基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法

摘要

本发明公开了一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测装置和方法，包括：竖直方向同轴设置的两个磁铁，两个磁铁同极相对设置，且在该磁极表面上的磁感应强度相同；设置在两个磁铁之间且带有放样口的检测容器，该检测容器内盛放有顺磁性介质溶液；所述检测装置用于横截面为中心对称结构的样品，样品高度不大于截面最大直径的3/4，且样品的磁化率小于1×10‑5。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明测试方法操作简单，对操作者要求不苛刻，且本发明的检测装置整体结构简单，成本低廉，测试结果易于观测，检测灵敏度高，易于实现自动化。

权利要求

1.一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法，其特征在于，实现所述检测方法的检测装置包括：竖直方向同轴设置的两个磁铁，两个磁铁同极相对设置，且在该磁极表面上的磁感应强度相同；

设置在两个磁铁之间且带有放样口的检测容器，该检测容器内盛放有顺磁性介质溶液；

所述检测装置用于横截面为中心对称结构的样品，样品高度不大于截面最大尺寸的3/-5

4，且样品的磁化率小于1×10 ；

所述磁极表面的磁感应强度为0.3T～0.6T；

两个磁铁同极之间的垂直距离为40～45mm；

所述检测方法的具体步骤如下：

(1)根据待检测样品材质不同，配置合适的介质溶液，保证待测样品置于介质溶液中时，能够漂浮在介质溶液中，然后将介质溶液置入检测容器；

(2)将待测样品置于检测容器的介质溶液中；

(3)将带有待检测样品的检测容器置于所述两个磁铁之间；

(4)在待检测样品稳定后，观察待检测样品在溶液中的姿态，确定样品中缺陷类型和缺陷位置；

在待检测样品检测前，构建任一坐标系，该坐标系Z轴方向与两磁铁轴心方向平行或重合，X轴和Y轴处于水平面上，按照步骤(2)～(4)对标准样品进行检测，确定标准样品中心的坐标值，得到标准样品的标准坐标值，以及标准坐标值所在的水平面，该水平面为标准面；

步骤(4)中观察待检测样品在溶液中的姿态，确定样品中缺陷类型和缺陷位置，具体为：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；缺陷处于平移方向的一侧；

当将待检测样品的中心坐标与标准坐标值x、y相同，即处于两个磁铁的轴线上，而穿过中心坐标的对称面与标准面重合平行，且不重合时，则说明该样品内部存在对称的缺陷。

2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法，其特征在于，所述介质溶液为氯化铁水溶液、氯化锰水溶液或者氯化钆水溶液。

3.根据权利要求1所述的基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法，其特征在于，所述介质溶液为氯化锰水溶液，氯化锰水溶液的摩尔浓度为1～5mol/L。

4.根据权利要求1所述的基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法，其特征在于，样品为横截面为圆形的高分子材料。

5.根据权利要求1所述的基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法，其特征在于，所述检测容器为透明容器。

说明书

基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于零部件缺陷检测领域，具体是涉及一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测装置和检测方法。

背景技术

[0002] 高分子材料是一类应用广泛的材料，渗透在我们生产生活的每个角落。在人工合成高分子产品之前，人们对高分子材料的应用主要是对天然材料的直接使用或简单加工使用。直到上世纪30年代，高分子科学的进步使得合成高分子可以实现工业化，高分子材料才进入了迅猛发展到时期。合成高分子材料由于其自身原料种类的多样化以及可以获得的分子结构的多样化，使得合成高分子材料可以获得适合工程应用的特性。一般来说，高分子材料相对传统工程材料都具有密度低，比强高，绝缘，吸振等特性，使其在工程应用中获得广泛的应用前景，并可以逐步取代一些传统材料。

[0003] 塑料和橡胶是高分子材料中应用最广的两类材料。目前塑料制品的主要制造方式为注塑制造。由于材料本身的特性以及不合适的工艺参数的影响，塑料制品很容易出现热缩，气孔，内部结构不均匀等缺陷。对于塑料制品的检测，外观检测主要依靠人肉眼检测，细小零件的外观检测更需要显微镜等设备，且检测结果不仅依靠仪器检测精度，对检测人员的经验水平也有一定要求。而对于内部缺陷的检测，则往往需要复杂且昂贵的检测方法。当需要无损检测时，需要使用超声探测(例如申请号为 201410802185.8的专利文献公开了一种激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析方法，该方法利用不同规格超声纵波探头多次采集扫查到的缺陷回波信号，然后通过信号分析系统和观察得到最红的缺陷情况)、激光检测(例如申请号为CN201410241352.6的专利文献公开了一种零件质量缺陷检测仪及利用该检测仪进行检测的方法，其由PLC控制系统控制各步进电机的运行，带动检测仪上的激光传感器扫描零件，向PLC控制系统传递数据，并将收集到的数据传递给计算机，由计算机将扫描到的数据与计算机数据库中标准零件的数据进行误差对比分析，检测出不合格的零件)或X射线检测。高昂的检测成本使得以上检测技术应用于塑料制品检测时，会显著提高塑料制品的成本。

