汽車(chē)輪轂是汽車(chē)輪胎內(nèi)廓支撐輪胎的一個(gè)金屬部件，是車(chē)輛承載的重要部件，其質(zhì)量直接關(guān)系到人的生命安全。輪轂一般由輪輞和輪輻組成，可以是整體式的、永久連接式的或可拆卸式的，大型汽車(chē)輪轂一般由輪輞與輪輻通過(guò)激光焊接在一起構(gòu)成，如圖1所示。
圖1 大型載重汽車(chē)輪轂剖面示意
輪轂通常由鋁合金或者鋼材制成，而鋼材輪轂強(qiáng)度高，常用于大型載重汽車(chē)，因此人們對(duì)其各方面的要求都很高。鋼材輪轂采用激光焊接機(jī)進(jìn)行精密焊接，而焊縫熔深是激光深熔焊的重要質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)，因此研究有效檢測(cè)手段對(duì)其質(zhì)量控制具有重要意義。
目前國(guó)內(nèi)主要采用傳統(tǒng)的單探頭脈沖反射法對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率低，重復(fù)性差，對(duì)人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)要求較高，接觸式掃查方式也會(huì)導(dǎo)致探頭磨損，檢測(cè)耗材大。因此需要研究全自動(dòng)探傷設(shè)備來(lái)提高輪轂的檢測(cè)效率和降低檢測(cè)耗材成本。
基于此，廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司的研究人員研發(fā)了一套采用輪轂臥式自轉(zhuǎn)、檢測(cè)區(qū)域全水浸，相控陣探頭不動(dòng)、非接觸式的全自動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其可直接安裝在生產(chǎn)線上，提高了檢測(cè)效率且節(jié)約了生產(chǎn)成本，可以滿足不同規(guī)格型號(hào)鋼材汽車(chē)輪轂的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)輪轂激光焊縫的快速掃查評(píng)估檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可通過(guò)A/B/C掃描成像直觀顯示。
檢測(cè)原理
相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)通過(guò)軟件可以單獨(dú)控制每個(gè)相控陣探頭晶片的激發(fā)時(shí)間，從而控制超聲波束的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。輪轂相控陣檢測(cè)時(shí)，使用一個(gè)多晶片的相控陣探頭，在不移動(dòng)探頭的情況下就可以實(shí)現(xiàn)輪轂斷面的掃描檢測(cè)，其電子掃描的聲場(chǎng)模擬如圖2所示。
圖2 輪轂的電子掃描聲場(chǎng)模擬示意
檢測(cè)方法
輪輞與輪輻之間的焊縫熔深會(huì)直接影響聲學(xué)特性，故通過(guò)相控陣探頭識(shí)別其界面特征，再根據(jù)回波位置和幅值的變化來(lái)判定是否存在缺陷。把汽車(chē)輪轂圓周焊縫完全浸泡在液面以下，以水作為耦合劑，然后將相控陣探頭對(duì)準(zhǔn)輪轂內(nèi)外圈激光焊焊縫不動(dòng)，無(wú)需接觸，輪轂旋轉(zhuǎn)一周，就可以覆蓋需要檢測(cè)的區(qū)域，完成整個(gè)掃查，如圖3所示。
圖3 輪轂的相控陣掃查方式示意
檢測(cè)系統(tǒng)的研制
01
方案確定
系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂的連續(xù)全自動(dòng)上下料和全自動(dòng)檢測(cè)。全自動(dòng)輪轂焊縫檢測(cè)的掃查方式主要有兩種，一種是輪轂立式滾動(dòng)放置，探頭固定，檢測(cè)區(qū)域半水浸，由電動(dòng)夾送輥?zhàn)赞D(zhuǎn)帶動(dòng)輪轂滾動(dòng)；另一種是輪轂臥式自轉(zhuǎn)放置，探頭固定，檢測(cè)區(qū)域全水浸，由旋轉(zhuǎn)夾爪自轉(zhuǎn)帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)論哪種掃查方式，相控陣探頭均浸泡在耦合液中（不與輪轂接觸）以確保輪轂輪輞與輪輻之間的焊縫區(qū)域被全部掃查到。由于所檢測(cè)輪轂的最大質(zhì)量超過(guò)34 kg，而且輪轂的形狀、大小和質(zhì)量等規(guī)格繁多，若采用輪轂立式滾動(dòng)的掃查方式，電動(dòng)夾送輥將長(zhǎng)期承受較大的重復(fù)沖擊力，而影響結(jié)構(gòu)可靠性和重復(fù)檢測(cè)精度，成本較高。因此，系統(tǒng)采用輪轂臥式自轉(zhuǎn)、相控陣電子掃描的非接觸掃查方式。
02
系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)主要由全自動(dòng)機(jī)械平臺(tái)、相控陣檢測(cè)系統(tǒng)和成像軟件三部分構(gòu)成。
1.
