对接焊缝超声波辅助探伤机器人研制.pdf

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1、自动化与控制对接焊缝超声波辅助探伤机器人研制胡效东刘宪福姜蓉z张景坡(1·山东科技大学机械电子工程学院，青岛266510；2．山东科技大学工程训练中心，青岛266510)等～一金型一锨一～一设要雠～系一瓤一撼一躲一声一伤一无损检测技术(NondestructiveTesting，NDT)一门以在对接焊缝超声波探伤过程中物理学、电子学和材料科学为基础而兴起的综合性应用，存在探头移动区域。探头移动区域是为保证探头在移动检测过程中学科⋯，在不损伤被检对象性能及形态的前提下，超声波，通过物主要束能扫描到焊缝区内的各点位置理或化学方法为手段来探测材料，而在焊缝两侧和

2、、结构等内部和表面缺纵向必须预留的检测空间，即机器人的检测执行机构在陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸等作出探伤过程中的往复运动区域。判断和评价的一种特殊的检测技术。超声波探伤具备良科焊缝需要全检时，探头移动区域的宽度应是焊缝的长好的方向性，灵敏度高，相当高的强度和穿透能力_2l，在两度，焊缝两侧探头移动区应不小于1种传播介质的界面上能产生反射．25P[，即：、折射和波形转换以及P=2K8P=2tanp8(1)对人体无伤害等优点，常常被作为压力容器、造船、锅炉式中，P为跨距，mm；8为钢板板厚等设备制造过程中的主要无损检测方法之一，mm；B为

3、探头。目前，我国折射角；K为探头K值。大型压力容器的检测主要采用传统的人工作业方式【3]，由于压力容器等大型设备的焊缝较多，在实际工作中存在劳动强度大、效率低、漏检和工作环境差等问题。本文根据大型设备超声波检测过程中的实际情况和声r嗔壕仿，通过实地调研，查阅文献，为了降低检测过程的劳动强度．提高劳动效率，避免人工检测过程中存在的漏检现象，改善操作人员的工作环境，基于仿生技术，研发能代替人工探伤操作的超声波探伤辅助机器人。1对接焊缝超声波检测方法与原理一／l一

4、『＼＼、—～『＼，一一卜＼，超声波探伤是利用材料本身或内部缺陷的声学性质一一—、亡[二一～一一～一

5、对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方、法。当超声波束自表面由探头通至焊缝内部时，遇到缺陷与工件底面时就分别发回反射波来，在荧光屏上形成脉●冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小，工作原理图如图1所示llf—[j二二一一—L．一＼检测区．J探头移动区圈2探头移动区与缺陷定位在进行探伤工作时，一旦发现缺陷(如图2所示)。在荧光屏上已经调好的一次底波(途中c处，但屏幕上并无显示)之前，便会出现缺陷波，图中b处位置，是缺陷波的最大置此时有：等=等=(2)缺陷的第一个坐标点为：图1超声波探伤原理图：三一，，：￡一(3)自动化与控制7根据步进电机的矩

6、频特性关系，可知脉冲频率与电机转矩成反比。启动频率若超过一定的数值，步进电机会出现丢步或堵转的现象。步进电机在高速运行状态下，若突然停止，基于惯性，也会出现过冲的现象。尤其机器人检测执行机构在探伤过程中，沿导轨进行高频率的直线往复运动，且机构具有一定的质量与速度，若控制往复运动的步进电机加减速过程设计不合理，在速度换向时会产生较大的惯性力，对机器人整体结构和稳定性产生一定的冲击，也难以保证探伤精度。同时，设计不合理，也容易出现丢步或过冲的现象。因此，检测执行机构作为机器人的关键部分，对步进电机进行合理的加减速设计对于整个系统的可靠运行非常重要。基于检测执行

7、机构对加减速平稳性要求较高，步进电机选用S型加减速曲线，图5为典型加减速曲线。图6装载值f变化曲线故障排除卜_——．1系统初始化机器人行走控制系统报警茬兰／图5典型S型加减速曲线是上蕊要在短时间迅速达到要求的探伤速度，而且要平稳，，避免出现丢步或过冲现象，脉冲信号随时间输出的频率如何变化非常关键。具体实施方案如下：机器人配合压超声波探头探焊缝检测信伤运动息图像传输步进电机驱动器选用M542H型号，该驱动属于双极一性恒流斩波，具有灵活的输出电流设定，能够实现最大～一256细分设定，且不影响输出力矩。在保证力矩的情况下，将细分设定为25细分，即5000步／圈。

8、设定单片机定时器工作模式设为1，即16位定时器模式，通过改变定时器T0的装载值大小，使P0．0输出脉冲频率改变。定时器Tn装载值越大，P0．0输出脉冲频率越大，装载值越小，P0．0输出脉冲频率越小，进而改变步进电机的速度。定时器T1用来保证频率变化的时间段，使Tn装载值变化时间间隔>不变，实现离散化处理。通过现场的不断调试，确定定时器rn的起始装载值，对应步进电机的启动频率；确定终止装载值，对应步进电机的最高运行频率。设装载值变量TL0=f，在加速过程中，结束随时间而变化的离散曲线如图6所示。因减速过程与加速过程对称，方法相同，故在此不再图7控制系统程序流

9、程图陈述。经多次现场调试证明，此曲线能够实现步进电机高走运动，到达