（精密仪器及机械专业论文）中厚钢板超声自动探伤车关键技术的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 超声波无损检测技术是现代工业重要的检测手段。在它出现和发展的几十年 中，超声理论的不断完善和各种相关技术的提高，为超声检测技术的发展提供了 十分有利的条件。在超声波无损检测中，针对中厚钢板的检测对现代化工业建设 具有非常重要的意义。随着国民经济的发展，对优质中厚钢板型材的需求必然会 越来越多，迫切需要检测手段的改进和提高。 目前国内针对中厚钢板型材进行检测的超声无损检测方式中，以便携式手持 仪器检测和大型固定设备检测为主，这两种方式均存在不同方面的缺点，不利于 现场条件下的检测，本文提出一种基于导航元件与电机调速配合的探伤车行走轨 迹控制方案，探伤车上搭载自主研发的基于f p g a 和单片机的高速度数据采集卡 进行超声数据的采集。该系统能够对各种规格的中厚钢板进行现场条件下的检 测，自动便捷的完成对整张钢板的探伤，在保证了检测效率和精度的同时，降低 了检测成本和检测人员的劳动强度。本文中论述了该机械车系统的关键技术，并 对导航元件的精度以及采集后数据的处理方式进行了讨论。 本文完成的主要工作： 1 针对国内外中厚钢板检测方式，提出了新的检测方案一基于导航元件与 电机调速配合的探伤车行走轨迹控制的方案。 2 论述了本系统的机械结构，并结合本系统的运动状态，行走过程，以及 主要功能对各部分进行了分析。 3 根据机械小车直线行走的要求，对本系统进行了理论上的研究及实用方 法的探讨。 4 设计了一块控制机械车行走，并可与车载探伤设备连接的控制卡，介绍 了控制卡各主要部分的电路结构。 5 根据系统的硬件结构，编写了部分c 8 0 5 1 f 0 2 3 的c 5 1 代码，论述了程序 的具体流程。 6 探讨了采集完成后数据分析、缺陷定位的方法，并结合本系统进行了机 械车精度以及相关误差的分析。 关键词：导航超声检测单片机数据采集自动控制 a b s t r a c t u l t m s o n l cn o n d e s 咖c t l v e i n s p e c t i o n m e t h o di so n eo ft h em o s ti m p o n a n t i n s p e c t i o nm e t h o d s i i lt 1 1 ep a s ts e v e r a ly e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e dt h e o r i e s a n dt e c h n o l o g i e s ，u l 仃a s o n i cn o n - d e s t m c t i v ei n s p e c t i o ni sa l s oa s k e dt o i n l p r o v e r a p i d l y i i lt h ef i e l do fu l t m s o n i ci n s p e c t i o n ，t h i c ks t e e lp l a t ei n s p e c t i o nh a s 掣e a t m e a n i n gt 0o u rc o u n 仃y sm o d e ms o c i e t ) ，c o n s t m c t i o n w i t l lt l l ed e v e l o p m e n to f i n d u s 由啪t h en e e d so ft h i c ks t e e lp l a t ea r em u c hr i l o r et l l a nb e f o r ea n dt h em e t l l o do f u l 仃a s o n i ci n s p e c t i o nm u s ti i n p r 0 v eg r e a t l y t h ei n s p e c t i o n e q u i p m e n t s ，w h i c ha r eu s e dt oi n s p e c t i o n t ：h i c ks t e e lp l a t e s e s p e c i a l l y c 锄c l a s s i 矽t w om a i n l yp 矾s ：l a 唱e ，f i x e de q u i p m e n t s 锄dh 锄d y ，s m a r t e q u i p m e n t s b u tt h e 锕om e t h o d sa r en o tv e 巧p r o p e r l yi i lf i l e di n s p e c t i o n 1 1 1 j sp a p e r 舀v e san e ww a yt 0i 衄p e c t i o nt h i c ks t e e lp l a t e s a na u t o m a t i o ns m a l lv e h i c l et h a tc 如 r u nw i t ht h ep r o g r a m 锄da tt h es 锄t i l i 圯i tc 姐t e s tt l l ep l a t e sw i t hm em u i t i c h 锄n e l u l 仃砸o n i ct e s i n gc a r d n i ss y s t e mi i n p r o v c si n