盧宇明 張志勇 李屹波
摘 要:文章對?406~?1422mm螺旋焊縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)中超聲波連續(xù)探傷設(shè)備電控和自動跟蹤系統(tǒng)工作狀況進行了分析,針對跟蹤焊縫精度差,干擾大的問題逐一進行了分析。對超聲波探傷設(shè)備的電控系統(tǒng)、自動跟蹤系統(tǒng)存在問題進行技術(shù)改造。闡述了設(shè)備改造后取得的效果。
關(guān)鍵詞:在線超聲波;探傷;激光跟蹤焊縫;干擾
超聲波探傷工藝是焊管焊縫質(zhì)量檢測的一種重要方法,在石油管生產(chǎn)過程中作為一種無損檢測焊縫質(zhì)量的有效方法被廣泛應(yīng)用。它采用在焊管焊縫兩側(cè)布置一定數(shù)量的超聲波橫波探頭,在移動焊管的過程中,利用超聲波的反射特性(在熒光屏上以縱坐標表示反射回波的幅度,以橫坐標表示反射回波的傳播時間),根據(jù)缺陷反射波的幅度和時間來確定缺陷的大小和存在的位置,探測焊管焊縫中平行于焊縫或垂直于焊縫的缺陷。缺陷的定位、定量和定性評定是超聲波無損檢測技術(shù)中的三大關(guān)鍵問題,特別是在螺旋焊縫的超聲波連探的檢測過程中(在螺旋管生產(chǎn)過程中的連續(xù)探測)一直以來就是技術(shù)難題。對探傷儀、自動跟蹤的電控系統(tǒng)都有較高要求。
1 超聲波設(shè)備存在問題
我公司從2011年開始生產(chǎn)石油管,在用的超聲波連續(xù)探傷設(shè)備在檢測中存在誤報、漏報問題,檢測結(jié)果的客觀可靠性和準確性均不能滿足GB/T9711.2、GB/9711.3、API5L等標準要求。這些問題對我公司生產(chǎn)中緬石油管形成瓶頸,制約了生產(chǎn),須及時有效解決。
2 設(shè)備運行狀況分析
超聲波連續(xù)探傷設(shè)備主要由機械硬件,電控系統(tǒng),自動跟蹤系統(tǒng)組成,在電腦軟件控制下根據(jù)生產(chǎn)工藝要求完成一系列檢測和評價工作,其中:電控系統(tǒng),自動跟蹤系統(tǒng)工作情況尤為重要,對探傷精度和產(chǎn)品質(zhì)量控制起到關(guān)鍵作用,現(xiàn)分別對這兩部分工作情況進行分析。
2.1 電控系統(tǒng)
2.1.1 電控系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計算機控制跟蹤驅(qū)動板及伺服控制器和PLC可編程序控制器。超聲波工作時探傷小車往返行走,被檢測鋼管旋轉(zhuǎn),探頭架沿焊縫兩側(cè)開始檢測工作。同時速度碼盤控制線和探頭信號(32通道)線等,通過拖鏈與操作室主機相連,連接長度約40米,在拖鏈內(nèi)來回拖動24米的行程(控制過程見原理框圖一)。
圖一 電氣控制系統(tǒng)原理框圖
2.1.2 存在問題
2.1.2.1 從圖一可以看出:電控系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機操縱跟蹤驅(qū)動板控制伺服控制器及伺服電機和滑臺。PLC可編程控制器控制檢測行走變頻器、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)變頻器、探頭動作執(zhí)行機構(gòu)由氣動閥控制氣缸動作,探頭與管體耦合水由電磁水閥控制。由于PLC可編程控制器集中安裝在控制室內(nèi),水閥,氣閥,接近開關(guān)等用控制電纜,易造成各線纜斷線。自動跟蹤系統(tǒng)為5年前的設(shè)計,CCD攝像頭,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),工控機和PLC編程器的整體配合設(shè)計已經(jīng)不是最好,PLC的先進性,可靠性沒有充分發(fā)揮出來。
