车辆制动盘全自动视觉磁粉探伤机的研制

2017-09-15张立军

制造业自动化 2017年8期

关键词：磁化磁粉机械手

李静，张立军，韩慜

（长春工业大学机电工程学院，长春 130012）

车辆制动盘全自动视觉磁粉探伤机的研制

李静，张立军，韩慜

（长春工业大学机电工程学院，长春 130012）

为克服传统制动盘探伤检测的缺点,研究并设计了车辆制动盘全自动视觉磁粉探伤机。利用机器视觉对车辆制动盘进行了磁粉探伤检测并具体介绍了磁粉探伤检测方法及相关工艺参数的确定,对比已有算法提出了复合式阈值分析算法来识别真伪缺陷，同时阐述了探伤机的结构、原理及功能，分析并设计了磁化装置及机械手并通过模拟仿真试验证明了设计的可行性，为流水线式生产提供了巨大的指导意义。

机器视觉；全自动；磁粉探伤；制动盘

0 引言

车辆制动多数是采用摩擦式制动[1]，制动时瞬间产生的巨大的热量和压力会导致制动盘面上产生热裂纹。随着制动次数的增加，裂纹会逐渐扩散，情况严重会导致制动盘崩裂，给行车安全带来直接影响，因此新制、段修、厂修的制动盘均需要探伤检测。传统的检测设备需要专门的检测人员在暗室中对磁化的物件进行检测，这不仅劳动强度大而且检测也存在主观因素，紫外线的照射对身体也有危害。在机器视觉发展快速的当代，可以利用工业摄像头和智能算法来代替人，完成并解决上述问题[2]。

运用荧光磁粉探伤对铁磁性材料的表面及近表面进行缺陷检测已经是相对成熟的一种技术。早在20世纪80年代，为了确保车辆在交通运输过程的安全运行，就开发了对轮对的自动荧光磁粉探伤机，但现如今的半自动化检测设备都存在一些缺点，如探伤效率低，劳动强度大，通用性差，不利于制动盘的自动化检测等。因此，研制一台制动盘磁粉全自动视觉探伤机，不仅能极大提高检测精度，减轻工作人员的劳动强度，提高工作效率，同时提高自动化程度，有利于制动盘检测。

1 制动盘结构及无损检测方法的选择

1.1 制动盘的结构与特性

制动盘材料一般是灰铸铁或添加Cr、Ni等合金铸铁类磁性物质，外形类似于碟形。汽车制动盘结构图如图1所示。

图1 汽车制动盘结构图

1.2 无损检测方法筛选及磁粉检测原理

目前应用最广的无损检测方法是涡流检测法，磁粉检测法，液体渗透检测法，射线检测法和超声检测法。相比于磁粉检测，其他检测方法的缺点如表1所示。

表1 各无损检测方法缺点

磁粉检测可以发现裂纹、夹杂、折叠和输送等多种缺陷，能直观的表示出缺陷的形状、大小和严重程度，具有很高的灵敏度，可以检测到的最小宽度可到达0.1um，不受形状限制，并且利用多种磁化方法，能检测到任何位置[4]，因此选择磁粉检测。磁粉检测的原理是在缺陷处磁场线外泄，荧光磁粉被吸附，形成两端少中间多的山峰形状以此来判断去缺陷程度，如图2所示。

图2 磁粉检测原理图

2 汽车制动盘磁粉全自动视觉探伤机视觉系统的研究

2.1 机器视觉系统组成

现如今的机器视觉系统包括两种应用[5]，一种是探测应用，主要以观测、测量、检测为主；另一种以制造为主，即运用相关的软件与设备相结合来进行制造。依据两种应用，机器视觉系统划分为如图3所示。

图3 机器视觉系统的构成

2.2 复合式阈值分析算法

制动盘在检测过程中因为自身表面不光滑、油渍、荧光液在表面残留、紫外线灯反光、磁粉被均匀吸附在物件表面等原因而形成伪缺陷[6]。这种情况下，原有算法不能解决这些复杂的问题，而基于分水岭聚类的裂纹识别方法能清晰的识别这些伪缺陷，但所需时间较长。这类算法通用性差，因此提出了复合式阈值分析算法来解决这些问题[7]。

制动盘经清洗、磁化和淋粉后在暗室中用紫外光照射获得前期图像；然后进行灰度化，取整之后得到灰度为0～255级的灰度图像；最终在一定程度上改变三个分量，消除杂光等对图像的影响。在初期的降噪之后，利用梯度算法能够形象的表现出图像的灰度信息和边缘信息的上升沿和下降沿，从而确定缺陷的真伪。

算法步骤如下：设定较小的梯度阈值A1；通过式1计算每个点的梯度值di：

若（1）|di|＞A1，则保留di原值；（2）|di|≤A1，则|di|=0；确定di后，若（1）di＞0，则将i点标记为1；（2）若di＜0，则将i点标记为-1；这样标记为1的点是图像的上升边缘点，标记为-1的点是图像下降边缘点，而标记为0的则不是边缘点，此时0点区域称为判别区。

当判别区较小时，条纹式裂纹与荧光液的水流痕迹造成的伪缺陷难以区分，因此需要给定另外一个较A1大的阈值Ax进行判别，按照式(2)将1与-1所在的灰度值提取求均值与Ax进行判别。

式中：xi为i点的灰度值。当小于Ax时判定为伪缺陷，否则判断为真缺陷。

当判别区较大时，这时的伪缺陷一般是制动盘内部的气泡导致的，反光是造成这种伪缺陷的干扰因素。区分这一缺陷的方法是将提取出来的目标点的灰度值按照公式(3)进行标准差计算并与预先给定的标准差W进行对比。