s p e c t i o ne f f i c i 朋c yo b v i o l l s l y t h ef o u o w i n ga r em a i na c h i e v e m e n t s0 ft h i st h e s i s ： 4 i n t e g r a t e dw i t hm o d 锄i n d u s 仃yu l 觚s o n i ci n s p e c t i o nt ot h et h i c ks t e e lp l a t e m e t h o d s ，也i sp a p e rp r e s e n t e sa ws y 嗽m ，w h i c hi sb 弱e d0 nt h e n a 、，i g a t i o nc o i t l p o n e n t 觚l dc o n 仃0 l l a b l ee l e c t r i c a lm o t o r d e c m e dm em e c h a n i c a ld 印a 舳钮t so ft 1 1 ea u t o m a t i o nv e h i c l ea n dt 1 1 e f o u c t i o no fe v e d rp a r t sa n dt h ew a y st 1 1 e yw o r k a c c o r d i n gt 0 t h ea u t o m a t i o nv e h i c l em o v i n g c h a r a c t e r s ， t 1 1 ep a p e r i n s 仃0 d u c e st h et h e 谢e sw h i c hw e r eu s e di nt h es y s t e m d e s i 印e dac a r d ，w h i c hw 嬲u s e dt oc o n n 0 l 也em o v i n gg e s t u r eo ft h e a u t o m a t i o nv e h i c l ea n da l s oc 锄c 咖u n i c a t ew i t ht 1 1 ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d a n di n 仃o d u c es o m ei m p o r t 锄tp a r t so ft h ec a r d a c c o d i n gt 0t 1 1 eh 衲a r es y s t e 【1 1 ，、耽m a k eu ps o m ei m p o r t a n tp a r t s s o f e w a r c 8 0 5lf 0 2 3w a sd e s i g n e dw i t hc 51 d i s c u s st h em e t h o do f 血t ap r o c e s s i n g 舳da i l l y s i st h ee r r o r so ft h em o v i n g g e s t l l r e i n 也e o 呼 k e yw o i i s ： n a v i g a t i o n ，u l 仃a s o n i ci n s p e c t i ，m c u ，d a t aa c q u i s i t i o n ， c y b e m a t i o n - 3 - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：恧徇 签字同期：品力7 年6 月刁r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：压仰 导师签名： 字先：( u 签字同期：珈7 年乡月厂矿同 签字同期：弘向7 年6 月0 同 第一章绪论 第一章绪论 在高速发展的今天，现代工业对于钢铁的需求呈逐年递增的趋势。国际钢铁 协会( i i s i ) 于2 0 0 7 年1 月2 2 日宣布，2 0 0 6 年世界粗钢产量已经达到1 2 3 9 5 亿吨，比2 0 0 5 年增长8 8 ，已连续第三年超过1 0 亿吨。我国自1 9 9 6 年以来粗 钢产量由1 0 1 2 亿吨增长至4 1 8 8 亿吨，仅仅在十年之内即增长了3 1 3 8 ，截至 2 0 0 6 年底，中国粗钢产量已超过世界总产量的三分之一，连续十年成为世界上 最大的产钢国家【。 钢铁产量的激增，带动了钢铁检测技术的发展。无损检测就是一种十分常见 的检测手段。无损检测技术是指在不损害被检测对象使用性能及形态的前提下， 利用其某些物理性质因存在缺陷而发生变化的现象，通过测量这些变化来了解和 评价被测对象性质的一种检测技术。它是现代工业许多领域中保证产品质量与性 能、稳定生产工艺、促进技术进步的重要手段【2 1 。超声波检测技术是无损检测技 术之一，在它出现和发展的几十年历史中，随着理论的不断完善和各种相关技术 的提高，超声检测技术也有了长足的发展。 目前，我国对于大型钢板型材的检测手段主要依赖于超声探伤，大型企业的 检测设备效率很高，这种设备将超声检测装置固定于待测钢板的正上方，配以几 个到几十个甚至上百个超声探头，检测时让钢板从其正下方通过( 如图1 1 所示) ， 图中箭头方向为钢板与携带探头支架的运动方向。