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管道环焊缝扫查器导轨夹持行走机构研究 摘要 油气输送管道由于处于特殊的工作环境中，因此管道对接环焊缝不可避免地会存在 着缺陷，由此可能会为其作业埋下安全隐患，因此需要对输送管道的对接环焊缝进行检 测。全自动超声检测( a u t ) 以其独特的优势成为管道环焊缝缺陷检测领域应用最为广 泛的检测方法。随着我国近年来新建管线数量的急剧增加，为了保证管道环焊缝缺陷检 测的可靠性并提高检测效率，研发智能化的超声检测设备已成为当务之急。本论文以国 家“8 6 3 计划 子课题“a u t 检验设备国产化技术研究为依托，对管道环焊缝超声扫 查器的行走机构进行研究。 本文首先确定了管道环焊缝自动检测设备的总体设计方案，进而对扫查器的机械结 构和运动控制系统进行了简要介绍。 基于扫查器总体设计方案对其导轨夹持行走机构和导轨的机械结构进行了细致研 究。导轨作为扫查器的机械载体，起到联接和定位作用；行走机构主要包括四个部分： 角度调整机构、夹紧自锁机构、驱动模块以及运动反馈模块。 为了验证该行走机构的可靠性，本文设计并完成了与其原理完全一致的原理验证样 机，同时进行了模拟扫查器沿环形导轨行走试验。试验结果表明自重2 4 k g 对其施加6 0 0 n 夹紧力时，行走机构能够可靠的沿环形导轨圆周运动。以试验数据为依据对主动轮与导 轨的接触应力进行分析计算，并对导轨进行强度和刚度有限元分析。 为了使扫查器沿环形导轨匀速运行以保证管道环焊缝检测的精度，本文建立了行走 机构速度闭环控制系统的数学模型，并对其进行仿真，仿真结果表明该控制系统具有良 好的精确性和动态响应特性；而后对控制系统的硬件和软件分别进行了设计，主要包括 单片机控制模块，功率驱动模块和通信模块三部分，由上位机给微控制器预设扫查器行 走速度，通过编码器将扫查器实际行走速度反馈给微控制器，微控制器将给定速度值与 实际速度值进行比较，并通过数字p i d 控制算法调节直流电机转速，进而精确控制扫查 器行走速度。 基于理论设计本文完成了管道环焊缝超声扫查器工程样机，并进行了环焊缝缺陷检 测试验，试验结果表明扫查器设计合理，缺陷检测效果良好，完全满足实际使用要求。 关键词：环焊缝；超声波；扫查器；导轨夹持行走机构 管道环焊缝扫查器导轨夹持行走机构研究 a b s t r a c t t h eg i r t hw e l d sd e f e c tw h i c hi sh i d d e nt h r e a ta g a i n s to p e r a t i o ns a f e t yi si n e v i t a b l ea sa r e s u l to ft h es p e c i a lw o r k i n ga t m o s p h e r eo fo i la n dg a sp i p e l i n e t h e r e f o r et h eg i r t hw e l d so f p i p e l i n em u s tb et e s t e d a u t o m a t i cu l t r a s o n i ct e s t i n g ( a u t ) i st h em o s tw i d e l yu s e dt e s t i n g m e t h o df o rg i r t hw e l d so fp i p e l i n eb e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g e s t h ea m o u n to fn e wb u i l t p i p e l i n ei si n c r e a s i n gr a p i d l yi nt h e s ey e a r s ，i t so fg r e a tu r g e n c yt or e s e a r c ha n dd e v e l o p i n t e l l i g e n t i z e du l t r a s o n i ct e s t i n ge q u i p m e n t sw h i c hc a l lg u a r a n t e et h er e l i a b i l i t ya n dr a i s et h e e f f i c i e n c yo fg i r t hw e l d sd e f e c tt e s t i n g t h i sp a p e rd i dr e s e a r c ho nt r a v e l i n gm e c h a n i s mo f g i r t hw e l d su l t r a s o n i cs c a n n i n ge q u i p m e n tb a s e do nn a t i o n a l 8 6 3p r o g r a m ? r e s e a r c h o nd o m e s t i c t e c h n o l o g yo fa u te q u i p m e n t ” t h i sp a p e rf i r s te s t a b l i s h e do