螺旋焊管焊缝自动超声探伤系统
加入技术交流群
根据指标要求，在设计焊缝跟踪系统时，在机械上采用两个平移自由度：一个为垂直方向，带动超声波探头架上下移动；另一个为水平方向，带动探头架在水平面内沿钢管母线方向移动，以实现对钢管焊缝偏移的跟踪。焊缝跟踪系统机械结构如图3所示。探头架安装在垂直螺母上。两个自由度均采用丝杠副实现平移运动，各采用一台交流伺服电机通过减速器驱动。电机轴到丝杠轴的减速比为9，丝杠的螺距为6mm,电机最高转速为300r/min，由上述参数得到水平垂直机构的最大跟踪线速度为2m/min，根据实际条件下测得的焊缝偏移统计数据，此系统能够满足跟踪速度的要求。根据传动方式和系统机械结构参数，将所有转动惯量折算到电机轴上，依照公式：
W额≥(3-4)W轴
图3 焊缝跟踪系统机械结构
4焊缝跟踪系统电气系统结构
焊缝跟踪系统电气部分组成如图4所示，它主要由以下几部分构成。
图4 焊缝跟踪系统电气结构
(2)数字量输入卡用于扫描操作面板上各种操作按钮的状态、伺服驱动器的状态以及各个轴方向的零位和极限开关，通过ISA总线传递给工控机，以确定应该采取的操作。数字量输出卡用于控制伺服系统的上电、操作模式以及指示灯的状态。
(3)焊缝位置传感器。目前的探伤跟踪系统中多采用电磁式差动传感器和摄像头作为焊缝位置检测单元。在实际应用中，由于焊接时多采用直流焊机，焊接后一般还要实行倒渣操作，导致焊缝在检测之前已被磁化，同时焊缝的形状并不完全对称，这些因素使得电磁式差动传感器的应用效果并不理想，难以实现焊缝的自动跟踪。采用摄像头作为检测单元实现自动跟踪需要进行图象处理，其运算代价较高，对控制器的运算速度具有很高的要求，在焊缝的高速检测中应用还有一段距离，目前主要用于人工操作的跟踪系统。这里我们设计了一种基于激光测距原理的扫描式焊缝位置传感器，它使用激光测距传感器作为距离敏感元件，采用一个往复扫描机构，通过扫描获取钢管焊缝的二维图象，提供给工业控制计算机提取钢管焊缝信息，用来对钢管焊缝实现自动跟踪。这种传感器具有精度高、抗干扰、数据处理简单等优点。
(4)焊缝传感器接口卡。焊缝位置传感器本身也是一个伺服系统，需要实时地对扫描机构的运行进行控制，同时还要采集扫描的位置和焊缝的高度信息，以便于工控机提取焊缝的特征。为此采用单片机作为控制核心设计了从计算机系统，通过ISA总线与工控机相连。使系统以一定的时序独立工作，实现对扫描机构的控制、焊缝位置信号的采集以及数据的预处理和传输。为了实现扫描速度曲线的优化，采用零相位跟踪方法控制扫描机构，以便获取尽可能多的有效采样数据，对获取的焊缝数据使用小波分析方法提取焊缝的位置。
(5)交流伺服电机及驱动器。考虑到设备的定位精度要求较高，采用两台交流伺服电机作为两个自由度的驱动元件。焊缝位置检测单元获取的是焊缝的水平和垂直方向的偏差量，所以伺服电机都采用位置控制方式，电机采用光电编码器作为反馈元件，位置伺服精度最高可达到5个脉冲当量，小于机械结构的间隙值，完全能够满足系统的跟踪精度要求。
(6)定时器/计数器用于对两台伺服电机的控制。其中计数器用于测量系统的当前位置，提供给工控机以实现整个系统的闭环，定时器用于向伺服电机驱动器发出指令，控制电机的转速和转角，实现位置控制。
5自动检测过程
本文所介绍的自动超声探伤系统工作时，采用下述自动检测流程：
(1)运输小车接受钢管，移动到检测初始位置；
(2)轨道上的光电传感器检测到钢管前端后，给出“钢管准备好”信号，停止小车的进给，探头系统和焊缝位置传感器落到钢管表面，焊缝位置传感器开始扫描，旋转钢管寻找焊缝；
(3)焊缝初始定位后，启动运输小车，探伤仪启动，开始自动探伤；
(4)检测到钢管末端后，抬起探头系统，探伤仪和跟踪机构复位；
(5)运输小车将钢管运到分级拨管位置，卸下钢管，继续下一个检测周期。
在钢管的自动探伤过程中，可随时将系统切换为手动方式，此时，操作人员可根据显示器上的焊缝三维综合图象进行焊缝的手动跟踪。系统采用了多级保护措施，可在紧急情况下采取相应的操作，以防止对系统造成损害。
6结论
焊缝的自动无损检测是保证钢管质量的一种重要手段，但实现起来具有一定的困难。由于采用了合理的结构和测试技术，尤其是激光测距式焊缝位置检测单元的设计和使用，使得本文所设计的超声自动探伤仪具备了进行焊缝超声探伤所要求的跟踪速度和精度。本系统的样机已在实际生产环境中进行了实验，结果表明，系统能够满足螺旋焊接钢管焊缝检测的基本要求，说明其设计思想是正确的。由于实际应用环境比较复杂，存在各种光、电干扰以及周围环境的机械震动，目前需要在系统的抗干扰性以及检测元件的小型化方面进行进一步的工作，以使系统能够适应钢管生产过程中的复杂环境。
作者单位：哈尔滨工业大学
参考文献
［1］胡建恺、张谦琳，超声检测原理和方法，中国科技大学出版社，1993年。
［2］Isao Nakatsugawa,Tracking of Seam Welding by Vision System“Laser Vision”. Robot,1991,No.83:90-95.
［3］吴敏生、李路明等，一种三维光机扫描系统的研究，清华大学学报(自然科学版)，Vol.37,NO.8,1997:29-31.
［4］Andrew N.Vaverect,etc.,An Adaptive Seam Tracker for Welding Heavy-Section Aluminum.IEEE Transactions on Industrial Applications,Vol.25,No.4,July,1989:658-662.(end)
评论