全自動(dòng)機(jī)械平臺(tái)
機(jī)械平臺(tái)核心部件有工作通道、定中心抱臂、水浸池、旋轉(zhuǎn)夾爪、編碼裝置、升降機(jī)構(gòu)、接送機(jī)構(gòu)、掃查裝置、合格品通道、不合格品分流器、不合格通道以及電控模組等，如圖4所示。
圖4 機(jī)械平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)示意
工作通道主要由進(jìn)料架、支架、鏈輪惰輪組件、動(dòng)力滾筒、擋輪裝置、齒輪減速電機(jī)和光電傳感器等組成。齒輪減速電機(jī)經(jīng)由鏈條帶動(dòng)工作通道上所有的動(dòng)力滾筒同步滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪轂的自動(dòng)輸送。工作通道上預(yù)設(shè)3個(gè)擋輪裝置，可根據(jù)需要選擇控制某個(gè)擋輪裝置上升，阻擋輪轂往前繼續(xù)輸送。
定中心抱臂如圖5所示，可細(xì)分為左右兩套對(duì)稱的定中心抱臂，安裝在工作通道上，主要由端架、軸承座、轉(zhuǎn)軸、軸承蓋、正齒輪、免鍵襯套、軸承、杠桿、關(guān)節(jié)軸承、銷(xiāo)軸、氣缸、腳座、抱臂、拉緊輪等組成。控制定中心抱臂的兩個(gè)氣缸推桿同時(shí)伸出，4條抱臂同時(shí)收攏而抱住輪轂，就可使偏心的輪轂定位在設(shè)定的中心上。
圖5 定中心抱臂的動(dòng)作示意
水浸池主要由水槽、擋水筒、自動(dòng)進(jìn)液水路、溢流水路、排泄水路和循環(huán)過(guò)濾水路等組成。水槽和擋水筒構(gòu)成水浸池的中空結(jié)構(gòu)，擋水筒內(nèi)部的中空部分是旋轉(zhuǎn)夾爪的工作空間，旋轉(zhuǎn)夾爪不用浸泡水中，可靠性好，維護(hù)成本低。
擋水筒為可拆卸結(jié)構(gòu)，配上O型密封圈可以有效防止漏水。自動(dòng)進(jìn)液水路由電磁水閥、非接觸式液位傳感器、進(jìn)水管及配附件等組成，具備水位自動(dòng)監(jiān)控功能。
旋轉(zhuǎn)夾爪穿過(guò)水浸池并緊固在基座的座板上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。旋轉(zhuǎn)夾爪具有自動(dòng)卡緊輪轂并帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)及自動(dòng)松脫輪轂的功能。
圖6 旋轉(zhuǎn)夾爪結(jié)構(gòu)示意
編碼裝置安裝在旋轉(zhuǎn)夾爪的機(jī)殼上，主要由支座、軸承座、轉(zhuǎn)軸、同步帶輪、同步帶、六角支柱、座板、編碼器、耦合器等組成，其隨主軸同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器實(shí)時(shí)記錄輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)的檢測(cè)位置信息，并發(fā)送給CTS-PA22X型相控陣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)輪轂缺陷位置標(biāo)定。
升降機(jī)構(gòu)安裝在基座上，主要由升降架、六角形支柱、座板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、同步帶輪、螺母旋轉(zhuǎn)式絲桿、同步帶、直線導(dǎo)向軸等組成。直線導(dǎo)向軸和直線軸承等活動(dòng)部件為不浸水設(shè)計(jì)，升降架與直線導(dǎo)向軸之間預(yù)留足夠的空間，可以安放水浸池。
接送機(jī)構(gòu)安裝在升降機(jī)構(gòu)的升降架上，用于輪轂的輸送，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)高掛安裝，不浸水的設(shè)計(jì)方式。所有同步帶都配備張力調(diào)整器，防止同步帶松脫。接送機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，其兩條輸送同步帶不會(huì)碰到旋轉(zhuǎn)夾爪。
掃查裝置安裝在基座的座板上，可以實(shí)現(xiàn)探頭夾具上下和伸縮兩個(gè)動(dòng)作。其采用滾珠花鍵實(shí)現(xiàn)限位轉(zhuǎn)動(dòng)和順暢滑動(dòng)，與壓簧結(jié)合后，可組成自適應(yīng)可伸縮的防碰撞結(jié)構(gòu)，當(dāng)誤操作時(shí)，能防止探頭磕碰損壞。
不合格品分流器安裝在合格品通道上，如圖7所示，可仰升和俯降，用于從合格品通道上分揀不合格輪轂到不合格品通道。不合格通道為不帶動(dòng)力的坡度設(shè)計(jì)，輪轂?zāi)芾米陨碇亓肯禄Ｍǖ郎项A(yù)設(shè)兩個(gè)擋輪裝置，可根據(jù)需要控制某個(gè)擋輪裝置上升，阻擋輪轂往前輸送。
圖7 不合格品分流器結(jié)構(gòu)示意
電控模組主要功能為控制協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備，包含觸摸屏、PLC、變頻器、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、齒輪電機(jī)、減速機(jī)、水泵、各類光電傳感器、各種低壓元器件及所有控制程序。電控柜面板主要包含常用的控制按鈕以及觸摸屏界面。其具備手動(dòng)（包括連續(xù)和點(diǎn)動(dòng)）控制和自動(dòng)控制功能，具有異常報(bào)警與緊急保護(hù)措施。
2.
