（机械电子工程专业论文）管道对接焊缝超声检测机器人研究.pdf

论文题目 专业 硕士生 指导教师 管道对接焊缝超声检测机器人研究 机械电子工程 马香玲 签名 马宏伟 签名 摘要 暂涂 在输送管道的建设和运营中 管道对接焊缝质量的检测至关重要 超声检测作为一 种重要的无损检测方法 被广泛应用于工业产品质量控制和在役设备安全监测中 尤其 在管道焊接缺陷检测中发挥着重要作用 已被世界各国所采用 传统的超声检测方法存 在检测效率低 评定缺陷难等不足 研制一种管道对接焊缝超声检测机器人系统具有重 要的意义 本文借助计算机 数控 精密机械和微电机驱动等技术 以工控机为核心 以国内 先进的数字超声探伤仪为基础 以虚拟仪器结构为软件平台 开发了管道对接焊缝自动 超声检测机器人系统 实现了超声检测的数字化 自动化 图像化 为提高检测的可靠 性和效率奠定了基础 本课题进行了机器人总体设计 研制了浮动探头夹持器 实现了探头与管道的自适 应接触 设计了具有大减速比步进电机传动系统 满足了机器人绕管道圆周运动所需要 的动力 借助计算机i o 接口和串口通信技术 通过l a b w i n d o w s c v i 中的专用r s 2 3 2 串口通讯函数库 实现了工控机与s t c 8 9 c 5 1 单片机的通讯 有效地对检测机器人进行 控制 实现了机器人沿管道的圆周运动和探头沿管道轴向扫描运动 能够对焊缝进行锯 齿形或矩形扫描 利用a c t i v e x 技术 解决了l a b w i n d o w s c v i 和o f f i c ew o r d 软件的接口 实现了检 测报告的生成和打印 构建了管道对接焊缝超声斜角探伤平台 通过研究自动扫描成像 的关键技术及其软件实现方法 成功实现了以伪彩色和灰度模式显示管道典型人工缺陷 的超声a 扫描 b 扫描 通过对缺陷超声检测回波信号进行去噪 有效抑制电磁干扰和 点状噪声的影响 建立人工缺陷的斜角探伤数学模型 对缺陷进行定位分析 为深入研 究斜角探伤的数字化 图像化 智能化奠定了基础 关键词 管道对接焊缝 机器人 斜角探伤 超声检测 l a b w i n d o w s c v i t c p i p 研究类型 应用研究 s u b j e c t r e s e a r c ho nu l t r a s o n i ct e s t i n gr o b o tf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d s s p e c i a l t y m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e m ax i a n g l i n g i n s t r u c t o r m ah o n g w e i a b s t r a c t s i g n a t u r e 丛耸曲 s i g n a t u r e i t sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o lq u a l i t yo fp i p e l i n eg i r t hw e l d si nb u i l d i n ga n du s i n g t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e a sa m a i nm e t h o do fn d t n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g u t u l t r a s o n i c t e s t i n g h a sb e e nw i d e l yu s e dt oc o n t r o lt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i ni n d u s t r ya n dt oi n s p e c tt h e e q u i p m e n to ns e r v i c e e s p e c i a l l yh a st h ei m p o r t a n tf u n c t i o ni ni n s p e c t i n gp i p e l i n e sg i r t h w e l d s a n di sa d o p t e db ym a n yc o u n t r i e s t h et r a d i t i o n a lu ts y s t e mh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s s u c ha sl o wi n s p e c t i v ee f f i c i e n c y d i f f i c u l t yt oe v a l u a t ed e f e c t sa n ds oo n s oi th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et od e s i g na n dd e v e l o pa na u t o m a t i cu tt e s t i n gr o b o