分享：基于電磁感應的軸類零件尺寸檢測

在我國智能制造裝備技術(shù)中，高精度的加工和檢測是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，航空航天、兵器和船舶等領(lǐng)域?qū)S類零件復雜程度的要求越來越高。目前針對軸徑的非接觸檢測方法主要有機器視覺和深度學習檢測技術(shù)，但在精度和效率上均難以滿足現(xiàn)有國家標準的技術(shù)要求。為響應國家新質(zhì)生產(chǎn)力對高精度檢測技術(shù)的迫切需求，亟需開發(fā)新技術(shù)來完成軸類零件的高精度檢測。2021年，EL HACHEM等[1]提出了使用深度學習算法實現(xiàn)汽車行業(yè)質(zhì)量控制自動化的系統(tǒng)方案，即使用自動視覺檢查來幫助管理當前的零件精度、制造狀態(tài)等。2023年，VAISHNAVI等[2]提出基于智能超參數(shù)調(diào)諧深度學習的復制-移動圖像檢測技術(shù)建模，對待測零件進行全方位拍照，通過深度學習分析其幾何特征及相對空間位置完成質(zhì)量評價。2024年，DESHPANDE等[3]將Sentinel多光譜圖像檢測技術(shù)應用到微小零件的幾何參數(shù)評價中，以提高影像檢測技術(shù)的精度。我國軸類零件非接觸式檢測研究起步較晚，2022年，孫建國等[4]展開了機器視覺識別檢測技術(shù)在發(fā)動機生產(chǎn)制造中的應用研究，提出了針對發(fā)動機零件外觀特征的視覺檢測方案。2023年，柴震等[5]開展藍光掃描技術(shù)在輕量化車身覆蓋件模具設計中的應用，提出了針對試模件和模具腔體的檢測方案。 

綜上可見，機器視覺與深度學習技術(shù)已開始應用于國內(nèi)外的工業(yè)檢測領(lǐng)域之中，并取得了一定的效果。但分析可以發(fā)現(xiàn)，對于復雜軸類零件的軸徑及表面特征或環(huán)形的零件，目前的檢測技術(shù)和任務參數(shù)都比較單一，且檢測效率和精度較低。文章提出了基于電磁感應的軸類零件尺寸檢測方法,并通過試驗驗證了該方法的可行性,為后續(xù)軸類零件非接觸測量設備開發(fā)、優(yōu)化和逆向建模技術(shù)提供參考。 

1.   檢測原理

給軸類零件施加高頻激勵電流，則有I=Imsin ωt。其中I為電流；Im為電流幅值；w為頻率；t為時間。激勵電流在軸類零件表面產(chǎn)生趨膚效應，磁場能量主要集中在軸類零件的外表面[6]。采用高精度的磁傳感器采集軸類零件表面的磁感應強度，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對獲取的磁感應強度進行濾波和降噪處理，計算得出軸類零件的尺寸信息并輸出報告，電磁感應檢測原理如圖1所示。 

圖  1  電磁感應檢測原理示意

2.   仿真分析

2.1   建立仿真模型

仿真模型中待檢測的軸類零件尺寸示意如圖2所示。采用Anasys Maxwell有限元仿真軟件進行三維參數(shù)化建模，如圖3所示。該模型主要包括：待測軸類零件，電流源，空氣計算域及求解面等。首先通過軟件自帶電流源給待測軸類零件輸入電流源I=Imsin ωt，Im取1 A，ω取500 Hz。為滿足計算區(qū)域封閉要求，必須將電流輸入端和輸出端與空氣域表面接觸，然后對模型進行網(wǎng)格劃分，對待測零件進行自定義網(wǎng)格劃分，如圖4所示，其網(wǎng)格最大尺寸為0.1 mm，可知在軸類零件近表面的網(wǎng)格較密，符合趨膚效應的求解原則，對空氣域采用軟件自適應劃分的方式，計算空氣域尺寸（長×寬×高）為38 mm×24 mm×20 mm，邊界設置為氣球邊界Balloon[7-8]。最后將求解器設置為渦流（Eddy current）方式，分析軸類空間磁感應強度的大小和分布規(guī)律。 

圖  2  待測軸類零件尺寸示意

圖  3  三維有限元仿真模型

圖  4  網(wǎng)格劃分顯示

2.2   仿真結(jié)果分析

軸類零件在施加高頻電流后產(chǎn)生的磁感應強度的分布示意如圖5所示，可見磁感應強度主要集中在零件近表面。為進一步確定磁感應強度大小，選取直徑為10 mm的軸段，在坐標系yOz平面建立求解線，其起點為（0，0，0），終點為（0，0，8），磁感應強度變化曲線如圖6所示，可見從軸類零件中心軸線起磁感應強度逐漸增強，在軸類零件表面出現(xiàn)最大值，然后快速減小至0。此結(jié)果表明采用電磁法檢測軸類零件尺寸具有可行性。 