2.1.2.2 控制電纜、信號電纜走線方式設(shè)計不合理,檢測系統(tǒng)運行過程中電纜破損甚至斷線等問題不斷發(fā)生。電纜經(jīng)多次修復(fù)后信號衰減嚴重,探傷系統(tǒng)靈敏度降低;屏蔽效果越來越差,抗電磁干擾能力下降。探傷主機干擾波較多,抗干擾性能較差,探傷報警系統(tǒng)不能分辨出干擾波和疑似缺陷波,超聲波連續(xù)探傷設(shè)備在檢測中誤報、漏報問題逐步增多,有的班次一根被檢鋼管誤報達10多處,且重復(fù)一致性非常差。
2.1.3 改進措施
按故障和干擾最小化思路重新設(shè)計電控系統(tǒng),盡量減少控制室到焊縫探架的控制電纜,把PLC控制系統(tǒng)改造成主、從站控制系統(tǒng)。用DP通信電纜取代控制氣閥,水閥的控制電纜。新的電控系統(tǒng)由電力柜,工控計算機,觸摸屏終端,西門子S7-300系列PLC,西門子變頻器,伺服控制器及伺服電機,DP通訊電纜等構(gòu)成(如圖二所示)。
圖二 電控系統(tǒng)圖
從圖二看出:控制室內(nèi)的PLC主站和安裝在探頭架上的3#PLC從站由DP通訊電纜控制,減少了控制電纜的數(shù)量。本次改造要解決的一個重要問題是控制信號衰減和電磁干擾。通過優(yōu)化設(shè)計,直接把PLC控制主體(3#PLC從站)安裝在檢測機構(gòu)上,實現(xiàn)了按故障和干擾最小化思路進行設(shè)計和改造的目標,同時對探測機架、隨動系統(tǒng)進行了更換和調(diào)試,提高了機械強度和對控制信號響應(yīng)靈敏度,使3#PLC從站控制部分:光電開關(guān),接近開關(guān),控制電磁閥箱主要包括氣動電磁閥、水閥、調(diào)壓閥等準確無誤地接受控制指令動作。由于運用了DP通訊電纜,控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性大幅提高。
2.2 自動跟蹤系統(tǒng)
2.2.1 自動跟蹤系統(tǒng)工作原理(如圖三所示)
2.2.2 存在問題
(1)檢測焊接缺陷點定位不準,問題在自動跟蹤系統(tǒng),首先,從圖三看出自動跟蹤系統(tǒng)是幾年前的設(shè)計,系統(tǒng)配置老化,跟蹤精度低,已不能滿足生產(chǎn)工藝的要求,需要進行改造。其次,此系統(tǒng)包括自動控制、機械、液壓等多個環(huán)節(jié)。經(jīng)模擬操作和查閱PLC控制程序未發(fā)現(xiàn)異常,機械及液壓隨動系統(tǒng)動作也正常。理論分析和模擬測試都不能確定問題所在,采用排除法逐步縮小范圍,深入觀察跟蹤系統(tǒng)的工作過程,發(fā)現(xiàn)白班與夜班所反映的缺陷點定位不準問題不一樣,最終鎖定問題:跟蹤系統(tǒng)(攝像頭受環(huán)境光線的干擾)對環(huán)境光線變化較敏感,把環(huán)境干擾信號反饋給電腦造成缺陷點誤判。
圖三 系統(tǒng)工作原理框圖
(2)原有的CCD工業(yè)攝像機和半導(dǎo)體激光發(fā)生器是分開的如圖四所示。工作過程中容易受到光線強弱的干擾,影響跟蹤精度。
2.2.3 改進措施
首先,針對原系統(tǒng)攝像頭對光線敏感容易造成誤判的問題,認真研究后把CCD工業(yè)攝像機和半導(dǎo)體激光發(fā)生器組合在一起,加上濾光片,防護玻璃及外殼組成傳感器如圖五所示。從圖五可看出改進后的傳感器,機械強度,穩(wěn)定性、受自然光線變化影響及抗干擾能力都得到大幅提高。
圖四 原有的工業(yè)攝像機和激光發(fā)生器 圖五 改進后的激光視覺傳感器
其次,焊縫自動跟蹤系統(tǒng)是超聲波探傷設(shè)備的重要組成部分,跟蹤精度的高低直接影響到超聲波檢測設(shè)備效果。在生產(chǎn)過程中由于原料寬度及焊接參數(shù)的輕微變化,焊管實際焊縫的螺旋線與理想的螺旋線之間會存在差距,焊縫自動跟蹤關(guān)鍵技術(shù)是隨時找到實際焊縫位置與理想位置的偏差值。因此良好的焊管螺旋線跟蹤是螺旋焊管焊縫超聲波探傷的關(guān)鍵。因此跟蹤系統(tǒng)的改進是最重要的。