tf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d s i nv i r t u eo ft h et e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r n c p r e c i s em a c h i n e r ya n dm i c r o m o t o r d r i v ea n ds oo n t a k i n gp ca st h ec o r eo fs y s t e m t a k i n ga na d v a n c e dd i g i t a lu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o ra sb a s e t a k i n gv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns t r u c t u r ea ss o f t w a r ep l a t f o r m ar o b o ts y s t e m o fa u t o m a t i cu t t e s t i n gf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d sh a sb e e nd e v e l o p e d t h ed i g i t a l a u t o m a t i o n a n dp i c t u r i z a t i o no fu l t r a s o n i ct e s t i n ga r er e a l i z e d a n dt h ef o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fu t i se s t a b l i s h e d t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no fr o b o ti sc o m p l e t e d t h ep r o b ec l i pi sd e v e l o p e d w h i c hh a s r e a l i z e da d a p t i v ec o n t a c tb e t w e e np r o b ea n dp i p e l i n e t h es t e p m o t o rt r a n s m i s s i o ns y s t e m w h i c hh a sg r e a td e c e l e r a t i o nr a t i oi sd e v e l o p e d w h i c hh a ss a t i s f i e dt h er e q u i r e dp o w e ro f r o b o tw h e ni tm a k e sc i r c l em o t i o na l o n gp i p e l i n e u s i n gc o m p u t e ri oi n t e r f a c ea n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s t h r o u g h t h er s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni n l a b w i n d o w s c v i c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ni n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds t c 8 9 c 5 1s c mi s a c h i e v e d s ot h a te f f e c t i v e l yc o n t r o l l i n gt h er o b o t t h ec i r c l em o t i o na n da x e sd i r e c t i o n m o t i o na l o n gp i p e l i n ea r er e a l i z e d s o p r o b es c a n n i n gw a yo fh a c k l eo rr e c t a n g l ef o rw e l d i n g l i n eh a sa c h i e v e d u s i n ga c t i v e xt e c h n o l o g y i n t e r f a c eb e t w e e nt h el a b w i n d o w s c v ia n do f f i c ew o r d s o f t w a r ei ss o l v e d a n dt h et e s tr e p o r tc a nb eg e n e r a t e da n dp r i n t e d t h ep l a t f o r mo fb e v e l u l t r a s o n i ct e s t i n gf o rt h ep i p e l i n ew e l di