電磁超聲掃描裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

孫家全

摘要：就本文所講電磁超聲技術(shù)而言，不需要耦合介質(zhì)和對(duì)試件進(jìn)行預(yù)處理即可實(shí)現(xiàn)在高溫、高速、表面粗糙等一些相對(duì)比較惡劣的環(huán)境下進(jìn)行試件非接觸性檢測作業(yè)，本文通過對(duì)電磁超聲掃描裝置進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，促使探頭能夠?qū)崿F(xiàn)在X、Y兩個(gè)方向進(jìn)行步進(jìn)掃描作業(yè)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭高度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，以此達(dá)成對(duì)探頭掃描軌跡進(jìn)行控制的目標(biāo)。就此本文針對(duì)電磁超聲掃描裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探討，旨在以此為相關(guān)人士提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：電磁超聲 掃描裝置 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TB553

前言

電磁超聲技術(shù)是通過對(duì)超聲波在缺陷部分的反射、投射以及散射存在的缺陷問題進(jìn)行無損探傷檢測作業(yè)。而本文所講的電磁超聲掃描裝置的設(shè)計(jì)研究就是基于此基礎(chǔ)上提出來的，通過掃描裝置對(duì)超聲信號(hào)的有效值進(jìn)行驗(yàn)證分析，同時(shí)通過掃描裝置還可進(jìn)行板材在線檢測裝置的研制，以此推動(dòng)鋁板自動(dòng)化檢測，這對(duì)我國鋁合板材的檢測水平提升有積極性研究意義。

一 電磁超聲掃描裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)于掃描裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要采用十字交叉重疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，其具有緊湊性強(qiáng)、空間占用面積小的優(yōu)勢。本文所講的裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常簡短，一方面能夠有效減短加工所用的時(shí)間和成本支出，基于保證定位精度的基礎(chǔ)上確保整個(gè)裝置的檢測范圍能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)工件的覆蓋效果。從整體上來看下圖一的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，其中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為探頭在進(jìn)行平面運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力源，其中一個(gè)步進(jìn)電機(jī)借助絲杠，將原本的電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樘筋^在X方向進(jìn)行直線運(yùn)行;而另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)處于X方向的絲杠，使其順延Y方向向上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，通過以上兩個(gè)電機(jī)對(duì)探頭在X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)行進(jìn)行相應(yīng)控制，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭平面控制。下圖一為電磁超聲掃描裝置圖：

圖一：電磁超聲掃描裝置圖

對(duì)于掃描裝置的探頭與工件兩者之間的距離調(diào)整可采取手動(dòng)方式來對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，在進(jìn)行檢測時(shí)，通常情況下會(huì)要求探頭與試件兩者保持相應(yīng)間隙距離，也就是提高距離，若提高距離發(fā)生變化情況下，就會(huì)對(duì)回波信號(hào)接收成效帶來相應(yīng)影響，而本文所講的電磁超聲掃描拍裝置就是基于控制探頭定位，對(duì)其掃描軌跡進(jìn)行相應(yīng)控制，并對(duì)提高距離的改變可能對(duì)缺陷檢測產(chǎn)生的影響進(jìn)行檢測。

二 電磁超聲掃描裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1硬件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其中核心部件為單片機(jī)，通過鍵盤來對(duì)運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以此對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用狀態(tài)起到控制作用，其中數(shù)碼管和LED的主要作用在于顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行期間的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向。

2軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)剛上電時(shí)應(yīng)處于初始化狀態(tài)，也就是Flog默認(rèn)為0，然后按啟動(dòng)鍵，這時(shí)候步進(jìn)電機(jī)即可進(jìn)行勻速掃描（可根據(jù)使用需求對(duì)探討的掃描速度和方向進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)[1]）。若標(biāo)志位Flog處于1的位置時(shí)，電機(jī)工作狀態(tài)處于定位模式，然后根據(jù)需求設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行步數(shù)，設(shè)置好之后即可按啟動(dòng)鍵，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)根據(jù)設(shè)定要求下運(yùn)行，電機(jī)完成設(shè)定的步數(shù)后就會(huì)停止運(yùn)行，即探頭定位完成。

