多變焊縫自適應路徑追蹤檢測自動化系統(tǒng)

梁龍雙，李曉紅，賀凌昊

(武漢大學動力與機械學院，湖北武漢，430072)

0 引言

超聲檢測法因檢測范圍大、速度快、靈敏度高等優(yōu)點［1］得到廣泛應用。隨著檢測技術不斷發(fā)展，超聲自動化檢測系統(tǒng)已經研發(fā)并應用到平板、管道、輪對的等規(guī)則焊縫的檢測中［2－5］，但還沒有適用于多變焊縫追蹤檢測的自動化系統(tǒng)。

多變焊縫具有焊縫角度及腹板、翼板曲率變化無規(guī)律且參數(shù)未知等特點，作為多變焊縫的典型代表，水輪機轉輪流道狹長、檢測空間小，沿焊縫方向焊縫呈S形扭曲，葉片與上冠、下環(huán)曲率在焊縫方向隨焊縫角度的變化而變化。

實現(xiàn)多變焊縫的自動檢測需要有一套能自動追蹤焊縫特定軌跡運行的自適應檢測自動化系統(tǒng)。因此設計了適用于多變焊縫的13自由度自適應爬行器，開發(fā)了能驅動爬行器追蹤焊縫特定軌跡爬行、實時監(jiān)測反饋調節(jié)爬行器運行狀態(tài)的控制模塊，編寫了能將爬行器監(jiān)測運行參數(shù)、傳感器測量數(shù)據(jù)進行實時顯示、記錄和分析的上位機軟件，對提高多變焊縫自動追蹤檢測具有非常重要的研究意義和實用價值。

1 自動檢測系統(tǒng)總體方案

1.1 總體方案設計

多變焊縫自適應路徑追蹤檢測自動化系統(tǒng)由含USB通訊的控制模塊、上位機軟件和多自由度自適應爬行器組成，如圖1所示。

圖1 檢測自動化系統(tǒng)結構框圖

爬行器自動適應多變焊縫結構參數(shù)的變化，上位機設置爬行器的爬行參數(shù)后，通過USB通訊與控制模塊建立信號連接，控制模塊根據(jù)設置參數(shù)對爬行器進行驅動控制，爬行器攜帶探頭進行受檢焊縫自動掃查，同時爬行器上的角度、速度、距離傳感器將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并反饋到控制模塊和上位機，控制模塊根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進行爬行器運行自動調節(jié)，使爬行器沿焊縫特定軌跡追蹤爬行，同時上位機實時顯示和記錄爬行器運行狀況。實現(xiàn)了多變焊縫自動追蹤檢測。

1.2 性能參數(shù)指標

1.2.1 爬行器自適應參數(shù)指標

以某抽水蓄能電站轉輪為例，圖2所示為其模型圖，葉片最小間距D1為220 mm，上冠與下環(huán)最小間距D2為330 mm，爬行面(上冠或下環(huán)表面)最小曲率直徑為600 mm，受檢面(葉片正壓測或背壓側)最小曲率直徑為1 000 mm，焊縫角度變化范圍為55～125°。

圖2 某電站水輪機轉輪模型圖

自適應爬行器需自動適應轉輪結構參數(shù)變化，整體寬度小于220 mm高度小于330 mm，適應角度在55～125°的變化，適應爬行面曲率直徑600 mm至平面的變化，適應受檢面曲率直徑1 000 mm至平面的變化。

1.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差指標

為保證爬行器運行過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性，需對監(jiān)測數(shù)據(jù)提出指標要求。爬行器爬行速度在1～20 mm/s范圍可調，速度測量誤差±1 mm/s，爬行器啟動后需在5s內經控制模塊進行反饋調節(jié)使實際運行速度調節(jié)到設定速度±1 mm/s范圍內，啟動速度調整好后在后續(xù)檢測中實際爬行速度與設定速度偏差始終在±1 mm/s內;爬行器角度測量誤差在±1°內，為超聲檢測缺陷的定位提供焊縫角度參數(shù)。