se s t a b l i s h e d t h r o u g hr e s e a r c h i n go nt h ek e y t e c h n o l o g ya n ds o f t w a r er e a l i z e dm e t h o do fa u t o m a t i o ns c a n n i n gi m a g i n g t od i s p l a yt h e u l t r a s o n i ca s c a n b s c a no ft h et y p i c a ld e f e c t so ft h ep i p e l i n eb yp s e u d o c o l o ra n dg r a y s c a l e m o d e li ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e d t h r o u g hf i l t e r i n gd e n o i s i n gf o ru l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n s i g n a l e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n di m p a c to fp o i n tn o i s ea l ei n h i b i t e de f f e c t i v e l y t h e b e v e lt e s t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em a n u a lf l a wi se s t a b l i s h e d a n do r i e n t a t i o na n a l y s e f o rt h ef l a wi sa c h i e v e d a i lo ft h e s eh a v ee s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gf u r t h e rt h e d i g i t a l p i c t u r i z a t i o n a n di n t e l l i g e n t i z e do ft r a n s v e r s ew a v et e s t i n g k e y w o r d s p i p e l i n eg i r t h w e l d sr o b o tb e v e ld e t e c t i n gu l t r a s o n i ct e s t i n g l a b w i n d o w s c v i t c p i p t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技史学 学位论文独创性说明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 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做了明确的说明并表示了谢意 一 学位论文作者签名 擀 日期 d g 红p 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学 学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 删 指导教师签轹 b 彦 矽 略年年月 o 日 1 绪论 1 1 管道焊缝检测的发展 1 绪论 长输管道的任务是远距离输送液体或气体产品 目日仃 世界各困石油及天然气长输 管道总长度为2 0 0 多万公里 我团长输管道总长约2 万公罩 其中输油管道约1 万公里 输 i 管道约0 7 万里 还有少量的矿浆管道 国家重点工程 西气东输 工程 主管 道投资3 8 4 亿元 丰管线和城市管网投资将突破1 0 0 0 亿元 随着国内经济的快速发展 对石油和天然气等能源的需求在不断加大 国家还将陆续建设 批能源干线 2 1 1 3 1 特别是 用于运输原油 天然乒e 成品油等介质的长输管道在今后短时期内将会有很大发展 4 j 管道焊接是长输管道实现的必然步骤 那么管道的焊接质黾就直接决定了管道的运 行质量1 5j 按照美国的估算 凶焊接接头失效引起的经济损失高达国民生产总值的5 美国仅在1 9 8 6 2 0 0 0 年期问 天然气管道就发生事故1 1 8 1 起 造成了5 5 人死亡 2 1 0 人受伤 j 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 等围家也有管道断裂事故的报道 6j 据不完令统计 国内油气管道事故发生概率是国外 经济发达国家的5 1 0 倍 根本原因就是没有进行可靠严格的检测和监测 因此 如何 保证含有焊接构件装置的运行安全就成为一个极富有挑战性的课题 这要从制造 到投 产进而走向退役的整个工程中的每一个环节做起 分析潜在的失效影响因素 开发出有 效而可靠的检测技术 达到早期预报可能发牛潜在事故的体制 进而促进焊接工程构件 安全运行的目的i7 1 如果没有及时发现这些缺陷并准确判断缺陷的危害性 带来的经济 