v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h eg i r t hw e l d sa u t o m a t i ct e s t i n g e q u i p m e n t ，a n dt h e nm a d eb r i e fi n t r o d u c t i o no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dm o t i o nc o n t r o l s y s t e mo ft h es c a n n i n ge q u i p m e n t t h i sp a p e rt h e nm a d ei n t e n s i v er e s e a r c ho nm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fo r b i t - h o l d i n g t r a v e l i n gm e c h a n i s ma n do r b i tb a s e do no v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fs c a n n i n ge q u i p m e n t a st h e c a r r i e ro f s c a n n i n ge q u i p m e n t ，t h eo r b i th a sc o n n e c t i n ga n do r i e n t a t i n gf u n c t i o n t h et r a v e l i n g m e c h a n i s mi sc o m p o s e do ff o u rp a r t s ：a n g l ea d j u s t i n gm e c h a n i s m ，s e l f - l o c k i n gh o l d i n g m e c h a n i s m ，d r i v i n gm o d u l ea n dm o t i o nf e e d b a c km o d u l e i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h i st r a v e l i n gm e c h a n i s m ，ap r o t o t y p ew h i c h w o r k si n t h es a m ew a ya st h eo r b i t - h o l d i n gt r a v e l i n gm e c h a n i s mw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di n t h i sp a p e r a n dt h ee x p e r i m e n tt h a ts i m u l a t i n gt h es c a n n i n ge q u i p m e n tt r a v e l i n ga l o n gt h e o r b i tw a sc o m p l e t e d ，w h i c hs h o w st h a tt h et r a v e l i n gm e c h a n i s mc 锄t r a v e la i o n gt h eo r b i t r e l i a b l yw h e ni tw e i g h s2 4 k ga n di se x e r t e da6 0 0 nf o r c e b a s e do nt h i sr e s u l t ，t h i sp a p e r c o m p u t e dt h ec o n t a c tf o r c eb e t w e e nd r i v i n gw h e e la n do r b i ta n dm a d ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fo r b i ts t r e n g t ha n ds t i f f n e s s i no r d e rt o g u a r a n t e et h et e s t i n gp r e c i s i o no fp i p e l i n eg i r t hw e l d s ，t h es c a n n i n g e q u i p m e n tm u s tt r a v e ls m o o t h l ya l o n gt h eo r b i ta tac o n s t a n ts p e e d t h i sp a p e re s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft r a v e l i n gm e c h a n i s ms p e e dc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m , a n dt h e c