支架与待测钢板相对运动，可 以是钢板固定探头支架运动，反之亦可，这样探头从钢板上方经过，将整张钢板 图l l 大型检测设备示意图 一次性快速检测，优点是速度快、效率高、漏检率低，但是这种设备初期投入大、 第一章绪论 维护费用高、检测方式固定、结构十分复杂，而且钢板需要传输到支架下方，不 便于现场条件下的检测【3 l ；多数小型企业不可能也无需使用该类大型检测设备， 其对于钢板型材主要依靠人为检测。方法是，将检测探头( 一个或是多个并排放 置) 固定于一根2 米长左右的细棍顶部，工人手持细棍在钢板上逐行画线，待检 测整张钢板后，垂直9 0 度方向，再进行逐行画线，直至完成对钢板的检测。划 线的间距依据钢板的用途不同而疏密不同，但在实际操作过程中，由于使用人工 检测，划线问距之间的误差非常大，且不确定。这种检测效率极低，只能对部分 抽查钢板的部分区域进行检测，检验过程中误差较大，漏检范围和随机性大，钢 板一旦漏检使用，容易形成隐患，严重威胁工程的质量。中小型企业对于型材的 检测，急需一种成本相对较低，自动化程度比较高的便携式检测仪器。 目前，便携式超声检测设备以手持设备为主，国内外一些公司开发出的高性 能手持设备已具备多通道、高速、可靠性高等优点，例如南通欧能达检测仪器有 限公司生产的欧能达系列产品，已经形成多个型号的系列产品【4 】。但是，在进行 钢板型材检测的时候，手持设备并不具备明显的优点。其仍然需要工人手持便携 式超声检测设备，在待测钢板上来回进行逐行检测，其本质与传统人工检测方式 并无实质区别，依然不能摆脱检测效率低、人为因素影响检测结果等缺点。 综合以上原因，本文提出了一种自动化程度较高的，针对中厚钢板型材的检 测方法。首先，设计了一辆能够在钢板上按照预定路线行走的机械小车，该机械 车不但能够按照预先设定的程序在待检测钢板上行走，而且当机械小车的轨迹与 预定路线发生偏差的时候，能够自动纠正行驶方向；其次，机械小车上搭载自研 发的，具有高性能的超声探伤数据采集卡作为检测设备。在小车的行驶轨迹上， 按照预设的间隔，对钢板型材进行超声探伤，其行走轨迹和探伤间隔可根据探头 大小和钢板型号等现场条件进行改变。这样设计，大大提高了本检测设备的实用 性和对现场条件的适应性。机械小车与超声探伤采集卡组成一个完整的系统，相 互配合，共同完成对钢板的检测。 本课题主要进行的是针对上述系统中机械小车部分的研究，机械小车与超声 探伤采集卡的配合使用，以及在数据采集完成后，使数据与钢板上的缺陷位置一 一对应。 1 1 机械车控制方式的选择 本课题中的机械小车，主要要求其在钢板上进行直线行走，且直线度越高越 好，机械小车轨迹直线度的好坏，将直接影响着超声检测的结果。 由于现代传感器的丰富多样，使得机械小车有很多种实现直线行走的方式。 第一章绪论 在选择确定方案时，需要考虑多方面因素。以下是在本文确定时，考虑过的几种 方案。 方案一：实现小车的直线行走，最为直观也最为简单的方式，就是在小车预 定轨迹上架设轨道，小车始终在轨道上行驶，架设不同形状和长短的轨道，对于 小车的控制来讲，并没有很大的区别，这样使得小车的控制程序大为简化，同时 由于有轨道的限制作用，不必担心小车会冲下钢板，也使得传感器的使用大大减 少，总之，这种方法的优点就是使系统大为简单化，由此可以使检测系统的可靠 性大大提高【5 1 。 但是这种检测方式的缺点同样突出，由于使用轨道，增加了检测之前的准备 时间，同时，大量轨道的使用并不符合便携式仪器的要求。轨道的形状虽然可以 加工成很多形状和大小，但是不可能适应每一种现场条件。轨道的使用还使得检 测成本大为增加，仪器的效用比下降。 这种检测方法，与大型检测设备基本相同，虽然结构简单，但维护和运输都 十分困难，不适用于现场条件下的使用。 方案二：与第一种方法类似的是使用“软轨道，即不使用金属等支架结构 架设轨道，而是在行驶路面上留下某种能够被传感器所感知的信号，机械车在行 驶过程中，不断跟踪这种信号，就能够使得机械小车按照预先设定的“信号”线 行驶，这种方法摆脱了传统意义上的轨道，使得检测所用设备大为减少，也就相 应的降低了检测的成本【6 】。由于这种“信号设置随意性和方便性，不像加工轨 道那样困难，可以使这种方法应用于现场条件下。 这种检测方式同样需要在检测前进行准备，即铺设“信号”线，这也为检测 带来了困难。现在使用最为广泛的“信号”线( 即在预行驶的路面上进行标记) 就是使用有色胶带( 或者直接涂上颜色) ，然后在小车底部安装能够检测到此种 颜色的传感器，传感器通常由发光二极管以及光电接收器组成，由光电二极管发 出的光亮由于地面标记，使得反射光不同于未标记区域，当小车行驶时，光电接 收器实时采集信号，一旦小车偏离了事先设定的地面标记，光电检测装置即能够 得到相应的信号，再根据此种信号，进行判断、计算，调整小车行驶方向，使其 回到正确的路线上。如图1 2 所示。 在对钢板型材进行检测时，这种方法的缺点是很难提前在钢板上做出标记， 而且即使有标记，由于在钢板的检测过程中，超声探头与钢板之间需要有水膜进 行耦合，很容易将涂抹上的标记冲淡，如果使用胶带等不溶于水的标记物，则有 可能因为水的存在( 光路的反射和折射) 引起误差，并不能够使小车按照标记的 路线行走。另外，使用光电检测装置，由于现场条件下光源比较复杂，就必然对 标记物与钢板的颜色反差要求比较严格，否则，由于标记物与钢板颜色接近，同 第一章绪论 轨迹 车体 电检测装置 图1 2 寻迹车示意图 样不能使小车达到寻迹的要求。所以，这种方法适用于现场条件比较良好的情况 下使用，对钢板型材的检测并不适合。 方案三：使用视觉传感器，通过设定参照物，对其行驶位置进行实时标定， 以检测是否偏离直线运动。 lij ili c = 兰：= 】匕皇= = 】c = ：= ：= 兰：= 。