Development of a Robot based Magnetic Flux Leakage Inspection System
Dissertation
zur Erlangung des Grades
des Doktors der Ingenieurwissenschaften
der Naturwissenschaftlich Technischen Fakultät III
Chemie, Pharmazie, Bio und Werkstoffwissenschaften
der Universität des Saarlandes
von
M.Sc. Yunlai Li
Saarbrücken 2011
Tag des Kolloquiums: 26. Oktober 2011
Dekan: Prof. Dr. Wilhelm F. Maier
Berichterstatter: Prof. Dr. M. Kröning
Prof. Dr. W. Arnold
Vorsitz: Prof. Dr. D. Bähre
Akad. Mitarbeiter: Dr. Ing. F. Aubertin
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Preface
First of all, I would like to express my deep gratitude to my adviser Prof. Michael Kröning who gave me the opportunity to start my PhD work at Fraunhofer Institute IZFP. I am also very grateful for his endless support and guidance. It is his unselfish support and help that encouraged me to overcome the difficulties encountered during my PhD study. I thank Prof. Boller for his support as executive director of IZFP.
I would also like to express my thanks to Prof. Arnold for his work as the second valuator.
I thank Dr. Altpeter and Dr. Valeske for the good working conditions and support they have provided to me.
I am really grateful to Dr. Szielasko for his insightful advice and support on both technical and non technical issues during my work at IZFP. Many fruitful discussions and guidance are gratefully acknowledged.
I would also like to thank colleagues of the department, especially Dr. Kloster, for their help and support on my work.
Finally, I would like to thank all my family, particularly my wife and my son, for their endless support, encouragement and love.
Saarbrücken, October 2011 Yunlai Li
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Abstract
Surface cracking is one of the primary factors leading to failure of mechanical components. One of the most sensitive methods for surface or near surface crack detection is MFL inspection.
Magnetic sensor based MFL inspection, MSI, has shown many advantageous over MPI and gives the opportunity for automated MFL inspection after its equivalent detectability to MPI is validated.
A standard industrial robot is introduced and applied in this work as an automated solution for precise sensor guidance and a more accurate, flexible and efficient automatic MSI system is developed as an extension of the already existing automatic MFL inspection scheme at IZFP. Performance of the system is demonstrated by applying the system on different inspection situations of concern. The measurement results obtained validate the application of the system on the inspection.
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Kurzfassung
Oberflächenrisse sind eine der wichtigsten Faktoren, die zum Versagen von mechanischen Komponenten führen können. Eine der empfindlichsten Methoden für Überprüfung von Oberflächen auf Risse im Bereich der Werkstückoberfläche ist die magnetische Streuflussprüfung. Die auf dem Magnetsensor basiert magnetische Streuflussprüfung, MSI, hat viele Vorteile bei der praktischen Anwendung gegenüber MPI gezeigt und bietet die Möglichkeit zur automatisierten MFL mit dem Gegenwert der Validierung des MPI Verfahrens.
In dieser Arbeit wird ein Standard Industrieroboter vorgestellt, welcher für eine automatisierte Lösung zur Prüfungsdurchführung verwendet wird. So kann die präzise Sensorführung für ein genaues, flexibles und effizientes automatisches MSI System gewährleistet werden. Das System dient auch als Erweiterung zu den bereits bestehenden automatischen MFL Prüfsystem besteht. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems durch die Anwendungen in unterschiedlichen Prüfsituationen demonstriert. Die erhaltenen Prüfergebnisse bestätigen die Anwendung des Systems als Grundlage für unterschiedliche Prüfaufgaben im mechanisierten Prüfbetrieb auch im Produktionsprozeß.
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Symbols and abbreviations
B magnetic flux density [T]
D electric flux density [C ·m 2]
E electric field intensity [V ·m 1]
H magnetic field strength [A ·m 1]
I current [A]
J current density [A · m 2]
L inductance [H] m, M magnetic moment [A ·m 1]
V voltage [V] q electric charge [C]
−7 − 2 0 permeability of free space, µ=π⋅0 4 10 N ⋅ A
µ r relative permeability, µr = µ 0