基于涡流探伤的轮毂轴承裂纹检测系统研究

刘国辉，雷良育，朱长城，胡永伟，张 琪

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 杭州 311300；2.一汽大众汽车有限公司成都分公司，四川 成都 610100)

汽车第3代轮毂轴承集成度高，增加了内外圈的两个法兰盘，并且汽车第3代轮毂轴承采用冷铆翻边工艺进行组装，实现了汽车轮毂轴承的免维护功能，提高了汽车轮毂轴承的使用性能.但是在冷铆翻边过程中会出现裂纹的存在，导致装配出的轮毂轴承产品不合格.为了提高轮毂轴承的产品质量，通常会在冷铆翻边工艺之后对轮毂轴承进行裂纹的检测.目前轮毂轴承在线裂纹检测为人工目检，实验室采用磁粉检测和渗透液检测的方法.为了实现对轮毂轴承裂纹的在线检测，采用涡流探伤原理对轮毂轴承裂纹进行检测，涡流检测作为5大常规检测手段之一，具有易耦合、速度快、成本低、易于实现自动化检测等优点，非常适合于检测导电物体表面以及近表面裂纹[1-3].

1 轮毂轴承裂纹检测方法

1.1 涡流检测原理

涡流检测是5大无损检测中应用较为广泛的检测方法，主要的理论基础是电磁场理论.其工作原理是把待检测工件靠近通有交流电的检测线圈，由线圈建立交变磁场，该交变磁场通过导体工件，并与之发生电磁感应作用，在导体工件内建立涡流.导体中的涡流自身也会产生磁场，涡流产生的磁场改变了原磁场的强度，进而导致线圈复阻抗的变化.当导体表面或者净表面出现缺陷时，将影响到涡流的强度和分布情况.涡流的变化又引起了检测线圈的电压和复阻抗的变化，导体内感生涡流的幅值、相位、流动形式、及其伴生磁场受导体的物理特性影响，因此通过检测线圈的阻抗变化即可非破坏地评定导体的物理及工艺性能.根据检测线圈的电压和副本阻抗的变化，采用相应的信号处理方法就可以间接检测到导体内存在的缺陷[4].涡流检测原理如图1 所示.

图1 涡流检测原理图Fig.1 Diagram of Eddy

1.2 涡流检测探头位置

涡流探头安装要满足以下要求：① 保证涡流探头和轴承铆合翻边面之间有一定的距离，这由探头万向安装支架来保证.涡流探头和被测面之间的距离不能太大，如果超出涡流探头的提离高度，则会影响探头的精度[5].② 要保证裂纹可能出现的位置配合合适的扫描运动使涡流探头全面覆盖.

在轮毂轴承裂纹检测中，首先要选用合适的涡流传感器探头以保证传感器对旋压面的全覆盖.采用的方法是根据冷铆过程的应力分析找出裂纹出现概率的最大区域，让涡流探头全面覆盖旋压面裂纹出现概率最大的区域，配合回转扫描运动，可实现对整个旋压面裂纹出现区域的全覆盖检测.根据裂纹出现区域的范围大小计算出所需涡流探头个数.设L为裂纹区域出现的总长度，L大约为12 mm，D为单个涡流传感器探头的直径，D=8 mm,所需探头个数为n,涡流探头对裂纹出现概率较大区域的覆盖率为130%，利用公式nD=1.3L计算，得出n=1.95，取探头个数为2个[6].其探头位置示意图如图2 所示.

图2 涡流探头位置Fig.2 Eddy current porbe

2 轮毂轴承涡流检测系统

2.1 总体系统设计

根据涡流探伤原理，轮毂轴承涡流检测系统设计如图3 所示，该系统主要包括STM32F4微处理器、DDS正弦激励信号发生模块、AD信号采集模块、自动平衡电路、锁相放大滤波、USB通信、上位机、裂纹阻抗显示等组成部分.

系统工作原理：由STM32F4微处理器通过DDS信号发生模块产生正弦激励信号作用于涡流探头，带有激励源的探头会在轮毂轴承表面形成涡流.再由信号采集探头进行对轮毂轴承涡流的信号采集，采集到的信号锁相放大、滤波送入AD信号采集模块，最后带有裂纹信息的信号经过STM32微处理器的处理通过USB传给上位机，把裂纹阻抗图显示出来.

