缝济性鄹占蟪黼积等方面的考虑，选定繁= 种方案进行检测系统设计。 2 4 。l 攮涎系缝瑟俸窍重设量 棒材自动化无损检测系统布置在整个车间的中部，是整个车间工序中最为关键 的一环。车间工序流程如图2 1 所示： 图2 1 工序流程圈 成型棒耪罄先经过矫煮处理，再进入高压东除鳞装潼清除掉棒糖表疆由于离濑 搴锘l 形成的一艨氧纯皮，然艨进入检测系统进行探伤，探伤后系统舞动将有缺陷的 棒材和无缺陷的棒材区分出来，分开存放。有缺陷的棒材送至修磨机，对表面出现 的缺陷进行修癣爱打援出厂；无缺陷的橼毒手楚；直接打攒出厂。 华中科技大学硕士学位论文 综会考悫系统豹稳灏流程、稳溪豹需要袄及搽佟懿方便性，设计密系统藤俸 布簧方案如图2 2 所示。 ill 废料架 曾一 i 戬 卜- 1 啪【 藏越大，攒鹾在安 际探伤时，探头放置间距的选择，应综合考虑灵敏度、倍噪比、提离效应及探头跟 踪机构制佟的难翁程度等各种因素。实验表明，检测元件与被测棒料的间躐控制谯 1 0 1 5 r a m 毙较逶宣。捷襄壤大- t ：2 r a m 瓣，蛱羧售号载不弱爨了。 从表3 2 和袭3 3 可知，对于0 1 m m 深的缺陷，在励磁强度足够的情况下，在检 测元件水平和垂港放鬻方式下均可得到较满意的检测结梁。所以通常情况下，漏磁 法羧溅巍瀵棒辩表囊戆燹敏褒霉以，奄0 。l m m ( 宽) x o 。l m m ( 璨) x 1 5 r a m ( 长) 。 但对于粗糙表面的缺陷检测信号，腐蚀的棒料表面背景干扰信号将裂纹信号究 华中科技大学硕士学位论文 全遮淫没了，穗霹逶遂蘧弩处理戆方式戆缮号遴行懿壤鞋疆离捡溅戆灵敏廑。 3 5 关于棒材检测中“端部效应”的探讨 在瀑磁秃缀探镑中，不爨秘藏磁方戏f 都会产叟捻测喜嚣，邵邋豢爱浼豹“蠛 部效应”。对于永磁励磁方式的检测来漉，检测盲区怒根据永磁磁路的长度决定的， 原因在于在棒料端部无法彤成完整的磁通路而导致出现检测盲区。对于电磁磁化的 方式来说，捻测枣嚣裂是痨予薅粒端郝豹磁场遗漏较大造藏麴。囊予零系统采搦鹣 单线圈开路磁化的磁化方式，所以对诧方式下的检测肖区进行了系统地研究。 3 5 1 端部效_ 陵的产生原理 在襻料稔溯过程审，棒辩端部雕开始送入磁琵线黼孵，逶毫空心线圈逐多交成 带铁心线圈，改变了线圈内的磁场分布，线圈磁场不能有效的聚熊在棒料内部，一 方蕊棒料端郝被磁化时的露效磁化部分的长经比非常的小，使褥程棒料端部产象的 邋磁场褶对较大，不髓时棒辩端部有散磁诧；男一方藤端部背景磁场嗓声稻对较强， 而使检测元件处于饱和状淼，对缺陷信号无法分辨，造成了检测的盲区。在棒料完 全避入磁化线嬲矮，由予掺料摆对于空气的磁导率非常大，起到了凝磁豹捧用，大 部分的磁场邋过棒瓣内豁形成磁路，使棒辩被有效磁住。同样在棒料端部离开灏磁 线圈时，也会对线圈内部磁场产生很大的影响使检测元件饱和，从耐产生检测南区。 在漏磁笼缀检测方法中，最掌用到麴检测元 牛愁震尔元舞和感应线圈。本蕊巾 分澍对两耱稔测元件斡检测膏区通过安验的方式速行了研究。 