張畢強，秦訓(xùn)鵬，方 洲，倪 晨

（武漢理工大學a.汽車工程學院；b.材料科學與工程學院；c.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070）

汽車發(fā)動機缸體自動化無損檢測系統(tǒng)研究*

張畢強a，c，秦訓(xùn)鵬a，c，方 洲a，c，倪 晨b，c

（武漢理工大學a.汽車工程學院；b.材料科學與工程學院；c.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070）

為了實現(xiàn)汽車發(fā)動機缸體的自動化無損檢測，為缸體再制造提供技術(shù)支持，建立了基于工業(yè)機器人的磁記憶渦流自動化無損檢測系統(tǒng)，并提出了系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。根據(jù)缸體不同類型缺陷，制定了磁記憶和渦流檢測相結(jié)合的檢測方案。通過對工業(yè)機器人的初始姿態(tài)示教，實現(xiàn)了對缸口圓心的定位，滿足磁記憶和渦流檢測的不同要求。最后通過檢測結(jié)果分析，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，提高了缸體無損檢測的效率并解決了傳統(tǒng)檢測方法的不穩(wěn)定問題。

發(fā)動機缸體；再制造；無損檢測；工業(yè)機器人

0 引言

再制造是指以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)、對廢舊裝備采用先進技術(shù)進行修復(fù)和改造的產(chǎn)業(yè)，再制造產(chǎn)品性能要求達到甚至超過新品［1-3］。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2013年我國汽車產(chǎn)銷量分別為2211.68萬輛和2198.41萬輛。預(yù)計到2020年，我國年報廢汽車量將達到1400萬輛以上，汽車零部件再制造業(yè)務(wù)前景十分廣闊，其中退役汽車發(fā)動機再制造工程技術(shù)的研究已經(jīng)引起各方面的廣泛重視。缸體是發(fā)動機的重要部件，在運行過程中受高溫、高壓以及復(fù)雜載荷的聯(lián)合作用，極易產(chǎn)生各種內(nèi)外部缺陷。汽車發(fā)動機缸體退役后若直接回爐處理將會導(dǎo)致資源浪費，因而通常采用修復(fù)或再制造加工技術(shù)以恢復(fù)其性能并再次投入使用［1］。對缺陷缸體進行再制造前，需要先對其進行無損檢測，以確定缺陷類型及其所在位置，依此對其進行壽命評估并制定再制造修復(fù)工藝方案。因此，基于再制造要求的缸體無損檢測不僅需要獲取缺陷的定量化數(shù)據(jù)，同時還要求獲取缺陷較為準確的幾何位置值，以便為壽命評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。針對金屬材料常用的無損檢測方法包括射線檢測、超聲檢測、滲透檢測、磁記憶檢測和渦流檢測等［4］。國外對自動化無損檢測系統(tǒng)的研究較早，在小型零件的研究上取得了一定的進展。Gregory和Taylor提出了一種使用知識庫的方法來檢測汽車制動零件，Decker等研究了自動X射線檢測鋁鑄件系統(tǒng)［5］，國內(nèi)針對再制造零件無損檢測的自動化技術(shù)及方法的研究較少。

因此，開發(fā)一種汽車發(fā)動機缸體自動無損檢測系統(tǒng)具有較強的工程實際意義，它不僅可以提高檢測效率，更重要的是能夠滿足批量化再制造生產(chǎn)條件下對無損檢測數(shù)據(jù)的需要。本文提出了一種工業(yè)機器人和磁記憶渦流檢測相結(jié)合的缸體無損檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷特征值和空間位置的準確提取，并且可以保證檢測效率和結(jié)果的準確性。

1. 檢測方案

1.1 缸體失效形式

汽車發(fā)動機在運行時，活塞在缸體內(nèi)高速運動，使得缸壁受到很大的側(cè)壓力并由此產(chǎn)生交變應(yīng)力。若應(yīng)力長時間得不到釋放，將會影響缸體的疲勞性能，從而使得缸體產(chǎn)生裂紋［6］。缸體在復(fù)雜工況下承受不規(guī)則的沖擊力，缸壁表面會產(chǎn)生不均勻的磨損［6］。磨損在高溫高壓的作用下，會導(dǎo)致缸體內(nèi)壁不再是標準的圓周形而形成漏氣，從而導(dǎo)致發(fā)動機缸體失效。同時，缸體作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的一部分，冷卻液雖含有抑制劑防止缸體內(nèi)腔腐蝕，但長時間運行依然會導(dǎo)致缸體內(nèi)腔表面產(chǎn)生穴蝕［7］。因此，缸體的失效形式主要為應(yīng)力集中引起的疲勞裂紋、磨損和表面穴蝕。

