CN111650273B - 基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，包括：(1)将待检测柱形塑料件悬浮于磁悬浮检测装置的顺磁性介质溶液中；(2)稳定悬浮后，得到检测待检测柱形塑料件的悬浮高度和悬浮姿态；(3)利用得到的悬浮高度和悬浮姿态信息，得出待检测柱形塑料件的缩孔分布和/或缩孔率。本发明磁悬浮检测方法易于操作，过程安全。作为对比，现有工业CT检测方法非常复杂，在检测过程中需要防护设施来减少辐射对工人身体的危害。本发明利用磁悬浮检测柱形塑料件内部缩孔缺陷精度可靠，与传统CT检测或人工视觉检测相比，能够提供缩孔尺寸和缩孔分布的量化数据，为柱形塑料件的质量检测提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明属于产品质量检测技术领域，具体是涉及一种基于磁悬浮装置的柱形塑料件缺陷检测方法。
背景技术
塑料齿轮，被认为是传统金属齿轮的竞争替代品，具有着重量轻，易于制造，无油自润滑等优良性能。塑料齿轮在工业中有很广泛地应用，如航空航天、核能设备、家用电器等。塑料齿轮通常采用注塑成型的工艺来制造，在制造过程中会不可避免地出现内部缩孔这一缺陷，缩孔的大小和排布对产品的质量影响很大。缩孔的尺寸过大会引起齿轮内部的应力集中，降低机械性能，引发断裂；缩孔分布不均匀会引起齿轮质心偏移，在实际使用中引发噪声和振动。对于小尺寸塑料零件，一般采用工业CT，核磁共振等手段检测缩孔缺陷。这些检测方法存在以下的缺点：(1)检测过程较为繁琐，检测效率低，且对检测工人的技术要求高。(2)高精度缩孔检测需要昂贵的设备，检测成本高昂，不适用于大批量检测。
公开号为CN105548343A(公开日:2016.05.04)的专利文献以及公开号为CN108956754A(公开日：2018.12.07)专利文献均为本案申请人前期的工作。
公开号为CN105548343A的专利文献公开了一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测装置和检测方法，该方法仅能实现零件是否存在缺陷的检测，其具体判断时，当待检测样品中心坐标与标准坐标值重合，但是自身发生倾斜时，则该样品内部存在缺陷；缺陷一般处于发生倾斜的一侧；当待检测样品的穿过中心坐标的对称面与标准面重合，但是中心坐标发生偏离时，则说明该样品外部存在缺陷；缺陷一般处于平移方向的一侧。该方法进行对是否具有缺陷，以及缺陷的大概位置进行检测。
公开号为CN108956754A的专利文献公开了一种基于磁悬浮装置的塑料零件缺陷检测方法，该方法仅能对塑料零件的悬浮姿态进行判断和计算，通过悬浮姿态进一步判断该塑料零件是否存在缺陷。
上述两种方法均无法对塑料齿轮的空隙率大小、以及空隙分布状况无法实现检测。无法解决现存的上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，通过该方法能够快速判断出待检测柱形塑料件内缩孔率大小以及缩孔分布情况。
一种基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，包括：
(1)将待检测柱形塑料件悬浮于磁悬浮检测装置的顺磁性介质溶液中；
(2)稳定悬浮后，得到检测待检测柱形塑料件的悬浮高度和悬浮姿态；
(3)利用得到的悬浮高度和悬浮姿态信息，得出待检测柱形塑料件的缩孔分布和/或缩孔率；
所述磁悬浮检测装置包括两个同轴布置、同极相向、结构相同的磁铁。
本发明适用于抗磁性柱形塑料件或者类似的柱形塑料件的检测；所述柱形塑料件或者类似的柱形塑料件包括但不限于中心轴对称塑料件或者近似中心轴对称塑料件；比如塑料齿轮、塑料螺母等等。
步骤(1)中，根据待检测样品(待检测柱形塑料件)的材质不同，配置合适的介质溶液，保证介质溶液在磁悬浮装置中可以顺利悬浮起待测样品。在置于介质溶液之前，可以将待测样品用酒精浸润，去除表面杂质和气泡的影响，缓慢置于介质溶液中。