损失是巨大的 甚至是不可挽网的峭j 因此 研究管道焊缝检测自动化技术 提高检测 的可靠性和自动化程度 加强在建和在役运输管道的蛉测和检测 对于保障人民生命和 国家财产的安全具有重要意义 管道焊接是在组对管道端面坡口处形成冶会连接即焊缝的过程 图1 1 为管道组对 实物图 焊缝质量是衡量管道焊接是否合格的唯一 标准1 9 j 焊缝检测方法有多种 其中无损检测技术 n d t 是一种理想的方法 它就是在不破坏物体的 前提下 检查物体宏观缺陷或测量工件特征的各种 技术方法的统称 可以直接在现场进行检验 而且 效率高 目前 工业上常用的无损检测方法主要包 括磁粉检测 p t 渗透检测 m t 涡流检测 e t 超声检测 u t 射线检测 r t 5 种 前三种方法 主要是针对被检物的表面及近表面的缺陷 后两种 图1 1 管道组对实物图 西安科技大学硕士学位论文 主要是针对被检物内部的缺吲1 0 1 是最为常用的管道环焊缝检测方法 按照常规的检验 方法 石油天然气长输钢质管道对接焊缝主要采用x 射线胶片照相探伤 此方法虽比较直 观 但需耗用大量x 光胶片 检验周期长 劳动量大 贴片 拍片 洗片工序复杂 且 管道施工多在野外 给拍片和洗片带来更大困难 l l l2 1 而且对人体有辐射危害 超声无 损检测与其它常规技术相比 它具有被测对象范围广 检测深度大 缺陷定位准确 检 测灵敏度高 成本低 使用方便 速度快 对人体无害及便于现场检测等优点 几十年 来 超声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用 几乎应用到所有工业部门 已成为材 料或结构的无损检测最常用的手段u 引 超声检测相对射线检测用于检测某些焊缝缺陷的 优势为人所知已很多年了 l4 1 所以是最有开发前景的无损检测方法 最突出的例子是美 国6 0 0 家电力公司下属的1 0 0 0 0 多家电厂 目前生产中保证安全运行的主要无损检测手 段是超声检测 这样作不但能保证产品质量 而且能降低成本 据说为了提高超声检测 的可靠性 多年来美国先后投入了数千万美元 而其收益可达到数十亿美元 7 国外对管道的检测始于2 0 世纪2 0 年代 对管道无损检测系统的研究开发已有多年 历史 管道检测最早只限于在管道外部对焊缝进行检测 自澳大利亚开发出纤维型焊条 的手工电弧焊并用于管道的焊接时 对管道焊缝质量的检测就开始了 当时的射线成像 技术有一定发展 用于管道焊缝检测得x 射线机和y 射线机也相继研制成功 于是射线 检测技术最先用于管道焊缝检测 但这种靠检测人员手持射线机对焊缝进行检测的方法 准确率很低 检测的精度和可靠性受到检测人员技术水平和经验的影响 检测人员劳动 强度大 且受射线的伤害 后来 人们开发了半自动化 自动化的管道检测爬行器来代 替检测人员的手工检测 l5 1 9 5 9 年 荷兰的r t d 作为自动超声检测工业应用的先驱 研制成功 r o t o s c a n 系统 三个探头可以同时对焊缝中纵 横各种裂纹进行检测 但 是手工操作难以排除焊角假发射的干扰 缺陷波反射不易分辨的限制和手工焊缝的本身 缺陷的不可控因素等方面问题成为阻碍手工焊缝的自动化检测的关键 随着管道自动焊 接技术的研究与应用 焊缝检测的自动化技术迅速发展 当时有名的自动焊接系统如美 国的c r c 荷兰的v e r m a t 法国的s e r i m e 等 1 9 7 1 年t o n yr i c h a r d s o n 设计出首台针对 c r c 系统自动焊缝的超声检测系统 2 0 世纪8 0 年代中期 聚焦探头 数字化超声波探 伤仪等方面迅速发展 提高了信噪比 并且e c a e n g i n e e r i n gc r i t i a l a s s e s s m e n t 一一种把 超声结果和裂纹力学性能联系起来的观点得到重视 这种在管道对接焊缝自动超声检测 中把焊缝分成数个区域的观念 不仅可以给出裂纹的尺寸 而且便于在计算机显示中识 别不同的区域 s g s 公司e h g o t t f e l d 和h e i n e 德国 两人于1 9 9 2 年承接开发的m i p a m u l t i p l e i m m e r s i o np r o b ea r r a y 是一种典型的快速自动检测手工或自动焊接的管道对接焊缝自动 超声检测系统l l 引 m i p a 采用了水浸探头消除了与被检管道相关的难题 特殊设计的探 头夹持器有效减小了管道表面状态对入射角的影响 从而增强了检测薄壁管道时的 近 2 1 绪论 区 限制 加拿人足现今1 廿界卜使用自动超声检测控制管道焊缝建设质昆较成熟的国家 7j 加 拿人2 0 世纪8 年代就在管道工 譬建设中广泛使用超声无损枪测方法 并且已经把自动 超声检测作为射线检测替代方法使用 1 9 9 3 年 t r a n sc a n a d ap i p e l i n e sl t d t c p l 一力 拿大最大的管道公刊 把臼动超声检测作为主要的无损检测方法用于管道建设中的自动 焊缝检测 利用t o f d t i m eo ff l i g h td i f f r a c t i o n 技术 系统的检测精度可以达到0 1 m m 0 2m m 同年 t c p l 针刘 管道对接焊缝的检测制定了千h 天的食业标准 住t c p l 的推动卜 超卢检测系统的i j 靠性 