隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀座的自動化無損檢測裝置

張凌，張愛武，馬文超，于永生，何玉強(qiáng)，孔祥權(quán)

(1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011；2.吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點實驗室，吉林 吉林市132011；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州511458)

0 前言

吉林省維爾特隧道裝備有限公司生產(chǎn)的19吋滾刀刀座，外刀座材質(zhì)為Q345D，內(nèi)刀座材質(zhì)為42CrMo，屬于異種鋼焊接范疇。焊縫質(zhì)量直接影響刀座使用的安全性，因此必須進(jìn)行100%超聲波探傷。傳統(tǒng)的刀座焊縫探傷采用接觸法手工超聲檢測，其檢測過程受人為因素影響較大，探測時間長、效率低。單片刀座兩條焊縫采用單探頭雙面探測大約需要4 小時，而且經(jīng)常無法準(zhǔn)確控制探頭移動速度，工藝要求探頭與工件接觸時，在探頭上應(yīng)施加20～30 N的壓力,手工操作因人而異，施加力的大小往往取決于個人的習(xí)慣，無法保證探測過程中施力大小一致，探測面不能保證達(dá)到100%，極易出現(xiàn)漏檢的情況，而且刀座本身重量達(dá)幾百斤，雙面檢測需要人工用吊車翻面，存在嚴(yán)重的不安全因素。

1 檢測裝置結(jié)構(gòu)及示意圖

為克服上述種種問題，經(jīng)過公司科研人員的共同努力，研制出一種掘進(jìn)機(jī)刀座數(shù)控?zé)o損檢測裝置，該裝置將刀座安裝在數(shù)控加工中心工作臺上，超聲波探傷儀探頭裝夾在夾具上，探頭安裝在一個萬向測桿上。工作時探頭不動，通過加工中心在X軸和Z軸方向的往復(fù)運(yùn)動，保持探頭相對于入射面的角度和距離不變，實現(xiàn)刀座的自動化數(shù)控?zé)o損探傷檢測。該裝置詳見圖1。

圖1 檢測裝置示意圖

2 檢測裝置的操作原理

2.1 實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)加工與自動超聲波探傷的一體化

掘進(jìn)機(jī)滾刀刀座的數(shù)控自動化超聲波探傷裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)刀座的數(shù)控編程銑加工與數(shù)控自動化超聲波探傷檢測連續(xù)完成。整個加工-檢測過程只需要在數(shù)控編程插補(bǔ)銑之前進(jìn)行一次對刀找正操作，即可確保加工-檢測的基準(zhǔn)零點和定位坐標(biāo)系統(tǒng)一； 在數(shù)控插補(bǔ)銑加工完成后，只需要人工操作將銑刀更換為“超聲波檢測探頭總成”，同時更換檢測專用的數(shù)控程序，即可快速完成對零，將設(shè)備從“機(jī)加工模式”切換至“自動探傷模式”。

超聲波探傷前，在同一臺加工中心上，使用特定規(guī)格的銑刀與定制的專用數(shù)控程序，對待探傷焊縫及毗連母材區(qū)域進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)銑，得到滿足圖紙尺寸和自動化超聲波探傷要求的、平整而光滑的表面，為下一步實施自動化超聲波檢驗時保證探頭接觸壓力持續(xù)平穩(wěn)和界面良好耦合提供必要的條件。該工序本身為刀箱焊后加工及檢測作業(yè)的一個固有環(huán)節(jié)，將該工序與隨后的超聲波無損檢驗結(jié)合起來連續(xù)實施，能夠顯著減少中間過程流轉(zhuǎn)等待時間。

“超聲波檢測探頭總成” 是由一個固定于機(jī)床裝刀主軸上的夾具基座、一支萬向測桿、一枚連接數(shù)據(jù)線的超聲波探傷儀探頭組成。一套探頭總成能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波檢測探頭的工作端面平行于待檢測面，保證在主軸上固定夾持的穩(wěn)定性和不超過0.5mm的空間綜合定位精度（調(diào)整并通過夾具基座鎖定后），且探頭工作端面的中心點與上一步完成插補(bǔ)銑加工所用對應(yīng)銑刀中心點之間的空間相對位置關(guān)系為恒定值，通過測試對刀、標(biāo)定出這一相對穩(wěn)定的空間位置關(guān)系（X/Y/Z坐標(biāo)差值），即可保證在數(shù)控插補(bǔ)銑加工完成、人工操作將銑刀更換為“超聲波檢測探頭總成”后，通過程序內(nèi)置的上述補(bǔ)償坐標(biāo)差值，即可快速完成超聲波檢測探頭端部的粗對零，減少檢測程序設(shè)定零點的操作時間，提高了連續(xù)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化程度和效率。