步骤(2)中，将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，待样品稳定悬浮后，通过照相机或者人工读取记录样品的悬浮高度和悬浮姿态。
步骤(3)中，可以通过构建数学模型，计算处样品内部缩孔的尺寸和分布情况，进一步的可以将得到的数据结果与合格样品进行对比，判断样品是否合格。
本发明的所采用的磁悬浮检测装置为两个同级相对设置，表面磁感应线强度相当的方形磁铁，待测样品所悬浮的介质溶液需要置于两块磁铁中间。待检测柱形塑料件悬浮于两块磁铁的中心线上。两个磁铁上下布置，待检测柱形塑料件悬浮于两个磁体之间。
作为优选，所采用的两块磁铁的表面磁感应强度为0.35～0.5T。
本发明中，可根据磁铁表面磁感应强度和所需测量精度选择合适的距离。两块磁铁中心连线的磁场分布为非线性排布。作为优选，两块磁铁之间的距离为45～60mm。
本发明在配置溶液时，首先估算待测样品(即待检测柱形塑料件)的密度，所采用的介质溶液密度略小于或等于待测样品的密度，使得待测样品能悬浮于两块磁铁的中心位置。为了提高测量精度，介质溶液的磁化率不宜过大，优选介质溶液的磁化率在4.00×10-4～4.5×10-4之间，因此为保证介质溶液的密度于待测样品相近，可以加入密度调整剂，调整介质溶液的密度。作为优选，介质溶液选用氯化锰水溶液，氯化镝溶液或氯化钆溶液，密度调整剂选用磁化率低的可溶性物质，如氯化钙。
本发明所述的样品(即待检测柱形塑料件)的悬浮高度，是指样品的形心高度和下部磁铁上表面的距离。本发明所述的样品的悬浮姿态，通过样品自身的坐标系和磁悬浮装置本身的坐标系间的相对位置关系进行定量比较。作为优选，以磁悬浮装置底部磁铁的上表面中心为原点，建立整个体系的坐标系(三个相互垂直坐标轴可以定义为x，y，z轴；z轴为两个磁铁的中心轴方向，x，y为下面磁铁上表面上的两个坐标轴)；以待测样品的形心为原点建立样品自身的随动坐标系(相互垂直的三个坐标轴可以定义为i，j，k，其中k轴方向为待检测柱形塑料件的中心轴方向，i,j 轴为位于待检测柱形塑料件形心的平面上的两个坐标轴)。
本发明中，待测样品置于顺磁性的介质溶液中，位于两块同级对置磁铁间，待测样品在磁场力，浮力和重力的三重作用，悬浮于溶液中的特定位置。待测样品的悬浮高度取决于待测样品的密度。对于柱形塑料件，内部的缩孔缺陷会导致其密度的变化，内部缩孔体积更大的柱形塑料件有着更小的密度。由于柱形塑料件通过精密注射成型制造而成，同批次制造的柱形塑料件有着基本一致的重量，因此认定柱形塑料件的缩孔率与其密度的倒数有着线性关系，其关系如下公式所示：
η为待检测柱形塑料件的缩孔率，ρs为待检测柱形塑料件的密度，k 和b是常数。本发明中，所述缩孔率利用上述公式计算得到。
所述ρs可以由现有的其他方法检测得到，也可以由待检测柱形塑料件稳定悬浮后的悬浮高度计算得到。如下公式解释了ρs与悬浮高度之间的内在联系：
其中
为与悬浮高度直接相关的项；
在具体确定ρs与悬浮高度h之间的关系式，针对不同参数的磁悬浮装置，其f(h)的表达式可以通过实验标定来获得的，比如可以采用标准密度的标定球进行特定磁铁间距条件下的磁悬浮检测，依次获得它们的悬浮高度。对标定球的标准密度和悬浮高度进行拟合，获得ρs与悬浮高度h之间的多项式。即可直接得到ρs与悬浮高度h之间的关系式。以两块磁铁之间的距离为60mm为例，可以利用标准密度分别为1.25g/cm3,1.30g/cm3, 1.35g/cm3,1.40g/cm3,1.45g/cm3等进行磁悬浮检测，依次获得它们的悬浮高度。对标定球的标准密度和悬浮高度进行拟合，获得用于60mm间距条件下的ρs与悬浮高度h之间的关系式：
ρs＝ρm-(-2417.54+185.7h-3.964h2+1.534×10-2h3)χm
这个多项式可用于60mm间距条件下的密度测量。
