（机械电子工程专业论文）管道环焊缝扫查机器人研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 i i i i 葺i i i i i i iw 一 - i i i i i i i 摘要 为了保证石油管线运输的安全可靠性，需要对输送管道环焊缝进行检测。 自动超声检测( a u t ) 作为一种先进的无损检测方法，在管道焊接缺陷检测 中发挥着重要作用。本文以国家8 6 3 项目“深水海管水下回接技术及a u t 检验设备国产化技术研究”为依托，对管道环焊缝自动超声检测机械装 置扫查机器人进行研究。 对自动超声检测的两种关键技术相控阵技术和t o f d 技术进行分析 比较，选用相控阵技术对管道环焊缝进行检测：确定了扫查机器人的总体方 案，对扫查机器人的运动方式、传动方式以及设计性能进行分析，并介绍其 工作过程。 对扫查机器人的结构进行深入研究。该扫查机器人由四个部分组成：弹 性导轨组件、行走运动机构、控制箱组件以及探头调整机构；建立扫查机器 人的静力学分析模型，推导出扫查机器人处于任意位置时驱动力计算的一般 公式；在保证重心位置不变的情况下简化扫查机器人的分析模型，对行走运 动机构和导轨进行基于接触的有限元分析。 基于模块化思想，设计探头调整机构控制系统的位置伺服模块和通讯模 块，选用单片机a t 8 9 c 5 2 、性能优越的专用运动控制芯片l m 6 2 9 和功率驱 动芯片l m d l 8 2 0 0 ，并对单闭环位置伺服系统和通讯系统的硬件电路图进行 设计。 一 对扫查机器人进行运动仿真分析，验证扫查机器人运行过程中探头在管 道径向方向上的定位可靠性；建立探头调整机构控制系统的数学模型，并对 其进行仿真，验证位置控制系统具有良好的精确性以及快速的动态响应特性。 关键词：a u t ；环焊缝：相控阵；扫查机器人；仿真 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 a b s t r a c t i no r d e rt og u a r a n t e et h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fo i lp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ， t h ep i p e l i n e g i r t h w e l dn e e d st ob et e s t e d a sa na d v a n c e dm e t h o do f n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，a u t o m a t e du l t r a s o n i ct e s t i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n p i p e l i n ew e l d i n gd e f e c tt e s t i n g t h i s a r t i c l ei sb a s e do nt h en a t i o n a l8 6 3 p r o j e c t _ 一“u n d e r w a t e rt i e i n t e c h n i q u ef o rs u b s e ap i p e l i n e sa n ds t u d yo f a u tt e s t i n gd e v i c en a t i o n a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nt a s ko ft h i sa r t i c l e i st om a k er e s e a r c hi na u t o m a t e du l t r a s o n i c t e s t i n gm a c h i n eo fp i p e l i n eg i r t h w e l d _ s c a n n i n gr o b o t a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft w ok e y t e c h n o l o g i e so fa u t o m a t e du l t r a s o n i ct e s t i n 哥p h a s e da r r a yc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dt o f dt e c h n o l o g y ，t h ep h a s e da r r a yc o n t r o lt e c h n o l o g yi ss e l e c t e dt ot e s t p i p e l i n eg i r t hw e l d ；t h eo v e r a l ls c h e m eo fs c a n n i n gr o b o ti sd e t e r m i n e d ，t h e m o t i o nm o d e ，t h ed r i v i n