改進后的跟蹤系統(tǒng)主要由PLC電器控制柜,工控計算機,變頻器,傳感器,跟蹤滑臺,伺服驅(qū)動電機及操作控制等部分組成。傳感器和跟蹤滑臺安裝在探頭支架上。旋轉(zhuǎn)輥變頻器控制三臺旋轉(zhuǎn)電機,行走小車變頻器控制一臺行走電機,旋轉(zhuǎn)電機讓管子旋轉(zhuǎn),行走小車使焊縫架前后運行,構(gòu)成焊縫的粗級跟蹤。加上激光視覺傳感器,伺服電機控制器,伺服電機及滑臺形成焊縫探頭架的精跟蹤。激光跟蹤系統(tǒng)的基本原理如圖六所示。
跟蹤系統(tǒng)工作時,半導(dǎo)體激光發(fā)生器作為光源,以一定的角度將一束高亮度激光投射到傳感器下部的工件表面,攝像機鏡頭前裝有特定波長的光學(xué)濾光片,可以有效地濾去雜散光線,從而使攝像機獲得高清晰的包含焊縫信息的激光線圖像,并傳送給工控機“圖像采集卡”和“激光自動跟蹤軟件”。圖像采集卡將激光視覺傳感器采集的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)工控機對該數(shù)字圖像依據(jù)亮度值進行二值化,得到如圖七所示圖像,激光自動跟蹤軟件針對該圖像進行分析處理,得出焊縫位置偏差信息,然后傳輸給PLC。PLC控制跟蹤滑臺和探頭調(diào)整機構(gòu)的動作。在自動情況下接收來自工控機的偏差信號,將此信息轉(zhuǎn)化為模擬量傳送給電機驅(qū)動器,驅(qū)動電機帶動滑臺移動,使探頭到達正確位置,從而實現(xiàn)焊縫的自動跟蹤。
焊縫自動跟蹤關(guān)鍵技術(shù)是隨時找到實際焊縫位置與理想位置的偏差值。當(dāng)前國外普遍的跟蹤是以求導(dǎo)方式找到激光線拐點,以拐點位置變化為跟蹤偏差。但由于國內(nèi)螺旋焊管生產(chǎn)工藝的不斷提高,焊管焊接質(zhì)量有了很大改進,焊縫余高有所降低,焊縫與母材的過渡也更趨于平緩,焊縫形狀更為合理,因此使用通常找拐點的方法不能好地找到正確的偏差值,造成焊縫跟蹤失效。我們根據(jù)焊縫圖像特征,綜合各種算法的優(yōu)勢摸索出一種新的模糊算法,使跟蹤準確、穩(wěn)定。自動跟蹤系統(tǒng)是通過伺服電機控制跟蹤滑臺來實現(xiàn)左右移動,移動范圍為±125mm,重復(fù)精度可達到0.01mm。
圖六 激光跟蹤系統(tǒng)原理圖
圖七 焊縫自動跟蹤軟件界面
3 改進后的設(shè)備情況
經(jīng)過技術(shù)改進整套系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速,調(diào)節(jié)靈活,維護方便等特點,提高探傷效率。漏報率、誤報率、激光跟蹤焊縫精度等主要指標都有了顯著提高。經(jīng)改進后的探傷系統(tǒng),其技術(shù)指標先進,鋼管探傷速度達到5~8分鐘/每根,管子的檢測速度大幅提高。動態(tài)探傷波形穩(wěn)定,可靠。每根鋼管的探傷波形可記錄存檔并可供離線分析波形。
4 結(jié)語
超聲波探傷系統(tǒng)現(xiàn)已正常使用一年多,經(jīng)過生產(chǎn)檢驗證明,該套超聲波探傷系統(tǒng)跟蹤準確,穩(wěn)定性好,探傷耦合良好,焊縫內(nèi)在缺陷檢出率高,沒有漏報,誤報小于2%。工作穩(wěn)定可靠,探傷結(jié)果真實準確,并且該設(shè)備調(diào)節(jié)容易,大大減輕了工人的勞動強度。該系統(tǒng)的激光跟蹤系統(tǒng)總體水平與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。探頭架和超聲波儀器組合,使缺陷信噪比這一關(guān)鍵指標達到國內(nèi)先進水平。
參考文獻
[1] 北京賽誠工控科技有限責(zé)任公司.超聲波探傷系統(tǒng)說明書[Z].2011.
