基于軟閉環(huán)控制的寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)方法*

王玉國(guó)，張書(shū)增，童林軍，張晨盺

(1．南京工程學(xué)院 車(chē)輛工程系，江蘇 南京211167;2．中南大學(xué) CAD/CAM研究所，湖南長(zhǎng)沙410075)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在不損傷被檢物使用性能與形狀的條件下可判斷被檢物的狀況，是現(xiàn)代工業(yè)許多領(lǐng)域中保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的重要手段［1－2］。超聲檢測(cè)作為無(wú)損檢測(cè)的一個(gè)分支，具有適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高、成本低、污染少、對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于材料的內(nèi)部缺陷檢測(cè)［3］。超聲檢測(cè)可分為手動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)2種方式，手動(dòng)檢測(cè)具有操作方便，檢測(cè)成本低等優(yōu)勢(shì)，但存在檢測(cè)效率低、缺陷難以精確定位和定量、且易受操作員個(gè)體差異的影響造成檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，進(jìn)而影響到超聲檢測(cè)的穩(wěn)定性與可靠性［4］，與手動(dòng)檢測(cè)相比，自動(dòng)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。目前大多采用建構(gòu)多自由度的專(zhuān)用檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)以實(shí)現(xiàn)工件的超聲自動(dòng)檢測(cè)［5］，因此，存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高等不足。在該背景下本文提出了一種寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)方法，并成功開(kāi)發(fā)了一套基于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)。

1 研究思路

本文所研究的寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示:采用漢川4軸XK714B型數(shù)控銑床作為寄生式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，將探頭架安裝在機(jī)床的刀具裝夾位置，通過(guò)串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)控制;根據(jù)被測(cè)工件的CAD模型與掃描步距自動(dòng)生成探頭運(yùn)動(dòng)路徑，得到控制探頭運(yùn)動(dòng)的各行數(shù)控G代碼;在實(shí)時(shí)超聲檢測(cè)中，探頭采集超聲A波信號(hào)經(jīng)超聲卡傳入工控機(jī)，通過(guò)信號(hào)預(yù)處理后再提取缺陷的特征值，然后對(duì)缺陷進(jìn)行超聲C掃描圖像，實(shí)時(shí)檢測(cè)完成后再對(duì)C掃描圖像處理;最后，對(duì)缺陷進(jìn)行定量、定位分析。

圖1 寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖Fig．1 Parasitic system Schema of automatic ultrasonic inspection

由于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)施的開(kāi)環(huán)控制［6］，不能實(shí)時(shí)反饋探頭的當(dāng)前位置，難以保證所采集超聲信號(hào)來(lái)自精確的目標(biāo)位置，因此，如何解決信號(hào)采集與運(yùn)動(dòng)控制的同步是實(shí)現(xiàn)寄生式超聲檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文針對(duì)該關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題采用如下的研究線(xiàn)路:首先根據(jù)超聲A波信號(hào)的特征值探求測(cè)量點(diǎn)與探頭之間的位置聯(lián)系，接著進(jìn)行大量超聲采集實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)控機(jī)床在不同速度、行程條件下經(jīng)過(guò)測(cè)量的時(shí)耗參數(shù);在此基礎(chǔ)上，利用B樣條曲面生成方法對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析并構(gòu)建其運(yùn)動(dòng)特性模型，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的軟閉環(huán)控制。軟閉環(huán)控制是指在硬件條件下無(wú)法完成閉環(huán)控制的前提下，通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)硬件閉環(huán)控制條件下所具備的位置反饋功能。

2 運(yùn)動(dòng)及采集同步實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

超聲A波數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)表示為w(n)={h(i)|i=1，2，···，n}，其中 n代表采樣點(diǎn)的總數(shù)，h(i)表示第i個(gè)采樣點(diǎn)的幅值［7］。圖2(a)所示為一組超聲A波數(shù)據(jù)。如圖2(b)所示，當(dāng)探頭產(chǎn)生的始發(fā)波T遇到試塊邊緣時(shí)，有一部分聲波能量被反射回來(lái)并形成1個(gè)波形S;當(dāng)聲波反射點(diǎn)更靠近試塊邊緣時(shí)，被發(fā)射的聲波能量就越小，如圖2(c)所示。