1.2 檢測方案

磁記憶法是20世紀90年代后期以俄羅斯杜波夫教授為代表提出來的一種無損檢測技術(shù)［8］，是通過檢測工件因發(fā)生應(yīng)力與變形產(chǎn)生的漏磁場，來判定工件的應(yīng)力集中區(qū)域［9-10］。因依賴外部激勵磁場，所以在檢測過程中，要保證沒有外界磁場干擾。磁記憶檢測使用非接觸式探頭，在檢測過程中需要保持探頭與工件檢測表面的提離距離不變，以保證信號的穩(wěn)定性。當提離距離的突變或存在外界磁場的干擾時，均會導(dǎo)致檢測信號的異常。

渦流法是通過交變電流的感應(yīng)來獲取金屬工件表面和近表面缺陷特征的一種無損檢測技術(shù)［11-12］。渦流法檢測使用接觸式探頭，在檢測過程中，要保證探頭與被檢測工件表面貼合。因探頭貼著工件表面運動，因此工件表面需要清理干凈，并且運動過程中無其他因素干擾探頭正常運動。由于渦流檢測采用電磁感應(yīng)原理，渦流檢測只能對導(dǎo)電材料的工件進行檢測。

因此，汽車發(fā)動機缸體自動無損檢測系統(tǒng)分別采用磁記憶法來檢測缸體應(yīng)力集中、渦流法檢測缸體裂紋及表面穴蝕。在使用磁記憶檢測技術(shù)時，為了避免探頭受到外界磁場干擾，探頭夾具使用鋁合金材料制作。在使用渦流法檢測時，因探頭和缸體接觸，為防止探頭過于壓緊導(dǎo)致探頭損壞，探頭夾具增加了彈簧裝置來調(diào)整探頭壓緊力。為了保證檢測信號的穩(wěn)定，兩種檢測方法都要確保探頭移動速度不能過快，檢測過程中探頭不能發(fā)生振動。

為了同時獲取缺陷特征與空間位置值，提取工業(yè)機器人運行過程中的空間位置信息，并實現(xiàn)磁記憶和渦流檢測儀輸出的缺陷特征值與空間位置信號的實時配備。

2 檢測系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)類型

（1）位置數(shù)據(jù)

本文應(yīng)用案例采用的ABB多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人，該機器人系統(tǒng)存在4種坐標系：基坐標系、大地坐標系、工具坐標系和工件坐標系。工具坐標系的中心點稱之為TCP（Tool Center Point），在使用機器人之前需要建立TCP和工件坐標系。工業(yè)機器人采用IRC5控制柜，擁有數(shù)十種數(shù)據(jù)類型，能夠滿足復(fù)雜工況的需求。在針對缸口進行無損檢測方案設(shè)計時，主要使用了JointTarget和RobTarget兩種數(shù)據(jù)類型。JointTarget主要記錄機器人六個軸的旋轉(zhuǎn)角度，RobTarget主要記錄機器人TCP所處當前工件坐標系的空間坐標。根據(jù)TCP的空間坐標可以知道探頭所處位置，從而知道缺陷所處位置，并將位置數(shù)據(jù)反饋給檢測儀器，檢測儀器將檢測數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)綜合后反饋給控制主機（工作站）。

當時，我給這個戲乃至我們這個創(chuàng)作團隊的定位就是——堅實的現(xiàn)實主義表演與中國戲曲傳統(tǒng)程式美相融合；堅定的表現(xiàn)美學與中國戲曲寫意美學相融合。

（2）缺陷特征數(shù)據(jù)

某公司生產(chǎn)的磁記憶渦流檢測儀器，同時具備磁記憶和渦流檢測雙重功能，只需分別更換與之相對應(yīng)的檢測探頭便可實現(xiàn)不同原理下的檢測過程。使用磁記憶法檢測時，儀器記錄磁場強度、磁場強度梯度并繪制二維曲線圖，反映工件的應(yīng)力集中情況。使用渦流法檢測時，儀器根據(jù)探頭反饋的檢測數(shù)據(jù)能夠繪制出裂紋和穴蝕缺陷幅值二維曲線圖。

