大型金屬結(jié)構(gòu)件自動探傷系統(tǒng)設(shè)計

楊林，陳春，金福凱

沈陽新松機器人自動化股份有限公司 遼寧沈陽 110168

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法[1]。當(dāng)超聲波從探頭發(fā)出透過焊縫表面進(jìn)入到金屬內(nèi)部時，如果遇到焊接缺陷或金屬底面時超聲波就分別發(fā)回反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。

與其他常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，超聲波檢測具有檢測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點[2]。因此，超聲波探傷是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢技術(shù)，常常被作為壓力容器、鍋爐、挖掘機及轉(zhuǎn)向架等設(shè)備制造過程中的主要無損檢測方法之一。目前，我國大型金屬結(jié)構(gòu)件的檢測主要采用傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式[3]，但由于很多結(jié)構(gòu)件焊縫比較多，在實際工作中造成了操作者勞動強度大、效率低及漏檢等問題。

本文根據(jù)大型金屬結(jié)構(gòu)件超聲波檢測過程中的實際情況，通過實地調(diào)研，查閱文獻(xiàn)，設(shè)計了基于KUKA機器人的超聲波自動探傷系統(tǒng)。降低了檢測過程的勞動強度，提高了勞動效率，避免人工檢測過程中存在的漏檢現(xiàn)象，改善了操作人員的工作環(huán)境。

探傷技術(shù)要求

對待檢測焊縫按甲方工藝要求進(jìn)行超聲波檢測，并通過預(yù)設(shè)算法自動判別出焊縫是否存在缺陷，如有缺陷，通過自動標(biāo)記設(shè)備在焊縫缺陷處進(jìn)行標(biāo)記，同時將檢測結(jié)果上傳給工控機。

1.焊縫檢測系統(tǒng)構(gòu)成

焊縫檢測系統(tǒng)主要包括供水裝置、相控陣探頭、相控陣儀器模塊、自動標(biāo)記系統(tǒng)、工控機、顯示器、I/O接口卡及探傷軟件等。探頭探測的超聲信號通過相控陣超聲儀器系統(tǒng)處理并實時傳輸?shù)叫盘柼幚砟K（工控機）中，通過工控機內(nèi)的超聲波信號處理軟件實時記錄探頭設(shè)備掃查的焊縫數(shù)據(jù)并進(jìn)行評估干預(yù)，依據(jù)評估結(jié)果生成質(zhì)檢報告。

2.技術(shù)參數(shù)

最大檢測速度≥4m/min；

誤報率≤3%；

漏保率≤0%。

其中，誤報率指標(biāo)驗收以帶有人工缺陷的對比樣件進(jìn)行，人工缺陷的刻傷圖樣雙方協(xié)商而定，在對比樣件上所有人工缺陷剛剛報警的基礎(chǔ)上，可再提高增益，以正常使用的探傷速度連續(xù)測試對比試樣25次，分別記下人工缺陷的誤報次數(shù)。

漏報率指標(biāo)驗收以帶有人工缺陷的對比樣件進(jìn)行，人工缺陷的刻傷圖樣雙方協(xié)商而定，在對比樣件上所有人工缺陷剛剛報警的基礎(chǔ)上，可再提高增益，以正常使用的探傷速度連續(xù)測試對比試樣25次，分別記下人工缺陷的漏報次數(shù)。

3.檢測類型

針對該工件表面待檢測焊縫特點，主要包含三種檢測缺陷，分別為：角接焊縫未焊透缺陷，不等厚板材對接焊縫未焊透缺陷，等厚板對接焊縫未焊透缺陷。焊接缺陷示意圖如圖1所示。

圖1 不同類型焊縫焊接缺陷示意

4.檢測位置

根據(jù)動臂檢測位置圖（見圖2），對焊縫進(jìn)行如下歸類檢測：

1）對于C、D、H、G、J、L、M、N類對接焊縫會從上至下從左至右兩邊進(jìn)行掃查。

2）對于A、K類焊縫會在其焊縫平面的一側(cè)進(jìn)行掃查。

3）對于B、I類角焊縫進(jìn)性側(cè)面掃查。

4）對于E類焊縫會在圓弧外進(jìn)行掃查，空間尺寸影響不夠擺放探頭，則會形成盲區(qū)；F類焊縫不做檢測；P類焊縫由于帶弧度不做自動檢測。

控制系統(tǒng)構(gòu)成

整個機器人探傷控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)、探傷機器人、示教器、控制柜、超聲波自動探傷設(shè)備、探傷變位機與夾具及探傷機器人滑臺等組成。如圖3所示。