圖2 超聲A波數(shù)據(jù)及回波原理Fig．2 Ultrasonic A －wave data and its echo principle

設(shè)計(jì)如圖3所示的槽型試塊，將超聲探頭置于試塊邊緣C點(diǎn)的上端，采集其回波的能量特征值E0。給定的行程L下讓探頭以速度v從A點(diǎn)向E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，其中探頭會(huì)經(jīng)歷“響應(yīng)時(shí)滯—加速—?jiǎng)蛩佟獪p速—停止”的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。為描述數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性，在采集軟件程序中設(shè)定計(jì)時(shí)器，每隔0．01 s采集回波信號(hào)的能量特征值并與E0比較，當(dāng)?shù)竭_(dá)最佳匹配時(shí)記時(shí)終止，并輸出機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)間t?；谝陨显磉M(jìn)行運(yùn)動(dòng)及采集同步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集:在固定的行程條件下，某一速度下時(shí)耗隨位移變化的一組數(shù)據(jù)表示為qi(i=0，1，…，m)，在各種不同速度時(shí)所采集的若干組數(shù)據(jù)表示為qi，j(i=0，1，…，n;j=0，1，…，m)。運(yùn)動(dòng)及同步試驗(yàn)在250 mm行程下采集得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)及采集同步實(shí)驗(yàn)的原理圖Fig．3 Illustrative diagram of synchronous experiment on movement and acquisition

圖4 同步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)例(L=250 mm)Fig．4 An instance of synchronous experiment data(L=250 mm)

3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性的建模

利用重構(gòu)一張B樣條曲面插值或逼近于運(yùn)動(dòng)采集同步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)［8］。上述的多組數(shù)據(jù)通過(guò)插值反算得到的曲線(xiàn)方程可表示為［9］:

根據(jù)行程對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，圖5為采用上述方法對(duì)圖4數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)所得到的曲面控制網(wǎng)格，這便是本文所研究的漢川XK714B數(shù)控機(jī)床在行程250 mm條件下的運(yùn)動(dòng)特性模型，同理可獲得其他行程下的運(yùn)動(dòng)特性模型。

圖5 數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性模型(L=250 mm)Fig．5 Kinetic characteristic model of NC machine(L=250 mm)

在寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中，可根據(jù)規(guī)劃后各路徑的長(zhǎng)度、探頭運(yùn)動(dòng)速度、掃描步距及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性模型，反求出探頭到達(dá)各檢測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間［11］，實(shí)現(xiàn)寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟閉環(huán)控制，以便精確采集超聲信號(hào)保證檢測(cè)的精度和可靠性。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

采用美國(guó)GE公司生產(chǎn)的點(diǎn)聚焦直探頭(頻率5M，晶片直徑1'，聚焦長(zhǎng)度14．2'，型號(hào)為H10MP15)、上海思雀柯信息科技有限公司生產(chǎn)的UT－2001型超聲卡為主要元件構(gòu)建了如圖6所示的寄生式超聲檢測(cè)系統(tǒng)，采用上述軟閉環(huán)方法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的精度，并采用普通的1元硬幣進(jìn)行超聲C掃描成像，掃描區(qū)域位置為20 mm×20 mm，掃描步距為0．03 mm，掃描速度設(shè)置為5 mm/s，C掃描圖像如圖7所示。

圖6 寄生式超聲檢測(cè)系統(tǒng)Fig．6 Parasitic system of automatic ultrasonic inspection

圖7 C掃描成像實(shí)例Fig．7 An instance of C －scan imaging

從C掃描圖像的清晰輪廓可見(jiàn)本文所提出的寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)方法的可行性，該系統(tǒng)足可應(yīng)用于探傷靈敏度不高于0．1 mm的超聲自動(dòng)檢測(cè);本文所構(gòu)建的軟閉環(huán)控制模型能在硬件條件無(wú)法完成閉環(huán)控制時(shí)，通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)硬件閉環(huán)控制條件下所具備的位置反饋功能。同時(shí)，該方案可擴(kuò)展至五軸聯(lián)動(dòng)的加工中心，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面構(gòu)件的超聲自動(dòng)檢測(cè)。