2.2 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)的硬件組成主要包括磁記憶渦流檢測儀器、數(shù)據(jù)分析及控制主機（工作站）、工業(yè)機器人、探頭夾具和檢測工作臺5部分，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

為了讓機器人能夠夾持探頭對缸體進行檢測，需要在機器人法蘭盤上安裝用于夾持探頭的夾具。夾具前端連接機器人法蘭盤，末端為探頭夾持裝置，探頭安裝后與夾具套筒保持垂直，套筒在TCP的z方向上。通過夾具將探頭與機器人固定在一起后，需要建立工件坐標系和TCP。首先建立工件坐標系，以缸口所在平面為xoy平面，根據(jù)右手定則，垂直于缸口平面向下為z方向，便可得到工件坐標系，如圖2所示。然后建立TCP，控制機器人以四種不同的姿態(tài)示教同一目標點，根據(jù)機器人控制器便可計算得到TCP。

圖2 工件坐標系示意圖

在機器人夾持探頭進行檢測時必須保證探頭始終垂直于缸體內(nèi)壁切線，并沿著缸口做圓周運動，運動一周即完成一次檢測。在使用磁記憶檢測時，需要保證磁記憶探頭與缸口表面之間的提離距離在運動過程中保持不變。在使用渦流檢測時，要保證渦流探頭與缸口表面始終貼合且運動平穩(wěn)。

3 檢測過程

3.1 初始姿態(tài)調(diào)整

機器人在檢測之前，需要對機器人的初始姿態(tài)進行調(diào)整。首先將機器人的1至4軸調(diào)整為零位，然后第5軸和第6軸根據(jù)需要進行調(diào)整。由于探頭夾具安裝在法蘭盤上，機器人的第五軸姿態(tài)決定夾具的姿態(tài)，第6軸姿態(tài)決定探頭的指向。

要想保證探頭始終垂直于缸體內(nèi)壁切線，探頭夾具即第5軸始終需要垂直于缸口平面，第5軸的初始角度就要進行設(shè)定。若缸口所在平面與機器人所在平面夾角為α，則第5軸的初始角度設(shè)定為90-α。第6軸初始角度使得探頭初始指向缸口的上頂點。

3.2 缸口圓心定位

將機器人調(diào)整為初始姿態(tài)后，保證TCP的z軸始終垂直于缸口平面并經(jīng)過缸口圓心，就要對缸口圓心進行定位。眾所周知，圓上弦的垂直平分線必定經(jīng)過圓心，依此可以找到缸口圓心。

為了保證缸體中心與探頭旋轉(zhuǎn)中心一致，將探頭更換為百分表。首先將機器人調(diào)整為線性運動，保證在手動操作機器人時TCP的z軸始終垂直于缸口平面。操作機器人使得百分表表頭到達缸口位置A，記錄A點的空間坐標Pa（xa，ya，za）和百分表讀數(shù)a，第6軸旋轉(zhuǎn)180°，再次移動機器人使得百分表表頭到達缸口位置B并且保證百分表讀數(shù)為a，記錄B點的空間坐標Pb（xb，yb，zb），則AB連線為缸口圓上的弦。

根據(jù)A、B兩點的空間坐標可以求出弦AB的中心點的空間坐標以及弦長LAB，已知百分表表頭到TCP的z軸距離為Ld，將機器人沿著BA方向移動LAB/2-Ld距離，此時TCP的z軸經(jīng)過弦AB的中心點。

將第6軸旋轉(zhuǎn)90°，移動機器人使得百分表表頭到達缸口位置C并保證百分表讀數(shù)為a，記錄C點空間坐標Pc（xc，yc，zc）。將第6軸旋轉(zhuǎn)180°，移動機器人使得百分表表頭到達缸口位置D并保證百分表讀數(shù)為a，記錄D點空間坐標Pd（xd，yd，zd），則CD連線為缸口圓的直徑，CD中心為圓心。

圓心空間坐標為：

因A、B、C、D點在同一平面，則有za=zb=zc= zd。

3.3 示教姿態(tài)

為保證檢測時探頭始終垂直于缸體內(nèi)壁切線，將百分表更換為探頭來進行姿態(tài)示教。結(jié)合機器人的線性和單軸運動，調(diào)整機器人初始位置，使得TCP的z軸經(jīng)過缸口圓心，探頭指向缸口上頂點且垂直于缸體內(nèi)壁切線，此時為示教起始姿態(tài)，示意圖如圖3所示。