相控陣檢測(cè)系統(tǒng)
相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)模塊化、支持二次開(kāi)發(fā)的相控陣超聲C掃描快速成像檢測(cè)平臺(tái)，由監(jiān)控主機(jī)、CTS-PA22X型相控陣檢測(cè)模塊、相控陣探頭及掃查裝置組成。根據(jù)檢測(cè)需求可以由一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)通過(guò)網(wǎng)線直接連接一臺(tái)CTS-PA22X檢測(cè)設(shè)備，或是通過(guò)路由器連接多臺(tái)設(shè)備，同時(shí)控制所有設(shè)備進(jìn)行掃查、圖像處理和結(jié)果評(píng)定，實(shí)現(xiàn)多部位同步聯(lián)動(dòng)快速檢測(cè)。系統(tǒng)配置16∶64通道（并行發(fā)射接收通道可達(dá)16通道，通道分時(shí)復(fù)用最大可達(dá)64通道），最大重復(fù)頻率為10 kHz；相控陣探頭頻率為7.5 MHz，陣元數(shù)為64，每次激勵(lì)的陣元數(shù)為4，陣元間距為0.5 mm；編碼器掃查最高精度為0.2 mm/步。由電子掃描原理可得到超聲波束總數(shù)為61，聲束有效覆蓋寬度為30.5 mm。
3.
成像軟件
成像軟件基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，具備完善的操作功能。通過(guò)成像軟件可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)、保存、調(diào)用、回放以及輸出。檢測(cè)時(shí)，可對(duì)應(yīng)形成缺陷與焊縫熔深的C掃描圖像，通過(guò)圖像自動(dòng)判別未熔合和氣孔等缺陷及焊縫寬度，有缺陷或焊縫寬度小于設(shè)定閾值時(shí)報(bào)警。但由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，可能存在各種各樣的干擾，為避免出現(xiàn)誤判的情況，可通過(guò)工件復(fù)檢功能對(duì)初步認(rèn)定有缺陷的輪轂進(jìn)行復(fù)檢，并將保存的檢測(cè)記錄按專用格式輸出形成檢測(cè)報(bào)告（包含檢測(cè)時(shí)間、輪轂信息、人員信息、C掃圖像等）。
試驗(yàn)及結(jié)果
采用設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某樣輪進(jìn)行檢測(cè)；穿透寬度及焊縫寬度的閾值分別設(shè)置為4.0 mm和3.0 mm。檢測(cè)樣輪外觀如圖8所示，試驗(yàn)抽查4個(gè)不同型號(hào)的輪轂，分別編號(hào)為1，2，3，4號(hào)，焊接位置直徑分別為506.0，525.1，544.5，399.2 mm，周長(zhǎng)分別為1589.6，1649.6，1710.6，1254.1 mm。計(jì)算得到的理論檢測(cè)時(shí)間分別為48.48，50.31，52.17，38.25 s。通過(guò)PLC控制全自動(dòng)機(jī)械平臺(tái)實(shí)施檢測(cè),最小采集1周（360°），最大采集1.25周（450°）的檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)檢測(cè)時(shí)間與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。
圖8 檢測(cè)樣輪外觀
1號(hào)輪轂為檢測(cè)校準(zhǔn)樣輪（根據(jù)用戶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制穿透寬度為3.6 mm，焊縫寬度為1.2 mm），用于驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在產(chǎn)品正式檢測(cè)之前和檢測(cè)之后均用樣輪進(jìn)行一次驗(yàn)證。樣輪的系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果界面如圖9所示，可見(jiàn)檢測(cè)結(jié)果與預(yù)制缺陷相符合。其余輪轂為合格產(chǎn)品，穿透寬度和焊縫寬度均分別大于4.0 mm和3.0 mm。
