螺旋焊管焊縫自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)
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根據(jù)指標(biāo)要求，在設(shè)計(jì)焊縫跟蹤系統(tǒng)時(shí)，在機(jī)械上采用兩個(gè)平移自由度：一個(gè)為垂直方向，帶動(dòng)超聲波探頭架上下移動(dòng)；另一個(gè)為水平方向，帶動(dòng)探頭架在水平面內(nèi)沿鋼管母線方向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管焊縫偏移的跟蹤。焊縫跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。探頭架安裝在垂直螺母上。兩個(gè)自由度均采用絲杠副實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，各采用一臺(tái)交流伺服電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)。電機(jī)軸到絲杠軸的減速比為9，絲杠的螺距為6mm,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為300r/min，由上述參數(shù)得到水平垂直機(jī)構(gòu)的最大跟蹤線速度為2m/min，根據(jù)實(shí)際條件下測(cè)得的焊縫偏移統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)能夠滿足跟蹤速度的要求。根據(jù)傳動(dòng)方式和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，將所有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上，依照公式：
W額≥(3-4)W軸
圖3 焊縫跟蹤系統(tǒng)機(jī)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(dòng)器的狀態(tài)以及各個(gè)軸方向的零位和極限開關(guān)，通過ISA總線傳遞給工控機(jī)，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(dòng)傳感器和攝像頭作為焊縫位置檢測(cè)單元。在實(shí)際應(yīng)用中，由于焊接時(shí)多采用直流焊機(jī)，焊接后一般還要實(shí)行倒渣操作，導(dǎo)致焊縫在檢測(cè)之前已被磁化，同時(shí)焊縫的形狀并不完全對(duì)稱，這些因素使得電磁式差動(dòng)傳感器的應(yīng)用效果并不理想，難以實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤。采用攝像頭作為檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤需要進(jìn)行圖象處理，其運(yùn)算代價(jià)較高，對(duì)控制器的運(yùn)算速度具有很高的要求，在焊縫的高速檢測(cè)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?cè)O(shè)計(jì)了一種基于激光測(cè)距原理的掃描式焊縫位置傳感器，它使用激光測(cè)距傳感器作為距離敏感元件，采用一個(gè)往復(fù)掃描機(jī)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(jì)算機(jī)提取鋼管焊縫信息，用來對(duì)鋼管焊縫實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。這種傳感器具有精度高、抗干擾、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
(4)焊縫傳感器接口卡。焊縫位置傳感器本身也是一個(gè)伺服系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)地對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行控制，同時(shí)還要采集掃描的位置和焊縫的高度信息，以便于工控機(jī)提取焊縫的特征。為此采用單片機(jī)作為控制核心設(shè)計(jì)了從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過ISA總線與工控機(jī)相連。使系統(tǒng)以一定的時(shí)序獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的控制、焊縫位置信號(hào)的采集以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理和傳輸。為了實(shí)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(jī)構(gòu)，以便獲取盡可能多的有效采樣數(shù)據(jù)，對(duì)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(jī)及驅(qū)動(dòng)器?？紤]到設(shè)備的定位精度要求較高，采用兩臺(tái)交流伺服電機(jī)作為兩個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)元件。焊縫位置檢測(cè)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(jī)都采用位置控制方式，電機(jī)采用光電編碼器作為反饋元件，位置伺服精度最高可達(dá)到5個(gè)脈沖當(dāng)量，小于機(jī)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(shí)器/計(jì)數(shù)器用于對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)的控制。其中計(jì)數(shù)器用于測(cè)量系統(tǒng)的當(dāng)前位置，提供給工控機(jī)以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)，定時(shí)器用于向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)位置控制。
5自動(dòng)檢測(cè)過程
本文所介紹的自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)工作時(shí)，采用下述自動(dòng)檢測(cè)流程：
(1)運(yùn)輸小車接受鋼管，移動(dòng)到檢測(cè)初始位置；
(2)軌道上的光電傳感器檢測(cè)到鋼管前端后，給出“鋼管準(zhǔn)備好”信號(hào)，停止小車的進(jìn)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(dòng)運(yùn)輸小車，探傷儀啟動(dòng)，開始自動(dòng)探傷；
(4)檢測(cè)到鋼管末端后，抬起探頭系統(tǒng)，探傷儀和跟蹤機(jī)構(gòu)復(fù)位；
(5)運(yùn)輸小車將鋼管運(yùn)到分級(jí)撥管位置，卸下鋼管，繼續(xù)下一個(gè)檢測(cè)周期。
在鋼管的自動(dòng)探傷過程中，可隨時(shí)將系統(tǒng)切換為手動(dòng)方式，此時(shí)，操作人員可根據(jù)顯示器上的焊縫三維綜合圖象進(jìn)行焊縫的手動(dòng)跟蹤。系統(tǒng)采用了多級(jí)保護(hù)措施，可在緊急情況下采取相應(yīng)的操作，以防止對(duì)系統(tǒng)造成損害。
6結(jié)論
焊縫的自動(dòng)無損檢測(cè)是保證鋼管質(zhì)量的一種重要手段，但實(shí)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(cè)試技術(shù)，尤其是激光測(cè)距式焊縫位置檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)和使用，使得本文所設(shè)計(jì)的超聲自動(dòng)探傷儀具備了進(jìn)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(jī)已在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足螺旋焊接鋼管焊縫檢測(cè)的基本要求，說明其設(shè)計(jì)思想是正確的。由于實(shí)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(jī)械震動(dòng)，目前需要在系統(tǒng)的抗干擾性以及檢測(cè)元件的小型化方面進(jìn)行進(jìn)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(xiàn)
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評(píng)論