o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nw a sc a r r i e do nw h i c hp r o v e st h a tt h ep r e c i s i o na n dt h ed y n a m i c 管道环焊缝扫奄器导轨夹持行走机构研究 r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o ls y s t e mi sg o o d ；a n dt h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，i n c l u d i n gs i n g l e c h i pc o n t r o lm o d u l e ，p o w e r d r i v i n gm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h ei d e a lt r a v e l i n gs p e e di ss e tb yh o s tc o m p u t e r , a n dt h ea c t u a lt r a v e l i n gs p e e di ss e n tt om i c r o c o n t r o l l e rb ye n c o d e r , t h e nt h em i c r o c o n t r o l l e r c o m p a r e st h eg i v e ns p e e dw i t ht h ea c t u a ls p e e da n dr e g u l a t e st h ed cm o t o rr o t a t i o ns p e e d w i t hp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，f i n a l l ya c h i e v i n gt h eg o a lt h a tt h et r a v e l i n gs p e e di sc o n t r o l l e d a c c u r a t e l y t h i sp a p e rc o m p l e t e da ne n g i n e e r i n gp r o t o t y p eo fg i r t hw e l d su l t r a s o n i cs c a n n i n g e q u i p m e n tb a s e do nt h e o r e t i c a ld e s i g n ，a n dt h ee x p e r i m e n tt h a tt e s t i n gd e f e c to fg i r t hw e l d s w a sc o m p l e t e d ，w h i c hs h o w st h a tt h ed e s i g no fs c a n n i n ge q u i p m e n ti sr e a s o n a b l ea n dt h e d e f e c tt e s t i n ge f f e c ti sg o o d t h eu l t r a s o n i cs c a n n i n ge q u i p m e n tc a nf u l l ym e e tt h ed e m a n d s o fg i r t hw e l d sd e f e c tt e s t i n g k e yw o r d s ：g i r t hw e l d s ；u l t r a s o n i c ；s c a n n i n ge q u i p m e n t ；o r b i t - h o l d i n gt r a v e l i n gm e c h a n i s m 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 管道运输是油气能源的主要运输方式之一，目前世界上石油天然气管道总长约2 0 0 万k m ，我国长距离油气输送管道总长度约为2 万k a r l p l 。油气输送管道常年累月深埋在海 底或暴露在旷野中，长期受到海水或空气等环境因素的腐蚀，并且考虑到油气输送管道 的对接环焊缝会受到诸如焊接工艺水平等各种因素的影响，因此管道的对接环焊缝不可 避免地会存在着不同程度的缺陷。油气管道能否安全运行与其焊缝的缺陷性状有着很大 的关系，而管道对接环焊缝的缺陷会为油气输送管道的作业埋下安全隐患。 美国天然气管道局对1 9 8 6 2 0 0 0 年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：至1 j 1 4 年间，美国的天然气管道发生事故1 1 8 4 起，造成5 5 人死亡， 2 1 0 人受伤，共计财产损失约2 5 亿美元闭。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对接焊缝进行严格可 靠的检测嘲。因此，定期对油气输送管道的对接焊缝进行缺陷检测，对防止由管道油气 泄露而引起的灾难性事故的发生具有十分重要的意义。 