检测速度和系统的评价能力得到了很大提高 1 9 9 7 年 改进的t c p l 检测系统用于大口径管道手i 对接焊缝的检测 进入2 0f u 纪9 0 年代 j 动超声榆测技术与计算机联系更加紧密 各种智能检测机 器人不断涌现 形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列化与商业市场 1 8 j 1 9 1 1 2 圳 二j 本东京煤气公司的蜘蛛型机器人 移动速度约6 0 m h 重约l4 0 k g 采用16 i 超声探头可以埘运jj 二状态卜 的球罐上仟意点半标位置进行扫描 1 2 国内外焊缝自动检测装置的发展动态 闻内外已经丌发出各种焊接检测机器人在非结构环境l 实现预定轨迹运动 自动定 位 i f 艮踪焊缝等智能化功能 1 2 1 国外焊缝自动检测装置的发展动态 f l 侄2 0 世纪6 0 年代 管道超声检测技术主要用于在工厂对管道长焊缝或蝶旋焊缝 进行检测 检测力 式也不只局限于a 扫描 b 扫描 cj 1 描以及混合 j 描的检测方式也 相继出现 荷兰的r t d b v 作为应用超声白动检测管道环焊缝的先驱 研制成功用j i 管 道行业的r o t o s c a n 检测系统 爬行器 但其尢法避免自身的相互干涉 1 川 1 9 6 6 年同本 大阪府立大学i 学部任讲师的西亮 就利用电风扇进7e 侧低压窄气产 上的负压作为吸附 力制作了一台垂直擘面移动机器人的原理样机 一一 j 羔 2 1 1 此后的几十年单 爬蹙机器人技术在世界范 多 爸 磐 j 一7 i 围内得到了迅速发展 例如 同本成用技术研究 q 70 辫了 成文7 所研制出了车轮式吸附爬壁机器人 如图1 2 所 度二 曩群写 7 i 卜 示 它可以吸附在各种大型构件物壁面 代替人8 i 杖 进行检查或修理等作业 22 1 月 麦f o r c e 研究所研臻防5 i 1 婷 制了一系列轻便机器人 该机器人净重1 0 k g 采 一 一 一 用磁吸附式与预置磁条跟踪方式可检测各类大型 图i 2 车轮式磁吸附爬墙机器人 储罐与船体焊缝 2 1l 加拿大是世界上应用自动超声检测技术来控制管道铺设过程中 焊缝质量比较成熟的幽烈阳j 加拿大2 0l t j f g8 0 年代就在管道铺设1 程中广泛使用超声 3 西安科技大学硕士学位论文 检测方法 并且已经把自动超声检测作为射线检测的替代方法使用 国外对管道焊缝检 测研究多年 技术较成熟 并已经有系列产品出售 日本n k k 公司研制的机器人借助 管道内液体推力f i 进 可以测量输油管道腐蚀状况 其检测精度小于l m m 丹麦f o r c e 研究所的爬壁机器人 重约l o k g 采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储管 与船体 2 0 0 0 年w c n d t 会议上展示的意大利航空公司的超声波自动检测装置更是采用了 c a d 或c a t i a 计算机增强的三维交互作用设计 技术 扫描装置是计算机控制的五维 操纵器 可以将换能器置于任意形状结构需要探测的位置 2 3 2 4 典型的环焊缝检测设备 如法国i n t e r c o n t r o l l 公司的m i s 机 美国p a c i f i cg a sa n de l a s t i c 公司的轻便机以及加拿 大r d t e c h 公司的多通道 声聚焦 分区扫查的全自动超声波检测系统 但是国外设备 价格昂贵 技术保密 使得售后服务问题难以得到及时有效的解决 2 3 1 2 2 国内焊缝自动检测装置的发展动态 在自动超声检测方法方面 目前 国内工矿企业及研究单位普遍采用的焊缝超声检 测方法实际上大多停留在超声探伤阶段 人们只利用了超声波形数据中的一小部分 然 后人为判断缺陷的性质 大小等 这种检测和分析的结果容易因检测人员自身理论分析 水平和实践经验的不同而产生差异 且检测效率低 可靠性难以保证 25 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y 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o 一 础上开发研制了x 射线管道爬行裂2 6 盘锦北方无 j 7 损检测公司首家独立研制成功y x 射线两用管道 鼍 爬行器 填补国内空白 并且首次将国产x 射线管 i 道爬行器推向国外 完全取代了进口产品 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 l 0 2 便携式超声波p 扫描成像系统提高了对缺陷 定位定量的精度 且有利于定性分析叨 1 9 8 8 年 图1 3 管道超声检测扫查器 哈尔滨工业大学率先从事爬壁机器人的研究 2 8 1 到目前上海交通大学 清华大学精密仪 器系机器人及其自动化研究室 北京航空航天大学 清华大学机械系 上海大学 重庆 大学 南昌大学 长春光电学院等科研院所致力于相关方面的研究 并已取得丰硕的成 果 但投入使用中的国内产品还很少 大部分企业单位检测装置还是依靠进口 如图1 3 所示 它将内齿板拼接成一个大的内齿轮固定在管道上 扫查器主机通过齿轮传动在管 道的圆周上移动 这种固定和移动方式可以很好的满足精度要求 但是能检测的管径范 围很小 装卸时间长 为了提高扫查装置的适用性 研制使用方便适应性广的扫查器势 