gm o d ea sw e l la st h ed e s i g np e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d a n dt h ew o r k i n gp r o c e s si si n t r o d u c e d d e e pr e s e a r c hi sm a d ei nt h es t r u c t u r eo fs c a n n i n gr o b o t i ti sc o m p o s e do f f o u rp a r t s ：f l e x i b l e g u i d es u b a s s e m b l y ，m o v e m e n tm e c h a n i s m ，c o n t r o lb o x s u b a s s e m b l ya sw e l la sp r o b ea d j u s t i n gm e c h a n i s m t h es t a t i ca n a l y s i sm o d e lo f s c a n n i n gr o b o ti se s t a b l i s h e di no r d e rt od e d u c et h eg e n e r a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao f d r i v i n gf o r c e a tr a n d o mp o s i t i o n ；t h ea n a l y s i sm o d e lo fs c a n n i n gr o b o ti s s i m p l i f i e de n s u r i n gt h ec e n t e ro fg r a v i t yl o c a t i o nu n c h a n g e d ，a n dt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si sc a r r i e do n t h ep o s i t i o ns e r v om o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fp r o b ea d j u s t i n g m e c h a n i s mc o n t r o l s y s t e ma r ed e s i g n e db a s e d o nm o d u l a rt h i n k i n g t h e s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ra t 8 9 c 5 2 ，s p e c i a lm o t i o nc o n t r o lc h i pl m 6 2 9o f 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 s u p e r i o rp e r f o r m a n c ea n dp o w e ra c t u a t i o nc h i pl m d 18 2 0 0a r es e l e c t e d ，a n dt h e h a r d w a r ec i r c u i td i a g r a m so fs i n g l ec l o s e d - l o o ps e r v os y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma r ed e s i g n e d t h em o t i o ns i m u l a t i o na n da n a l y s i so fs c a n n i n gr o b o ta r ec a r r i e do nt ov e r i f y t h er e l i a b i l i t yo fp r o b ep o s i t i o ni nt h er a d i a ld i r e c t i o no fp i p e l i n ew h e ns c a n n i n g r o b o ti sr u n n i n g ；t h em a t h e m a t i cm o d e lo fp r o b ea d j u s t i n gm e c h a n i s mc o n t r o l s y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h e s i m u l a t i o ni sc a r r i e do nt o v e r i f y t h a tt h e p o s i t i o n c o n t r o ls y s t e m h a st h eg o o da c c u r a c ya sw e l la st h ef a s t d y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c