无损检测是- f - j 新兴的综合性应用学科，它是在不破坏或损坏被检测对象的前提 下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化， 来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面的缺陷，并对缺陷的类型、性质、 数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价h 。 无损检测技术已经历一个世纪的发展，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术， 但它是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段，无损检测 技术能带来的经济效益十分明显罔，其技术水平能反映出该部门、该行业、该地区甚至 该国家的工业技术水平嘲。现今世界各国均越来越重视无损检测技术对于一个国家经济 和科技发展所起的重要作用。 目前常规无损检测方法主要有超声检测、射线照相检测、液体渗透检测、涡流检测、 磁粉检测5 种p 。 常规无损检测方法中只有射线检测和超声检测适合于整体缺陷的检测，超声检测具 有灵敏度高、指向性好、穿透能力强、检测速度快等优点，由于超声检测可以在线进行、 超声波对人体无害并且不改变系统的运行状态，因此超声检测已经成为当今国内外应用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最为广泛、使用频率最高且发展最快的一种无损检测技术i 。 全自动超声检测( a u t ) 是超声检测技术与计算机技术相结合的一种崭新的检测技 术，具有高效、准确及相对直观等显著特点n 川。 1 1 1 2 0 世纪9 0 年代起，全自动超声检测在国外已经开始大规模应用于长输管线对接环 焊缝的缺陷检测，并且成为无损检测行业的发展趋势；与传统的手动超声检测和射线检 测相比，全自动超声检测在检测速度、缺陷定量的准确性、减少环境污染及降低操作者 的作业强度等方面具有明显的优判1 1 1 习。 1 2 课题来源及意义 本文的研究课题源于海洋石油工程股份有限公司承接的国家“8 6 3 计划 “深 水海底管道铺设技术 项目的子课题“a u t 检验设备国产化技术研究。该课题的主 要研究目的是研制出具有自主知识产权的管道环焊缝全自动超声检测设备。 国外对管道环焊缝的检测始于2 0 世纪2 0 年代，自澳大利亚研制出纤维型焊条的手工 电弧焊并用于管道焊接时，对管道焊缝质量的检测就开始了嗍。经过3 0 余年的发展，管 道环焊缝的检测由最初的人工手动x 射线和y 射线探伤发展到利用半自动化、自动化的 管道射线爬行器对管道环焊缝进行探伤检测；直到2 0 世纪5 0 年代超声波被用于管道环焊 缝的检测。世界上首台全自动超声检测设备于1 9 5 9 年由荷兰r t d 公司研制，此后经由多 家国际著名检测公司不断在其基础之上发展并完善n 町硼。自2 0 世纪9 0 年代开始，相控阵 技术被越来越多的应用到全自动超声检测设备中，大大的提高了焊缝缺陷检测的精度和 检测效率，成为超声检测技术的最新发展趋势。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始管道自动检测技术与设备的研究，在国家“8 6 3 计划 的支持下取得了一定的成果，但主要还是集中在射线检测方面。例如，1 9 9 7 年中国石油 天然气管道第一公司成功地研制出了首台y 射线管道爬行器；1 9 9 8 年盘锦北方无损检测 公司成功研制出x 射线管内z p 3 爬行器，并在苏丹输油管道建设中投入了使用旧。在自动 超声检测方面，国内一些研究机构也做了大量的努力和尝试，但均处于试验阶段，并没 有真正大量投入到管道环焊缝检测的实际应用中。国内在超声相控阵检测技术方面起步 比较晚，和目前国外同行业先进技术相比差距较大。 目前我国管道对接环焊缝检测主要采用手动超声检测和射线检测相结合的方式，近 几年来，在长输管线方面，射线检测的比例正在逐步提耐四。然而手动超声检测目前在 国外仅仅用于检测工作量较小的焊缝返修和自动超声检测不能完成的特殊位置的焊缝 第1 章绪论 缺陷检测u 4 1 。由于手动超声检测数据重复性很差，没有可追溯性，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，因此野外施 工的手动超声检测结果可信度较差1 调。从目前对长输管线自动焊和半自动焊焊接速度 的要求考虑，手动超声检测已不能满足长输管线野外焊接检测质量和速度的要求n 朋。 自2 0 世纪7 0 年代以来，自动焊接技术的逐步推广、检测速度和可靠性要求的不断 提高都大力推动了全自动超声检测技术的发展。随着计算机的应用普及，使得全自动超 声检测数据量大、结构复杂的问题迎刃而解，更加有利于全自动超声检测技术的推广应 用。目前全自动超声检测技术的应用范围在迅速扩大，特别是在自动焊接的许多工程 领域得到了广泛的应用川。 我国在“西气东输 管线工程中为了保证管道对接环焊缝的质量，首次引进了国际 上先进的全自动超声检测设备对焊缝实行1 0 0 探伤检验，经实践证明全自动超声检测 设备缺陷定位精准，检测效率高，操作简易，在“西气东输 工程新建长输管线的对接 焊缝缺陷检测中发挥了非常重要的作用m 圳。 