圓柱（管）狀工件水浸式超聲A掃系統(tǒng)

劉 濤，李芷晴，王粵桐，吳鈺成，蔡景光，張國(guó)才

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519088）

1.引言

管材、棒材、軸類等圓柱體類工件被廣泛應(yīng)用于化工、軍工、冶金、航空航天等領(lǐng)域。鋼管結(jié)構(gòu)憑借自身優(yōu)越結(jié)構(gòu)性能被廣泛應(yīng)用于民用建筑 (如住宅、學(xué)校、商店等)及航空航天領(lǐng)域[1]。在管材的制造過(guò)程中，由于原材料中存在雜質(zhì)，成型后的管材表面與內(nèi)部通常存在缺陷。常出現(xiàn)在無(wú)縫鋼管中的缺陷有裂紋、夾層、折疊等；焊接管中常見(jiàn)如夾渣、裂紋、氣孔、未焊透等缺陷[2]。大部分棒材是由軋制形成的，在此工藝下棒材可能存在內(nèi)部和表面缺陷。內(nèi)部缺陷主要是在中心部位的縮孔、夾雜物和裂紋等[3]。由于管棒軸類件應(yīng)用廣泛，工件的失效將會(huì)造成巨大破壞和驚人的損失[4]。因此，研究圓柱類工件的質(zhì)量控制相關(guān)技術(shù)不僅對(duì)其本身性能指標(biāo)而且對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)有重大意義。然而超聲檢測(cè)在圓柱狀工件的檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛，對(duì)工件內(nèi)部常見(jiàn)缺陷具有較高靈敏度[5]。然而，目前行業(yè)內(nèi)所面臨的問(wèn)題在于自動(dòng)化程度低，缺乏高級(jí)檢測(cè)人才。這極大地阻礙了檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展[6][7]。自動(dòng)化超聲檢測(cè)成為近年的研究熱點(diǎn)。超聲檢測(cè)方法多種多樣，其中水浸超聲檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，因此研究聚焦于使用水浸超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)圓柱狀工件進(jìn)行檢測(cè)的工藝。水浸超聲檢測(cè)技術(shù)是指將水作為超聲耦合劑，將探頭和被檢工件用水完全或部分浸沒(méi)進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)[8]。水浸超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單、信號(hào)的發(fā)射和接收穩(wěn)定、盲區(qū)小[9][10]。綜上所述，研究主要內(nèi)容為設(shè)計(jì)針對(duì)圓柱（管）狀工件的水浸超聲A型掃查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)掃查和缺陷識(shí)別以提高檢測(cè)效率，在工業(yè)檢測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成

圓柱（管）狀工件水浸式超聲A掃系統(tǒng)組成如圖1所示。LABVIEW數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)將工控機(jī)接口獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。工控機(jī)為該系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)對(duì)各子系統(tǒng)的信息傳遞及控制等功能。超聲數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)由超聲信號(hào)采集卡與探頭組成，可精準(zhǔn)調(diào)制及接收超聲信號(hào)。三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)為探頭在空間運(yùn)動(dòng)提供精準(zhǔn)控制。直流雙輥軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)使圓柱（管）狀工件進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成部分由直流雙輥軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)、超聲數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)組成，由工控機(jī)作為媒介進(jìn)行信息交換與控制。工控機(jī)與各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作如圖2所示，由工控機(jī)調(diào)制信號(hào)激勵(lì)超聲探頭發(fā)出信號(hào)，采集卡將信號(hào)進(jìn)行收集并進(jìn)行模電轉(zhuǎn)換傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)探頭和被檢工件進(jìn)行控制。

圖2 工控機(jī)與各系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖

3.1 直流雙輥軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

直流雙輥軸系統(tǒng)由一個(gè)主動(dòng)輥軸和一個(gè)被動(dòng)輥軸組成。其中主動(dòng)輥軸外置直流電機(jī)和減速器，直流電機(jī)可在PWM脈沖控制下勻速旋轉(zhuǎn)，減速器將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低并提供足夠的扭矩以應(yīng)對(duì)各種質(zhì)量的工件。被動(dòng)輥軸僅提供分散壓力及穩(wěn)定工件的作用。系統(tǒng)采用了直徑60 mm、質(zhì)量、材質(zhì)、表面粗糙度相近的兩輥軸，適中的直徑可以避免在工件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生位移，200 mm的長(zhǎng)度可以保證滾筒適應(yīng)不同的工件厚度。為了保證超聲束能夠?qū)ぜM(jìn)行百分百的掃查，探頭沿Y軸平動(dòng)半個(gè)探頭距離時(shí)，輥軸應(yīng)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)一周，即主動(dòng)輥軸轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足以下式