[2] 王晨,高志凌,張文正,王力陽.螺旋焊管焊縫超聲波探傷系統(tǒng)[J].焊管,2009(2).
[3] 石油工業(yè)標準化研究所.管線鋼管規(guī)范(第45版)[M].北京:石油工業(yè)標準化研究所,2012.
作者簡介:盧宇明(1962- ),男,電氣工程師,從事軋鋼電氣維修工作22年,現(xiàn)從事螺旋焊管設(shè)備電氣維修工作5年主要對螺旋焊管X光機,螺旋焊管焊縫超聲波探傷設(shè)備,林肯焊機維修,維護及設(shè)備管理工作。研究方向:自動控制和焊縫自動跟蹤。
其次,焊縫自動跟蹤系統(tǒng)是超聲波探傷設(shè)備的重要組成部分,跟蹤精度的高低直接影響到超聲波檢測設(shè)備效果。在生產(chǎn)過程中由于原料寬度及焊接參數(shù)的輕微變化,焊管實際焊縫的螺旋線與理想的螺旋線之間會存在差距,焊縫自動跟蹤關(guān)鍵技術(shù)是隨時找到實際焊縫位置與理想位置的偏差值。因此良好的焊管螺旋線跟蹤是螺旋焊管焊縫超聲波探傷的關(guān)鍵。因此跟蹤系統(tǒng)的改進是最重要的。
改進后的跟蹤系統(tǒng)主要由PLC電器控制柜,工控計算機,變頻器,傳感器,跟蹤滑臺,伺服驅(qū)動電機及操作控制等部分組成。傳感器和跟蹤滑臺安裝在探頭支架上。旋轉(zhuǎn)輥變頻器控制三臺旋轉(zhuǎn)電機,行走小車變頻器控制一臺行走電機,旋轉(zhuǎn)電機讓管子旋轉(zhuǎn),行走小車使焊縫架前后運行,構(gòu)成焊縫的粗級跟蹤。加上激光視覺傳感器,伺服電機控制器,伺服電機及滑臺形成焊縫探頭架的精跟蹤。激光跟蹤系統(tǒng)的基本原理如圖六所示。
跟蹤系統(tǒng)工作時,半導(dǎo)體激光發(fā)生器作為光源,以一定的角度將一束高亮度激光投射到傳感器下部的工件表面,攝像機鏡頭前裝有特定波長的光學(xué)濾光片,可以有效地濾去雜散光線,從而使攝像機獲得高清晰的包含焊縫信息的激光線圖像,并傳送給工控機“圖像采集卡”和“激光自動跟蹤軟件”。圖像采集卡將激光視覺傳感器采集的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)工控機對該數(shù)字圖像依據(jù)亮度值進行二值化,得到如圖七所示圖像,激光自動跟蹤軟件針對該圖像進行分析處理,得出焊縫位置偏差信息,然后傳輸給PLC。PLC控制跟蹤滑臺和探頭調(diào)整機構(gòu)的動作。在自動情況下接收來自工控機的偏差信號,將此信息轉(zhuǎn)化為模擬量傳送給電機驅(qū)動器,驅(qū)動電機帶動滑臺移動,使探頭到達正確位置,從而實現(xiàn)焊縫的自動跟蹤。
焊縫自動跟蹤關(guān)鍵技術(shù)是隨時找到實際焊縫位置與理想位置的偏差值。當(dāng)前國外普遍的跟蹤是以求導(dǎo)方式找到激光線拐點,以拐點位置變化為跟蹤偏差。但由于國內(nèi)螺旋焊管生產(chǎn)工藝的不斷提高,焊管焊接質(zhì)量有了很大改進,焊縫余高有所降低,焊縫與母材的過渡也更趨于平緩,焊縫形狀更為合理,因此使用通常找拐點的方法不能好地找到正確的偏差值,造成焊縫跟蹤失效。我們根據(jù)焊縫圖像特征,綜合各種算法的優(yōu)勢摸索出一種新的模糊算法,使跟蹤準確、穩(wěn)定。自動跟蹤系統(tǒng)是通過伺服電機控制跟蹤滑臺來實現(xiàn)左右移動,移動范圍為±125mm,重復(fù)精度可達到0.01mm。