为了保证管道环焊缝缺陷检测的可靠性并提高检测效率，研发智能化的超声检测设 备成为无损检测技术发展的当务之急，世界各发达国家都在积极地研究新型检测技术， 开发新型检测设备。目前美国、加拿大、英国等国家都研制出了先进的全自动超声检测 设备，并且已经发展到实际应用的成熟阶段，许多国家都已先后采用，并且在管道环焊 缝缺陷的检测中收到了显著的成划馏。 近年来随着我国经济的高速发展，为了加速工业化进程，我国的新建管线规模逐年 增加，在管线的建设过程中自动焊接技术的大量应用，以及管道环焊缝检测的效率和准 确性的要求都决定了传统的手动探伤检测方法已经难以满足当今国内大量管道环焊缝 缺陷检测的需求，因此全自动超声检测设备的应用已成为长输管线环焊缝缺陷检测的趋 势。虽然我国可以自主完成在国内外管道铺设过程中焊缝的检测，但所使用的检测技术 与设备和国外相比尚有明显差距，检测准确性和检测效率较低。目前国外已有商品化的 管道环焊缝全自动超声检测设备出售，但其价格十分昂贵，难以在国内普及应用；同时 由于全自动超声检测技术在许多工业领域中有着举足轻重的作用：因此，开发具有我国 自主知识产权的管道环焊缝全自动超声检测设备，对于提升我国焊缝检测水平，提高检 测效率，降低工人劳动强度，均有重要意义，同时还会产生可观的经济效益和环保效益。 1 3 管道外壁行走机构研究现状 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 扫查器是管道环焊缝全自动超声检测设备的核心部分，而行走机构作为扫查器的载 体，可承载超声波探头调整机构沿环形导轨行走，因此行走机构是管道环焊缝超声检测 设备实现自动检测功能的关键组成部分。通过对国内外相关领域管道外壁行走机构的研 究分析可知，管道外壁行走机构按其行走原理目前主要可以分为磁吸附式行走机构n 7 。2 1 1 、 链式行走机构和导轨式行走机构1 够3 3 1 三种。其中磁吸附式行走机构虽然简便易用，但 由于工作时可操控性较差，导向困难，难以实现精确的自动化控制，目前仍处于研究阶 段，尚无大规模工程应用的先例；链式行走机构结构简单，成本较低，但存在承载能力 较弱的缺点，因此一般搭载的设备相对比较简单；而导轨式行走机构因为具有可靠性高、 行走平稳、承载能力强等优点，目前应用最为广泛。下面针对国内外已有的研究成果， 分别对三种管道外壁行走机构进行详细介绍。 1 3 1 磁吸附式行走机构 图1 1 全自动超声检测投影扫描系统p s c a n 丹麦f o r c e 研究所从1 9 7 7 年开始研发的焊缝全自动超声检测投影扫描系统p s c a n 如图1 1 所示，现在已经发展到第四代一p s c a ns y s t e m4 。该系统通过模块组装方式 可构成十几种机型，适用于容器内外表面的纵缝、环缝和螺旋管焊缝缺陷的检测，检测 系统主要依靠磁吸附轮在磁条导轨上行走实现对焊缝的检测p 7 l 。 华中科技大学研制的轮式永磁吸附管道爬行机器人主要由四轮驱动小车、永磁吸附 机构和转向机构三部分组成。小车由安装在车架上的四套车轮组组成，车轮组包括轮架、 车轮、车轮轴、轮架转向轴、减速器和电机；永磁吸附机构包括衔铁和两个极性相反的 永磁铁组；转向机构包括支架、主动链轮、主动链轮轴、链条、减速器和电机；永磁吸 附机构与小车车架底部连接；转向机构固定在小车的车架上。该机器人可在倾斜管道外 4 第1 章绪论 表面按任意路线爬行，其结构紧凑，体积小，重量轻，操纵简便，运动灵活，带负载能 力强，可携带不同类型的高压水喷枪、涂料喷枪、检测传感器等，可用于管道，储罐等 外表面的清洗、涂装和检测维护工作哪。 大庆石油管理局油田建设公司、哈尔滨华宇股份有限公司和哈尔滨锅炉厂有限责任 公司共同研制的大口径管道超声自动检测系统，其管外爬行机构采用磁力爬行小车作为 载机，该机构吸附于管道外壁，沿焊道上方的一条柔性轨道做圆周运动，并且运动速度 可调，保证小车在轨道约束下沿管道圆周方向直线行走p 爿。 哈尔滨工业大学研制的焊缝缺陷自动超声检测系统h a u t - 1 ，该系统主要包括：磁 吸附爬行器、扫查臂、探头支架、耦合剂自动输入系统、超声换能器、与计算机系统的 信号接口、焊缝自动跟踪的信号检测系统、爬行驱动电机及减速装置、扫查驱动电机及 减速装置。爬行器通过钕铁硼磁性材料制成的滚动轮吸附在导磁材料上，采用四轮运动 方式，其中前轮为驱动轮。电机控制器实现对爬行器的运动控制闭。 8 765 1 一一车体 2 铰链 3 磁轮 4 磁条 5 一跟踪系统 6 一一探头 7 扫查臂 8 探头架 图1 2 焊缝自动超声检验设备试验样机 合肥工业大学研制的焊缝自动超声检验设备试验样机如图1 2 所示。该设备的扫查 器由经铰链连接的车体、扫查臂、探头架、磁吸附轮和跟踪系统组成。其中车体内装有 驱动电机，经减速器与磁轮相连。探头架可以确保探头与工件表面耦合稳定咖。 通过对国内外相关研究领域磁吸附式行走机构的对比分析可知，磁吸附式行走机构 主要用于大型容器外表面和平整壁面的缺陷检测、清洗等维护工作，由于其特殊的移动 方式( 如轮式、履带式等) 以及导向难度较高，因此一般不适于沿曲面行走。 1 3 2 链式行走机构 日本o l y m p u s 公司研制的手动超声链式扫查器如图1 3 所示。