式中v轉(zhuǎn)為主動(dòng)輥軸轉(zhuǎn)速（mm/s），r為工件半徑（mm），v平為探頭沿Y軸平動(dòng)速度(mm/s)，D為探頭直徑。

圖3 直流雙輥軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)硬件部分

三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)硬件部分由四條絲桿滑臺(tái)按照龍門架方式搭接而成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖3所示。系統(tǒng)的各軸規(guī)格為X、Y、Z 三軸設(shè)計(jì)的有效行程分別為 500 mm、400 mm、200 mm，精度可達(dá)0.01 mm，重復(fù)定位精度為0.05～0.08 mm，水平負(fù)載量為 56 kg，垂直負(fù)載量為 15 kg。

圖4 三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)各軸選用步進(jìn)電機(jī)型號(hào)均為57BYGH56兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，靜力矩1.26(N.m）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為300(g.cm2)電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 57BYGH56兩相混合式步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表

3.3 超聲數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)

超聲波的發(fā)射主要依靠水浸超聲探頭在特定矩形波電壓作用下發(fā)生逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，探頭類型及尺寸取決于被檢工件的形狀，尺寸、材質(zhì)等信息。

超聲波的接收主要依靠超聲數(shù)據(jù)采集卡，采集卡可高速采集超聲信號(hào)、設(shè)置接收帶寬、檢波方式、幀壓縮方式等參數(shù)。

系統(tǒng)對(duì)超聲數(shù)據(jù)采集卡有以下要求：

在工控機(jī)信號(hào)觸發(fā)下能對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行高速采集，并且將信號(hào)按時(shí)間順序進(jìn)行編號(hào)。

根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣率應(yīng)高于采樣信號(hào)帶寬至少兩倍，系統(tǒng)所用采集卡采樣頻率高達(dá)100MHz可滿足正常采樣需求。

采樣與工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用直接存取的方式，以保證成像的實(shí)時(shí)性[11]。

頻帶范圍較寬以適應(yīng)不同探頭，且可在常用超聲頻段進(jìn)行窄頻帶收集以避免電噪聲。

系統(tǒng)采用的超聲數(shù)據(jù)采集卡頻帶寬度為0.5MHz-15MHz，具有2.5MHz和5MHz兩個(gè)窄頻帶可適配常用超聲探頭。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分使用LABVIEW進(jìn)行編程，系統(tǒng)主要由三部分組成，超聲數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置模塊（卡設(shè)置）、三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)軟件部分（軸調(diào)整）、掃查結(jié)果分析模塊（結(jié)果分析）。軟件程序設(shè)計(jì)如圖5所示，卡設(shè)置模塊基本實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)字超聲探傷儀的參數(shù)設(shè)置功能，可以任意修改超聲數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)參數(shù)如檢波方式、頻帶寬、范圍、零點(diǎn)、增益、閘門等。軸調(diào)整模塊可任意選擇某一軸進(jìn)行調(diào)整，可根據(jù)掃查要求調(diào)整各軸移動(dòng)速度、移動(dòng)距離、移動(dòng)方向等。結(jié)果分析模塊包含步數(shù)幅值波形圖、XY實(shí)際坐標(biāo)（游標(biāo)）、保存文件等功能，可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析及保存。

圖5 LABVIEW程序設(shè)計(jì)示意圖

4.1 超聲數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置模塊

模塊由卡號(hào)、通道、閘門三部分組成，其中卡號(hào)部分包括設(shè)置所選的超聲數(shù)據(jù)采集卡的卡號(hào)，發(fā)射電壓、重復(fù)頻率等用于調(diào)制所需要激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)。通道部分用于接收回波信號(hào)的設(shè)置，包括幀壓縮比、檢波方式、阻尼、方波寬度、零點(diǎn)、位移、增益等參數(shù)。閘門部分可設(shè)置門位，門寬，門高、報(bào)警方式等。

4.2 三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)軟件部分

模塊構(gòu)成如圖7所示，將移動(dòng)指令拆分為多個(gè)參數(shù)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出至驅(qū)動(dòng)器端口，控制驅(qū)動(dòng)器的軸使能、方向使能端口實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制從而控制探頭的運(yùn)動(dòng)。

圖6 軸調(diào)整模塊設(shè)計(jì)圖

其中移動(dòng)距離與脈沖數(shù)的轉(zhuǎn)換遵循以下公式

其中m為脈沖數(shù)，n為驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)，s為移動(dòng)距離（mm），c為步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角（°），z為絲桿螺距（mm）。脈寬與脈沖數(shù)需遵循以下公式