其中ρm是介质溶液的密度，单位为g/cm3，h为悬浮高度，单位为mm，χm是介质溶液的磁化率，无量纲；
所述k和b为常数参数，可以通过各种现有的方法计算得到。作为优选，所述k和b可通过两个或两个以上已知缩孔率和密度的样品计算得到。比如可由同一批次样品中两个已知孔隙率的样品联立获得。因此，该发明通过测量待测样品的悬浮高度来计算内部缩孔率。
待测样品的悬浮姿态取决于样品内部缩孔的分布，基于磁悬浮装置底部磁铁表面建立固定的笛卡尔直角坐标系：(x,y,z)，在柱形塑料件的形心处建立随动坐标系：(i,j,k)。样品悬浮于介质溶液中的总势能为公式(3)所示，式中，U为系统的总势能，Umag为系统的磁势能，Ugrav为系统的重力势能。V是待测零件(即待检测柱形塑料件)的体积。Δχ＝χs-χm，其中χs是待测零件的磁化率，χm是介质溶液的磁化率。μ0为真空中磁化率。
为磁场强度。
是固定坐标系中z轴方向的单位向量。Δρ＝ρs-ρm，ρs是待测零件的密度，ρm是介质溶液的密度。rcm＝(icm,jcm,kcm)是样品的质心在随动坐标系中的位置。
更进一步，公式(3)可化为公式(4)。公式(4)以样品的悬浮姿态为变量，分析了不同悬浮姿态下的样品势能，式中θ为样品的倾斜角度， H为两块磁铁的间距，λl为待测样品的惯量主轴，其计算公式为
l∈{i,j,k}。因为待测柱形塑料件为对称柱体结构，作为优选，可建立特定的随动坐标系，使得样品的质心rcm落于随动坐标系的i轴上为(icm,0,0)。根据最小势能原理可知，当
此时的待测零件处于稳定悬浮状态。
为了定量地分析内部缩孔的分布情况，本发明定义了一个新的概念：体积矩Mv,其计算方法如公式(5)。式中，Vtotal为内部缩孔的总体积。Li为内部缩孔的形心与样品形心的距离。ρs为待测样品的密度，ρv和ρr分别是内部缩孔的密度和非缩孔物质的密度。缩孔的不均匀分布会引起待测样品的质心发生偏移。在本发明中，通过测量样品的稳定悬浮姿态，可以定量地计算出缩孔的分布情况。
根据公式(4)，所述缩孔分布由如下体积矩Mv衡量：
其中，B0为所述磁铁的表面磁感应强度；Δχ＝χs-χm，其中χs是待检测柱形塑料件的磁化率，χm是介质溶液的磁化率；V是待检测柱形塑料件的体积；λl为待检测柱形塑料件的惯量主轴，其计算公式为
l∈{i,j,k}，i,j,k为以待检测柱形塑料件形心为原点建立的随动坐标系的三个坐标轴，k方向为待检测柱形塑料件的中心轴方向；μ0为真空中磁化率；H为两块磁铁的间距；ρv和ρr分别是待检测柱形塑料件内部缩孔的密度和非缩孔物质的密度；θ为稳定悬浮后待检测柱形塑料件在介质溶液中的倾斜角度。
本发明通过测量待测样品的悬浮高度和悬浮姿态来计算内部缩孔的大小和分布。在测量过程中，通过对磁悬浮设备中悬浮的样品进行图形处理，可以快速获得悬浮高度和倾斜角度，可以通过相机记录每个样品的稳定悬浮的状态，悬浮高度根据公式
来求得，其中Ns是图像中样品中心与下方磁铁表面的像素数，而Nh是两块磁铁相对表面间的像素数。当然也可以采用人工直接读取的方式获取悬浮高度等。
所述样品在介质溶液中的倾斜角度θ可以通过以下公式计算：
d为待检测柱形塑料件的厚度；d’为稳定悬浮后待检测柱形塑料件最高点和最低点的距离；L待检测柱形塑料件的直径。
待测样品为可近似为圆柱形结构，在磁悬浮检测之前，待测样品的厚度d和直径L通过直接测量获得。当样品在介质溶液中稳定时，样品最高点和最低点的距离d’可以通过图像处理来获得或者直接手工测量得到。
本发明中，对于被测的柱形塑料件，内部缩孔体积过大会引起整体密度变小，其在磁悬浮检测装置中的高度也会相应提高，故此本发明针对样品的高度变化，精确计算出被测样品的内部缩孔率。另一方面，内部缩孔分布不均匀会引起柱形塑料件的质心偏移，导致样品在悬浮时姿态发生偏转，故此发明针对样品悬浮时的偏转角度，提出体积矩的概念，定量评估样品的内部缩孔分布情况。上述两项指标为评估柱形塑料件的质量提供了理论依据。