该扫查器主要由链式 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行走机构和超声波探头支架组成，其中链式行走机构由多个链节组成，链节间通过螺钉 联接，可通过调整链节的数量来适应不同直径管道环焊缝的检测。通过弹性元件实现链 节的闭合及锁紧，依靠链轮沿管道外表面的圆周运动实现对管道环焊缝的检测。该行走 机构简便灵活，应用范围广，但其负载能力相对较弱。 1 3 3 导轨式行走机构 图1 3 链式扫查器 图1 4r o t o s c a n 自动超声检测设备图1 5c d u p l l 0 1 大直径多通道管道探伤系统 荷兰r t d 无损检测公司研制开发的r o t o s c a n 自动超声检测设备如图1 4 所示。当 要检测的管道直径大于1 2 i n c h 时，行走机构安装在导轨上，并由电机驱动沿导轨做圆周 运动，以此来实现对管道环焊缝的检测田川。 美国c d 国际技术公司研制的c d u p l l 0 1 型大直径多通道管道探伤分析系统如图 1 5 所示。该设备的核心为自动超声检测系统，主要由导轨、载体小车和超声波探头支 架三部分组成，探头支架固定在载体小车上，载体小车通过夹紧轮夹紧导轨，载体小车 第1 章绪论 沿着导轨圆周运动的同时对管道环焊缝进行探伤阅。 眄一 。、噘t 一雌，5 一r 鹦黪翔ll烈 、要翟? 。0 、唾， 一 r 童一後黪蕴黝辎 5 “ 一_ _ _ _ _ - _ j 量l 弋孽；繁攀“ ，。一一一一! ；，夕毒一 哈尔滨工程人学硕士学位论文 图1 9 管道环焊缝自动超声检测系统图1 1 0l o n e s t a r 导轨式焊接机器人 哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所研制的管道环焊缝自动超声检测系统如图1 9 所示。其行走机构的主动轮与导轨上均布的条形齿孔啮合，法兰式和凸台式从动轮均安 装有滚珠以减小接触摩擦力，从动轮与导轨曲率相同，以便扫查器沿导轨圆周运动对管 道环焊缝进行检测6 1 。 d y n a t o r q u e 技术公司的l o n e s t a r 导轨式焊接机器人如图1 1 0 所示。该焊接机器人 通过夹紧轮夹紧导轨，由电机驱动焊接机器人沿环形导轨圆周运动，对管道进行对接p 1 1 。 图1 1 1 管道全位置焊接机器人 北京石油化工学院研制的管道全位置焊接机器人如图1 1 1 所示。该焊接机器人主要 包括行走小车和轨道两部分。行走小车由行走机构、夹紧机构、焊丝送进机构、焊枪摆 动机构和调节机构组成。行走小车通过夹紧机构安装在焊接轨道上，带动焊枪沿管壁圆 第f 章绪论 周运动，小车上的摆动机构与滑块机构用以实现焊枪的横向摆动跟踪和上下移动。行走 机构采用齿轮传动方式，由直流伺服电机驱动主齿轮旋转，主齿轮与导轨上的齿啮合， 从而使行走小车沿固定于管道外壁的轨道行走罔。 中国石油集团工程技术研究院研制的管道全位置焊接设备，主要由焊接小车和导轨 组成。焊接小车的爬行采用齿轮齿条的传动方式，由带减速器的电机直接驱动行走齿轮 沿齿条行走；带凹槽的四个导向轮沿导轨的侧沿行走，以保证焊接小车运行的平稳。导 轨由两个半圆环组成，在半圆导轨端部的内侧安装弧形支座，其中一个装有可以转动的 连接销，销的端部有螺纹。拨动连接销，将其嵌入另一个支座的u 形槽中，旋紧固定螺 母，即导轨对接完毕。该开启式导轨连接可靠，便于拆装，可以保证焊接小车行走平稳， 焊接过程稳定3 3 1 。 通过对国内外相关研究领域的导轨式行走机构的对比分析可知，由于结构稳定可 靠，且负载能力强，尤其是环形导轨易于实现行走机构的导向及定位，因此导轨式行走 机构在管道焊接和环焊缝检测领域应用十分广泛。 1 4 论文主要研究内容 本文主要针对管道环焊缝全自动超声检测设备的行走机构进行研究，主要研究内容 如下： 1 确定管道环焊缝自动检测设备的整体设计方案，其中主要包括扫查器机械结构设 计方案和扫查器运动控制系统设计方案。 2 对行走机构进行机械结构设计，其中主要包括导轨和导轨夹持行走机构设计。 3 为了验证管道环焊缝扫查器行走机构的可靠性，本文设计并完成了与其原理完全 一致的行走机构原理验证样机，同时进行了模拟扫查器沿环形导轨行走试验。以试验数 据为依据对行走机构沿环形导轨运动过程中的轮轨接触应力进行分析计算，并对导轨进 行强度和刚度有限元分析，从而验证气强度和刚度是否满足实际使用要求。 4 进行扫查器运动控制系统设计，并对其进行仿真分析，以此验证控制系统的精确 性和动态响应特性。本文采用脉宽调制技术驱动行走机构的直流电机，通过p i d 控制算 法调节电机转速以确保扫查器沿环形导轨匀速圆周运动，避免由于扫查器运行速度不稳 定引起的焊缝缺陷漏检、误检等情况的发生，保证了扫查器焊缝缺陷检测的准确性。 5 对管道环焊缝扫查器工程样机进行试件焊缝缺陷检测试验，验证理论设计及工程 样机是否满足环焊缝检测的要求。 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章管道环焊缝超声扫查器方案研究 本章基于论文第1 章中对国内外管道环焊缝自动超声检测领域研究现状的简要介 绍，权衡各种环焊缝自动超声检测设备扫查方式的利弊，并结合本课题中管道环焊缝缺 陷检测的具体要求和实际工况，确定了管道环焊缝自动超声检测设备的总体设计方案。 选择行走机构沿环形导轨圆周运动作为扫查器管道环焊缝的检测方式；结合环焊缝缺陷 检测技术指标以及超声检测的相关理论知识，进行导轨、行走机构和超声波探头调整机 构的机械结构方案设计；同时进行扫查器运动控制系统的方案设计。 