其中t為脈寬（s），s為移動(dòng)距離（mm），m為脈沖數(shù)，v為移動(dòng)速度（mm/s）。

4.3 掃查結(jié)果分析模塊

模塊作用在于將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將幅值和時(shí)間數(shù)據(jù)組合成矩陣以XY圖的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。

5.試塊驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，需模擬真實(shí)檢測(cè)環(huán)境并使用帶有人工缺陷的試塊進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

5.1 試塊參數(shù)及環(huán)境設(shè)置

試驗(yàn)采用兩個(gè)試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試塊1規(guī)格為直徑80±0.5mm高度60±0.5mm在圓心位置帶有貫穿整個(gè)工件的條形裂紋缺陷的鋼制的圓柱狀試塊，試塊2為直徑115±0.5mm高度50±0.5mm在圓心位置帶有貫穿整個(gè)工件的條形裂紋缺陷的鋁制的圓柱狀試塊。環(huán)境溫度為28±0.5℃，水中溫度為26±0.5℃，測(cè)得水中聲速為1422±50m/s，鋼中聲速為5769±50m/s。

5.2 探頭選擇

為改善水中聲束的指向性，提高檢測(cè)靈敏度和分辨力，且根據(jù)工件的參數(shù)和表面曲率，試驗(yàn)采用了2.5P20F80（頻率2.5MHz，晶片直徑20 mm，焦距80 mm水平線性偏差0.9±0.05%，垂直線性偏差4.8±0.05%）的線聚焦探頭。試驗(yàn)采用徑向縱波反射法進(jìn)行檢測(cè)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于工件內(nèi)聲能較大、波形穩(wěn)定、靈敏度高對(duì)工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)十分有效。

5.3 靈敏度設(shè)置

多次重復(fù)測(cè)量深度為40 mm的Φ2 mm平底孔回波波高，取波高數(shù)平均作為儀器閘門高度。

5.4 水距調(diào)整

為保證界面回波與工件一次波不重疊，在超聲波在水中傳播所用時(shí)間應(yīng)大于超聲波沿工件直徑往返一次所用的時(shí)間。掃查水距取決于介質(zhì)（水）和工件（鋼）聲速，且遵循以下公式

式中C水為s水中聲速，C鋼為鋼中聲速，d為工件直徑。且水距需滿足下式

試驗(yàn)中水中聲速取1422m/s，鋼中聲速取5769m/s，工件直徑取80 mm，計(jì)算得水距h≥20mm。

5.5 結(jié)果及分析

沿Y軸負(fù)方向進(jìn)行掃查結(jié)果如圖7、8所示，步進(jìn)距離為0.003 mm。

圖7 試塊1幅值-步數(shù)結(jié)果圖

圖8 試塊2幅值-步數(shù)結(jié)果圖

由于掃查沿螺旋線進(jìn)行，缺陷回波最高時(shí)為聲束與缺陷垂直，回波最低點(diǎn)為缺陷與聲束平行。即缺陷長(zhǎng)度遵循下式。

式中D為缺陷長(zhǎng)度，S為對(duì)應(yīng)位置的步數(shù)，t為步進(jìn)距離。

由圖可知波峰、波谷對(duì)應(yīng)步數(shù)值，代入式6計(jì)算得試塊1中缺陷長(zhǎng)度為15±0.5mm，占試塊1總長(zhǎng)度的25±0.8%。缺陷距工件頂面7.5±0.6mm。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際尺寸、位置相當(dāng)。試塊2中缺陷長(zhǎng)度為30±0.5mm，占試塊2總長(zhǎng)度的60±1%。缺陷距工件頂面7.5±0.6mm。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際尺寸、位置相當(dāng)，誤差屬于可接受范圍內(nèi)，因此該系統(tǒng)的精度，準(zhǔn)確性符合設(shè)計(jì)要求。

6.結(jié)語(yǔ)

圓柱（管）狀工件水浸式超聲A掃系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)合直流雙輥軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和三軸步進(jìn)定位系統(tǒng)可使圓柱（管）狀工件進(jìn)行螺旋線運(yùn)動(dòng)，配合探頭沿被檢工件中軸線掃查可檢測(cè)圓截面或縱截面。該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)水浸超聲對(duì)圓柱（管）類工件的自動(dòng)化檢測(cè)，克服了人工檢測(cè)的不穩(wěn)定、效率低的問(wèn)題。試件驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)方案的可行性，該系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、質(zhì)量檢測(cè)中具有極高應(yīng)用價(jià)值。