1.2.3 系統(tǒng)可靠性指標

現(xiàn)場安全運行放在系統(tǒng)運行可靠性首位，因此首先需保證爬行器在多姿態(tài)運行情況下吸附力及驅動力均滿足要求，2個永磁驅動輪分別滿足≥25 kg吸附力，驅動力≥5 kg，底部后方萬向磁性輪與側面3個萬向磁性輪分別滿足≥3 kg吸附力，爬行器沿焊縫爬行過程中不能出現(xiàn)打滑及磁性輪脫離情況;同時通訊可靠性方面要求系統(tǒng)運行通訊成功率為100%，以保證系統(tǒng)在運行過程中不會出現(xiàn)因通訊失敗而造成安全事故;最后系統(tǒng)需運行平穩(wěn)，以加0度楔塊的超聲相控陣探頭在試驗平臺上運行為例，在板厚不變情況下，波幅波動小于2 dB。

2 自動檢測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)控制設計

控制系統(tǒng)核心MCU采用16位單片機MC9S12XS128MAl，主要功能模塊包括:脈沖寬度調制模塊PWM、A/D轉換模塊、輸入/輸出數(shù)字I/O口、異步串口通訊SCI、周期中斷定時器模塊PIT、內部PLL鎖相環(huán)模塊、內部存儲器等。

如圖3所示，根據(jù)上位機命令參數(shù)，PWM模塊產生驅動信號，發(fā)送給電機驅動芯片，兩個電機驅動芯片分別控制微型水泵和兩個直流減速電機;微型水泵使探頭實現(xiàn)耦合劑自動添加，直流減速電機為系統(tǒng)提供爬行驅動力;爬行過程中編碼器測量行走速度與路程，速度反饋到MCU并與設定速度比較后進行PID調節(jié)，如此構成反饋調節(jié)系統(tǒng)，使爬行器速度能迅速調節(jié)到設定速度，若實際速度與設定速度相差在±0.5 mm/s范圍內則認為滿足速度要求不進行速度調節(jié)，一旦超過此范圍則迅速進行調節(jié);電子尺測量爬行器與焊縫距離，實時監(jiān)測爬行器是否偏離特定軌跡路徑，MCU讀取電子尺反饋數(shù)據(jù)后與設定路徑進行比較，進而根據(jù)偏離情況調節(jié)兩個直流電機進行差速驅動轉向調節(jié)，以此構成一個由焊縫特定軌跡為路徑的自動追蹤閉環(huán)反饋調節(jié)系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)控制模塊結構框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

上位機設置爬行器初始位置參數(shù)與爬行參數(shù)，通過USB通訊傳送給控制模塊，同時控制模塊將接收到傳感器收集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、分析，將測量到的多變焊縫角度變化形成曲線圖，供檢測人員調用參考，將裝置爬行速度、沿焊縫爬行距離、探頭垂直于焊縫距離以及特定軌跡追蹤偏離情況等均顯示在上位機軟件界面上，圖4為上位機軟件流程圖。

圖4 上位機軟件流程圖

如圖5所示為上位機主窗口，最上方有行程設置按鈕，點擊后進入行程設置窗口設置爬行器自動檢測區(qū)段及速度，區(qū)域Ⅰ為爬行器初始位置設置區(qū)域，用于設置爬行器檢測焊縫編號、沿焊縫方向的初始位置以及探頭垂直于焊縫方向的安裝位置，區(qū)域Ⅱ為爬行器當前姿態(tài)與運行情況實時監(jiān)測顯示區(qū)域，將實時顯示掃查器當前行進到哪一區(qū)段、當前爬行速度、行進位移和焊縫角度，區(qū)域Ⅲ為手動操作區(qū)域，檢測人員可手動選擇掃查器前進或后退方向、設置掃查器爬行速度、耦合劑添加速度，區(qū)域Ⅳ為自動掃查區(qū)域，可命令爬行器按照設置好的區(qū)段自動掃查，區(qū)域Ⅴ為消息欄，顯示上位機軟件與控制模塊通訊信息。