k e yw o r d s ：a u t o m a t e du l t r a s o n i ct e s t i n g ；g i r t hw e l d ；p h a s e da r r a yc o n t r o l ； s c a n n i n gr o b o t ；s i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：恸弦 日期：c 呵年弓月匆日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 殴在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：铆导师( - 签- 7 - ) ：j 呶 日期： 所年弓月o 曰渊年弓月，p 日 哈尔滨丁稗大学硕十学伊论文 1 1 引言 第l 章绪论 管道环焊缝由于多种因素的影响，不可避免地存在不同程度的缺陷，保 证对接管道的安全性就成为富有挑战性的课题。各工业发达国家如美国、加 拿大、日本在管道焊缝检测方面研究较早，技术比较成熟，工业领域的应用 也比较深入，但各国仍旧有由于管道泄露引起的事故发生。美国天然气管道 局对1 9 8 6 2 0 0 0 年期间大的管道事故及其造成的人员伤亡、财产损失的统计 报告显示：在不到十四年间，美国的天然气管道就发生事故11 8 4 起，造成了 5 5 人死亡，2 1 0 人受伤，共计财产损失约2 5 亿美元。最近几年，俄罗斯、 巴基斯坦、阿根廷、加拿大等国家也有管道断裂事故的报道，其根本原因就 是没有对管道焊缝进行严格可靠的检测忙1 。因此对输送管道而言焊缝质量的 检测极为重要。尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却 能反应该部门、该行业甚至该国的工业技术水平p 1 。 影响焊缝机械性能的焊接缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等 1 4 1 5 】 o ( 1 ) 裂纹 裂纹是一种具有尖锐端头且其开口位移长、长宽比例高的断裂型非连续 性、锯齿形缺陷，它是焊缝中最危险的缺陷，其形成原因是由于焊接中熔融 金属凝固时的收缩，以及母材在焊接工程中加热不均匀，使熔融金属与母材 都处于张力状态所致，所以在焊缝内或热影响区容易产生裂纹。 ( 2 ) 未焊透 在焊缝的坡口处或根部，由于电弧未将母材熔化或未填满熔化金属所引 起的缺陷，称为未焊透。不完全焊透时坡口的根部或铲根不充分时坡口的底 部残留着未焊透部分，角度过小或根部间隙过于狭窄时容易产生未焊透。 哈尔滨丁稃大学硕十学伊论文 ( 3 ) 未熔合 所谓未熔合系指母材与焊缝金属( 焊条熔化进入坡口的金属) 没熔合及 在焊接中前层焊缝金属和后续焊缝金属未熔合。坡口角度过小，母材或前层 焊缝金属熔合不充分时，以及焊接时焊缝的表面附着的熔渣和氧化物清除不 彻底时产生熔合不良。后者多在熔合不良缺陷中含有熔渣，多数情况下不能 清楚地和夹渣区别。 ( 4 ) 夹渣 它为焊接时熔池里熔渣未浮出而残留在焊缝中的缺陷。熔渣的一部分常 残存在焊接金属内部，另一种情况是，当附着在下层焊接金属表面上的熔渣 清除不彻底时，在上层焊接中不熔化而残存着。一般来说前者较小且分布比 较均匀，反之，后者在多数情况下较大且形状不规则。 ( 5 ) 气孔 气孔是在焊接金属中存在的球状孔洞。这是在焊接金属冷却时，包含在 熔化金属中的气体析出，没有完全浮到表面时就凝固而留在焊接金属中引起 的。形成气孔的气体多数情况下是氢和二氧化碳气体，另外，还有焊条干燥 不充分和电弧保护不好等原因。 常规无损检测方法中只有射线和超声检测方法适合于整体缺陷的检测， 其中超声检测为国内外应用最广泛、使用频率最高且发展最快的一种检测技 术垆1 。为了保证检测的可靠性并提高检测效率，开发研制智能化、自动化、 图象化的超声检测系统是当今无损检测技术发展的需要，世界各工业化国家 都在积极地研究与开发新型检测技术与设备川胯1 。目前对于自动超声检测系统 来说分为两种：常规多探头系统与相控阵系统。射线检测、常规多探头检测 以及相控阵检沏0 有各自的优缺点，如表1 1 所示。 为了检测出焊缝中的裂纹和未焊透等危害性缺陷，在焊缝检测中采用自 动检测技术日渐增多，检测方法的研究与管道的焊接方法研究联系紧密。2 0 世纪2 0 年代，澳大利亚研制出纤维型焊条的手工电弧焊，并以此来进行管道 环焊缝的焊接，管道环焊缝质量检测的研究就开始了。无损检测手册( 美 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国无损检测学会编，第一版第二卷) 介绍了一种2 0 世纪四五十年代用于检测 飞机构件、钢轨的机械超声装置，电机带动三个独立安装在导轨上的探头进 行扫描。 表1 1 管道无损检测设备技术对比 射线检测常规多探头系统相控阵系统 检测速度 较慢 快更快 裂纹，未融合不易检出 容易检测更易检出 缺陷定量不准确 准确 更准确 标准a p l l l 0 4a s t m e - 19 6 1 a p ia s t m e 1 9 61 a p i 损害健康是 否否 返修率较高较低最低 过程控制不可以可以可以 温度影响没有有将来可以补偿 超声波卢束没有有将来可以补偿 壁厚影响没有有将来可以补偿 1 2 课题来源及意义 本课题来源于国家8 6 3 项目“深水海管水下回接技术及a u t 检验设备国 产化技术研究”中的子项目“a u t 检验设备国产化技术研究”。