系统主要功用：① DDS模块能产生频率和幅值稳定的正弦波,经过功率放大后驱动探头，使之在被检测轮毂轴承表面能激励出涡流.② 该系统能将检测的微弱信号进行放大滤波.自动平衡电路可以使检测探头在没有检测到裂纹时输出信号为零.③ 该系统能够存储裂纹信息.④ 该系统可以通过液晶屏实时显示裂纹阻抗平面图.⑤ 该系统能够实现与上位机通讯.

图3 轮毂轴承涡流裂纹检测系统Fig.3 Eddy current crack detection system for hub

2.2 核心模块的设计

2.2.1 STM32F4微处理器外围电路

由于STM32功能强大，在本系统中我们只采用部分资源，包括：使用SPI1在DDS芯片AD9954和STM32之间通信，SPI2在DA转换芯片DAC8563自动平衡中使用DAC8563控制电路的平衡以及和STM32之间通信；两个DAC用来控制可调增益放大芯片AD8336的放大增益；USB接口实现在STM32和上位机之间通信.其他未用功能引脚均通过10 kΩ的电阻接地，电阻接地是为了减小STM32默认浮空输入带来的干扰，增加整个涡流检测系统的抗干扰能力[7].

2.2.2 DDS信号发生模块

本系统的DDS信号发生器模块选用ADI生产的AD9954芯片构成，AD9954具有一个14 b DAC,最高可达400MSPS的DDS器件.AD9954采用先进DDS技术开发，内部集成了高速、高性能的DAC数字可编程器和完整的高频合成器，能够产生200 MHz的模拟正弦波.AD9954的设计提供了快速的跳频以及优良的控制方案.AD9954包括1 024*32的静态RAM，支持多种模式灵活的扫频能力.AD9954还可支持自定义线性扫频操作，由串行I/O口输入控制字就可以实现具有良好分辨率的快速变频[8].由于DDS产生信号的杂散特性比较差，所以要对信号的纯度进行提高，对DDS输出信号进行滤波.此电路中采用了在信号输出端添加一个低通滤波器电路进行滤波.DDS信号发生模块如图4 所示.

图4 DDS信号发生电路Fig.4 DDS signal generation circuit

2.2.3 AD信号采集模块

轴承裂纹检测中由DDS信号发生模块产生的激励信号在轴承表面形成的涡流信号是不能直接被检测出来的，其中有用的是带有裂纹信息的低频调制信号，高频载波信号是激励信号.故采用锁相放大技术对信号解调出有用的低频信号.如图5 所示，锁相放大检测系统一般可以由低通滤波器和相敏检波器组成.当被检测信号Ux和参考信号Uy被相敏检波器检测到时，假设被检测信号Ux=Asin(ωt+φ1)，参考信号假设为Uy=Bsin(ωt+φ2)，通过相敏检波器后可以得到:

Uxy=ABsin(ωt+φ1)*sin(ωt+φ2)=

(1)

图5 锁相放大原理图Fig.5 Phase lock magnification

涡流检测信号提取时可以假设被检信号[9]

U1=Asin(2πf1t+θ)+Ansin(2πfnt+θ).

(2)

在式(2)中首项为有用的被检测信号，幅值为A，频率为f1.第二项为干扰信号，幅值为An，频率为fn.参考信号

V1=Bsin(2πf2t+θ+φ)，

(3)

则经过相敏检波输出的信号为

(4)

如果低通滤波器的截止频率fw足够小的话，即满足fw<|fn-f2|和fw

(5)

假设参考信号的频率和涡流检测信号的频率相同，即可以得到

(6)

式(6)中有两个未知量A和φ.为了达到对涡流信号幅值提取的目的，采用正交锁相放大技术通过两路相敏检波器和两路低通滤波器以及两路参考信号为相位差90°的正弦信号进行提取.通过正交锁相放大器可以输出同相的I和正交的Q两个信号.