關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的速度控制，在進(jìn)行探頭掃描時(shí)，獲取到探討掃描速度以及是否處于勻速運(yùn)行狀態(tài)具有一定的重要性，這主要在于勻速掃描能夠?qū)?biāo)識(shí)缺陷尺寸以及完成閾值進(jìn)行報(bào)警，以此來達(dá)成電磁超聲的自動(dòng)化檢測目的，以此減少探傷所用時(shí)間，進(jìn)一步強(qiáng)化其在運(yùn)行效率，對(duì)掃描裝置能夠在最快時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確進(jìn)行鋁合金工件跟蹤掃查、實(shí)時(shí)對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄有積極性應(yīng)用意義。

關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的定位控制，在進(jìn)行鋁板存在缺陷部位、表面波聲軸線上部外振幅分布以及表面波擴(kuò)展角部分進(jìn)行檢測過程中，需要借助探頭的作用開展定位作業(yè)，所謂定位，從本質(zhì)上來來講，就是運(yùn)用探頭在起始位置直至目標(biāo)位置兩者之間的直線距離，將這部分距離換算為步數(shù)，以此來實(shí)現(xiàn)探頭定位[2]。

在進(jìn)行實(shí)際步進(jìn)電機(jī)定位控制過程中，為實(shí)現(xiàn)在最快時(shí)間內(nèi)進(jìn)行探頭定位，通常情況下采用加速-勻速-減速這一定位過程進(jìn)行相應(yīng)的定位左營，對(duì)于加速和減速兩個(gè)階段的時(shí)間要求應(yīng)盡可能的短，對(duì)于中間勻速部分應(yīng)采取盡可能長的時(shí)間運(yùn)行，這樣做的目的在于降低在定位過程中存在的誤差問題，同時(shí)也要盡可能的防止出現(xiàn)失步和過沖情況。當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的階梯升速法能夠很好的滿足上述要求，因此本文運(yùn)用該種方式對(duì)探頭定位控制進(jìn)行研究。

電機(jī)在起動(dòng)階段以800Hz的頻率運(yùn)行，然后進(jìn)行勻加速運(yùn)行，在加速過程中平均每個(gè)脈沖頻率會(huì)向下走5步，當(dāng)頻率運(yùn)行參數(shù)達(dá)2200Hz情況下，步進(jìn)電機(jī)即可開始以勻速的狀態(tài)運(yùn)行，等到其完成之前已經(jīng)設(shè)定的運(yùn)行步數(shù)后即可進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)，減速和加速的運(yùn)行過程剛好是相反的，電機(jī)會(huì)以啟動(dòng)脈沖頻率來停止運(yùn)行。

基于以上，在進(jìn)行程序編寫過程中，將加速和減速兩者的運(yùn)行步數(shù)分別設(shè)置為70步，其余步數(shù)在勻速階段完成。具體來講：其一，對(duì)于加速階段的運(yùn)行步數(shù)，也就是步進(jìn)電機(jī)處于升速階段，由最開始設(shè)置的800Hz逐步上升至2100Hz，在這個(gè)過程中頻率變化量和每個(gè)脈沖頻率下走參數(shù)信息為100Hz和5步;其二，對(duì)于勻速階段的運(yùn)行步數(shù)，也就是步進(jìn)電機(jī)處于勻速階段，在這個(gè)狀態(tài)下電機(jī)的脈沖頻率持續(xù)在2200Hz的狀態(tài)下運(yùn)行，該階段所走步數(shù)的計(jì)算方式為預(yù)置步數(shù)-（升速階段步數(shù)+減速階段步數(shù)）;其三，對(duì)于減速階段的運(yùn)行步數(shù)，也就是步進(jìn)電機(jī)處于減速階段，由2100Hz逐步下降至800Hz，對(duì)于頻率變化量和每個(gè)脈沖頻率下走參數(shù)信息，與上述的加速階段設(shè)置基本相同，但其頻率處于不斷降低狀態(tài)。

總結(jié)：綜上所述，首先本文通過對(duì)電磁超聲掃描裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)探頭在X、Y方向進(jìn)行單獨(dú)掃描運(yùn)動(dòng)，另一方面也可進(jìn)行復(fù)合掃描運(yùn)動(dòng);其次，本文又從硬件和軟件兩方面來分析電磁超聲掃描裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過以上設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)探頭的直線距離控制，促使探頭定位更加精準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈小倩. 機(jī)械手智能物料搬運(yùn)裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械制造， 2019（4）：1-1.

[2]李晶晶. 淺析四自由度視覺裝置設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2019， 292（14）：159-159.

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