该课题的主 要研究目标是研制出具有自主知识产权的自动检测机械装置。 我国在“西气东输”工程中为了保证管道环焊缝的质量，对焊缝实行 1 0 0 探伤检验一1 。对于这样大型的管道工程建设，如果仍然使用传统的检测 方法，不仅增加操作人员劳动强度，延长施工周期，而且管道检测的可靠性 不能保证，可能对管道以后的安全运行埋下不良隐患。 目前国内广泛使用的探伤方法仍为手工探伤，为了保证焊缝截面缺陷的 完全覆盖需要使用不同角度的超声探头，且在检测过程中不断的移动探头位 3 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 置，以保证超声波声束的入射角，最后根据仪器上回波的波形判断焊缝缺陷 的性质。这种检测方法劳动强度大、检测效率低，且在大多数情况下需要依 赖操作者的经验，很容易造成漏判和误判。近年来出现了一些多通道超声检 测仪器，可实现多声束的同时检测，但因角度调节不够灵活，位置移动不方 便，且还需要不同角度的探头，不易实现全自动化，所以仍然不能满足大批 量焊缝检测的要求0 1 1 。 我国近年来管道建设量很大，而且国外研制出的管道超声检测机械装置 设计复杂、造价高昂1 2 1 3 4 1 ，因此研制具有自主知识产权的管道环焊缝自动 超声检测装置具有十分重要的意义。 1 3 国内外管道环焊缝自动检测系统发展概况 2 0 世纪4 0 年代时管道检测尚未被提到日程上来，但已经开始了对油气 管道的清管作业，当时的清管器被称为“p i g ”。从2 0 世纪6 0 年代起，美、 英两国率先将无损检测技术应用在“p i g ”上，将原先仅仅用于清洗、修补、 疏通作业的非智能型“p i g ”推广到具有信息采集、处理、存储等功能的智 能型检测“p i g ”5 1 。 我国从8 0 年代开始管道检测技术与设备的研究和应用，先后从国外引进 了不同规格的管道检测设备。经过十几年的引进、消化吸收和国产化研制， 国内现有管道检测器己能满足2 7 3 7 2 0 m m 各种口径管道的检测需求，其中 自行研制的3 7 7 m m 检测器于1 9 9 8 年研制成功并投入使用，己获得国家专利。 截止目前，已对2 0 多条共计6 6 1 2 k m 的油气管道进行了检测，形成了一套完 整的管道数据资料，为我国管道的安全运行、维修、腐蚀和寿命的鉴定提供 了依据q 。 1 3 1 国外研究现状 国外在这一领域发展非常迅速，主要有美国的c d 国际技术公司、美国 的e n v i s i o n 公司、美国的u s 公司和英国的u n i c o r n 公司。下面就各个 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 公司相应的系统作详细的说明。 美国c d 国际技术公司的太直径多通道管道探伤分析系统。如图ll 所 示“1 。系统为自动超声检测系统，其整体结构主要由导轨、载体小车和探头 支架三部分组成，探头支架固定在载体小车上，随着载体小车沿着导轨的运 动对管道焊缝进行探伤采用了多探头进行探伤，具有重量轻、体积小的完 整阵列探头盘，数据处理快速、可靠，通过采用t o f d 技术提高了缺陷探测 效率，并可以对缺陷进行定量，该系统实现了焊缝中缺陷的精确定位，能够 对缺陷长度进行精确测量并实时反应缺陷类型的特征，而且可实现对特殊缺 陷的特殊扫描，并能够自动记录数据和报告，在应用时安装时间少便于使 用。 i 、 = = 2s 图11c d u - p l l 0 1 大直径多通道营道探伤分析系统对管道焊缝进行检测 美国e n v i s i o n 公司的g w 一2 ( p ) 管道、容器焊缝扫描实时成像系统， 如图1 2 所示”“。g w 2 ( p ) 是用于检测新设管线、容器、飞机环焊缝以及 桥梁建筑等钢结构的自动扫描设备。该设备采用的是最先进的x 射线成像方 法一- c m o s 成像技术。用g w 2 ( p ) 完成直径2 4 英寸( 6 0 0 r r m a ) 管线连接 焊缝的整周高精度扫描只需要一到两分钟，扫描宽度可以达到3 英寸 ( 7 5 m m ) 。该系统结构紧凑，且重量很轻，一个检验员就可以很容易的将它安 装到管线上，不需要安装其他的带子或器械，从开始在管线上安装g w 2 ( p ) ， 嚣麓。鬻麟霞 哈尔滨工程大学硕士学位论文 到扫描准备完毕，还不到3 0 秒钟。g w - 2 ( p ) 系统由小型计算机控制扫描任 务，操作人员利用便携式工作站获取完整的检测数据，并能随时对焊缝图像 进行分析和存储。 图1 2g w - 2 ( p ) 管道、容器焊缝扫描实时成像系统对管道焊缝进行探伤 美国u s 公司的u l t r a s c a n5 l 便携式超声波检测系统，如图1 3 所示“”。 图1 3u l t r a s c a n 5 l 便携式超声波检测系统各组成部分 此系统包括四部分应用软件：t o f d 成像系统，厚度方向成像系统，x 轴缺陷成像，以及y 轴缺陷成像。用户交互界面包括a 扫描显示，b 扫描显 示，c 扫描显示，信号范围，3 d 显示以及一个控制面板。