先開啟超聲波探傷儀電源，設(shè)定初始參數(shù)、校準(zhǔn)儀器、聲速、前沿長度和K 值參數(shù)，從儀器內(nèi)存中調(diào)取預(yù)設(shè)定好的探傷工藝數(shù)據(jù)，然后在執(zhí)行檢測專用數(shù)控程序開始空間插補(bǔ)路徑檢測之前，先手動對探頭位置進(jìn)行精對零校準(zhǔn)，隨后即可開始執(zhí)行檢測程序，按程序設(shè)定的路徑自動進(jìn)行連續(xù)探傷檢測。

2.2 超聲波檢驗探頭上集成有接觸壓力傳感器，直接顯示壓力數(shù)值

超聲波檢驗探頭上集成有接觸壓力傳感器，該傳感器采用市面上常見的、基于壓敏電阻和信號電路原理的精密級數(shù)字壓力傳感器，能夠在超聲波檢測探頭開始與檢驗表面接觸時即自動檢測界面接觸壓力并直接顯示壓力值。

按探頭與檢驗面的一般接觸耦合要求，壓力值在20～30 N范圍是較為理想的狀態(tài)。在實際調(diào)節(jié)時，壓力值僅作為一個輔助快速調(diào)節(jié)的參考變量，精對零狀態(tài)的最終判斷依據(jù)為超聲波探傷儀的回波顯示效果，由無損檢驗專業(yè)人員校準(zhǔn)。

2.3 創(chuàng)造了適用于自動化連續(xù)操作的“標(biāo)準(zhǔn)固定程序全面通掃+調(diào)用子程序局部精掃”結(jié)合的高效率工作模式

通過與相關(guān)方合作，運(yùn)用商業(yè)化的成熟技術(shù)，對全數(shù)字式超聲波探傷儀進(jìn)行二次開發(fā)，將探傷儀檢測到的波形信號以數(shù)據(jù)形式經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議及串口方式調(diào)制輸出至PC終端，原始連續(xù)波形信號經(jīng)數(shù)字濾波及合并算法等處理，形成與探頭檢測位置坐標(biāo)映射對應(yīng)的完整連續(xù)波形，做一次全面掃描（以下稱“通掃”）即可獲知目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部各種缺陷所在的最大缺陷波位置及深度，最大缺陷波信號顯示的位置信息在工件坐標(biāo)系中以三維坐標(biāo)形式顯示。“通掃”過程目的是快速識別缺陷的大致所在位置，但難以確定缺陷的準(zhǔn)確信息。對缺陷的精確定位和性質(zhì)判別，則在下一步依靠專門設(shè)置的子程序“精掃”環(huán)節(jié)完成。通過“通掃+精掃”的結(jié)合，使超聲波探傷過程標(biāo)準(zhǔn)化、程序化，提高了效率和準(zhǔn)確性、降低人為失誤概率。

3 檢測裝置的操作步驟（參閱圖1）

（1）開啟立式加工中心1，在主軸12上安裝銑刀，對刀座8進(jìn)行坐標(biāo)系對零，完成對零的坐標(biāo)系即為加工-檢測統(tǒng)一的坐標(biāo)系基準(zhǔn)；調(diào)用加工中心存儲中的數(shù)控銑削加工焊縫13 專用數(shù)控程序，對刀座8進(jìn)行焊縫區(qū)域13的數(shù)控銑加工（屬于常規(guī)機(jī)加工）。

（2）加工完畢，將銑刀從機(jī)床主軸12上拆下，然后將超聲波檢測探頭總成9與萬向測桿3、夾具基座10組裝為一體，再通過夾具基座10固定到機(jī)床主軸12上；通過預(yù)先標(biāo)定刻線等方式，確保每次安裝超聲波檢測探頭總成9+萬向測桿3+夾具基座10之后，探頭端面中心點的空間定位精度和重復(fù)定位誤差不超過0.5 mm。

（3）通過加工中心顯示屏11，將程序坐標(biāo)系零點從加工程序零點切換為檢測程序的零點；啟動立式加工中心1，將超聲波檢測探頭9移動到零點，觀察其位置是否準(zhǔn)確。如有偏差，人工介入檢查校正。