4 1 绪论 在必行 2 自1 9 9 9 年1 2 月起 管道科学研究院等单位申请了 大i s i 径环焊缝相控阵超 声波无损检测设备研制 科技开发项目 并于2 0 0 3 年通过了鉴定 该设备达到了国外 同类产品的技术水平 2 9 在西气东输管道工程中 工作人员在短短2 个月内掌握了国际 上最先进 国内空白的全自动超声波检测 a u t 技术 开创了国内管道工程史上的先 例 砌 1 3 超声检测技术的发展趋势 超声无损检测技术在焊缝检测中的应用增多是由超声检测诸多优点及超声自动检 测相关技术日益成熟决定的 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 同时超声检测对裂纹的检出灵敏度比射线检测高的多 1 8 图1 4 为射线与 超声两种无损检测方法检测裂纹时的 缺陷检出率对比 对于焊缝中的危险 缺陷一裂纹 未焊透 尤其是微裂纹 黎 和轻微未焊透 用超声波探伤比其他 褥 几种常规无损检测方法更容易 而且 基 超声波仪器简单 检查速度快 因此 嚣 近年来为各国所广泛采用 6 超声无损检测技术是国内外应用 最广泛 使用频率最高且发展较快的 垂 一种无损检测技术 有关资料表明 国外每年大约发表3 0 0 0 篇涉及无损 襞绞疑缓 糯 图1 4 射线与超卢检测裂纹检出率的对比 检测的文献资料 全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占4 5 2 0 0 0 年1 0 月在 罗马召开的第十五届世界无损检测会议 w c n d t 收录的6 6 3 篇论文中 超声检测就占 2 5 0 篇 2 3 1 近年来 随着以计算机技术为具体体现的信息技术的突飞猛进 为超声检测技术进 一步发展提供了广阔的空间 在超声检测研究与应用方面有如下趋向 1 向高准确度 高可靠性方向发展 3 1 3 2 j 2 0 世纪7 0 年代以来 超声检测的数 字化 自动化 智能化和图像化成为超声无损检测技术研究的热点 近年来 随着超声 传感器技术 电子技术 自动控制技术 计算机技术的发展 现代无损检测技术已经进 入到以计算机控制为主的信息加工时代 表现在生产过程实时监控和产品运行过程的监 督 如对轧钢的生产线的监控 对涂有各种厚度的防腐材料和保温层的工程检测技术 能自动扫描 自动定位与跟踪检测对象的各种检测机器人 对人工智能技术 如模式识 别 专家系统与人工神经网络等 及计算机模拟仿真技术在缺陷自动识别中的应用的深 入研究等 国外工业发达国家的无损检测技术己逐步从n d i 和n d t 向n d e 过渡 超 5 西安科技大学硕士学位论文 声无损探伤 n d i 是初级阶段 它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下 发现其人眼 不可见的内部缺陷 以满足工业设计中的强度要求 超声无损评价 n d e 是超声检测发 展的最高境界 不但要探测缺陷的有无 还要给出材质的定量评价 也包括对材料和缺 陷的物理和力学性能的检测及其评价 2 超声成像技术 3 3 1 3 4 在现代无损检测技术中 是一种令人瞩目的新技术 超 声图像可以提供直观和大量的信息 直接反映物体的声学和力学性质 有着非常广阔的 发展前景 数据采集技术 图像重建技术 自动化和智能化技术以及超声成像系统的性 能价格比等发展直接影响超声检测图像化的进程 现代超声成像技术大多有自动化和智 能化的特点 因而有许多优点 如检测的一致性好 可靠性 重现性高 存储的检测结 果可随时调用 并可以对历次检测的结果自动比较 以对缺陷做动态检测等 总之 超 声成像技术克服了传统超声检测不直观 判伤难 无记录的缺陷 减少了检测中人为干 扰 有效地提高无损检测的可靠性 是定量无损检测的重要工具 目前已经使用和正在开发的成像技术包括 超声b 扫描成像 超声c 扫描成像 超声d 扫描成像 a l o k 德文 振幅一传播时间一位置曲线 的缩写 成像 s a f t 合 成孔径聚焦 成像 p 扫描成像 超声全息成像 超声c t 成像等技术 3 超声检测仪器的应用与发展 35 超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性 其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的 计算机技术的应用 一方面提高了 设备的抗干扰能力 另一方面利用计算机的运算功能 实现了对缺陷信号的定量 自动 读数 自动识别 自动补偿和报警 2 0 世纪8 0 年代 新一代的超声检测仪器一数字化 智能化超声仪问世 标志着超声检测仪器进入了一个新时代 超声无损检测仪器将向数 字化 智能化 图像化 小型化和多功能化发展 在第十三 十四届世界无损检测会议 仪器展览会 1 9 9 6 年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会 1 9 9 7 年同木无损检测 展览会等大型国际会议会展中 数字化 智能化 图像化超声仪最引人注目 其中以德 国k r a u t r a m e r 公司 美国p a n a m e t r i c s 公司 丹麦f o r c ei n s t i t u t e s 公司与美国p a c 公司 的产品最具代表性 显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势 