在数据分析模式下， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用户可以通过改变闸门设置来重生成c 扫描显示。每一个a 扫描显示包括它 唯一的闸门设置。用户还可以瞬间将c 扫描生成3 d 显示。 英国u n i c 0 r n 公司的铜管焊缝探伤系统，如图1 4 所示即1 。此系统适 用于9 0 - 2 2 0 m m 的管径，此探伤装置的每一个探头盘可以安装2 - 4 个探头， 整体系统在高度方向是可调的来适应不同管径的管道，探头盘安装在一个圆 形导轨上，探头盘沿着导轨运动来实现对管道焊缝的探伤，该装置还设置有 摄像头来提供任何焊缝缺陷的实时成像。 呷 o ! 二 图14 钢管焊缝探伤系统对钢管进行探伤 l3 2 国内研究现状 在国内，实际工业应用的自动检测装置主要是射线类管道爬行器。如中 国石油天然气管道第一公司1 9 9 7 年研制成功的首台t 射线管道内爬行器，并 已通过局级鉴定，达到了国内领先水平，并在此基础上开发研制了x 射线管 道爬行器1 。盘锦北方无损检测公司首家独立研制成功y 射线两用管道爬行 器( 填补国内空白) ，并且首次将国产x 射线管道爬行器推向国外，完全取代 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 了进口产品。北方交通大学研制的球罐焊缝超声检测自动爬行器及n y 1 0 2 便携式超声波成像系统提高了对缺陷定位定量精度，有利于定性分析瞄1 。 在相控阵检测系统方面，目前国内的主要厂商为常州新区大平超声波仪 器有限公司，其生产的u s p a 2 0 0 0 全数字式相控阵超声无损检测系统是根 据国家西气东输工程需要设计的管道焊缝自动检测设备，采用工业控制机、 先进的超大规模集成电路设计，具有先进的相控阵控制软件，可以自动生成 探伤的聚焦方案软件，具有a 超曲线显示和b 超、c 超图象显示。在w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 下运行，人机界面友好，操作简单，系统稳定可靠嵋引。 u s p a q o o o 全数字式相控阵超声无损检测系统可以与管道扫查机器人 结合构成全自动相控阵超声焊缝检测系统。 1 4 论文主要研究内容 本文针对管道环焊缝自动超声检测装置进行研究，主要研究以下内容： 1 针对管道环焊缝自动超声检测系统进行总体研究。对自动超声检测中 的两种关键技术相控阵检测技术和t o f d 检测技术进行分析，选择合适 的超声波探伤仪、相控阵探头以及耦合剂，并提出扫查机器人的总体设计方 案。 2 对扫查机器人进行结构研究。根据功能要求对各组成部分进行详细研 究，对其整体进行力学模型分析，并对行走运动机构和导轨进行基于接触的 有限元分析，从而验证从动轮的强度和刚度满足要求。 3 设计扫查机器人控制系统。基于模块化思想，设计位置伺服模块及通 讯模块，选用单片机a t 8 9 c 5 2 、性能优越的专用运动控制芯片l m 6 2 9 和功 率驱动芯片l m d l 8 2 0 0 ，设计单闭环位置伺服系统和通讯系统的硬件电路图。 4 对扫查机器人进行仿真。对扫查机器人进行运动仿真，分析其运行过 程对探头定位的影响；建立探头调整机构控制系统的数学模型，并对控制系 统进行仿真，分析系统的稳定性。 8 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 第2 章管道环焊缝自动超声检测系统研究 对自动超声检测系统进行总体研究是构建自动超声检测系统的首要任 务。管道环焊缝自动超声检测系统受管道自身缺陷特性、检测方法、检测设 备、耦合剂类型、扫查装置、管道表面粗糙度与平整度等多方面因素影响。 本章在对影响管道环焊缝自动超声检测的各个因素进行介绍分析的基础上， 确定了自动超声检测的相关问题，并对机械扫查装置扫查机器人的总体 方案进行研究。 2 1 自动超声检测方法 焊接结构的无损检测是检验其焊缝质量的有效方法，一般包括超声检测、 ( x 、丫) 射线照相、磁粉、渗透和涡流检测等，其中超声和射线检测适合于 焊缝内部缺陷的检测，磁粉、渗透和涡流检测则适用于焊缝表面的检测口4 2 5 1 。 对管道环焊缝进行检测一般选择超声或射线检测，但又由于射线检测无法对 缺陷定量，故采用超声检测的方法。 2 1 1 超声波检测方法 超声波检测利用材料内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，可以非 破坏性地探测出工件内部或表面缺陷( 如裂纹、气泡) 的大小、形状及其分布 情况等旺6 1 。 1 超声波检测的分类 目前，仪器品种、探头种类、检测方法、自动化水平等各方面都在不断 的革新和发展。在超声波检测中，由于使用的波型、发射和接收的方法、信 号的显示方式、探头与工件耦合的特点、工件形状和缺陷类型、实现检测的 手段等都不相同，所以从不同的方面出发，就可以按不同的归纳方式分类。 如按自动化程度可以分为自动化探伤、半自动化探伤、手工探伤；按缺陷在 哈尔滨丁程大学硕士学伊论文 j tii i l i i 荧屏上显示的方式可以分为：显示缺陷深度及反射波幅度的a 型显示、显示 在横截面上缺陷的形状和分布情况的b 形显示、显示水平截面上缺陷形状和 分布情况的c 型显示。