（4）開啟超聲波探傷儀4電源，設(shè)置儀器初始參數(shù)、聲速及前沿長度、K值等參數(shù)，然后進(jìn)行對零：調(diào)取加工中心系統(tǒng)內(nèi)預(yù)存儲好的“通掃”數(shù)控程序，以手輪控制步進(jìn)方式試運(yùn)行，觀察在“通掃”程序控制下，超聲波檢測探頭總成9與目標(biāo)焊縫13的表面相接觸的接觸壓力是否滿足20～30 N的理想范圍，同時操作人員注意超聲波探傷儀4顯示的底波波形，判斷接觸耦合情況是否滿足要求。在對零步驟中，根據(jù)需要對焊縫13表面涂刷耦合劑（機(jī)油等）。

（5）確認(rèn)對零狀況滿足探傷要求后，開始實施對目標(biāo)焊縫13區(qū)域的“通掃”程序。在“通掃”過程中，探頭9掃查獲取的信號，通過與超聲波探傷儀4聯(lián)接的通用串口輸入PC終端，經(jīng)過調(diào)制處理形成連續(xù)的波形曲線，該波形曲線與探頭9掃查的路徑各點坐標(biāo)形成一對一的映射記錄關(guān)系，通過二次開發(fā)的軟件處理，得到“通掃”波形曲線報告。在該報告中，能夠初步判斷出存在缺陷的疑似嫌疑點坐標(biāo)，但由于“通掃”程序驅(qū)動掃查動作的特點，缺陷所在坐標(biāo)的定位精度和深度信息判定并不準(zhǔn)確，只能實現(xiàn)較粗略的位置示蹤標(biāo)定，但這已經(jīng)達(dá)到了自動化實施“通掃”的既定目標(biāo)。檢驗人員對“通掃”報告進(jìn)行判讀，篩選出所有波形信號幅度超出標(biāo)定閾值的坐標(biāo)，其數(shù)量記為N個，這N個坐標(biāo)將作為下一步執(zhí)行自動化“精掃”前的程序裝訂依據(jù)。

（6）根據(jù)“通掃”波形曲線報告篩選出的N個存在缺陷的嫌疑點的坐標(biāo)值，操作人員調(diào)取出加工中心1系統(tǒng)存儲中預(yù)存的“精掃”主程序，在線修改該主程序，將N個上述坐標(biāo)依次裝訂到主程序語句里對應(yīng)位置中，并保存修改。完整的“精掃”程序由一段主程序和反復(fù)多次調(diào)用的子程序組成，二者均要預(yù)存于加工中心系統(tǒng)存儲器里，“精掃”子程序為固定格式內(nèi)容，與每次變化的缺陷嫌疑點坐標(biāo)完全無關(guān)，因此子程序不需要修改。對于每個被檢焊縫，只需對“精掃”主程序在線裝訂好與之相應(yīng)的N個缺陷嫌疑點坐標(biāo)，就能夠?qū)崿F(xiàn)“精掃”子程序在N個缺陷嫌疑點位置周圍的精確定點細(xì)致掃查，從而使原本需要人工進(jìn)行的超聲波探傷精細(xì)掃查缺陷動作得到了最大程度的自動化改進(jìn)。

（7）開始執(zhí)行“精掃”程序，當(dāng)主程序語句執(zhí)行至含有某個缺陷嫌疑點坐標(biāo)的語句行，子程序就被該對應(yīng)語句調(diào)用、激活，開始按子程序所定義的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)語句進(jìn)行該嫌疑點周圍區(qū)域的往復(fù)細(xì)致掃查動作，同時超聲波探傷儀4記錄下對應(yīng)的詳細(xì)波形信號。由于掃查速度慢、動作精細(xì)，該信號相比“通掃”的波形信號更為精確，能夠準(zhǔn)確判斷疑似缺陷的真實位置信息和深度信息。在完成該焊縫所有N個缺陷嫌疑點坐標(biāo)的局部“精掃”動作后，“精掃”主程序結(jié)束，與探傷儀4聯(lián)接的PC 端自動生成報告。

（8）以同樣的方式，完成被檢刀座8 全部焊縫的自動化“通掃”與“精掃”程序，從而完成一個刀座的所有焊縫的完整探傷。

4 結(jié)語

該方法采用自動化檢測裝置，節(jié)約了人力成本，避免了因人工翻轉(zhuǎn)帶來的不安全因素，檢測時間由原來的4 小時，降低為0.5 小時，檢測效率達(dá)原來的8 倍以上，檢測面積覆蓋率100%，且采用壓力傳感器保證了探測過程中施力大小一致，提高了檢測方法的準(zhǔn)確性和自動化程度，對于缺陷的檢出起到了至關(guān)重要的作用。