圖六 激光跟蹤系統(tǒng)原理圖
圖七 焊縫自動跟蹤軟件界面
3 改進后的設(shè)備情況
經(jīng)過技術(shù)改進整套系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速,調(diào)節(jié)靈活,維護方便等特點,提高探傷效率。漏報率、誤報率、激光跟蹤焊縫精度等主要指標都有了顯著提高。經(jīng)改進后的探傷系統(tǒng),其技術(shù)指標先進,鋼管探傷速度達到5~8分鐘/每根,管子的檢測速度大幅提高。動態(tài)探傷波形穩(wěn)定,可靠。每根鋼管的探傷波形可記錄存檔并可供離線分析波形。
4 結(jié)語
超聲波探傷系統(tǒng)現(xiàn)已正常使用一年多,經(jīng)過生產(chǎn)檢驗證明,該套超聲波探傷系統(tǒng)跟蹤準確,穩(wěn)定性好,探傷耦合良好,焊縫內(nèi)在缺陷檢出率高,沒有漏報,誤報小于2%。工作穩(wěn)定可靠,探傷結(jié)果真實準確,并且該設(shè)備調(diào)節(jié)容易,大大減輕了工人的勞動強度。該系統(tǒng)的激光跟蹤系統(tǒng)總體水平與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。探頭架和超聲波儀器組合,使缺陷信噪比這一關(guān)鍵指標達到國內(nèi)先進水平。
參考文獻
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[3] 石油工業(yè)標準化研究所.管線鋼管規(guī)范(第45版)[M].北京:石油工業(yè)標準化研究所,2012.
作者簡介:盧宇明(1962- ),男,電氣工程師,從事軋鋼電氣維修工作22年,現(xiàn)從事螺旋焊管設(shè)備電氣維修工作5年主要對螺旋焊管X光機,螺旋焊管焊縫超聲波探傷設(shè)備,林肯焊機維修,維護及設(shè)備管理工作。研究方向:自動控制和焊縫自動跟蹤。
其次,焊縫自動跟蹤系統(tǒng)是超聲波探傷設(shè)備的重要組成部分,跟蹤精度的高低直接影響到超聲波檢測設(shè)備效果。在生產(chǎn)過程中由于原料寬度及焊接參數(shù)的輕微變化,焊管實際焊縫的螺旋線與理想的螺旋線之間會存在差距,焊縫自動跟蹤關(guān)鍵技術(shù)是隨時找到實際焊縫位置與理想位置的偏差值。因此良好的焊管螺旋線跟蹤是螺旋焊管焊縫超聲波探傷的關(guān)鍵。因此跟蹤系統(tǒng)的改進是最重要的。
改進后的跟蹤系統(tǒng)主要由PLC電器控制柜,工控計算機,變頻器,傳感器,跟蹤滑臺,伺服驅(qū)動電機及操作控制等部分組成。傳感器和跟蹤滑臺安裝在探頭支架上。旋轉(zhuǎn)輥變頻器控制三臺旋轉(zhuǎn)電機,行走小車變頻器控制一臺行走電機,旋轉(zhuǎn)電機讓管子旋轉(zhuǎn),行走小車使焊縫架前后運行,構(gòu)成焊縫的粗級跟蹤。加上激光視覺傳感器,伺服電機控制器,伺服電機及滑臺形成焊縫探頭架的精跟蹤。激光跟蹤系統(tǒng)的基本原理如圖六所示。