2.3 機械裝置設計

爬行器實現(xiàn)對多變焊縫構件自動適應的同時要攜帶探頭進行檢測，其要求在于焊縫結構參數(shù)多變情況下的自適應貼合爬行。爬行器通過13自由度機械結構實現(xiàn)多變焊縫結構的適應:通過合頁式結構適應焊縫角度變化;通過角度可變的兩個永磁驅動輪和底部后方的萬向磁性輪實現(xiàn)爬行面為曲面的適應，萬向磁性輪通過將萬向節(jié)與永磁鐵固定連接，再用3個萬向球將永磁鐵支撐起來形成永磁間隙吸附，萬向磁性輪除了吸附在爬行面上，萬向關節(jié)和萬向球使其角度和運行方向均可靈活改變，達到適應曲面的良好貼合;通過側面3個萬向磁性輪實現(xiàn)受檢面的良好貼合;通過兩驅動電機實現(xiàn)爬行器的爬行驅動和沿著特定軌跡進行差速調節(jié)的功能。

圖5 上位機軟件主窗口

3 實驗測試與驗證分析

3.1 實驗測試

3.1.1 通訊可靠性測試

進行10組通訊可靠性測試，每組進行20次操作，每次操作以快速點擊前進、后退鍵、微型水泵控制鍵、自動掃查控制鍵等發(fā)送控制命令，記錄爬行器是否成功執(zhí)行，前期測試中成功率為71%。通過增設下位機接收信號后進行應答，若上位機接收應答錯誤則繼續(xù)發(fā)送命令的方式來增加通訊可靠性，改進通訊方式后再次進行20組同樣的測試試驗，操作結果為全部執(zhí)行成功，同時在水電站現(xiàn)場應用焊縫檢測過程中未出現(xiàn)通訊失敗現(xiàn)象，驗證了系統(tǒng)通訊可靠性。

3.1.2 特定軌跡自動追蹤反饋調節(jié)測試

系統(tǒng)在試驗平臺以及某水電站現(xiàn)場進行應用，爬行器最快爬行速度為22 mm/s，通過上位機和控制模塊運行速度可在1～20 mm/s調節(jié)。速度調節(jié)方面，檢測人員輸入爬行器運行速度參數(shù)，控制模塊根據(jù)設定速度占最快速度的比例給驅動電機輸出占空比命令，驅動速度一開始即在設定速度附近，再通過編碼器測量速度反饋調節(jié)，速度在1 s內即調整到設定速度±1 mm/s內，且在后續(xù)檢測過程中，測量速度始終保證在設定速度±1 mm/s內，滿足自動調節(jié)要求。

同時驗證了系統(tǒng)能自動追蹤調節(jié)使爬行器沿著焊縫特定軌跡進行自動檢測，并通過人為干預爬行器進行輔助驗證，首先人為干預電子尺使爬行器偏離焊縫特定軌跡≥10 mm，隨后解除人為干預，電子尺監(jiān)測到爬行器偏離了軌跡，實時將監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)反饋到控制模塊并顯示到上位機界面，控制模塊通過控制兩個驅動輪爬行速度進行差速驅動轉向，通過上位機顯示數(shù)據(jù)可以看到爬行器迅速調整了方向回到了特定軌跡上，驅動輪在調節(jié)3s后則回到了預設軌跡上，同時爬行器驅動部分與骨架部分通過軸承與滑軌連接，驅動輪偏離軌跡≤20 mm都不會影響爬行器底板和側板的良好貼合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的特定軌跡自動追蹤反饋調節(jié)。