所以要把检测的方法按一种方式严格分类是不可能的， 现仅就常用的金属超声波检测方法综合归纳于图2 1 。 图2 1 常用超声波检测方法的分类 脉冲反射法是目前运用最广泛的一种超声波检测法，它使用的不是连续 波，而是有一定的持续时间，按一定频率发射超声脉冲，检测结果用示波器 显示，之后介绍的超声波检测方法均采用脉冲反射法。 2 超声波检测的原理 在确定了本系统的检测方法为超声脉冲反射法后，以脉冲反射法为例阐 述超声波检测的原理，如图2 2 所示。 可逆压式压电换能器通过电激发能产生机械振荡并形成脉冲超声波即始 波，该声波在金属中传播时如果遇到缺陷就会产生反射即产生缺陷回波，如 果该声波在金属中传播时没有遇到缺陷就也会产生反射即产生底波，且回波 和底波都能返回到换能器处。由于压电传感器是可逆的，于是能把声脉冲信 号转换成电脉冲信号，测量出该信号的幅值及传播时间就可评定工件中缺陷 的严重程度口”。 l o 哈尔滨工程大学硕十学伊论文 1 、始波2 、缺陷乒l 波3 、底波 图2 2 超声检测的原理 2 1 2 相控阵检测技术分析 1 基本原理 对于相控阵焊缝缺陷检测的关键技术在于分层扫描，如图2 3 所示。将 焊缝沿壁厚方向分成几个区，每个区为2 - 3 m m 高，焊缝的某一区域可以由一 个分区来检测，如根部区和钝边区；或者由几个分区来检测，如填充区。每 个分区都由自己的聚焦探头来检测，探头角度根据检测融合线上焊缝分成了 几个区的未熔合的需要来确定，焊缝中心线两侧需要分别检测。这种区域划 分方法意味着每个分区都需要有不同角度和不同聚焦长度的探头，实质上还 是运用传统的脉冲反射式，并运用超声波相控阵近场聚焦接收方式来减小层 间的重叠来完成检测的2 2 9 1 。 自动超声相控阵检测技术是建立在工程临界分析e c a ( e n g i n e e r i n g c r i t i c a la s s e s s m e n t ，断裂力学原理) 基础上，以电子扫查和机械扫查相结合， 通过控制换能器阵列中各阵元的激励( 或接收) 脉冲的时间延迟，改变由各 阵元发射( 或接收) 声波达到( 或来自) 物体内某点时的相位关系，实现动 态聚焦和声速相位变化，自动超声相控阵检测技术是目前最为先进的超声检 测方法p 们。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 ：扫描方蒿一i 一 分南中i 甲i 申i 甲i 掣 _ r tr 2 r 3 r t c a p p7 ：。 根部填充2 区n 危3 r - 根部 盖幅区 2 分析 对于自动超声相控阵来说，其阵元的延迟时间可动态改变，焦点可快速 偏转，对试件可实现二维成像，因此，自动超声相控阵主要利用它的声速角 度可控和动态聚焦两大特点，图2 4 2 7 所示为传统的角度和聚焦控制方法 以及相控阵的角度和聚焦控制方法。 图a 信号发射示意图 图b 信号接收示意图 图2 4 传统角度控制方法 贮仨 图a 平面单元图b 弧形单元 图2 5 传统聚焦控制方法 1 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 - fh 镬e d咀r r iv e l e i嚼r ol l c0 c ij s l ng 一_ 亡! j ，c 。! fh a g e d l | 扣-三i e 【t m | il i c !；t e n n 1l 图2 6 发射相控聚焦与偏转 阿元 ( b ) 图2 7 接收相控聚焦与偏转 2 1 3t o f d 检测技术分析 1 基本原理 t o f d 技术是衍射时间历经t i m e o f - f l i g h td i f f r a c t i o n 的缩写，它是一种 可以精确测量焊缝缺陷尺度的超声波检测技术，可以测量平面缺陷在壁厚方 向的高度。t o f d 的原理如图2 8 所利强1 。超声波从发射探头入射到焊缝内 后，在焊缝内存有缺陷时会有三种情况发生。一是超声波沿上表面传播的横 波l w ；二是遇到底表面反射波3 7 ；三是遇到缺陷时所产生的衍射现象。衍 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 i - 暑 一 i ii i 射现象发生在缺陷的边缘，在图2 8 中缺陷的上、下边缘各自所产生的衍射 波的能量总和与各自入射波的能量相同；缺陷上、下边缘所产生衍射在对应 接收探头方向上的衍射波分别是1 7 和2 7 波束。衍射波束1 7 和2 7 在能量上分别 远小于各自的入射波束1 和2 ，其原因是衍射波束1 7 和2 7 分别是缺陷上、下 边缘产生全部衍射波中的很小的一部分。那么通过这种衍射波的时间历经过 程就可以在接收探头端获得焊缝内部缺陷的信息，利用两个衍射波束到达接 收探头的时间差以及一些已知几何、时间参数就可以得到缺陷位置和尺度的 测量结果。 发射探头 接收探头 图2 8t o f d 方法原理不意图 2 分析 t o f d 检测方法利用焊缝缺陷的衍射波实现检测，在接收端所接收到的 衍射波能量远比后壁反射波或沿构件表面传播的波动能量小的多。焊缝缺陷 的检出概率主要取决于对衍射波的识别能力。而对于t o f d 来讲，接收传感 器与检测表面之间的声耦合界面也同样存在着散射和声阻抗适配对衍射波接 收的影响。