所述柱形塑料件为柱形抗磁性柱形塑料件。本发明所适用的柱形塑料件，最大直径以5-20mm为宜，厚度以3-20mm为宜。
本发明原理基于磁悬浮理论，提出了一套快速检测柱形塑料件内部缩孔的理论方法，将待测零件放置于介质溶液中，将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，可以采用目测或者机器视觉快速识别样品的悬浮高度和悬浮姿态，通过理论计算求得样品内部的缩孔尺寸和分布情况，可以进一步将得到的缩孔数据与合格品的缩孔数据进行对比，判断待测零件是否合格；所述的介质溶液为顺磁性介质溶液；所述样品为抗磁性的柱形塑料件。
一种基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，利用上述任一项技术方案所述的检测方法检测得到所述缩孔分布和/或缩孔率，然后与标准合格品的缩孔分布和/或缩孔率进行比对，得出是否存在缩孔缺陷的结论。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明磁悬浮检测方法易于操作，过程安全。作为对比，现有工业CT检测方法非常复杂，在检测过程中需要防护设施来减少辐射对工人身体的危害。
(2)本发明利用磁悬浮检测柱形塑料件内部缩孔缺陷精度可靠，与传统CT检测或人工视觉检测相比，能够提供缩孔尺寸和缩孔分布的量化数据，为柱形塑料件的质量检测提供可靠依据。
(3)磁悬浮检测柱形塑料件的方法检测效率高，通常只需要一分钟就能完成单个样品的检测。最为对比，工业CT检测通常需要4小时来完成单个样品的检测。
(4)磁悬浮检测柱形塑料件的成本低廉。对于大批量的柱形塑料件检测，检测成本可低至1元/件。最为对比，工业CT所需的器材昂贵，检测成本通常在1000元/件。
附图说明
图1是本发明磁悬浮检测原理图；
图2是本发明测量悬浮姿态所需的参数图；
图3是本发明用于检测合格塑料齿轮的悬浮姿态图和合格塑料齿轮的 CT内部扫描图；
图4是本发明用于检测不合格塑料齿轮的悬浮姿态图和不合格塑料齿轮的CT内部扫描图。
具体实施方式
为使本发明被更清楚地理解，下面根据本发明地具体实例和附图，对本发明进行进一步地说明：
如图1所示，是本发明的磁悬浮检测原理图，包括两块同级对置的磁铁，容器，顺磁性介质溶液，待测零件。其中两块磁铁的规格相同，本实例中两个磁铁为表面磁感应强度B0为0.425T的方形磁铁，磁铁三维尺寸为50mm×50mm×25mm，两块磁铁之间的距离H为60mm。使用的介质溶液为顺磁性的MnCl2水溶液混合了密度调整剂CaCl2。
一种柱形塑料件的内部缩孔磁悬浮检测方法，包括：
(1)估计待测零件(本实施例以图2所示的塑料齿轮为例进行说明)的密度：本实例中待测零件材质为POM(聚甲醛塑料)，密度约为 1.3-1.5g/cm3。
(2)配置合适的介质溶液，本实例中所用的介质溶液为2.5M MnCl2混合 1.5MCaCl2，溶剂为水，该溶液的密度ρm为1.364g/cm3，磁化率χm为 4.42×10-4。
(3)将待测零件(本实施例中，待测零件为塑料齿轮，其磁化率χs约为0 如图2所示)放置于介质溶液中，并一并放入磁悬浮装置中，等待待测零件稳定悬浮。
(4)检测样品悬浮高度和倾斜角度，并计算出待测样品的内部缩孔率和缩孔分布。
其中待测塑料齿轮为厚度d＝9.15mm；内径为2mm，最大外径为7.2mm。
利用上述方法，分别针对合格塑料齿轮和不合格塑料齿轮进行缩孔率和缩孔分布检测。如图3所示，合格塑料齿轮悬浮高度为21.40mm，倾斜角度为1.8°。如图4所示，不合格塑料齿轮的悬浮高度为22.25mm，倾斜角度为39.3°。根据两个样品的悬浮高度与密度之间的公式：ρs＝ρm-(-2417.54+185.7h-3.964h2+1.534×10-2h3)χm，得到其密度值，如表1 所示。
根据公式：