圖3 機器人自動探傷系統(tǒng)

1.系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)控制功能，本系統(tǒng)采用西門子1511T系列PLC為控制中心，通過Profinet總線方式與其余從站相連，如圖4所示。

圖4 動臂探傷控制系統(tǒng)總線配置

1）ET200SP模塊為系統(tǒng)外圍輸入輸出信號提供接口。工作站內(nèi)的所有硬線I/O信號如伺服或滑臺限位傳感器，人機交互按鈕與指示燈，水氣閥等信號均通過相應(yīng)信號連接器接入到此模塊上，從而實現(xiàn)對外圍設(shè)備狀態(tài)信息采集以及控制。

2）R1為庫卡機器人，它是探傷系統(tǒng)運行的載體。在硬件上，機器人采用X、Y、Z三軸滑臺倒裝模式，從而擴大檢測范圍，滿足不同尺寸工件的檢測。機器人末端安裝超聲波探頭、噴水、噴墨等裝置，通過機器人的運動實現(xiàn)探頭對焊縫的檢測。軟件上，機器人配備Profinet主從總線板卡。與PLC通信時，機器人做PLC的從站，通過PLC控制機器人起動停止操作以及不同產(chǎn)品程序的調(diào)用；機器人做主站時，通過Profinet網(wǎng)絡(luò)直接與探傷設(shè)備進(jìn)行通信，減少信號延遲，可以實時交互探傷控制信號與機器人位置數(shù)據(jù)等，從而提高系統(tǒng)運行的精度。

3）MOT1～MOT6為西門子V90系列伺服控制器。MOT1和MOT2為滑臺運動伺服驅(qū)動器，通過調(diào)整滑臺X軸方向長度，從而滿足不同長度工件探傷需求。MOT3和MOT4為旋轉(zhuǎn)軸伺服驅(qū)動器，通過同步旋轉(zhuǎn)變位機來實現(xiàn)工件不同角度表面焊縫的探傷。MOT5和MOT6為夾緊軸伺服驅(qū)動器，一方面通過力矩模式對工件進(jìn)行夾緊，另一方面它也可以適應(yīng)不同厚度的工件探傷。

4）HMI為西門子KTP1200人機界面，用于設(shè)定各伺服電機位置參數(shù)及狀態(tài)顯示，并顯示各傳感器的狀態(tài)和故障報警信息，方便設(shè)備維修。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用西門子TIA軟件進(jìn)行編程設(shè)計。通過編寫FB與FC程序塊對機器人，伺服等設(shè)備進(jìn)行功能控制，通過GRAPH對整個系統(tǒng)流程進(jìn)行控制。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程

3 檢測結(jié)果

探傷過程中，探傷軟件記錄缺陷A掃描圖形（簡稱A掃，下同）、B掃、D掃、S掃及C掃圖，實時判定異常波形，并報警記錄。檢測圖形如圖6所示。

圖6 檢測界面示意

每個挖機動臂的檢測結(jié)果如有缺陷，則在相應(yīng)位置標(biāo)出。對于異常聲波處的A掃原始數(shù)據(jù)，給出橫縱坐標(biāo)的二維數(shù)據(jù)，第三方軟件可以憑借著這些數(shù)據(jù)不借助相控超聲檢測儀檢測分析軟件重新生成一個新的A掃曲線或者用于其他數(shù)字處理。探傷記錄文件、報告等自動生成可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸至局域網(wǎng)進(jìn)行信息共享、傳輸，也可拷貝到U盤或刻錄成光盤，通過專用瀏覽軟件可查看容器的詳細(xì)探傷數(shù)據(jù)，也可供第三方軟件調(diào)用。

結(jié)語

本文完成了對機器人代替人工探傷檢測作業(yè)的構(gòu)想，實現(xiàn)了挖掘機動臂焊接缺陷檢測的自動化、智能化和機器人化，提升了探傷檢測的工作效率，達(dá)到了智能化、準(zhǔn)確化的技術(shù)要求。并且該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)實工程項目中去，得到了穩(wěn)定生產(chǎn)驗證。