螺旋焊管焊縫自動超聲探傷系統(tǒng)
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根據(jù)指標(biāo)要求，在設(shè)計焊縫跟蹤系統(tǒng)時，在機械上采用兩個平移自由度：一個為垂直方向，帶動超聲波探頭架上下移動；另一個為水平方向，帶動探頭架在水平面內(nèi)沿鋼管母線方向移動，以實現(xiàn)對鋼管焊縫偏移的跟蹤。焊縫跟蹤系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。探頭架安裝在垂直螺母上。兩個自由度均采用絲杠副實現(xiàn)平移運動，各采用一臺交流伺服電機通過減速器驅(qū)動。電機軸到絲杠軸的減速比為9，絲杠的螺距為6mm,電機最高轉(zhuǎn)速為300r/min，由上述參數(shù)得到水平垂直機構(gòu)的最大跟蹤線速度為2m/min，根據(jù)實際條件下測得的焊縫偏移統(tǒng)計數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)能夠滿足跟蹤速度的要求。根據(jù)傳動方式和系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)參數(shù)，將所有轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸上，依照公式：
W額≥(3-4)W軸
圖3 焊縫跟蹤系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)
4焊縫跟蹤系統(tǒng)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
焊縫跟蹤系統(tǒng)電氣部分組成如圖4所示，它主要由以下幾部分構(gòu)成。
圖4 焊縫跟蹤系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)
(2)數(shù)字量輸入卡用于掃描操作面板上各種操作按鈕的狀態(tài)、伺服驅(qū)動器的狀態(tài)以及各個軸方向的零位和極限開關(guān)，通過ISA總線傳遞給工控機，以確定應(yīng)該采取的操作。數(shù)字量輸出卡用于控制伺服系統(tǒng)的上電、操作模式以及指示燈的狀態(tài)。
(3)焊縫位置傳感器。目前的探傷跟蹤系統(tǒng)中多采用電磁式差動傳感器和攝像頭作為焊縫位置檢測單元。在實際應(yīng)用中，由于焊接時多采用直流焊機，焊接后一般還要實行倒渣操作，導(dǎo)致焊縫在檢測之前已被磁化，同時焊縫的形狀并不完全對稱，這些因素使得電磁式差動傳感器的應(yīng)用效果并不理想，難以實現(xiàn)焊縫的自動跟蹤。采用攝像頭作為檢測單元實現(xiàn)自動跟蹤需要進行圖象處理，其運算代價較高，對控制器的運算速度具有很高的要求，在焊縫的高速檢測中應(yīng)用還有一段距離，目前主要用于人工操作的跟蹤系統(tǒng)。這里我們設(shè)計了一種基于激光測距原理的掃描式焊縫位置傳感器，它使用激光測距傳感器作為距離敏感元件，采用一個往復(fù)掃描機構(gòu)，通過掃描獲取鋼管焊縫的二維圖象，提供給工業(yè)控制計算機提取鋼管焊縫信息，用來對鋼管焊縫實現(xiàn)自動跟蹤。這種傳感器具有精度高、抗干擾、數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點。
(4)焊縫傳感器接口卡。焊縫位置傳感器本身也是一個伺服系統(tǒng)，需要實時地對掃描機構(gòu)的運行進行控制，同時還要采集掃描的位置和焊縫的高度信息，以便于工控機提取焊縫的特征。為此采用單片機作為控制核心設(shè)計了從計算機系統(tǒng)，通過ISA總線與工控機相連。使系統(tǒng)以一定的時序獨立工作，實現(xiàn)對掃描機構(gòu)的控制、焊縫位置信號的采集以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理和傳輸。為了實現(xiàn)掃描速度曲線的優(yōu)化，采用零相位跟蹤方法控制掃描機構(gòu)，以便獲取盡可能多的有效采樣數(shù)據(jù)，對獲取的焊縫數(shù)據(jù)使用小波分析方法提取焊縫的位置。
(5)交流伺服電機及驅(qū)動器?？紤]到設(shè)備的定位精度要求較高，采用兩臺交流伺服電機作為兩個自由度的驅(qū)動元件。焊縫位置檢測單元獲取的是焊縫的水平和垂直方向的偏差量，所以伺服電機都采用位置控制方式，電機采用光電編碼器作為反饋元件，位置伺服精度最高可達到5個脈沖當(dāng)量，小于機械結(jié)構(gòu)的間隙值，完全能夠滿足系統(tǒng)的跟蹤精度要求。
(6)定時器/計數(shù)器用于對兩臺伺服電機的控制。其中計數(shù)器用于測量系統(tǒng)的當(dāng)前位置，提供給工控機以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)，定時器用于向伺服電機驅(qū)動器發(fā)出指令，控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)位置控制。
5自動檢測過程
本文所介紹的自動超聲探傷系統(tǒng)工作時，采用下述自動檢測流程：
(1)運輸小車接受鋼管，移動到檢測初始位置；
(2)軌道上的光電傳感器檢測到鋼管前端后，給出“鋼管準(zhǔn)備好”信號，停止小車的進給，探頭系統(tǒng)和焊縫位置傳感器落到鋼管表面，焊縫位置傳感器開始掃描，旋轉(zhuǎn)鋼管尋找焊縫；
(3)焊縫初始定位后，啟動運輸小車，探傷儀啟動，開始自動探傷；
(4)檢測到鋼管末端后，抬起探頭系統(tǒng)，探傷儀和跟蹤機構(gòu)復(fù)位；
(5)運輸小車將鋼管運到分級撥管位置，卸下鋼管，繼續(xù)下一個檢測周期。
在鋼管的自動探傷過程中，可隨時將系統(tǒng)切換為手動方式，此時，操作人員可根據(jù)顯示器上的焊縫三維綜合圖象進行焊縫的手動跟蹤。系統(tǒng)采用了多級保護措施，可在緊急情況下采取相應(yīng)的操作，以防止對系統(tǒng)造成損害。
6結(jié)論
焊縫的自動無損檢測是保證鋼管質(zhì)量的一種重要手段，但實現(xiàn)起來具有一定的困難。由于采用了合理的結(jié)構(gòu)和測試技術(shù)，尤其是激光測距式焊縫位置檢測單元的設(shè)計和使用，使得本文所設(shè)計的超聲自動探傷儀具備了進行焊縫超聲探傷所要求的跟蹤速度和精度。本系統(tǒng)的樣機已在實際生產(chǎn)環(huán)境中進行了實驗，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足螺旋焊接鋼管焊縫檢測的基本要求，說明其設(shè)計思想是正確的。由于實際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，存在各種光、電干擾以及周圍環(huán)境的機械震動，目前需要在系統(tǒng)的抗干擾性以及檢測元件的小型化方面進行進一步的工作，以使系統(tǒng)能夠適應(yīng)鋼管生產(chǎn)過程中的復(fù)雜環(huán)境。
作者單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
參考文獻
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