[0004] 小型圆形截面塑料零件是塑料零件中很常见的一类塑料，大部分回转件、密封件以及功能零件都具有此类特征。常见的如塑料齿轮、塑料密封圈、塑料垫圈、塑料光学透镜等。适用的检测方法如上所述，因此存在检测过程繁琐，检测成本高昂的缺点。

发明内容

[0005] 本发明针对现有检测方式的问题，基于磁悬浮理论，提出了一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测装置，该检测装置整体结构简单，使用简便。

[0006] 本发明同时提供了一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法，利用该方法可以快速检测出样品中是否存在外部或者内部缺陷，检测效率和精度高，实用性强。

[0007] 一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测装置，包括：

[0008] 竖直方向同轴设置的两个磁铁，两个磁铁同极相对设置，且在该磁极表面上的磁感应强度相同；

[0009] 设置在两个磁铁之间且带有放样口的检测容器，该检测容器内盛放有顺磁性介质溶液；

[0010] 所述检测装置用于横截面为中心对称结构的样品，样品高度不大于截面最大尺寸的3/4，且样品的磁化率小于1×10-5。

[0011] 样品高度不大于截面最大尺寸的3/4，对于圆形横截面的样品，截面最大尺寸即为直径大小，防止样品发生翻转，干扰检测结果的判定。所述检测容器由不具有铁磁性的材料制成，避免其对检测结果的不良影响。

[0012] 对于被检测的样品，无缺陷的样品应当为对称且密度均匀的试样，在装置中检测时，应当处于相应的密度梯度上保持一定的高度z且保持水平的姿态。

[0013] 作为优选，所述磁铁相对设置磁极表面的磁感应强度为0.3T～0.6T。

[0014] 作为优选，两个磁铁同极之间的垂直距离为40～45mm。

[0015] 作为优选，所述介质溶液为氯化铁水溶液、氯化锰水溶液或者氯化钆水溶液。

[0016] 作为进一步优选，所述介质溶液为氯化锰水溶液，氯化锰水溶液的摩尔浓度为1～3
5mol/L。此时，其密度约为1.0～1.3g/cm ；磁化率约为1.7～5.5，可满足大部分塑料橡胶样品的检测。

[0017] 作为优选，样品为横截面为圆形的高分子材料。例如可以橡胶密封圈进行检测，可对PMMA透镜镜片进行检测等。

[0018] 作为优选，所述检测容器为透明容器。所述检测容器由不具有铁磁性的材料制成，避免其对检测结果的不良影响。同样，也可根据需要在不透明的检测容器中设置检测镜头等，通过外接的显示器可实现对样品状态的检测。作为进一步的改进，可通过与计算机连接，实现自动化识别。

[0019] 本发明还提供了一种基于磁悬浮的零件缺陷的检测方法，采用上述任一技术方案所述的装置，具体步骤如下：

[0020] (1)根据待检测样品材质不同，配置合适的介质溶液，保证待测样品置于介质溶液中时，能够漂浮在介质溶液中，然后将介质溶液置入检测容器；

[0021] (2)将待测样品置于检测容器的介质溶液中；

[0022] (3)将带有待检测样品的检测容器置于所述两个磁铁之间；

[0023] (4)在待检测样品稳定后，观察待检测样品在溶液中的姿态，确定样品中缺陷类型和缺陷位置。

[0024] 为进一步提高检测精度，作为优选，可在待检测样品检测前，构建任一坐标系，该坐标系的Z轴方向与两磁铁轴心方向平行或重合，X轴和Y 轴处于水平面上，按照步骤(2)～(4)对标准样品进行检测，确定标准样品中心的坐标值，得到标准样品的标准坐标值，以及标准坐标值所在的水平面，该水平面为标准面。本发明中，所提到的标准样品是指内部、外部均无缺陷为样品。

[0025] 作为优选，步骤(4)中观察待检测样品在溶液中的姿态，确定样品中缺陷类型和缺陷位置，具体为：首先判断待检测样品中心坐标和穿过中心坐标的对称面是否与标准坐标值和标准面对应：如果对应，则说明检测样品无缺陷；如果不对应，则说明检测样品有缺陷。