式中：xi为判别区的灰度值。如果比W小，说明此处是伪缺陷，否则为真缺陷。算法流程如图4所示。

2.3 实验验证

为验证该方法是否正确，截取一张经由磁化之后的荧光磁粉图片，灰度化后该图片中含有两种缺陷，分别为荧光灯造成的伪缺陷A和狭小细长的线性缺陷B。

图4 复合式阈值分析算法流程图

图5 真伪缺陷灰度图

图5的A、B两处缺陷可以形象的显示出在实际检测中可能出现的情况，在制动盘检测中一般会出现真实的线性缺陷B和伪缺陷A，其中A也可以表示出附着液造成的为缺陷。首先将选取的荧光磁粉图片在MATLAB中转化为灰度图像然后在灰度图像中提取灰度值。

从灰度图中得到了594*794的灰度值矩阵，这么大的数据量对数据处理造成了困难，所以先选取Ax进行初步的筛选，把低于该值的数值去掉，这样简化数据量，加快数据的处理。然后从灰度值矩阵中把A处位置的相应灰度值调出。按照上述算法对数据进行处理。处理情况如表2所示。

通过部分数组表示出该处属于判别区较大的区域，要提取判别区灰度值求标准差，从而与预先给定的W进行大小比较决定A出是否为缺陷。显然，该处是由于图像采集过程中紫外线光由于液面反射造成的，是伪缺陷。而梯度法和自适应动态阈值分隔法只能区分此处存在缺陷，并不能识别真伪。

表2 A处数据处理表

提取B处的相应灰度值按照上述算法得到数据，如表3所示。

表3 B处数据处理表

(c)判别数值表1 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 0 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1

通过部分数组判别出该处属于判别区较小的区域，要经过提取i点及1、-1点的灰度值求均值，从而与预先给定的W进行大小比较决定B出是否为缺陷。对于线性缺陷的真伪的判别，在于灰度值的大小。真实的缺陷灰度值大，而伪缺陷灰度值相对比较小。而基于分水岭聚类的裂纹识别方法能区分真伪但计算量过于大，不适应在线检测。

3 制动盘全自动视觉磁粉探伤机的设计

3.1 整机设计

动盘荧光磁粉探伤机的结构复杂，三维简化图如图6所示。

图6 全自动制动盘荧光磁粉探伤机的结构简图

整机结构简图如图7所示。

通过输送线的传送，将制动盘传递到磁化装置处，经变压器的磁化装置给制动盘磁化；然后经喷洒装置时荧光磁粉在裂纹处吸附，而没起到作用的磁粉液经喷洒箱的回收下次使用；在暗室中经摄像机取像，判断其缺陷的有无，传送命令给旋转台，判断制动盘是否通过筛选；随后通过筛选的制动盘及退磁机退磁，再经过清洗机的清洗完成整改检测过程。具体的流程图如图8所示。

图7 整机结构简图

图8 磁粉探伤机工作流程图

3.2 磁化装置设计

根据现有资料与数据，可得出利用中心导体法和线圈法能够完成制动盘的周向与纵向磁化，并且根据市场调查，并没有一类产品满足工件的周向与纵向的同时磁化。因此，根据设备的多重需求，对磁化装置重新设计，如图9所示。

图9 磁化装置设计图

当工件传送到磁化装置时，首先经过螺旋管所在的箱体，通过线圈法使得待检测的工件获得纵向磁化；当传送到导体上方时通过传感器使得传送装置停止运动，导体慢慢落下，给工件进行周向磁化；完成磁化后再经过一段距离的箱体，补充纵向磁化，这样就使得工件既获得了周向磁化又获得了纵向磁化。具体的工序如图10所示。

图10 磁化工序图

3.3 机械手的设计

从全自动荧光磁粉检测设备简图中可以看出，除了磁化装置影响到磁粉显示及缺陷识别外，机械手[10]也是影响缺陷显示的重要原因。它是由底座、手臂及末端执行装置组成。机械手承担着制动盘的平移、旋转等重要功能，承载着由前期的磁化过程过渡到检测过程的责任，在全自动探伤机中占有重要作用，是该设备的核心部件之一[8]。具体设计如图11所示。

图11 机械手设计图

机械手可以看成一系列连杆通过关节连接在一起的。根据D-H方法简历相关的机械手连杆坐标系如图12所示。

图12 机械手连杆坐标系图

其中d1=90，a2=175，a3=80，d4=75，根据参数建立连杆参数如表2所示。

表4 连杆参数表

接下来，利用SolidWorks进行建模，然后导入到Adams中进行运动学仿真，如图13所示。

图13 Admas运动仿真示意图

仿真结果如图14所示。

图14 Admas运动仿真结果示意图

通过上述仿真结果可得，末端执行器的最高位置max=316.9716mm，最低位置位min=85.592，满足需要条件，各关节的角速度、角加速度满足工作要求，各部件的距离满足工作空间要求。因此，该设计符合要求，机械手满足使用条件。根据数据完成最终设计图，如图15所示。

图15 机械手设计图

4 结束语

为了克服制动盘检测过程的不足，又能满足全自动化的要求，同时可以减轻检测人员的工作强度及保障检测人员身体健康，研究了全自动制动盘荧光磁粉探伤机。本文从该设备的研究理论及工作原理进行了阐述，对其关键部件进行了设计与分析，说明了制动盘安全在生产生活中的重要性，并从全自动化方向来说明它的必要性，该设备的研究在一定程度上弥补了我国在制动盘检测设备研制方面的空缺。

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Development of automatic vision magnetic particle flaw detector for brake disc of vehicles

LI Jing, ZHANG Li-jun, HAN Min