= l ：，_ 靶标 图1 3 视觉检测示意图 轨迹j i 小车 钢板 由图1 - 3 可以看到，如果使用视觉传感器对小车位置进行标定，由于小车沿 轨迹a ( 图中虚线部分所示) 行驶至钢板边缘时，需要转弯然后沿轨迹b 进行 第二列的检测，如果使用单目视觉识别，那么就需要将靶标随着小车检测不同的 列进行移动，其位置如图中虚线靶标所示，靶标的这种移动如果使用人工进行， 就不能保证多次移动的间隔相等，这样对于直线行走的影响必然非常大，检测过 程中还必须有人员配合使用；如果使用双目识别，虽然可以只是用一个靶标进行 标定，但是这对系统的开销非常之大，同时，无疑增加了系统的成本川。而且在 现场条件下，并不能保证靶标有空间放置，即便可以放置靶标，也不能保证镜头 与靶标之间无固定障碍物或人员的走动，所以这种方法同样有其局限性，不适合 钢板的现场检测。 第一章绪论 1 2 本系统工作的基本原理 通过上述讨论，我们可以得知，在小车的外部添加轨道、标记或者靶标的做 法，虽然可以为小车的直线行走提供约束或者参照，在一定程度上可以使小车的 行驶轨迹达到要求，但使用外部的约束或者参照系统，对现场条件下的检测十分 不利，有的几乎不可能进行。所以，解决这一问题的关键就是能否通过小车自身 携带检测元件进行位置和角度的标定，这样既能保证小车按预定的轨迹行走，又 能够使得在现场条件下的检测成为可能。 最终，本文所采用的方案是，小车自身携带惯性元件，惯性元件能够对行驶 过程中的角速度变化产生相应的电压信号，通过使用单片机对其进行采集、分析， 然后积分使其成为角度信号，并根据此信号，调整相应的驱动电路，进而改变两 电机的相对速度，在小车偏离预定轨迹时，通过调整两轮转速，使小车回到直线 行走的轨迹上。在机械车行驶到钢板边缘的时候，由小车携带的传感器能够感知 小车已行驶到钢板边缘，使小车进入转弯程序。例如小车向左转弯，如下图1 4 所示，此时小车的位置为1 ，通过对两电机转速的调整使小车旋转，当惯性元件 检测到已完成9 0 0 转弯时，此时小车为位置2 ，然后沿轨迹b 前进( 这时由于超 声探头的总宽度，大于小车宽度，为了提高效率，避免重复检测) ，此时进入位 置3 ，之后在进行转弯动作到位置4 ，然后继续沿轨迹c 进行直线行走，直至整 张钢板检测完成。 轨迹b 图l _ 4 转弯示意图 钢板 位置2 位置l 轨迹a 小车 第一章绪论 1 3 本文主要完成的工作 本课题所研究的自动探伤系统，不仅仅是各种技术的简单拼接，而是将各种 成熟技术有机的结合成一个整体，在超声检测设备的应用和发展上结合了现代自 动控制原理，在提高检测精度与速度的同时，减少了人为的干扰因素。在高速发 展的现代化工业中，使降低成本、提高效率成为了可能。为中小型企业和现场条 件下钢板型材的检测，提供了极大的方便。本课题所研究的系统摆脱了传统检测 手段上的缺点，借助先进的电子技术和信息技术的处理分析能力，大大提高了系 统的稳定性和可靠性，增加的系统的适用范围。 论文在研究和总结前人的研究成果的基础上，提出了一种新的检测方法，本 文主要分为以下几部分的工作： ( 1 ) 针对国内外中厚钢板检测方案，提出了新的检测方案一基于导航元件 与电机调速配合的探伤车行走轨迹控制的方案。 ( 2 ) 阐述了本系统的机械结构，并结合各个部分分析了本系统的运动状态， 行走过程，以及主要特点。 ( 3 ) 结合本系统的行走要求，对相关原理进行了理论上的研究及实用方法 的探讨。 ( 4 ) 设计了一块控制机械车行走，并可以与车载探伤设备连接的控制卡， 并介绍了个主要部分电路的结构。 ( 5 ) 根据该系统，编写了部分c 8 0 5 1 f 0 2 3 的c 5 l 代码，论述了程序的具 体流程。 ( 6 ) 采集完成后数据的分析、缺陷定位方法，并结合本系统进行了理论上 机械车的精度以及误差定位的分析。 第二章本自动探伤系统的整体设计 第二章本自动探伤系统的整体设计 机械小车完成一系列的动作与功能，是与其机械结构密不可分的，机械结构 的合理性和完整性直接关系到系统最终是否能够达到设计要求【8 】。本文提出了一 种通过角速度传感器配合直流电机的调速，进而实现预定运动轨迹的控制方案。 2 1 整体设计 本系统是针对中厚钢板的检测而设计的，本系统为车体结构，其结构如图 2 1 所示。 图2 1 机械车结构图 测器a 在三轮小车的上部搭载着自研发的超声探伤采集卡，其在收到控制卡发出的 信号后，发射超声波，并采集超声回波。小车前端伸出部分为超声探头支架，可 根据需要在一定的范围内调整长度，上面并排固定着超声探头，其可根据不同情 况调整探头的数量和型号。在探头支架前端为边缘探测器a ，其作用是在小车行 驶接近钢板边缘时，为小车提供转弯信号，避免小车冲下钢板，在探头支架的两 端的边缘探测器b ，其作用是在小车能够识别第一次和最后一次直线检测，待最 后一次检测结束时停止运动。探头支架的宽度应大于机械车宽度，这样可以保证 在转弯和在钢板边缘进行探测时，探头能够减小漏检面积，而且确保车轮不会滑 第二章本自动探伤系统的整体设计 落钢板。 探头支架与车主体相连，其中包括探头电源线，信号线以及供水管，信号线 应于电源尽量隔开，避免干扰。超声探头信号线与后面的超声数据采集卡直接相 连接，缩短信号线长度，避免因信号线过长产生的干扰。超声探头在检测过程中 需要4 0 0 v 高压脉冲，高压发射模块通过电缆与后端电源相连接，在检测超声探 头需要耦合剂( 水) ，小车后部水箱通过供水管与前端探头相连接，在检测过程 中不断供水，保证探头与待测钢板之间水膜的存在【9 1 。 小车检测钢板为蛇行轨迹，如图 2 2 所示。