圖9 樣輪的相控陣超聲系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果界面
結(jié)語(yǔ)
研制的全自動(dòng)輪轂焊縫相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)多功能、高效率、優(yōu)化的檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)輪轂激光焊縫非接觸式水浸耦合的全自動(dòng)檢測(cè)，克服了輪轂規(guī)格繁多、外形各異、質(zhì)量大等帶來(lái)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。
該系統(tǒng)可對(duì)輪轂進(jìn)行預(yù)定位，使輪轂與卡接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)精確對(duì)位，實(shí)現(xiàn)全型號(hào)輪轂的全自動(dòng)輸送、上下料和檢測(cè)，檢測(cè)效率高。固定式中空水浸池結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)非接觸式水浸耦合，并確保核心零部件不用浸泡水中，可靠性好。
實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)適用于流水線作業(yè)，能夠快速高效地對(duì)汽車(chē)輪轂激光焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)掃查、數(shù)據(jù)采集及A/B/C掃描成像，準(zhǔn)確率高；相控陣探頭磨損為零，極大地降低了生產(chǎn)成本。
此外，該系統(tǒng)的成功研制也對(duì)復(fù)雜輪轂焊縫的全動(dòng)化檢測(cè)有很好的借鑒意義。
交互設(shè)計(jì)拆解：文本框
一、文本框的拆解
文本框（Text Fields）根據(jù) Design 指導(dǎo)規(guī)范，被拆解為七個(gè)部分。分別是：
容器（）前導(dǎo)圖標(biāo)（Leading icon）標(biāo)簽文本（Label text）輸入文本（Input text）尾隨圖標(biāo)（ icon）激活指示器（ ）幫助文本（Helper text）
當(dāng)然，MD為我們展示的是已經(jīng)經(jīng)過(guò)其團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期摸索之后，基于其平臺(tái)規(guī)范下的標(biāo)準(zhǔn)樣式。想要探索文本框的交互演變，我們還是要回溯到文本框最初的模樣。
這就是一個(gè)文本框最基礎(chǔ)的樣式了，一個(gè)標(biāo)簽文本+容器，已經(jīng)基本可以確保向用戶傳遞文本框最直觀的信息。
但如今的文本框已經(jīng)演變出了形形色色的樣式和交互形式，究竟MD的文本框是如何演變到今天這番樣子？下面我根據(jù)個(gè)人的拙見(jiàn)，一步一步從場(chǎng)景進(jìn)行分析。
二、基礎(chǔ)的文本框布局方式
我自認(rèn)為，激勵(lì)設(shè)計(jì)師不停探索文本框新的交互形式的根本原因之一，一定包含總讓人頭疼的排版問(wèn)題。在解決了基本視覺(jué)問(wèn)題之后，才是思考如何設(shè)計(jì)文本框來(lái)提升用戶的填寫(xiě)和使用效率。
例如前面我們所看到的最基礎(chǔ)的文本框樣式，如果簡(jiǎn)單地進(jìn)行單列布局，自然而然會(huì)出現(xiàn)讓眾多設(shè)計(jì)師糾結(jié)的一個(gè)問(wèn)題：標(biāo)簽文本究竟應(yīng)該如何對(duì)齊？
如果標(biāo)簽文本采用右對(duì)齊，標(biāo)簽文本的長(zhǎng)短問(wèn)題容易導(dǎo)致左側(cè)的視覺(jué)隱形邊界錯(cuò)亂，用戶的規(guī)律眼動(dòng)容易被打亂；
如果標(biāo)簽文本采用左對(duì)齊，文本的長(zhǎng)短問(wèn)題又會(huì)導(dǎo)致部分較短標(biāo)簽文本與容器間距增大，讓用戶從左至右瀏覽的效率降低，并且看起來(lái)不夠協(xié)調(diào)。
