误差分离理论在微机辅助轴类工件表面缺陷检测中的应用

　　1　前言

　　目前,铁路系统对车辆轴承表面缺陷进行无损检测普遍采用的方法是磁粉探伤法。作者与太原铁路分局车辆段合作,探索了一种利用误差分离理论对铁路轴承表面缺陷进行涡流无损检测的新方法和新技术,这对保障行车安全,提高生产效率,降低探伤成本,减轻劳动强度和改善工作条件有重要的价值。

　　关于误差分离技术和涡流无损检测技术的研究是在圆度测量和无损检测两个领域中分别独立地进行的。本文首次提出了把这两种技术结合起来对轴类工件表面进行无损探伤的四点法数学模型,并在此基础上建立了实验系统,对这一新方法进行了实验验证。实验结果表明这一新方法具有可行性。用涡流对轴类工件的表面缺陷进行无损检测,首先要解决工件的圆度误差和检测装置的主轴回转误差对表面缺陷信号的干扰,这就要涉及误差分离理论[1~5]。应用误差分离理论对轴类工件表面缺陷进行涡流无损检测的方法和技术,不仅是一种检测轴类工件表面缺陷的快速可靠、分辨率高的新方法,而且,还可以解决深孔内表面的无损探伤难题。涡流检测技术是一种正在兴起并逐渐发展的无损探伤技术。由于涡流对各种缺陷比较敏感,且具有体积小、结果可靠、不损坏试件和成本低廉等特点,因此有广阔的发展前景。目前,国内涡流检测的研究重点主要是在定性分析方面,主要是信号处理、分类和频谱分析等方面的信息积累工作;在定量分析方面也开展了一些工作[6,7]。

　　2　提取轴类工件表面缺陷信息的四点法数学模型

　　首先介绍误差分离三点法数学模型。如图1所示,设置于同一平面内理想的旋转中心O点,以之为原点,作与三测头固联的静直角坐标系XOY,使X轴与传感器A的轴线OA重合,设∠AOB=α,∠BOC=β,视被测工件做刚体平面运动,取工件主轴系统的瞬时旋转轴中心O′为极心,做极坐标系与被测工件固联,极角θ逆时针取向,以S(θ)标识工件的轮廓曲线(工件的圆度误差),以RX(θ)和RY(θ)标识极心的平动,即主轴回转误差在水平和垂直方向上的分量,工件的运动就可以用工件瞬时回转中心在静直角坐标系中的平动和工件本身在极坐标系中的转动来描绘它。

　　这样就可以得到三点法误差分离的原始方程

　　这样,利用误差分离技术,在一次安装中拾取不同方位的三个传感器的采样信号,即可同时求得工件的圆度误差和该时间样本上的主轴回转误差。

　　在基于误差分离理论提取轴类工件表面缺陷信息的四点提取法数学模型中,三个用于获取误差分离计算所需信号的传感器测头A、B、C在安装方法上,同三点法误差分离理论的数学模型不同(如图2所示),传感器A、B、C与被测工件之间各通过一金属块的传递同被测工件相接触。这样,传感器A、B、C的输出信号中就可以只包含工件的圆度误差和检测装置的主轴回转误差,而排除了包括表面缺陷信号在内的其它综合信号的干扰。此外,需再安装一个与被测工件非接触的传感器,其输出信号中不仅包含了被测工件的圆度误差和检测装置的主轴回转误差,而且还包含了包括工件表面粗糙度在内的裂纹、淬火(硬度、结晶结构)不均匀等各种表面缺陷的信息,故称为综合信号传感器S。从其采样信号中分离掉工件的圆度误差和检测装置的主轴回转误差后,便可以获得反映表面缺陷的信号。