3 s 2 霍尔元件检测盲区的讨论 霹壹径鸯4 0 m m 豹棒$ 霉送行实验，耢磁线圈调苇翻簸德疆鬏二点缝，霉孽猿耱鬻予 励磁线圈中部，元件紧贴棒料放置且固定珂；动，此时移动棒料，每隔l o m m 记浸下 元件的输出电腿值，得到如表3 4 所示的结果： 华中科技大学硕士学位论文 袭3 4 霍尔元件输出电噩值与其到捧料端部躐离对应表 距离( r a m l 元件输出 距离( m m ) 元件输| ：l 距离( r a m l 元件输出 电医值( v )电眶值( v )电难值( v ) 2 05 o l1 4 04 7 22 6 03 0 9 4 04 9 7 1 6 04 1 12 8 02 9 5 6 04 9 5l 3 7 53 2 8 6 8 04 8 72 0 03 4 2 3 2 02 8 1 1 0 04 。8 92 2 03 。王53 4 0 2 7 5 1 2 04 8 72 4 03 1 03 6 02 6 7 1 由袭3 4 可知，当距离棒料端部距离小于1 2 0 m m 时，霍尔元件处于饱和状态， 输崮魄篷交化不大。 2 当距离棒料端部距离大于1 4 0 m m 时，检测元件的电压值隧距离棒料端部距离 的增大呈现逐渐下降的趋势。巍元件检测到距棒料端部大于3 6 0 m m 的区域，检测元 件恢复标猴僮。 由1 ，2 可以初步知道，梭测元件对距棒料端藉珏小于1 2 0 r a m 1 4 0 m m 的区域无 法检测，为元件的检测窗区。 出予上蔷实验无法确定塞嚣豹准确位置，蕊潋逐需霹捧赫端都逶行数据采集潋 得到精确的检测波形。检测方案同3 3 2 节中所述的方案致。梢有不网的是信号采 集采用了等空间采样的方法，这是因为在实验过稷中，人为推动棒料进行移动时棒 料运渤速度交住徽大，袋精等辩阔采样方法将无法准确确定检渊盲区髂位蚤。为既， 增加光电编码器记录捧料和检测元4 牛之间的楣对披置，实现空湖域的采样。在检测 过程中，采用滚轮随棒料同步运动，用光电编码器对滚轮的转动进行编码，让滚轮 每运行一小段壹线位移籍发出一齄发脉冲；通过等空闻阔隔豹融发脉渖序列控翎a d 转换的进程，实现磁电信号按照空间像攫的采集，厨对也可以实璎缺陷的定拉。 实验棒料上袭面缺陷分布情况如阔3 6 所示。缺陷分别为盲孔和横向裂纹，其大 小为： 蛮孑l ：由o 8 m m l m m ( 澡) ，审1 ，6 r a m i m m ( 涤) 横向裂纹：o 1 m m ( 宽) 0 3 m m ( 深) 2 0 m m ( 长) ， 0 1 m m ( 宽) 0 6 r a m ( 深) 2 0 r a m ( 汝) 华中科技大学硕士学位论文 移动棒料让探头分别对孔和裂纹进行检测，所得各缺陷信号波形如图3 6 所示。 闰3 6 实际缺陷与检测缩集对比圈 铁图3 , 6 孛霹强看到，信号数基准线舂扶上到下壤移懿趋势。主羹缀因是鬈尔元 件电压由端部的饱和状态逐渐过渡到正常枪测状态，符合表3 4 中所列的趋势。因为 采用的是等空间采样方法，可知图中a 点为对应的霍尔元件饱和临界点，墩即是鼬 现检测喜送瓣妪器点。 另一个从图中波形表现出来的特征是同样尺寸的缺陷，随着距离端部的减小。 箕峰峰值