另外提高超声检测中对 缺陷的定位 定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化 智能化急待解决的关 键技术问题 电子技术和计算机技术的迅速发展为研制高度智能化的无损检测仪器奠定了良好 基础 未来的超声检测仪器应具有以下特征 1 检测智能化与缺陷信号图像化 未来的超声检测仪器应该是高度智能化的 且检测结果可用图像直观显示 具有良好的用户界面 能开机后自检 可以菜单设定仪 器测试参数 探伤工艺 并可与别的处理机进行通讯 对超声信号数字化后 进行数据 的后继处理 如成像 分析 评价等 对采集的数据可以以波形或多种图像方式显示 2 模块化和插卡化 研制各种超声检测卡 借助高速 高容量计算机 无损检 6 1 绪论 测仪器的研制变得十分容易 3 数据库和自动识别功能 未来超声仪器最重要的进步是对被检对象进行自动 识别以及自动评价的功能 故要有比较完备的数据库和专家评判系统 4 自动化和机器人化 它将具有高的检测效率 可在恶劣的工作条件下完成检 测任务 1 4 本课题研究的意义和内容 1 4 1 研究的意义 国内管道的各种智能超声波检测机器人仍处于研究中 成熟的产品尚未开发出来 尽管某些科研单位研制出了几种功能样机 还不能满足工程检测的实际需求 而国外同 类产品价格相当昂贵 并对我国实行技术封锁 因此 国内科研机构对管道超声波检测 机器人加大研究力度 研制开发出自己的超声波智能检测机器人才是唯一出路幽j 随着计算机技术 电子技术的发展 数字化的超声检测仪器得到了长足的发展 改变 了传统超声检测的诸多不足 以计算机软硬件为基础发展的虚拟仪器技术 实现了仪器 技术的突破性变化 3 酬 随着对检测性能要求的逐步提高 目前在国内小型数字化检测设 备尚不成熟的形式下 许多设备都从国外进口 设备价格昂贵 即使国内能生产自己的 检测设备 功能也非常单一 设备之间的数据无法共享 3 7 j 而虚拟仪器技术是建立在微 电子技术 计算机技术 软件技术 网络技术 电子测量技术等基础上1 3 引的自动测试技 术 具有功能化 模块化 数据共享 体积小等优点 使得软件部分代替了传统意义上 的仪器功能 实现了仪器的可视化 柔性化 人性化 大大提高了仪器的性能价格比 检测精度和可靠性 3 9 1 综上所述 开发一套基于虚拟仪器技术管道对接焊缝自动超声检 测机器人系统具有重大的意义 1 4 2 主要研究内容 本课题以长距离输送管道对接焊缝为检测对象 在实验室已有的管道对接焊缝自动 检测装置的基础上 研制基于p c 的管道自动超声检测机器人系统 主要完成如下工作 1 系统总体方案设计 经过对管道超声检测条件的分析和确定 确定系统总体 方案 2 已有检测机械装置进行结构改进设计并加工 对爬行驱动部分结构改进以实 现检测机器人可以沿管道作圆周方向运动 对扫描驱动部分结构改进设计以实现探头轴 向扫描的功能 设计浮动探头夹持器 以实现探头与管道的自适应耦合 3 机电控制系统设计 设计检测系统机电控制部分 完成机器人的控制 满足控 制精度 实现对管道对接焊缝进行超声检测的自动化 智能化 为缺陷超声信号的图像 7 西安科技大学硕士学位论文 化奠定基础 4 数据采集系统设计 开发基于t c p i p 协议的超声数据采集系统 实现与数字 探伤仪的网络通讯 采集超声探伤回波信号 5 系统软件包设计 开发基于虚拟仪器的管道对接焊缝自动检测系统软件 实 现超声自动扫描和数字化成像 对超声检测的a b 扫描控制 超声缺陷信号图像显示 采集超声信号的去噪处理 超声图像 数据进行存储以及探伤报告生成与输出等功能 6 试验与分析 对人工缺陷进行检测 建立横波检测的数学模型 对缺陷进行 定位分析 8 2 管道对接焊缝超声检测机器总体设计 2 管道对接焊缝超声检测机器人总体设计 2 1 引言 系统总体设计方案的确定是构建超声检测机器人系统的关键 管道对接焊缝超声检 测机器人受超声探伤仪 超声探头 耦合剂类型 工件表面质量 缺陷自身特性 管道 检测设备 缺陷回波信号采集与处理设备以及软件环境等多方面因素影响 本章简要分 析各方面影响因素 确定系统总体方案 构建检测机器人控制系统和数据采集系统 2 2 焊缝超声检测关键技术分析 3 9 4 0 选择不同的超声检测方法 仪器和探头对管道超声检测机器人系统性能的影响不 同 对管道超声检测机器人功能以及检测速度的要求不同 下面主要对影响管道焊缝超 声检测机器人设计的条件进行分析 2 2 1 脉冲反射法 脉冲反射法是根据缺陷及底面反射信号的有无 反射信号幅度的高低及其反射讯号 在荧光屏上的位置来判断有无缺陷 缺陷大小以及缺陷的深度 是目前运用最广泛的一 种超声波探伤法 采用脉冲发射法超声波探伤原理 脉冲波发生器产生的高频脉冲 发射波 加在 探头和放大器上 激励压电晶片振动 使之产生超声波 超声波以一定的速度向工件内 部传播 一部分声波遇到缺陷 f 时反射回来 另一部分声波继续传至工件底面 b 后 也反射回来 由缺陷和底面反射回来的声波被探头接收时 又变成电脉冲波 发射 波 t 缺陷波 f 及底波 b 经放大后 在荧光屏上显示 荧光屏上的水平亮线 为扫描线 时间基线 其长度与时间成正比 由发射波 缺陷波及底波在扫描线上的 位置 即可求出缺陷的位置 如图 2 1 所示 图2 1 脉冲反射法的原理示意图 9 西安科技大学硕士学位论文 这种方法可分为直接接触纵波脉冲反射法和斜角探伤两大类 