2 1 管道环焊缝缺陷检测设备技术指标 本课题中要求环焊缝自动检测设备能够适用于多种直径管道的对接环焊缝缺陷检 测，其应达到的主要技术指标如下所述： ( 1 ) 检测速度：不小于1 0 0 m m s ，允许速率变化小于2 ； ( 2 ) 负载能力：不小于2 0 k g ； ( 3 ) 检测管径：2 0 0 _ 9 0 0 l l i l m ； ( 4 ) 管道壁厚：8 7 - - - - 3 1 8 m m ： ( 5 ) 检测灵敏度：不低于2 m m ： ( 6 ) 焊口类型：主要检测c r c e v a n s 焊口； ( 7 ) 检测范围：通过焊缝的上下游检测实现焊缝的1 0 0 覆盖检测。 2 2 管道环焊缝自动检测设备总体设计方案 射线和超声检测是最为常用的管道环焊缝检测方法。射线检测对焊缝缺陷类型具有 局限性并且无法对焊缝缺陷定位和定性，而超声检测灵敏度高，穿透力强，检测速度快 并且对人体无害p q 。超声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的大小、形状及其分布情况等嗍。脉冲反射法是 目前应用最为广泛的一种超声检测方法，它利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内， 根据反射波的情况来检测试件缺陷嘲。综合考虑上述管道环焊缝自动检测设备的技术指 标，本课题中采用超声脉冲反射法作为管道环焊缝缺陷的检测方法。 基于超声检测的原理本文设计了一种以超声波探头和数字化超声波检测仪为基础， 以工业计算机为核心，以行走机构为机械载体和支撑平台的环焊缝自动超声检测系统， 1 0 第2 章管道环焊缝超声扫否器方票研究 实现管道环焊缝缺陷的自动检测。该检测系统主要由导轨、行走机构、超声波探头及其 调整机构、数字化超声波检测仪、扫查器运动控制系统、工控机、显示器、打印机和应 用软件系统组成，其整体设计方案如图2 1 所示阅。系统基本工作原理为：首先，根据 实际所检测的管道确定检测条件，选择焊缝扫描方式、确定扫描参数：其次，通过检测 控制软件发送控制指令到驱动控制电路的i o 端口，直流电机驱动行走机构带动超声波 探头对焊缝进行扫描检测，与此同时，超声波数据采集系统进行数据的采集、显示和处 理；最后，通过软件进行缺陷分析，并完成缺陷检测报告的生成和打印例。 图2 1 管道环焊缝自动检测系统总体方案框图 本文设计的管道环焊缝自动超声检测系统主要包括以下几部分： ( 1 ) 管道环焊缝扫查器 图2 2 扫查器管道环焊缝缺陷检测示意图 机构 哈尔滨工程大学硕十学位论文 扫查器是管道环焊缝全自动超声检测设备的核心部分，可以在管道外壁自动行走对 管道环焊缝进行缺陷检测，如图2 2 所示。行走机构作为超声波探头、超声检测所需的附 属组件及电气控制箱等扫查器零部件的机械载体，行走机构由直流电机驱动，并通过 r s 2 3 2 总线接收来自控制计算机的指令，确保其沿环形导轨匀速圆周运动，以此完成对 管道环焊缝的缺陷检测。 ( 2 ) 超声数据采集系统 超声数据采集系统主要实现对超声波探头扫描数据的接收和a d 转换，并将扫描数 字量输入到计算机中进行显示和处理。其中超声波的发射、接受、数据采集和转换分别 由超声波探头和超声检测仪来完成。 ( 3 ) 超声图像显示和处理系统 超声图像显示和处理系统基于计算机编程语言对输入到计算机的扫描数据进行后 续显示和处理。该系统可以对扫描数据处理、显示和存储，并完成缺陷的识别、检测报 告的生成和打印等功能。 本文主要对管道环焊缝超声扫查器行走机构进行研究，而管道环焊缝自动超声检测 设备的其他部分则由课题组其他同学完成设计。 2 3 管道环焊缝超声扫查器机械结构设计方案 扫查器是管道环焊缝自动超声检测设备的核心部分，其结构设计的优劣与焊缝检测 的精度及检测效率息息相关。本文中设计的扫查器由直流电机驱动其主动轮，通过主动 轮和导轨间的接触摩擦力驱动扫查器沿环形导轨行走。扫查器主要由导轨、行走机构、一 超声波探头调整机构和连接板四部分组成。该扫查器结构简单，装卸方便，适用性强， 可以满足不同管径、不同壁厚、不同材料及不同类型焊缝的检测要求。 2 3 1 导轨 如图2 2 所示，导轨固定于被检测管道的外壁，是扫查器与管道之间连接的纽带， 为扫查器提供支撑，并且约束扫查器的运动轨迹和空间自由度，使扫查器只能沿环形导 轨圆周运动，从而对管道环焊缝进行检测。 2 - 3 2 行走机构 如图2 3 所示，行走机构作为管道环焊缝超声扫查器自动运行的机械载体，主要为 1 2 第2 章管道环焊缝超声扫查器方案研究 超声波探头调整机构、电气控制箱及其他附属组件提供支撑平台和运行平台。行走机构 由直流电机驱动沿环形导轨匀速圆周运动，以此实现对管道环焊缝的检测。 也气 行走 2 3 3 超声波探头调整机构 图2 3 行走机构 由于扫查器对管道环焊缝的缺陷进行检测时两个超声波探头( 一个超声波发射探 头，一个超声波接收探头) 需对称置于焊缝两侧，以此实现声束对焊缝截面的完全覆盖， 因此超声波探头需要具有两个运动自由度：即超声波探头沿管道外壁的周向运动和沿管 道轴线方向对管道环焊缝的跟踪运动。 超声波探头调整机构作为超声波探头的载体，其结构设计要求必须能够实现上述超 声波探头的运动自由度，而由于超声波探头调整机构与行走机构通过螺栓机械联接，因 此其跟随行走机构沿环形导轨的圆周运动即实现了沿管道外壁的周向运动。 