(7)

(8)

由I和Q可以求出幅值A，最终实现对涡流检测信号幅值提取的目的.

为了能够得到含有裂纹信息的信号，在数字电路中应设计数据采集模块.该模块的作用是对模拟信号进行处理，将模拟信号转换为数字信号后送入STM32中进行数据处理.由于STM32F4内部自带ADC为单极性且只有两个转换通道，不满足使用要求，故在该数据采集模块中选用4通道AD7606作为AD转换芯片.所有的采集通道都能以高达200 KSPS的采样速率进行采样，也可以使用多片AD7606级联组成多通道同步采集系统，因为每个输入端都有箝位保护电路，故AD7606芯片能承受最高达±16.5 V的电压[10].AD采集模块如图6 所示.

图6 数据采集电路图Fig.6 Data acquisition circuit

因为AD7606芯片具有同步采集功能，在进行数据采集时，只需将CONVSTA引脚和CONVSTB引脚进行连接就可以实现同步采集模式.同步采集模式就是实现所有通道同时进行数据采集.在需要同时采集多个通道数据时多数使用的就是同步采集模式.当AD7606芯片在同步采集模式下工作时，STM32F4微控制器就会给CONVSTA/CONVSTB引脚一个上升沿脉冲信号，从而实现多通道同步转换.AD7606芯片的BUSY引脚功能是表示信号转换状态，当CONVST引脚为上升沿信号时，BUSY引脚变为逻辑高电平，当整个转换过程结束时BUSY引脚变为逻辑低电平.当BUSY引脚为下降沿信号时，表示可以从并行总线DB[15∶0]，Dout A/Dout B 串行数据线路以及并行字节总线DB[7∶0]读取新数据[11].

3 轮毂轴承涡流裂纹检测系统试验

为了验证轮毂轴承涡流裂纹检测系统的性能，我们在之前铆合过程中找出带有不同大小的裂纹次品轴承进行验证，次品轴承可以分为4类：① 断裂性裂纹，裂纹长度在5 mm以上，深度2 mm 以上；② 明显裂纹，裂纹长度在2～5 mm，深度2 mm以下；③ 微小裂纹，裂纹长度在2 mm以下，深度 1 mm 以下；④ 铆合压痕.选用4种不同类型的裂纹在第3代汽车轮毂轴承涡流裂纹检测机上在线检测实验.4种不同类型的裂纹如图7 所示.

图7 不同类型裂纹Fig.7 Different types of cracks

把带有这4种裂纹的轴承依次放入轮毂轴承涡流裂纹检测装置之后，检测结果都为NG产品，其裂纹阻抗检测结果如图8～图11 所示.根据4种裂纹检测阻抗图可以看出，裂纹大小不同阻抗范围就会不同，当裂纹很大时，阻抗范围完全超出显示范围，这种裂纹最容易检测出来，当裂纹是微小裂纹时，阻抗范围超过椭圆阻抗安全范围，表示有裂纹存在.当没有裂纹时，阻抗范围不会超过椭圆安全范围，没有明显的阻抗变化，不会被剔除.

图8 断裂性裂纹阻抗图Fig.8 Fracture crack impedance map

图9 明显裂纹阻抗图Fig.9 Obvious crack impedance

图10 微小裂纹阻抗图Fig.10 Tiny crack impedance

图11 压痕阻抗图Fig.11 Impedance of indentation

4 结束语

本文根据涡流探伤原理确定轮毂轴承的裂纹检测方法；对轮毂轴承涡流裂纹检测系统进行了设计，包括STM32F4微处理器、DDS正弦激励信号发生模块、AD信号采集模块、自动平衡电路、锁相放大滤波、USB通信、上位机、裂纹阻抗显示等组成部分；根据轮毂轴承涡流裂纹出现的位置，确定采用两个涡流探头进行对轮毂轴承裂纹检测；最后通过对不同类型裂纹进行的检测实验，表明了轮毂轴承涡流裂纹检测系统能够有效检测出不同类型裂纹，并且能够通过显示屏实时显示裂纹阻抗平面图.降低了劳动成本，提高了轴承生产的自动化程度以及工厂效益.