其中ρr为1.433g/cm3，ρv为1.293×10-3g/cm3；待检测塑料齿轮的体积为1246mm3，λi 2为11.836mm2，
为6.387mm2，μ0为4π×10-7N/A2；
得到合格塑料齿轮和不合格塑料齿轮的体积矩数据，如表1所示。
结合图3和表1，可以看出对于合格的塑料齿轮，其内部缩孔率低，悬浮高度较低，密度较大；内部缩孔分布均匀，体积矩较小。而图4可以看出，不合格的塑料齿轮，内部缩孔率大，悬浮高度较高，密度较小；内部缩孔分布不均匀，体积矩较大。通过本发明，可以快速测得塑料齿轮的缩孔率和缩孔分布，为齿轮的质量评估提供数据支持。
表1
| 检测零件 | 不合格塑料齿轮 | 合格塑料齿轮 |
| 悬浮高度(mm) | 22.25 | 21.40 |
| 倾斜角度(°) | 39.3 | 1.8 |
| 检测密度(g/cm<sup>3</sup>) | 1.399 | 1.412 |
| 缩孔率(％) | 0.94 | 0.5 |
| 体积矩(mm<sup>4</sup>) | 21.56 | 1.07 |
以上所述仅为本发明的一个应用实例，并非对适用被测样品范围的限定。可应用本发明测量的零件，这里无需也无法一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，其特征在于，包括：
(1)将待检测柱形塑料件悬浮于磁悬浮检测装置的顺磁性介质溶液中；
(2)稳定悬浮后，得到检测待检测柱形塑料件的悬浮高度和悬浮姿态；
(3)利用得到的悬浮高度和悬浮姿态信息，得出待检测柱形塑料件的缩孔分布和/或缩孔率；
所述磁悬浮检测装置包括两个同轴布置、同极相向、结构相同的磁铁；
所述缩孔率利用下式计算得到：
η为待检测柱形塑料件的缩孔率，ρs为待检测柱形塑料件的密度，k和b是常数；
所述ρs由检测待检测柱形塑料件的悬浮高度得到，ρs与检测待检测柱形塑料件悬浮高度之间的关系式通过拟合得到；
所述缩孔分布由如下体积矩Mv衡量：
其中，B0为所述磁铁的表面磁感应强度；Δχ＝χs-χm，其中χs是待检测柱形塑料件的磁化率，χm是介质溶液的磁化率；V是待检测柱形塑料件的体积；λl为待检测柱形塑料件的惯量主轴，其计算公式为
l∈{i,j,k}，i,j,k为以待检测柱形塑料件形心为原点建立的随动坐标系的三个坐标轴，k方向为待检测柱形塑料件的中心轴方向；μ0为真空中磁化率；H为两块磁铁的间距；ρv和ρr分别是待检测柱形塑料件内部缩孔的密度和非缩孔物质的密度；θ为稳定悬浮后待检测柱形塑料件在介质溶液中的倾斜角度；
所述θ由以下公式计算得到：
d为待检测柱形塑料件的厚度；d’为稳定悬浮后待检测柱形塑料件最高点和最低点的距离；L待检测柱形塑料件的直径；
所述柱形塑料件为柱形抗磁性柱形塑料件，包括中心轴对称塑料件或者近似中心轴对称塑料件。
2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，其特征在于，所述两块磁铁为方形磁铁，待检测柱形塑料件悬浮于两块磁铁的中心线上。
3.根据权利要求1所述的基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，其特征在于，所采用的两块磁铁的表面磁感应强度为0.35～0.5T；两块磁铁之间的距离为45～60mm；介质溶液的磁化率在4.00×10-4-4.5×10-4。
4.根据权利要求1所述的基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，其特征在于，所述k和b可通过两个或两个以上已知缩孔率和密度的样品计算得到。
5.根据权利要求1～4任一项所述的基于磁悬浮装置的柱形塑料件缩孔缺陷检测方法，其特征在于，将得到的缩孔分布和/或缩孔率与标准合格品的缩孔分布和/或缩孔率进行比对，得出是否存在缩孔缺陷的结论。
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