开始检测钢板时，将小车置 于待测钢板的左( 右) 下角，接通电 源后，初始化过程中，小车首先通过 置于小车通过边缘探测器b ，可感知 是在钢板的左或右下角，并根据此， 决定转弯方向。例如，在初始化时， 检测到左边为钢板，右边为非钢板， 当小车行至钢板前端边缘时，小车自 动向左转1 8 0 度后，继续直线行走并 检测，重复以上动作，在检测至最左 图2 2 车轨迹 卜小车b 钢板 边时，边缘探测器b 能够感知并在此次直线检测后停止运动。小车采用三轮结 构，而非传统车辆的四轮结构，有效的避免了因多轮平面定位而带来的加工定位 上的复杂，同时减小了因此产生的误差。小车的左右两轮分别与电机直接相连， 并在小轮上加装光电编码盘，以便能够检测小车的位置以及转速。小车的后部为 一个万向轮，主要起到支撑和随动作用。小车的主要重量集中于电源和水箱，其 他部分相对较轻，所以将电源和水箱部分放置于小车主动轮与万向轮的中线位 置，使小车行驶过程中更加平稳。 对于车体的材料，本系统选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架 更加牢固，比使用金属材料质地更轻，而且在进行金属超声探伤的环境中，应尽 量减少其他金属的使用，以便减少干扰，另外使用有机玻璃材料加工相对比较简 单外观也更加美观。 2 2 车轮结构的选择 小车选择左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转 第二章本自动探伤系统的整体设计 速和力矩基本相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个 直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松 的实现小车坐标不变的9 0 度和1 8 0 度的转弯。在安装时，须尽量保证两个驱动 电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后面的万向轮构成了一个三点结构。 这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮 驱动力不够的情况【。 2 3 边缘探测器 小车的边缘探测器，其为一细杆，在细杆端部为一接近传感器，且传感器的 检测端面向下。本系统没有使用光电检测开关，因考虑到现场条件下，光信号可 能比较复杂，容易误检，红外信号同样存在此问题。因此选用对金属敏感的接近 传感器。接近传感器可以在不与目标实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目 标。接近传感器具有独特的优点： ( 1 ) 避免了对传感器自身和目标物的损坏。 ( 2 ) 无触点接触，操作寿命长。 ( 3 )即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测。 ( 4 ) 感应速度快。 ( 5 ) 小型探测头，安装灵活。 本系统使用了高频振荡型电感式传感器。电感式接近传感器有高频振荡、检 波、放大、触发及输出电路组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场， 当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振 荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停止这两种状态，转换为电信号通过整形放大 转成二进制的开关信号，经放大后输出【l l 】。现有接近开关的检测距离可在1 c m ， 检测频率在1 k ，由于小车的行驶速度不高，所以能够满足系统的要求。 在检测过程中，当小车靠近钢板前端边缘时，自接近开关能检测到边缘至小 车停止前进，需要一定的反应时间，小车需要根据此反应时间来决定细杆的长度， 如长度过短，则有可能小车冲出钢板；长度过大，则未到边缘即转弯，出现了较 大范围的漏检区域。而且其长度与现场条件有关，如钢板光滑程度等，其具体长 度，要在实际检测过程中校订，所以细杆能够在一定范围内调节长度，以方便现 场条件下的使用。 一般来讲，钢板型材的对边相对比较平行，对于边缘探测器b ，还有另外一 项功能。在小车每次行驶到钢板边缘时，理论上小车的行驶方向应与钢板边缘垂 第二章本自动探伤系统的整体设计 直，但由于小车行驶过程中误差的累计，在到达钢板边缘的时候，可能已经出现 一定角度的偏差，这时候可以使用两个边缘探测器进行标定。 具体步骤是，当边缘探测器a 探测到到达钢板边缘的时候，小车制动慢慢 接近钢板边缘，这时候如果两个b 探测器同时探测到已经到达边缘，则认为小 车基本垂直于钢板边缘，如果有一侧探测到钢板，而另一次无，则相应的使某一 侧电机转动，直到两边一致。 2 4 电机参数的选择 本系统中包括电机、探头、电子部分、车轮以及载板，此外，本系统为了避 免使用供电电缆和供水管，自身携带电源和水箱。总重约为1 0 至1 5 公斤，使用 的电机需具有较强的拖拽能力，但无须较高的运行速度，精度要求也相对较低， 同时电机在制动和转弯时有较强的抗过载能力，所以本系统选用带有减速齿轮机 构的直流可调速电机。 直流电机的选则，主要包括扭矩、功率以及电机的几何尺寸。电机的动态力 矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工 作的负载确定的，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单 一的摩擦负载是不存在的。