圖  5  軸類零件的磁感應強度分布示意

圖  6  軸類零件的磁感應強度變化曲線

不同激勵頻率及不同激勵電流下，軸類零件空間磁感應強度變化規(guī)律如圖7所示，可見不同激勵頻率下，頻率從100 Hz增加至500 Hz時，軸類零件表面發(fā)生的趨膚效應越來越明顯，且產(chǎn)生趨膚效應的深度越來越小，空間磁感應強度最大值幾乎相同，在遠離軸類零件后磁感應強度也是迅速減小且變化規(guī)律基本保持一致。不同激勵電流下，電流從1 A增加至8 A時，空間磁感應強度除了最大值逐漸增大外，曲線變化趨勢基本一致。故通過改變激勵源的電流和頻率可以增加趨膚效應和提高空間磁感應強度，在后續(xù)利用電磁法檢測不同尺寸規(guī)格的軸類零件時也有必要選擇合適的激勵參數(shù)，以確保檢測精度和效率。 

圖  7  不同激勵頻率及不同激勵電流下，軸類零件空間磁感應強度變化規(guī)律

3.   軸類零件幾何參數(shù)計算方法

3.1   數(shù)學模型建立

對待測軸類零件施加激勵電流為1 A，激勵頻率為500 Hz的電流信號，通過提取每個軸段橫截面上從軸線至遠處的磁感應強度變化情況，獲取測點位置的磁感應強度，結(jié)果如表1所示，測點具體位置分布示意如圖8所示。由表1及圖8可知，軸類零件直徑越大磁感應強度越小，為了深入確定磁感應強度是否和軸徑存在一定的關(guān)系，利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件中的曲線擬合功能對各測點的磁感應強度和直徑尺寸進行擬合處理，結(jié)果如圖9所示。其擬合函數(shù)為$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">·</span>{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">e</span>}}^{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">-</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">/</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">+</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}$，其中y為軸徑，x為磁感應強度，A1為修正系數(shù)，t1為曲率，y0為初始磁感應強度，相關(guān)度R2=0.998 99，表明該數(shù)學模型可信度和匹配度高。 

圖  8  檢測點位分布位置示意

圖  9  各測點測量數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

3.2   確定檢測點位的方法

直徑為10 mm的軸截面上方水平位置的磁感應強度變化規(guī)律如圖10所示。測量起點坐標為（0，5，6），終點坐標為（0，－5，6），總長度為10 mm?？梢钥闯鲈谳S徑正上方磁感應強度出現(xiàn)最大值，因此在確定軸徑檢測點時，應該在垂直于軸線方向前、后尋找磁感應強度最大值來計算待測零件軸徑，以提高檢測精度。 

圖  10  直徑為10 mm的軸截面上方水平位置的磁感應強度變化規(guī)律

4.   試驗分析

4.1   試驗臺介紹

試驗臺結(jié)構(gòu)示意如圖11所示。其由硬件和軟件組成，硬件包括三坐標測量機、計算機和打印機；軟件包括計算機系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，測頭系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。待測零件為軸類零件，采用QGG高精度平口鉗進行定位裝夾，如圖12所示[9]。文章試驗采用的測頭系統(tǒng)由測座和測針組成，其中測座型號為HH-MI，根據(jù)待測零件尺寸選擇型號為TIP2BY21MM的測針，該測針直徑為2 mm，有效長度為21 mm，測量角度為A0B0。具體測量流程為：測頭校準-粗建坐標系-精建坐標系-測量幾何特征-評價幾何特征-輸出測量報告。為了安全完成此次試驗需要對測頭運行參數(shù)進行設置，將逼近/回退距離設置為2.54 mm，移動速度設置為80 mm/s，觸測速度設置為2 mm/s，探測距離設置為0。在自動模式下完成所有待測幾何特征測量，選擇位置命令中的“位置”對軸徑進行評價[10]。三坐標測量流程框圖和測頭軌跡線示意如圖13，14所示。 

圖  11  試驗臺結(jié)構(gòu)示意

圖  12  待測軸類零件裝夾示意

圖  13  軸類零件自動測量程序框圖

圖  14  測頭軌跡線示意

4.2   試驗結(jié)果分析

根據(jù)待測零件圖紙建立三維模型，將模型的IGES格式導入Anasys Maxwell有限元仿真軟件中的三維計算模塊，通過施加激勵電流為1 A，激勵頻率為500 Hz的電流信號獲取零件表面磁感應強度，利用數(shù)學模型反推出待測零件軸徑尺寸。將三坐標測量機的測量值和數(shù)學模型的計算值進行對比，結(jié)果如表2所示，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)測量值和計算值基本一致，且計算值的相對誤差不超過0.05%，精度達0.005 mm，滿足技術(shù)要求，進一步說明利用電磁法檢測軸類零件直徑的方法可行且精度較高。 

5.   結(jié)論

（1）通過建立三維軸類零件檢測仿真模型，獲取軸類零件表面的磁感應強度，建立磁感應強度和軸類零件直徑之間的數(shù)學算法，利用磁感應強度變化規(guī)律確定檢測點位，可以提高尺寸檢測精度。 

（2）電流頻率直接影響趨膚效應的深度，電流大小直接影響待測零件表面的磁感應強度，此結(jié)論對后續(xù)檢測不同規(guī)格零件時的激勵參數(shù)選取有著重要的參考價值。 

（3）通過三坐標測量機完成待測零件檢測并輸出報告，對比結(jié)果表明計算值和實測值基本一致，且計算值的相對誤差不超過0.05%，滿足零件檢測精度要求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)