如图 2 2 所示 纵 波探伤主要能发现和探测面平行或较大的稍有倾斜的缺陷 而难于发现垂直探测面或相 对探测面斜度较大的缺陷 横波探伤对这类缺陷比较敏感 特别是检查类似于表面张口 的裂纹缺陷 此外 纵波要求工件有规则的几何形状 横波探伤在这方面就要求低些 对管道对接焊缝 钢结构件焊缝等都采用横波探伤 a 直接接触纵波一次脉冲反射法 斜探头 b 直接接触纵波多次脉冲反射法 斜探头 c 单斜探头法 d 双斜探头法 e 双斜探头法 图2 2 脉冲反射探伤方法 2 2 2 焊缝的斜角探伤 焊缝探伤中 由于焊缝加强高的影响及焊缝中存在的缺陷往往是与探测面形成一定 角度或垂直 所以在一般情况下采用超声波倾斜入射到工件内部的斜角探伤法 1 斜角探伤各参数之间的关系为了正确调整探伤仪中的时间扫描线和确定缺陷 位置 需要了解斜角探伤时各参数之间的关系 斜角探伤原理示意图见图2 3 其中万 为板厚 夕为斜探头折射角 声束轴线与探测面法线的夹角 声程为舅探头入射点p 到板厚6 的水平距离为尸 在直角a a o b 中 a b 万 a o s b o p o 探头的k 值为 k i t g p 去 1 0 2 1 2 管道对接焊缝超声检测机器总体设计 根据三角函数得出其它常用的三角关系式 p s s i n f l 万 s c o s f l s 万 而 j l c 0 s8 2 p 2 8 t g 2 6 k 2 2 2 3 2 4 2 5 图2 3 斜角探伤原理示意图 2 横波探伤由于焊缝表面凹凸不平以及焊缝中危害性缺陷 如 气孔 夹渣 未溶合 未焊透和裂纹等 多与焊缝表面垂直 故超声波探测时 主要采用倾斜入射的 横波探伤 为了在试件中获得单一的横波波型 要求纵波的入射角必须在第一临界角和 第二临界角之间 如果透声斜楔采用有机玻璃制作 纵波声速为2 7 3 0 m s 被检试件为 钢 纵波声速为5 9 0 0 m s 横波声速为3 2 3 0 m s 则第一临界角为口 2 7 6 0 口 5 7 7 0 实用的折射角范围在3 8 8 0 之间 利用这种方式产生和接收横波的探头长称为 斜探 头 因此 横波检测也称斜角检测 3 对接焊缝探伤为保证焊缝质量 选择探伤方法应考虑使整个焊缝断面都能得 到声束的扫查 探测对接焊缝中的缺陷时 应注意探头的移动方式和方向 探测纵向缺 陷时 探头的方向基本上应与焊缝轴线垂直 探测横向缺陷时 探头方向应与焊缝轴线 成一角度 如图2 4 所示 探测纵向缺陷时 探头在离焊缝中心线半跨距 p 2 处可发现焊缝根部的缺陷 探头自p 2 向焊缝方向移动进行检测的方法 称为一次反射法 见图2 5 一次发射法 只能探测焊缝下半部的缺陷 探头在一个跨距 p 处探测时 可发现焊缝顶部 上半 部 的缺陷 探头在p 2 p 的范围内移动探测时 可发现焊缝整个断面上的缺陷 如 图2 6 所示 这种方法称二次反射法 横波探伤的波次一般用一 二次为好 以减少声 束的折转次数 从而减少因表面粗糙造成的声能损失 按照g b l1 3 4 5 1 9 8 9 的推荐 为 西安科技大学硕士学位论文 了发现纵向缺陷 一般应按表2 1 选择探测面 探伤方法和探头折射角 焊缝横向裂纹纵向裂纹超 乞 吵已 一 彳 一 2 5 5 0 7 0 或6 0 k 2 5 k 2 0 k 1 5 单面双侧或双面单 发射法 侧4 5 或6 0 4 5 和6 0 4 5 和7 0 5 0 并用 k 1 或k l 5 k l 和k 1 5 k 1 和k 2 1 0 0 直射法 并用 1 0 0 双面双侧4 5 和6 0 并用 k 1 和k 1 5 或k 2 并用 和中厚板对接焊缝的探伤 本系统要探伤的对象为1 0f i l m 厚的管道对接焊缝 属于薄板 探伤 故准备采用单探头法 2 2 3 斜探头扫查方式 采用不同的探头移动方式 是为了发现焊缝中的缺陷和对缺陷的定性 定量 斜探 头扫查方式分类如图2 8 所示 其中左右和前后扫查同时进行是为了查同时进行是为了 检查有无缺陷 左右扫查是为了推断缺陷的长度 转角和环绕扫查主要用于进行是为了 广锯齿形扫查 卜转角扫查 篡p 舶搪 獭鼢查 孥ll 坂务老努善 錾 特殊扫查1 糕至爵翥查 方 i厂串列式扫杏 式l 双探头扫查士瓣查 l v 型扫查 检查有无缺陷 左右扫查是为了推断缺陷的长度 转角和环绕扫查主要用于推断缺陷的 形状 矩形扫查多用于自动化 半自动或在无法分辨真假反射波时 锯齿形扫查是焊缝 1 3 西安科技大学硕士学位论文 探伤中经常使用的一种探头移动方式 以锯齿形往复移动 每次前进的齿距宽度不得超 过晶片宽度 此外 为了防止缺陷漏检 还采用两种以上的斜角探头从多方向来扫查 采用单面 双侧还是采用双面双侧的扫查 视焊缝的钢板厚度而定 实际探测时 探头 沿焊缝作锯齿形或矩形方式移动 当探头垂直于焊缝作前后移动的同时 应作小角度摆 动 约 l o 左右 以发现各种形状和位置的缺陷 2 2 4 探头移动区域 试件表面状况好坏 直接影响检测结果 所以应清除焊接试件表面飞溅物 氧化皮 凹坑及锈蚀等 焊缝两侧检测面的修整宽度应至少等于探头的移动区 可根据母材厚度 所用探头的k 值 或折射角 和探头的尺寸 a 确定 如图2 9 所示 b 图2 9 检测面修磨宽度的确定 以l 表示跨距 则 l 2 8 t a n 2 d k z 厶 2 6 式中k 探头的k 值 万 试件厚度 折射角 通常要求探头移动区b 么 对于一次波法检测 o 5 l l o l o