直接起动时( 一般由低速) 二种负载均要考虑，加速 起动时主要考虑惯性负载，恒速行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应 为摩擦负载的2 3 倍【1 2 】，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来( 几 何尺寸) 。根据牛顿定律，在功率恒定时，有： p = ，矿 2 1 式中f 为动力，应远大于小车的摩擦力f 13 1 ，小车的滚动摩擦力为： = ，昭甜v2 2 系统要求每秒一米的速度，选用车轮的大小直接影响扭矩和转速的选择，车 轮直径过大，就必须增加力矩，车轮直径过小，就必须提高电机转数，综合两者 考虑，最后选用直径为1 0 c i l l 的车轮，车轮为轻质塑料结构，进一步减轻了车身 的重量，最外层为橡胶，适当增加摩擦力，防止打滑。橡胶与钢板间的滚动摩擦 系数为0 0 2 至0 0 3 【1 4 1 ，所以小车的滚动摩擦力应小于4 5 牛，又有： p = q 肘2 3 其中伽2 兀n 6 0 ，n 为每分钟转速，q 为每秒角速度，单位为弧度，m 为力 矩单位为牛米，一般取静力矩应为摩擦负载3 倍， 肘= 厂，32 4 第二章本自动探伤系统的整体设计 可得力矩为0 6 7 5 牛米，由于车轮直径为1 0 c m ，则旋转一周的距离为3 1 4 c m ， 以一米每秒计算，车轮转速应达到每分钟2 0 0 转以上，由式2 3 可得小车的电 机功率不应小于1 4 瓦。考虑到p w m 调速，会降低电机的功率和转速，本系统 采用双电机工作，大大降低的电机的工作负载，提高了系统的驱动能力和机动性 能。本系统最终选用的电机额定电压为1 2 伏，额定功率为2 0 瓦。 本系统中使用的电机，须具备定的调速功能，即当输入电压低于额定电压 时，电机的转速下降，但仍能保持一定的转矩，只有这样p w m 调速才有可能进 行。 2 5 光电编码盘 在系统检测过程中，控制器需要记录每次发出检测信号时小车的位置，以便 能够确定缺陷的位置。同时由于水箱以及其他因素致使小车的行驶速度发生变 化，如不进行速度的控制，当速度增快而检测频率没有发生变化的时候，则会使 超声检测间隔时间变短，影响检测结果，所以必须对小车的位置进行记录，对电 机速度进行控制。 本系统使用了增量式光电编码盘作为小车位置和速度的检测装置。光电式脉 冲编码检测方式具有其他方式不具备的优点： ( 1 ) 检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小。 ( 2 )由于光电变换器性能的提高，可得到较快的响应速度。 ( 3 )由于照像腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电盘，而 本倒1 5 1 。 本系统使用国产s z g 1 型增量式光电编码盘。该光电编码采用密闭结 构，内置发光二极管、光电接收器和编码盘，可通过联轴节与被测轴相连接等多 种方式连接被测物。角位移转换成a 、b 两路脉冲信号，具有9 0 度相位差，如 下图所示。从图中可知，若a 相滞后于b 相，对应电动机正转；若b 相滞后于 a 相，对应电动机反转。此外，在编码器的里圈还有一条透光条纹c ，用以产生 基准脉冲，又称零点脉冲，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，作为零 位标记。它每圈能输出6 0 0 个a 相或b 相脉冲和一个零位脉冲。在单片机处理 中，对上述信号进行倍频处理，可以进一步提高其分辨率，从而提高位置控制精 度。如果从信号a 的上升研和下降沿各取一个脉冲，则每转所检测的脉冲数提 高了一倍，称为二倍频。同样，如果从信号a 和信号b 的上升沿和下降沿均取 一个脉冲，则每转所检测的脉冲数为原来的四倍，称为四倍频，如2 3 ( b ) 图所 第二章本自动探伤系统的整体设计 示。如果使用s z g h 0 1 光电编码盘，通过四倍频每圈的分辨率可以达到2 4 0 0 0 p r 的角分辨，足可以保证在一般情况下对于精度的要求1 1 6 】。 正 2 6 水箱 a b 二倍频 图2 3 编码盘原理图及其二倍频信号 b 从现场的检测的实用性考虑，本系统省去了供电电缆和供水管，为小车的行 动带来了方便，但同时由于使用了自带的电源和水箱，使整个系统的负载大大增 加，提高了对于电机拖拽能力的要求。 由于探头与钢板之间必须有水膜的存在才能进行超声检测，所以系统自备了 水箱，其通过供水管与前端的探头端部相连接，由于重力原因，水不断地从预制 的小孔中渗出，保持水膜的存在。这就需要水箱内部的水位不能低于探头高度， 不然水将无法流出，检测得到的数据也就毫无意义。 本系统设置水位检测装置，如下图所示。浮子的密度比水轻，所以可以随水 箱内水位的高低而上下浮动，浮子套于细杆e 上，目的是使浮子能够在规定的位 置上下移动，便于检测。浮子上附有一段金属，可被置于水箱外的接近开关检测 到( 使用的接近开关与边缘探测器相同，只对与金属敏感) ，当水箱内的水位低 于设定值时，浮子位于接近开关的前方，产生信号通知单片机，单片机使小车停 止工作。此时需向水箱内加水，待水位高于设定位置时，小车开始重新工作。供 水孔的高度需要高于探头高度，而低于接近开关高度。由于水箱箱体使用塑料材 料，所以会不对检测产生干扰。 