3.1.3 運行平穩(wěn)性測試

爬行器搭載加0度契塊的超聲相控陣探頭在試驗平臺上進行自動噴淋耦合爬行，試驗平臺受檢側板厚為(2.9±0.1)mm，可認為厚度不變，爬行器爬行過程中相控陣儀器顯示側板多次反射底波波幅浮動范圍小于2dB，波形穩(wěn)定，如圖6所示，驗證了爬行器運行平穩(wěn)性。

圖6 PA儀器超聲波信號

3.2 驗證分析

3.2.1 爬行器對多變焊縫自適應驗證

作為多變焊縫的典型代表，文章總結了水輪機轉輪結構特征，制作了能體現(xiàn)其特征的試驗平臺，試驗平臺使用厚2.9±0.1 mm的45#鋼板焊接而成，焊縫長度1 500 mm，焊縫角度55°～125°，爬行面即腹板最小曲率直徑為600 mm，受檢面即翼板最小曲率直徑為1 000 mm。

爬行器整體寬度200 mm，高度290 mm，滿足空間狹小要求，通過在試驗平臺上不同位置安放及沿焊縫自動爬行，驗證了爬行器的自動適應能力，爬行器可適應焊縫角度變化范圍為43°～170°，爬行面適應曲率直徑≥500 mm，探頭檢測面適應曲率直徑≥700 mm，單個永磁驅動輪吸附力≥30 kg，單個萬向磁性輪吸附力≥5 kg，爬行器最大驅動力≥7 kg，滿足試驗平臺和水輪機現(xiàn)場檢測吸附力、結構參數(shù)變化需求，達到了爬行器在多變焊縫上安全運行和自適應效果。

3.2.2 焊縫角度自動測量驗證

以某水電站現(xiàn)場應用中爬行器在受檢水輪機2#葉片背壓側由出水端沿焊縫向入水端爬行檢測為例，上位機與控制模塊建立好通訊后，在上位機上設置爬行器初始位置參數(shù)，并按照分區(qū)段檢測要求設置檢測運行命令參數(shù)，檢測開始后傳感器實時記錄了爬行器沿焊縫爬行距離、爬行速度、焊縫角度，圖7所示為焊縫角度在焊縫方向的變化曲線，表1為沿焊縫方向檢測人員手工測量實測值，自動測量值與實測值相差范圍在±1°范圍內，滿足前文所述測量指標要求。

圖7 自動測量角度沿焊縫變化曲線

表1 檢測人員沿焊縫方向角度實測值

4 結束語

設計的多變焊縫自適應爬行器，采用13自由度機械結構，實驗驗證了爬行器能自行適應多變焊縫角度、腹板翼板曲率等參數(shù)多變結構的良好貼合爬行。

系統(tǒng)通過能實時監(jiān)測、反饋調節(jié)的控制模塊實現(xiàn)了自適應爬行器以焊縫為路徑進行追蹤爬行檢測，并能在外界干擾并偏離爬行路徑情況下迅速自動調節(jié)糾正到預設軌跡上。

通過對自適應路徑追蹤檢測自動化系統(tǒng)可靠性測試，驗證了系統(tǒng)通訊可靠性、測量參數(shù)準確性及系統(tǒng)運行平穩(wěn)性。

［1］宮佳鵬，許霽，邱玉，等.基于電磁超聲導波的鋁合金板材缺陷自動檢測裝置.儀表技術與傳感器，2011(5):78－81.

［2］劉志遠，裴潤，王玲，等.一種焊縫缺陷自動超聲檢測系統(tǒng).焊接學報，2002，23(3):71 －74.

［3］唐銳，張敬東，張祺，等.小徑厚壁鋼管超聲探傷系統(tǒng)設計研究.機械設計與制造，2013(8):226－229.

［4］張甬成.車輛輪對動態(tài)檢測裝置——LY系列輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)的研究:［學位論文］.成都:西南交通大學，2011.

［5］WU R M.Portable Ultrasonic Testing System for Pressure Vessel Weld.International conference on intelligent information technology application 4th，Qinhuangdao，2010.