这种影响表现在本来就很微弱的衍射波信号再经过这个耦合层时， 声阻抗的失配所产生的反射、构件表面粗糙度所产生的散射都会导致到达接 收传感器的衍射波能量进一步衰减。对于t o f d 方法来讲，提高焊缝缺陷的 检测能力关键在于提高缺陷衍射波的检测能力。 2 2 超声波检测设备 一个完整的超声检测系统是由超声发射设备、超声换能器和超声接收设 1 4 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 备组成。超声探伤仪是进行超声波检测的关键设备，而超声换能器( 又称为超 声波探头) 是监测仪器的耳目。超声波探伤仪产生电振荡并加于换能器( 探头) 上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方 式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息，用 以检验和评价被检测试样的性能和质量。 2 2 1 超声波探伤仪的选定 从对缺陷的探测和显示原理上说，自动探伤和手动探伤是相同的，但对 于自动探伤来说存在许多特殊问题，那么对于探伤仪的构造和性能要比手动 探伤设备复杂和严格的多，在选择时应充分考虑。 本文所选用的超声检测方法为自动超声相控阵检测方法，则相应地应选 择超声相控阵探伤仪，经过分析，在该超声检测系统中，选用了常州新区大 平超声波仪器有限公司u s p a 一2 0 0 0 全数字式相控阵超声无损检测系统。 u s p a 一2 0 0 0 全数字式相控阵超声无损检测系统可以与管道扫查机器人连接 构成全自动相控阵超声焊缝检测系统。 2 2 2 相控阵探头组件的选定 1 超声波传感器 超声波传感器是管道环焊缝缺陷超声波检测不可缺少的关键元件。无论 是相控阵形式还是单基元形式来使用超声波传感器，都是基于单基元传感器 的基本性能指向性、工作频段、转换效率、振动模式等。超声波传感器 的性能好坏对超声波焊缝缺陷检测质量有着直接的影响。在焊缝缺陷检测中， 超声波频率决定了对缺陷几何尺度、缺陷定位的检测精度。从提高焊缝缺陷 检测精度的角度来看，希望提高超声波的频率。采用高频超声波传感器构成 高频超声波相控阵，最简单的阵型是线列阵，如图2 9 所示m 1 。扫描方式更 为灵活的相控阵当属平面阵。从焊缝缺陷检测效果角度来讲，平面型相控阵 的效果要优于线列阵。但是在相控阵的波束形成器电路、超声波发射电路方 面，其规模和复杂程度前者比后者要大的多。 夕 线形阵列矩形阵列环形阵列 围2 9 典型的相控阵阵元几何形式 为提高检测结果的可靠性，应对被检测的管道材质、形状、尺寸、表面 状态、影响管道使用性能的缺陷种类及形成原因等进行了解。在接触法超声 检测中，超声波进入面的表面粗糙度一般应为r a l 6 - 32 9 m 并应使超声波 声束中心线与缺陷面特别是与最大受力方向垂直的缺陷面尽可能地接近垂 直。检测时通常在焊缝两侧各放置1 个超声阵列探头，使探头能够产生不同 角度的超声波束，可形成4 0 。7 0 。范围的扫查角度，以满足分区扫查的需 要且做到焊缝区域1 0 0 的覆盖，如图21 0 所示。 图21 0 探头检测角度配置幽 2 超声波相控阵探头的选定1 图2 i l 所示为相控阵探头线形阵列晶片的参数关系图，结合图21 】说明 所选用的线形阵列晶片的相关参数。 图21 1 线形阵列晶片参数图 a = n x e + ( n i ) x g ( 2 1 ) 1 6 哈尔接工程大学硕士学位论文 式中：a 声场控制方向的总孔径，m m h 一相控阵探头阵列的晶片数目 e 每个晶片宽度( # 卫2 ) ，m m g 晶片分割间隙，m m 或 a = 似一1 ) x d + e ( 2 - 2 ) 式中：d 一一 两有效晶片间距，m m 五 超声波长，m m 本文选择o l y m p u s 公司的相控阵探头，型号为7 5 l 6 0 - p w z i ，如图 2 1 2 所示。其中7 5 代表频率为7 5 m h z ，l 代表晶片排列方式为线形排列。 6 0 代表晶片数目为6 0 个，对于此型号的相控阵探头其晶片间距p 为i m m 。 图2 1 2 7 5 l 6 0 - p w z i 相控阵探头 其外壳尺寸如图2 1 3 所示： 圈2 1 37 s l 6 0 - p w z i 外壳尺寸图 其中 l 为6 8 r a m ，w 为2 6 m m ，h 为3 0 m m 。 3 相控阵楔块的选定 本文选择o l y m p u s 公司的相控阵楔块，型号为s p w z i - n 5 5 s i h c ，如 闷 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 4 所示。s p w z l o n 5 5 s - i h c 楔块的外形尺寸如图2 1 5 所示，其中l 为 8 5 8 r n m ，w 为3 0 m m ，h 为4 5 5 m m 。 ， 圈21 4 s p w z i - n 5 5 s - i h c 楔块圈21 5s p w z i - n 5 5 s 1 h c 外形尺寸图 在楔块的型号中s p w z i 代表楔块类型，n 代表探头安装形式为正常安 装，5 5 代表在钢铁中的入射角度为5 5 。，s 代表波形，i h c 是可供选择的， 此型号楔块是与7 5 i , 6 0 - p w z l 相控阵探头相配合的。 