5 結(jié)論

(1)提出了基于數(shù)控機(jī)床的寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)模型，與目前普遍的專(zhuān)用超聲檢測(cè)方法相比，具有開(kāi)發(fā)周期短、投入成本低等優(yōu)勢(shì)。

(2)采用運(yùn)動(dòng)及采集實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)控機(jī)床的時(shí)耗數(shù)據(jù)，根據(jù) B樣條曲面造型建立其運(yùn)動(dòng)特性模型，從而實(shí)現(xiàn)寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟閉環(huán)控制。

(3)通過(guò)硬幣的C掃描圖像驗(yàn)證了寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，并分析了寄生式超聲自動(dòng)檢測(cè)方法的可擴(kuò)展性。

［1］ Hsu D K．Nondestructive evaluation of sandwich structures:A review of some inspection techniques［J］．Journal of Sandwich Structures＆ Materials，2009，11(4):275－291．

［2］耿榮生．新千年的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一從羅馬會(huì)議看無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向［J］．無(wú)損檢測(cè)，2001，23(l):2－5．DI Rong-sheng．DNT technology in the new millennium －from the Rome meeting to see the development direction of nondestructive technology［J］．Non － Destructive Testing，2001，23(1):2 －5．

［3］羅雄彪，陳鐵群．超聲無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)［J］．無(wú)損檢測(cè)，2005，27(3):148 －152．LUO Xiong-biao，Chen Tie-qun．Development trends of ultrasonic testing［J］．Non － Destructive Testing，2005，27(3):148－152．

［4］Haase W，Maurer A．Latest developments on industrial ultrasonic testing of aircraft components［C］//Proceedings of the World Conference on Non － Destructive Testing，2004．

［5］Rutten J．Multi aix automated ultrasonic inspection systems for new AIRBUS A380 composite glare panels［C］//Proceedings of Aerospace Testing Hamburg，2004．

［6］Fitzpatrick M．CNC技術(shù)［M］．唐慶菊，張文生，卜遲武，等，譯．北京:科學(xué)出版社，2009:105 －122．Michael Fitzpatrick．CNC Technology［M］．TANG Qingju，ZHANG Wen-sheng，BU Chi-wu，et al．translation．Beijing:Science Press，2009:105 －122．

［7］李雄兵．曲面工件自動(dòng)超聲檢測(cè)中若干關(guān)鍵問(wèn)題的研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2008．LI Xiong-bing．Research on automated ultrasonic non －destructive inspection for the complex surface［D］．Hangzhou:Zhejiang University，2008．

［8］張海林，金小剛，馮結(jié)青．三次B樣條曲線(xiàn)骨架卷積曲面造型［J］．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(9):1300－1355．ZHANG Hai-lin，JIN Xiao-gang，F(xiàn)eng Jie-qing．Convolution surface modeling for cubic B － spline skeletons［J］．Journal of Computer－Aided Design＆Computer Graphics．2006，18(9):1300 －1355．

［9］Milroy M J，Bradley C，Vickers G W，et al，G1 continuity of B － spline surface patches in reverse engineering［J］．Computer－Aided Design，1995，27(6):471－478．

［10］施法中．計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與非均勻有理B樣條［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001．SHI Fa-zhong．CAGD ＆ NURBS［M］．Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2001．

［11］胡 俊，王宇哈，李 眸，等．基于曲線(xiàn)外插技術(shù)的曲面測(cè)量等弧長(zhǎng)采樣方法［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23(3):273－277．HU Jun，WANG Yu-ha，LI Mou，et al．Equal arc － length sampling fbr measuring free－form surface based on curve extrapolation［J］．Mechanical Science and Technology，2004，23(3):273 －277．