册肿 第二章本自动探伤系统的整体设计 i l e f 山 二 t 卜 图2 _ 4 水箱示意图 a 浮子 b 供水孔 c 水箱盖 d 箱体 e 细杆 f 接近开关 一般来讲，钢板型材面积为6 4 平方米，水膜的厚度按o 1 m m 计算，则检 测一整张钢板需要2 4 升水，因此，水箱的容积至少为2 4 升，考虑到其他因素， 水箱不应小于3 升。 2 7 探头的选择 对于不同条件下的检测，可自行配置探头的数量和型号。下面简要介绍一下 探头的选择。 超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探伤前，应根 据探伤对象的形状、衰减和技术要求来选择探头。常用的超声波探伤频率在o 5 1 0 删z 之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素： ( 1 ) 由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为半波长，因此提高频率，有 利于发现更小的缺陷； ( 2 ) 频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷； ( 3 ) 频率高，波长短，半扩散角小；声束指向性好，能量集中，有利于发 现缺陷并对缺陷定位； ( 4 ) 频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利； ( 5 ) 但频率过大，会使衰减急剧增加【1 7 1 。 由以上分析可知，频率的高低对探伤有较大的影响。频率高，灵敏度和分辨 力高，容易测定缺陷的位置和尺寸，指向性好，对探伤有利；但频率高，近场区 长度大，衰减大，又对探伤不利。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素，合 理选择频率。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。另一方面， 钢板板材中危险性缺陷大多与超声主声束成一角度，探测频率过高，缺陷反射性 指向性越好，回波反而不易被探头所接收，故频率不宜太高。 第二章本自动探伤系统的整体设计 对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2 5 5 0 m h z 。对于晶粒较粗大的铸件，宜选用较低的频率，常用o 5 2 5 删z 。如果 频率过高，就会引起严重衰减，信噪比下降，甚至无法探伤，这就是超声探伤难 以检测奥氏体钢的原团甜。 第三章本自动探伤系统的控制原理 第三章本自动探伤系统的控制原理 本系统的控制主要体现在对于机械小车直线运动的控制上，本系统使用的是 平行结构的双轮驱动，理论上讲，当两轮的旋转速度相同时，小车就应该保持直 线行走，但是，在实际情况中，由于车轮的大小不可能保持完全一致，而且现场 检测条件下，钢板表面不可能保证良好的平面度，致使小车即使两轮速度一致也 不能完全保证直线行走，由于有外界干扰的存在，小车在前进方向上肯定要偏离 预先设定值，通过改变两轮转速，能够达到调节角度的功能，所以要保证其在现 有机械结构上，能够最大限度的进行直线行走，就必须对直流电机的速度进行检 测和控制。 3 1 直流电动机调速原理 直流电机转速n 的表达式为： 刀：挚( ，叫 3 一1 e 、 7 p 1 式( 1 1 ) 中： u 。一电枢端电压( v ) ； ，。一电枢电流( a ) ； y 尺。一电枢电路总电阻( q ) ； 一每极磁通量( 、b ) ： e 一与电机结构有关的常刿19 1 ； 由公式3 1 可知，直流电机转速n 的控制方法有三种： ( 1 ) 改变电机主磁通只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒 功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小； ( 2 ) 改变电枢电路电阻y r 。在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调 速，平滑性差、机械特性软、效率低。 ( 3 ) 调节电枢电压u a 。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动 态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统； 改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用：弱磁调速范围不大，往 往与调压调速配合使用；因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是本文中系 统所采用的方法。 第三章本自动探伤系统的控制原理 改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组、静止变流装置、p w m ( 脉宽 调制变换器( 或称直流斩波器) 。 ( 1 ) 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电 压，简称g m 系统，国际上统称w a r d l e o n a r d 系统，这是最早的调压调速系统。 g m 系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、 维护不方便。 ( 2 ) 2 0 世纪5 0 年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋 转变流机组，但到5 0 年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。 采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称v - m 系统，又称静止的 w a r d l e o n a r d 系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角，进而改变整 流电压u 。的大小，达到调节直流电动机转速的目的。v m 在调速性能、可靠性、 经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。 ( 3 ) p w m ( 脉宽调制) 变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现 控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压。 本文中就是采用这种方法来控制电机的转速。 3 2 反馈系统 对于小车速度的控制，是依据小车方向的偏离或者速度的变化做出的，需要 平稳、快速、准确的对小车的转速进行控制，这就引入了自动控制的概念。 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置( 称 控制装置或控制器) ，使机器、设备或生产过程( 统称被控对象) 的某个工作状 态或参数( 即被控量) 自动地按照预定的规律运动。自动控制按控制方式可分为 反馈控制、开环控制、复合控制方式，其中最基本应用最为广泛的是反馈控制方 式；按参据量变化规律可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统，本系统 属于反馈控制中的恒值控制方式【2 1 1 。 在工业生产中，一个典型的反馈系统由四部分组成：被控过程、传感器装置、 执行器和控制器，如图3 1 所示。被控过程是实际物理的系统，不能改变；执行 器和传感器是根据物理和经济的要求来选择的；控制器是针对一个给定的对象 ( 整个系统，包括被控过程、传感器和执行器) 而设计的。 第三章本自动探伤系统的控制原理 期 图3 一l 典型的反馈控制系统 反馈控制系统的特性包括四个方面，控制系统对参数变化的灵敏度、控制系 统的瞬态响应的控制、反馈控制系统的抗干扰能力、反馈控制系统的稳态误差。 反馈控制系统的价值在于通过设计合适的反馈回路，可以调节系统的瞬态响应， 可以使系统的灵敏度以及干扰造成的影响明显地减少，还可以减少系统地稳态误 差，使之趋于零。 使用反馈控制的主要目的是减少“不确定性”的影响。不确定性可以是对象 描述中的建模误差( 即未知系统) ，或干扰噪声( 即未知信号) 嗍。 3 2 1 反馈控制原理 如图3 2 所示是开环和闭环控制形式，其中，( f ) 是参考输入，d ( f ) 是干扰， 少( f ) 是输出。当日= 1 时，反馈起作用，( f ) 和y ( f ) 比较，并把差反馈到控制器。 若传感器发生故障( 即传感器输出固定在零) 时，系统就变成开环控制，即日= o 。 图3 2 开环与闭环系统 本系统行驶过程中，机械车可能因自身或外界的影响出偏离直线运动的情 况，其行驶轨迹与预定的直线轨迹出现一定的角度偏差，角速度传感器会通过输 出电压的改变，反映这种变化。角速度信号经过单片机的处理和分析后，单片机 通过控制驱动电路，对两车轮电机转速做出相应的调整，来保证机械车恢复到正 第三章本自动探伤系统的控制原理 确的行走轨迹上。实现了通过角速度传感器配合直流电机的调速，进而控制直线 运动的方案。 本系统需要同时控制小车的两个参数。第一个为小车的行驶角度。开始时刻 的角度( 设置为o ) 即为r ( t ) ，由于钢板表面不平或者两车轮的大小不是绝对的 一致，小车在行驶过程中肯定会发生一定程度上的偏转，这种外界原因起的偏转， 就是干扰信号，控制器通过比较这两种信号，控制驱动电路和电机，系统中的反 馈环节为角速度传感器，用来检测小车行驶轨迹的偏差角度：第二个控制参数为 小车行驶的速度，同样由于外部干扰( 钢板与水平面存在一定角度的倾斜等) ， 同时还由于小车在检测过程中，整体的质量在不断地减少，这是由于水箱内的水 不断被损耗，如果不对其速度进行控制，小车行驶的速度必然会越来越快，所以 必须要对其速度进行检测和控制。通过增量式光电码盘来测量小车的实际运行速 度，并与设定量进行比较，进而实现加速或减速的调节。 3 3p i d 控制器的原理 通过以上分析可以看出，小车的精确直线行走是通过对小车两直流电机速度 的控制实现的，而控制过程和控制方法是否能过程达到快速、准确、平稳，就成 为关键。因此，必须选用合理的控制方法对直流电机进行调速。 p d 控制是在生产过程中使用最普遍采用的控制方法，p i d 控制算法相对简 单，结构改变灵活，技术成熟，适应性强，可靠性能高，在冶金、机械、化工等 行业中获得广泛的应用【2 3 】。 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。常规p i d 控制 系统原理框图如图3 3 所示。系统由p i d 控制器和被控制对象组成。 p ( f ) 图3 3p i d 控制系统原理框图 p m 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( f ) 与实际输出值c ( f ) 构成控 第三章本自动探伤系统的控制