跟蹤系統(tǒng)工作時,半導(dǎo)體激光發(fā)生器作為光源,以一定的角度將一束高亮度激光投射到傳感器下部的工件表面,攝像機鏡頭前裝有特定波長的光學(xué)濾光片,可以有效地濾去雜散光線,從而使攝像機獲得高清晰的包含焊縫信息的激光線圖像,并傳送給工控機“圖像采集卡”和“激光自動跟蹤軟件”。圖像采集卡將激光視覺傳感器采集的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)工控機對該數(shù)字圖像依據(jù)亮度值進行二值化,得到如圖七所示圖像,激光自動跟蹤軟件針對該圖像進行分析處理,得出焊縫位置偏差信息,然后傳輸給PLC。PLC控制跟蹤滑臺和探頭調(diào)整機構(gòu)的動作。在自動情況下接收來自工控機的偏差信號,將此信息轉(zhuǎn)化為模擬量傳送給電機驅(qū)動器,驅(qū)動電機帶動滑臺移動,使探頭到達正確位置,從而實現(xiàn)焊縫的自動跟蹤。
焊縫自動跟蹤關(guān)鍵技術(shù)是隨時找到實際焊縫位置與理想位置的偏差值。當(dāng)前國外普遍的跟蹤是以求導(dǎo)方式找到激光線拐點,以拐點位置變化為跟蹤偏差。但由于國內(nèi)螺旋焊管生產(chǎn)工藝的不斷提高,焊管焊接質(zhì)量有了很大改進,焊縫余高有所降低,焊縫與母材的過渡也更趨于平緩,焊縫形狀更為合理,因此使用通常找拐點的方法不能好地找到正確的偏差值,造成焊縫跟蹤失效。我們根據(jù)焊縫圖像特征,綜合各種算法的優(yōu)勢摸索出一種新的模糊算法,使跟蹤準確、穩(wěn)定。自動跟蹤系統(tǒng)是通過伺服電機控制跟蹤滑臺來實現(xiàn)左右移動,移動范圍為±125mm,重復(fù)精度可達到0.01mm。
圖六 激光跟蹤系統(tǒng)原理圖
圖七 焊縫自動跟蹤軟件界面
3 改進后的設(shè)備情況
經(jīng)過技術(shù)改進整套系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速,調(diào)節(jié)靈活,維護方便等特點,提高探傷效率。漏報率、誤報率、激光跟蹤焊縫精度等主要指標都有了顯著提高。經(jīng)改進后的探傷系統(tǒng),其技術(shù)指標先進,鋼管探傷速度達到5~8分鐘/每根,管子的檢測速度大幅提高。動態(tài)探傷波形穩(wěn)定,可靠。每根鋼管的探傷波形可記錄存檔并可供離線分析波形。
4 結(jié)語
超聲波探傷系統(tǒng)現(xiàn)已正常使用一年多,經(jīng)過生產(chǎn)檢驗證明,該套超聲波探傷系統(tǒng)跟蹤準確,穩(wěn)定性好,探傷耦合良好,焊縫內(nèi)在缺陷檢出率高,沒有漏報,誤報小于2%。工作穩(wěn)定可靠,探傷結(jié)果真實準確,并且該設(shè)備調(diào)節(jié)容易,大大減輕了工人的勞動強度。該系統(tǒng)的激光跟蹤系統(tǒng)總體水平與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。探頭架和超聲波儀器組合,使缺陷信噪比這一關(guān)鍵指標達到國內(nèi)先進水平。
參考文獻
[1] 北京賽誠工控科技有限責(zé)任公司.超聲波探傷系統(tǒng)說明書[Z].2011.
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作者簡介:盧宇明(1962- ),男,電氣工程師,從事軋鋼電氣維修工作22年,現(xiàn)從事螺旋焊管設(shè)備電氣維修工作5年主要對螺旋焊管X光機,螺旋焊管焊縫超聲波探傷設(shè)備,林肯焊機維修,維護及設(shè)備管理工作。研究方向:自動控制和焊縫自動跟蹤。