[0026] 作为进一步优选，更为具体的步骤为：

[0027] 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；

[0028] 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；

[0029] 当将待检测样品的中心坐标与标准坐标值x、y相同，即处于两个磁铁的轴线上，而穿过中心坐标的对称面与标准面重合平行，且不重合时，则说明该样品内部存在对称的缺陷。

[0030] 本发明上述基于磁悬浮装置的零件无损检测方法，其原理如下：两块同极相对、表面磁感应强度相同的强磁铁，表面磁场强度同为B0在磁铁中心的连线(我们称作“轴线”)上会产生从-B0到B0的线性的磁感应强度梯度。上下两磁铁中心线连线上磁场 分布为[0031]

[0032] 其中，B0为磁铁表面磁感应强度，Bx、By、Bz分别为磁感应强度在x、 y、z轴方向的分量，d为两磁铁间距离。两块磁铁间若存在顺磁性化合物溶液(介质溶液)，则磁场会对溶液中的抗磁性物质或者磁化率很低的物质产生沿磁感线方向的力，其表达式如下：

[0033]

[0034] 式中： 是磁场产生的力，χs是被检测样品的磁化率，χm是介质溶液的磁化率，μ0为真空磁导率，V为被测样品体积， 为梯度算子。根据磁悬浮理论，处于磁场中任意位置的被测样品所受到的磁场力在x、y轴方向分力的合力指向两磁铁中心线，对于没有缺陷被测物体，其最终平衡位置将处于两磁铁中心线上。平衡方程为：

[0035]

[0036] 式中ρs为样品密度，ρm为溶液密度， 为重力加速度。通常地，被测物质为抗磁性物质或者磁化率非常低，其磁化率可以忽略不计。

[0037] 被测样品外观不完整缺陷破坏了样品的形状对称性，但并未对样品整体的密度均匀性以及局部密度均匀性产生影响。多数情况下，缺陷多发生在样品边缘位置，当缺陷样品处在正常样品(标准样品)平衡位置时，缺陷部分因为材料缺失，无法平衡其对称区域在XOY平面上所受的磁场力，样品会被推向外形不完整方向，并最终达到新的平衡位置时，表现为样品原中心位置与磁场中心连线出现偏差。

[0038] 被测样品内部缺陷引起区域的密度均匀性出现变化。缺陷区域的密度均匀性变化，导致该区域χs与ρs的变化。缺陷样品处于正常样品的平衡位置时，与正常样品相比，缺陷部分所受浮力和重力合力由于密度均匀性产生的变化。这个变化导致区域内磁场力和重力浮力合力产生的力矩不再平衡，从而导致样品出现偏转。通常情况下，缺陷产生位置，ρs变小，因此该区域会出现向上偏转的现象。极端情况下，被测样品的内部缺陷关于样品中心对称，在溶液中表现为水品姿态，但是由于内部存在缺陷，样品整体平均密度出现变化，缺陷样品的平衡高度z’高于无缺陷样品平衡高度z。

[0039] 本发明的检测装置和检测方法特别适于圆形截面塑料零件缺陷的检测，实际检测过程中，应当在检测前根据产品材料估测产品的密度，同时配置相应的介质溶液。如需要精确计算溶液磁化率，可以用古埃法测定溶液磁化率。通过调整密度大小，实现对介质溶液密度和磁化率的调整。

[0040] 本发明中，介质溶液在磁场作用下对置于溶液中的抗磁性物质会产生相应的力，力的大小与磁感应强度以及溶液磁化率相关。磁极相对的磁铁间会产生线性变化的磁感应强度梯度，在溶液中产生的力也表现为线性梯度。应用该方法检测圆形截面塑料零件内外部缺陷，优点在于对圆形截面塑料零件的无损检测以及检测的便捷性和低成本。

[0041] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明测试方法操作简单，对操作者要求不苛刻，且本发明的检测装置整体结构简单，成本低廉，测试结果易于观测，检测灵敏度高，易于实现自动化。

附图说明

[0042] 图1是本发明的基于磁悬浮的零件缺陷的检测装置的主视结构示意图。

[0043] 图2是本发明的基于磁悬浮的零件缺陷的检测装置的仰视结构示意图。

[0044] 图3是本发明用于小尺寸塑料光学透镜外观不完整缺陷检测的主视结构示意图。

[0045] 图4是图3所示附图的仰视结构示意图。

[0046] 图5是本发明用于小尺寸塑料光学透镜内部缺陷检测的主视结构示意图。

[0047] 图6是图5所示附图的仰视结构示意图。

具体实施方式

[0048] 为使本发明被更清楚地理解，下面根据本发明的具体实例及附图，对本发明进行进一步的说明。

[0049] 如图1和图2所示，是本发明的磁悬浮装置原理图，包括磁铁1、磁铁4，介质溶液2，试样3，检测容器5。磁铁1、磁铁4竖直方向上同轴设置，且同极相对设置，图1中，两个磁铁的N极相对设置，均朝向检测容器。