2 3 耦合剂的选择 耦合剂用柬实现声能从探头向试件的传递，因此耦合剂对超声检测具有 重要影响。借助探头与试件表面之间涂敷的液体，排除空气间隙以实现声能 的传递，这就是液体检测。在液浸检测中，通过液体层实现耦合，这时的液 体也就是耦台剂。在超声检测中使用的耦台剂，从超声波传递的角度来说要 求其具备下列性质： ( i ) 容易附着在试件表面上。有足够的浸润性，以排除探头与检测面之 间由试件表面粗糙度造成的空气薄层； ( 2 ) 声特性阻抗尽量与被检查材料的声特性阻抗相差小一些，以利于声 能尽可能多地进入试件； ( 3 ) 对工件无腐蚀，对人体无危害，便于清洗； ( 4 ) 来源广，价格便宜； 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 ( 5 ) 对自动化检测来说，要求流动性好，便于回收循环利用。 在所有适宜作耦合剂的常用液体中，水是一种很好的耦合剂。在本系统 中，综合考虑到这些因素，也采用水作耦合剂。 2 4 扫查机器人的总体方案 在自动超声检测系统中，主要由计算机终端与数据图像处理系统、数据 传输系统、耦合剂供应系统、传输接口、主电缆、试块以及扫查机器人组成， 如图2 16 所示。 图2 1 6 自动超声系统主要构成图 在整体的自动超声检测系统中，扫查机器人是实现自动检测的载体，也 是超声检测能够实现自动化的必备装置。 2 4 1 运动方式的确定 目前用于管道焊缝自动检测的检测装置大体可分为三类：导轨式结构( 车 轮式结构) 、磁吸附机器人( 磁轮式) 和大型框架式结构，它们各有优缺点。 导轨式机器人( 车轮式结构) 移动速度快、控制灵活、稳定，因此这种机构 在壁面上运动平顺无冲击；磁吸附机器人( 磁轮式) 只适合导磁性壁面，并且 吸附力不可靠，不能得到广泛应用；大型框架结构式系统结构庞大，较适用 于在线检测，对于管径较大的管道并不适用。 本项目要求扫查机器人沿管道周向匀速运动，运动简单且无转向，比较 导轨式结构( 车轮式结构) 、磁吸附机器人( 磁轮式) 和大型框架结构式系 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统的特点并结合成本考虑，本项目选择导轨式结构。 2 4 2 传动方式的确定 扫查机器人要完成对焊缝的精确检测，至少需要两个方向的运动：扫查 机器人沿管道外表面周向的运动，探头调整机构沿管道轴线方向的跟踪定位 运动。 考虑检测的精度，电机所能承受的负载等诸多因素，确定整体扫查机器 人沿管道周向的运动采用仿齿轮传动，探头调整机构沿管道轴向的运动采用 丝杠螺母机构。 2 4 3 设计性能分析 本文要求该扫查机器人能够完成直径2 4 i n 管道环焊缝的自动超声检测， 为此该扫查机器人必须满足多个性能指标，本节将从以下几个方面对其设计 性能加以分析。 1 负载能力 该扫查机器人基本由四个部分组成。行走运动机构为主要部分，实现扫 查机器人在管道表面的固定和周向运动；探头调整机构通过与行走运动机构 的连接，可以实现探头与管道焊缝之间的定位；探头组件安装在探头调整机 构上。为此，该扫查机器人必须有一定的负载能力。对各部分负载进行估算， 可以确定该扫查机器人的总负载在3 0 蚝左右。 2 结构尺寸 要检测某一个环焊缝时，首先在管道上安装导轨，导轨距离待检测焊缝 中心线的距离为1 7 0 m m ，如图2 1 7 所示。 该扫查机器人在管道外沿周向运动，没有尺寸的严格限制，为了搬运及 装卸的方便，应尽量小型化，但是由于超声检测的特点是探头必须与被检测 管道的壁面保持1 - 2 m m 的距离，而这个距离是由压轮来保证的，压轮会对扫 查机器人整体产生力矩的作用，以及考虑整体扫查机器人运行的稳定性，要 求扫查机器人的重心低，所以扫查机器人也应该有一定的尺寸要求( 比如前后 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从动轮之间距离的增大就会减小径向力矩的影响) 。综合以上，初定扫查机器 人的尺寸为5 0 0 m m x 4 0 0 m m x1 3 0 r a m 。 图2 1 7 导轨安装示意图 3 移动速度与精度 用自动化检测代替传统的手动扫描方式，首先应该满足两个原则：一是 保证焊缝的整个检查区有足够的声束覆盖以避免漏检；二是扫查过程中声束 入射方向始终符合预定的要求。一般情况下扫查速度应满足公式2 3 ： y s 盟 ( 2 3 ) n 式中：f 超声脉冲重复频率，m i - i z d 探头有限直径，1 1 1 1 1 1 n 一一 扫描重复次数 厂为超声脉冲重复频率，即一次触发后扫描的持续时间为1 厂，要荧光 屏上满足视觉暂留而看到扫描回波轨迹或记录仪能明确记录，扫描期间缺陷 应处在探头有限直径d 之下，代表扫描重复次数( 一般取n 3 ) 。可见探头 有效直径d 越大，重复频率厂越高，扫查速度矿相应可以提高。检测管道焊 缝选择探头时应考虑到这个因素，探头相对管道环焊缝的移动速度应满足公 式2 3 。 在本系统中要求扫查机器人沿管道周向的最大行走速度为l o o m m s ，相 控阵探头的轴向定位精度为士o 5 m m 。 2 4 4 扫查机器人工作过程 结合图2 1 8 和图2 1 9 说明扫查机器人的工作过程： 2 l 哈尔