为了保证超声波探头对焊缝的精确跟踪定位，设计如图2 4 所示的超声波探头轴向 调整机构，采用齿轮齿条传动方式实现两个超声波探头之间沿管道轴向距离的调节。 在焊缝检测过程中，超声波发射探头发射出的超声波，经过楔形块和耦合剂穿透被 检测的工件，再经过耦合剂、楔形块反射回到超声波接收探头，因此只有超声波探头与 管道表面之间耦合稳定，才能保证焊缝缺陷检测的准确性。设计如图2 4 所示的径向浮 动调整机构，其中弹簧始终处于压缩状态，楔形块受到的弹簧压力可使其始终压紧管道 表面，以确保超声波探头与管道表面耦合良好。 1 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 3 4 连接板 超芦 图2 4 超声波探头调整机构 楔块 行走机构 图2 5 连接板 由于焊缝缺陷检测技术指标中要求自动超声检测设备可检测的管道直径范围是 2 0 卜9 0 0 m m ，因此扫查器检测不同直径的管道时需要更换不同直径的环形导轨，而 环形导轨直径的变化必然会导致其曲率发生变化；而本文中设计的行走机构只能适应一 定范围内的导轨曲率变化，否则扫查器沿环形导轨行走时会出现不稳定甚至卡死的现 象。为了解决扫查器适应多种直径管道环焊缝检测的问题，本文设计了垫板并安装在环 形导轨与被检测管道表面之间，如此只需更换不同内径的垫板即可满足扫查器检测不同 1 4 第2 章管道环焊缝超声扫奈器方案研究 直径管道的要求。然而增加垫板的同时超声波探头调整机构会被悬空搁置，导致超声波 探头与管道表面之间无法正常耦合，因此本文设计了如图2 5 所示的连接板，其上均布 有螺纹孔，超声波探头调整机构既可以通过螺钉和行走机构联接，又可沿管道径向调节 使楔形块压紧管道表面，再通过超声波探头径向浮动调整机构的微调作用即可保证超声 波探头与管道表面之间耦合稳定。 2 4 扫查器控制系统设计方案 如图2 6 所示，管道环焊缝自动超声扫查器控制系统由工业控制计算机，直流电机驱 动电路，超声波发射、接收电路，高速a d 转换电路及电源组成。如前所述，行走机构 承载电气控制箱，将直流电机驱动电路、接口电路和电源等控制系统硬件装入控制箱内， 通过电气控制箱和主电缆将控制计算机与扫查器连接。 ：|，码器1 。 u 一 一显示扫描 图像 剖保存图像 l 行雩掌构降刊直流电机降到驱动器k 呦2 工 刮数据处理 超些头劁剖撇放大础 控 = 剖检测报告 机 = 剖扫描方式 | 超声波探头除刮超声波检测仪斟| 接收、放大钷：龄 别通信模块 _ 八陌瓠控耵 叫参数 图2 6 管道环焊缝自动超声扫查器控制系统框图 本文主要研究扫查器运动控制系统。如图2 7 所示，采用p w m 技术对直流电机进行 调速，行走机构的一个从动轮轴末端与编码器联接，编码器检测扫查器沿环形导轨的实 时运行速度，并反馈给主控制器，主控制器通过p i d 控制算法调节直流电机转速，使扫 查器始终保持匀速稳定运行，防止因速度不均匀而引起超声波探头的振动，造成焊缝缺 陷的误检、漏检。 2 5 本章小结 图2 7 扫查器速度闭环控制原理图 哈尔滨工程大学硕十学位论文 本章在对国内外管道环焊缝超声检测设备研究分析的基础之上，根据焊缝缺陷检测 设备的主要技术指标，提出了管道环焊缝自动超声检测系统的总体设计方案： 1 针对管道环焊缝缺陷的特点，并考虑到检测设备的操作性和适用性，选择超声检 测作为管道环焊缝缺陷的检测方法。 2 选择沿环形导轨行走作为扫查器的检测方式，扫查器由直流电机驱动，依靠从动 轮夹紧导轨，超声波探头调整机构与行走机构机械联接，并跟随行走机构沿导轨圆周运 动，对管道环焊缝进行检测。 3 确定了管道环焊缝超声检测设备控制系统设计方案，本文主要研究扫查器速度闭 环反馈控制系统。 1 6 第3 章扫查器行走机构机械机构研究 第3 章扫查器行走机构机械结构研究 行走机构作为管道环焊缝超声检测设备的载体，是实现管道对接焊缝自动超声检测 的关键部分，行走机构的运行速度及平稳性与焊缝检测的速度及缺陷定位精度等超声检 测性能参数息息相关，因此其结构设计之优劣直接决定了管道环焊缝超声检测设备的性 能。导轨起到支撑扫查器机械本体的作用，并限定扫查器的自由度和运动方向，因此为 了更加清楚的阐明本文中所设计的行走机构的基本工作原理，并且鉴于导轨与行走机构 功能及结构的整体性，本章中将对导轨和行走机构的机械结构一并进行深入研究。 3 1 导轨 图3 1 导轨 导轨是扫查器与管道连接的纽带，为扫查器的机械本体提供支撑平台。导轨对扫查 器起导向作用，限定了扫查器的运动轨迹，使扫查器只能沿环形导轨圆周运动，从而对 管道对接环焊缝进行检测，因此导轨的结构设计将直接影响扫查器运行的平稳性，进而 影响到焊缝检测的精确性。本文中设计的导轨如图3 1 所示，主要包括导轨圈体，导轨 接头和导轨垫板三个部分，下面分别介绍导轨各个组成部分的结构特点以及功能。 3 1 1 导轨圈体 1 7 哈尔滨工程人学硕士学位论文 图3 2 导轨圈体 导轨圈体由导轨圈体板、导轨连接板和挡块三部分组成，如图3 2 所示。导轨圈体 板通过特殊的机械加工和热处理工艺把直线型钢板做成圆弧型：张开的导轨圈体板通过 导轨连接板连接而成闭合环形导轨，导轨连接板通过螺钉或铆钉与导轨圈体板机械联 接，保证扫查器能顺利通过导轨接头处。扫查器对管道