[0050] 检测容器5为上部开口的透明容器，一般可采用玻璃，塑料等材质。

[0051] 磁铁1、磁铁4在N极表面的磁感应强度相同，一般为0.3T～0.6T，本实施例中，磁铁1、磁铁4在N极表面的磁感应强度为0.5T。磁铁1、磁铁4N极表面之间的距离为d，d一般为40～45mm，本实施例中，d取值为45mm，两磁铁中心连线高度d/2处为磁感应强度为0T。

[0052] 介质溶液2选择摩尔浓度为1～5mol/L的氯化铁水溶液、氯化锰水溶液或者氯化钆水溶液。本实施例中，选择的介质溶液2为2.5M的MnCl2溶液，其浓度与密度和磁化率的关系如表1所示：

[0053] 表1是不同浓度MnCl2溶液所对应的密度和磁化率。

[0054]浓度(mol/L) 密度(g/cm3) 磁化率
1 1.099 1.774×10-4
-4
1.5 1.148 2.771×10
2 1.196 3.724×10-4
2.5 1.244 4.650×10-4
3 1.292 5.438×10-4

[0055] 通过表1可知，可通过调整MnCl2溶液的浓度，实现对其密度和磁化率的调整。

[0056] 检测装置用于横截面为中心对称结构的样品，样品高度不大于截面最大直径的3/4，防止样品发生倾斜，样品的磁化率小于1×10-5。采用本发明的方法对PMMA透镜进行检测，所述样品3为Φ10×3.0双凸透镜，其为抗磁性物质。

[0057] 本实施例中，圆形界面塑料零件的磁悬浮检测方法，包括：

[0058] (1)根据试样材料估计试样密度。

[0059] 配置合适浓度的介质溶液，摩尔浓度为2.5M，保证样品在溶液中可以浮起。配置好介质溶液后，将其倒入检测容器中。

[0060] 在检测之前可对，可配置浓度为整数摩尔每升的介质溶液，进行密度与磁化率的标定，根据估算的样品密度，即可直接得出需要配置的介质溶液的浓度。

[0061] 一般情况下，在合适的范围内，溶液密度略小于试样密度。

[0062] (2)将待检测样品置于介质溶液中。

[0063] (3)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中的两个磁铁中间。

[0064] (4)观察被测试样在溶液中的位置与姿态。

[0065] 可在待检测样品检测前，构建任一坐标系，Z轴方向与两磁铁轴心方向平行或重合，按照步骤(2)～(4)对标准样品进行检测，确定标准样品中心的坐标值，得到标准样品的标准坐标值，以及标准坐标值所在的水平面，该水平面为标准面。此处的标准样品是指内部、外部均无缺陷为合格透镜。合格透镜置于装置中，中心位置应当位于磁场中心连线上，姿态应与水平面保持水平，且中心水平对称面位于标准面上。样品在溶液中浮起高度为标准高度Z。

[0066] 步骤(4)中观察待检测样品在溶液中的姿态，确定样品中缺陷类型和缺陷位置，具体为：首先判断待检测样品中心坐标和穿过中心坐标的对称面是否与标准坐标值和标准面对应：如果对应，则说明检测样品无缺陷；如果不对应，则说明检测样品有缺陷。

[0067] 更为具体的步骤为：

[0068] 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；

[0069] 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；

[0070] 当将待检测样品的中心坐标与标准坐标值x、y相同，即处于两个磁铁的轴线上，而穿过中心坐标的对称面与标准面重合平行，且不重合时，则说明该样品内部存在对称的缺陷。

[0071] 图3和图4为透镜样品检测外观不完整缺陷示意图，其中缺陷位置为 A。透镜的外观不完整缺陷在装置中表现为透镜中心偏离两磁铁中心连线，偏离方向为缺陷产生方向，偏离距离大小取决于缺陷大小。

[0072] 图5和图6为透镜样品检测内部缺陷示意图，其中缺陷位置为B。透镜的内部缺陷引起透镜内部密度分布不均匀，表现为透镜在装置中发生偏转，向上偏转方向为缺陷产生方向，偏转角度大小取决于缺陷大小。

[0073] 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。