圖3 示教起始姿態(tài)

探頭所在起始點記為P1，使用指令CRobT和CJointT記錄該點的空間坐標rpos1和機器人的姿態(tài)jpos1。將第6軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，探頭到達P2點，記錄下P2點的空間坐標rpos2和機器人的姿態(tài)jpos2。以同樣的方法將第6軸兩次順時針旋轉(zhuǎn)90°，獲得P3和P4點的空間坐標rpos3、rpos4和機器人的姿態(tài)jpos3、jpos4。示教獲得的4個點，探頭均垂直于缸體內(nèi)壁切線，滿足檢測需求。

3.4 實現(xiàn)檢測

示教完成后，將機器人調(diào)整回示教起始姿態(tài)點P1，則檢測前的示教工作全部完成，可開始正式的檢測。已知缸口半徑為R，探頭長度為L，設(shè)定探頭與缸口之間的調(diào)整距離為ε。由于使用offs指令移動機器人時機器人的姿態(tài)不會變化，則調(diào)用offs指令使得探頭前移Dis，其中Dis=R-L+ε。

當使用渦流探頭時，為保證探頭貼合缸口，則ε＞0且取值較小，為防止過于壓緊從而損壞探頭，ε取值一般不大于1mm；當使用磁記憶探頭時，探頭與缸口之間有一定的提離距離，則ε＜0且取值滿足提離距離要求。

探頭到達預(yù)定位置后，即可啟動檢測程序?qū)崿F(xiàn)檢測。

綜上所述，檢測過程如圖4所示。

圖4 檢測過程圖

4 檢測結(jié)果分析

對某發(fā)動機缸體事先預(yù)制兩個缺口，使用檢測系統(tǒng)對其進行檢測，其結(jié)果如圖5所示，圖5a、5b依次分別為磁記憶檢測結(jié)果圖和渦流檢測結(jié)果圖。

圖5 檢測結(jié)果圖

根據(jù)圖5可以看出圖5a、圖5b兩圖中有2處明顯突出的地方，表明該處存在缺陷，即檢測系統(tǒng)可將預(yù)制缺口檢測出來。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)磁記憶和渦流檢測的特性，采用兩者相結(jié)合的檢測方法能夠檢測出汽車發(fā)動機缸體的應(yīng)力集中狀況和表面及近表面裂紋、穴蝕。建立TCP的誤差和圓心定位誤差是系統(tǒng)運動誤差的主要來源。

（2）使用控制主機（工作站）來控制工業(yè)機器人和檢測儀器的運行，通過設(shè)備之間信號的相互傳遞，加強了設(shè)備之間的聯(lián)調(diào)，并可以實現(xiàn)缺陷特征值與其空間位置的精確藕合，提高了檢測精度和效率。

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（編輯 李秀敏）

Research on Automatic Non-destructive Testing System of Automobile Engine Block

ZHANG Bi-qianga，c，QIN Xun-penga，c，F(xiàn)ANG Zhoua，c，NIChenb，c
（a.School of Automotive Engineering；b.School of Materials Science and Engineering；c.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

In order to realize the automated non-destructive testing of the automobile engine block，provide technical support for remanufacturing engine block.The automated non-destructive testing system ofmagnetic memory testing and eddy current testing was established based on industrial robot，and themethod to carry out the system was put forward.According to different types of defects in engine body，Detection scheme was proposed that combined magneticmemory testing and eddy current testing.By teaching the initial position of the industrial robot，the center of a circle of engine block was found，and the different requirements ofmagnetic memory testing and eddy current testing was satisfied.Finally，through analyzing the result of the testing，the stability and accuracy of the system was verified，the efficiency of the non-destructive testing was raised and the problem that the traditionalmethod is instability was solved.

engine block；remanufacturing；non-destructive testing；industrial robot

TH165；TG65

A

1001-2265（2015）07-0106-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.029

2014-10-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題（2013AA040201）；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目“先進汽車零部件技術(shù)”（IRT13087）

張畢強（1990-），男，湖北荊州人，武漢理工大學碩士研究生，研究方向汽車CAD/CAE/CAM和汽車循環(huán)利用技術(shù)研究，（E-mail）zhangbq1990@163.com。