于是乎文本框的布局方式有了進(jìn)一步的演變：標(biāo)簽文本與容器頂端對(duì)齊。
頂端對(duì)齊的方式使得用戶眼動(dòng)變得十分規(guī)律，豎直向下瀏覽可以便捷地理解標(biāo)簽文本并進(jìn)行填寫(xiě)，文本的長(zhǎng)短問(wèn)題不再成為干擾設(shè)計(jì)師進(jìn)行排版的一個(gè)糾結(jié)點(diǎn)。
但縱向布局的的方式只是把問(wèn)題遷移到了另一個(gè)維度，那就是在表單數(shù)據(jù)量過(guò)多時(shí)，縱向布局會(huì)使得縱向空間耗損增加，用戶需要不停地滑動(dòng)頁(yè)面才能實(shí)現(xiàn)表單的完整填寫(xiě)。
這么看來(lái)，文本框的布局需要多方位評(píng)估標(biāo)簽文本長(zhǎng)度、表單數(shù)據(jù)量等問(wèn)題，才能對(duì)具體場(chǎng)景進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。
三、文本框的改良
當(dāng)文本框橫向布局或是縱向布局都很難解決具體場(chǎng)景問(wèn)題的時(shí)候，更新穎的文本框交互形式就出現(xiàn)了。
最初的演變形式是眾多的應(yīng)用開(kāi)始采用前導(dǎo)圖標(biāo)來(lái)替代標(biāo)簽文本，使用圖標(biāo)可以有效地解決標(biāo)簽文本導(dǎo)致的排版錯(cuò)落問(wèn)題。
這種方案在輕量表單中較為常見(jiàn)，一般都是在表單內(nèi)容少、用戶對(duì)于場(chǎng)景的熟悉度較高的情景當(dāng)中（例如登錄場(chǎng)景）。
因?yàn)槊總€(gè)用戶對(duì)于圖標(biāo)的認(rèn)知性存在差異，在生疏場(chǎng)景或表單內(nèi)容過(guò)多的情況下，圖標(biāo)容易導(dǎo)致用戶對(duì)文本框信息產(chǎn)生更多的認(rèn)知成本。所以用圖標(biāo)來(lái)代替標(biāo)簽文本的普適性其實(shí)并不高。
于是后來(lái) iOS人機(jī)交互規(guī)范 和 MD規(guī)范 都給設(shè)計(jì)師提出了一條指導(dǎo)建議：當(dāng)占位符字段中不包含必要內(nèi)容時(shí)，可以合理地使用占位符來(lái)承載標(biāo)簽文本。
例如 iOS 通訊錄新增聯(lián)系人，就采用了占位符承載標(biāo)簽文本的方式。
但這種形式同樣也存在一個(gè)弊端：用戶一旦輸入內(nèi)容之后，占位符就被內(nèi)容文本填充覆蓋了，有時(shí)用戶會(huì)忘記所填寫(xiě)的信息是關(guān)于什么內(nèi)容，必須要清空文本進(jìn)行重新確認(rèn)。對(duì)于表單內(nèi)容繁多或重要內(nèi)容需要謹(jǐn)慎填寫(xiě)的場(chǎng)景，這樣的交互其實(shí)還是有一些不妥。
于是乎，類似MD的指導(dǎo)規(guī)范下這樣普適性較高的文本框形式就誕生了。采用占位符承載標(biāo)簽文本，并且在用戶填寫(xiě)信息時(shí)，標(biāo)簽文本始終可見(jiàn)，由占位符轉(zhuǎn)移到文本框頂部。
這一文本框交互形式的誕生，不論是對(duì)于排版空間的節(jié)省、遵循用戶眼動(dòng)習(xí)慣、微動(dòng)效提升文本框趣味性等方面，都得到了一定提升。并且許多應(yīng)用開(kāi)始進(jìn)行借鑒效仿。
其實(shí)像以上這種巧用占位符的場(chǎng)景已經(jīng)越來(lái)越常見(jiàn)了，占位符已經(jīng)不再僅僅用來(lái)承載無(wú)用信息或提示性信息，也可以用于承載默認(rèn)值，幫助用戶自動(dòng)填充，提高用戶填寫(xiě)信息的效率（例如手游當(dāng)中，創(chuàng)建賬號(hào)時(shí)系統(tǒng)幫玩家默認(rèn)填充一個(gè)可用昵稱）。
但填充默認(rèn)值的手法也不僅僅局限于提升用戶體驗(yàn)和填寫(xiě)效率，甚至也被運(yùn)用到了一些商業(yè)場(chǎng)景中。
例如淘寶、京東等電商平臺(tái)，將商品名稱作為占位符填充在搜索欄中，一方面給所推薦商品增加了曝光；另一方面，在用戶直接點(diǎn)擊搜索時(shí)，將會(huì)以當(dāng)前占位符內(nèi)容進(jìn)行搜索，達(dá)到為所推薦商品引流的效果。
