基于激光焊縫跟蹤的風(fēng)機(jī)塔筒TOFD檢測技術(shù)

楊洪朋，李立國，王嘉慶，李羽可

（1.中國大唐集團(tuán)有限公司遼寧分公司，遼寧沈陽 110000；2.中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司遼寧分公司，遼寧沈陽 110000 ；3.北京博比風(fēng)電科技有限公司，北京 100176；4.武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430000）

風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)電場的關(guān)鍵零部件之一，用于支撐風(fēng)電整機(jī)工作、吸收機(jī)組震動(dòng)[1]。而提高風(fēng)塔高度能夠有效利用更豐富的風(fēng)資源，因此不斷加高的風(fēng)塔對其品質(zhì)及建設(shè)工藝提出更高要求。對塔筒焊縫的檢測也是追求更高效和高質(zhì)量的檢測。

對于塔筒焊縫，超聲檢測從傳統(tǒng)的手工檢測發(fā)展為自動(dòng)檢測，在采用TOFD 檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了提高檢測的準(zhǔn)確性和精度，以及高空作業(yè)、人力不可及等因素，對焊縫自動(dòng)檢測過程中，需要保證檢測探頭和焊縫的相對位置固定，需要對焊縫進(jìn)行跟蹤定位。這一般需要依靠激光視頻跟蹤來完成。

國內(nèi)外專業(yè)視頻跟蹤企業(yè)很多，但是專業(yè)從事焊縫跟蹤的國外主要有英國的META 視覺系統(tǒng)公司，國內(nèi)主要有北京賽誠工控和各大專院校相關(guān)研究項(xiàng)目。META 視覺系統(tǒng)公司的產(chǎn)品跟蹤效果好，但是硬件擴(kuò)展兼容性差，且價(jià)格昂貴，國內(nèi)在采用焊縫激光跟蹤系統(tǒng)時(shí)一直采購國內(nèi)外的相似產(chǎn)品，在使用過程容易出現(xiàn)維修困難，兼容性、擴(kuò)展性差等問題。而國內(nèi)的這些廠家由于不是超聲無損檢測行業(yè)的研發(fā)設(shè)計(jì)廠家，對現(xiàn)場檢測環(huán)境經(jīng)驗(yàn)不足，主要存在問題是跟蹤效果差，穩(wěn)定性低。

為了提高整套焊縫超聲自動(dòng)檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對其中關(guān)鍵零部件的研發(fā)設(shè)計(jì)也迫在眉睫。目前在塔筒焊縫檢測中采用的是TOFD 檢測技術(shù)，該檢測技術(shù)要求焊縫位于兩探頭的中點(diǎn)，因此通過激光焊縫跟蹤主要是為了實(shí)現(xiàn)焊縫的跟蹤及對中功能。

1 激光跟蹤原理

激光跟蹤的原理主要是指三角測量原理。三角測量技術(shù)是指通過測量目標(biāo)點(diǎn)與某一固定基準(zhǔn)線的已知端點(diǎn)之間的角度，來測量計(jì)算目標(biāo)距離的方法。具體應(yīng)用到激光焊縫跟蹤上是指將激光照射在目標(biāo)焊縫上，通過圖像采集及圖像處理，得到掃描區(qū)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的三維空間位置信息。系統(tǒng)通過計(jì)算檢測到的目標(biāo)焊縫與設(shè)定的焊縫路徑之間的偏差，結(jié)合探頭與激光視覺傳感器之間的相對位置關(guān)系，通過軟件運(yùn)算進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)檢測過程中對焊縫的跟蹤及焊縫對中功能的實(shí)現(xiàn)。

激光焊縫跟蹤技術(shù)其中一種主要基于三角測量原理，該原理從理論上是不受工件表面狀態(tài)影響的[2]。但在實(shí)際上，焊縫的表面并不是非常平整的，焊縫的長度方向上或多或少會有凹凸不平的地方，這些位置不影響焊接效果，但是這些位置產(chǎn)生的光照反射會對圖像信號有一定的影響，需要一些特殊的技術(shù)來克服反射噪聲的影響[3-5]。因此如何保持視頻信號的穩(wěn)定，不受其他信號的干涉，能穩(wěn)定識別焊縫，使檢測效果穩(wěn)定良好是焊縫跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵。

2 激光跟蹤傳感器

2.1 激光傳感器

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，視頻跟蹤圖像處理技術(shù)已經(jīng)非常成熟?；谒埠缚pTOFD 超聲自動(dòng)檢測技術(shù)的需求，結(jié)合電控的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)，通過視頻激光跟蹤，可以做到對超聲TOFD 探頭更精確的控制，達(dá)到更好、更穩(wěn)定的檢測效果。因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)激光傳感器，并輔以相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，完成焊縫跟蹤系統(tǒng)的搭建。

為了解決額外反射信號造成的信號干擾問題，本系統(tǒng)利用灰度鏡輔以窄帶濾光片，使視頻采集信號能穩(wěn)定采集激光線，排除其他信號干涉，對采集激光焊縫信號利用A 型波形顯示，對A 型顯示波進(jìn)行一系列的平滑、平均處理，排除干擾，達(dá)到穩(wěn)定的跟蹤效果。具體設(shè)計(jì)如圖1所示，傳感器頭部包括一個(gè)CCD攝像機(jī)和一個(gè)半導(dǎo)體激光器。激光器作為機(jī)構(gòu)光源，采用進(jìn)口超細(xì)660 nm 波長紅外激光以預(yù)定的角度將激光條紋投影到傳感器下部的工件表面。CCD 直接觀察傳感器下部的條紋。攝像機(jī)前部是一個(gè)灰度鏡輔以窄帶濾光片，允許激光通過但是濾去所有其他的光。從而使攝像機(jī)獲得高清晰的包含焊縫信息的激光線圖像。

圖1 傳感器圖

傳感器與工件之間的垂直距離直接影響CCD 攝像機(jī)觀察激光條紋位置。如圖2所示，激光以一定的角度照射到焊縫上，如果工件距離傳感器太近，激光條紋的位置就靠前；距離傳感器較遠(yuǎn)，激光條紋出現(xiàn)的位置就會在傳感器屏幕靠后；只有當(dāng)距離合適時(shí)可使采集到的激光線在屏幕的正中心。通過多次調(diào)試與驗(yàn)證，傳感器距離焊縫表面的最佳距離為100 mm。

圖2 傳感器與激光器的相對位置影響

2.2 相關(guān)配件

除了最主要的激光器及CCD 攝像機(jī)等關(guān)鍵部件，本文還設(shè)計(jì)了相關(guān)部件以保證整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的高效運(yùn)作，如圖3所示。包括傳感器外殼、冷卻板、防飛濺擋板、電源指示燈。其中傳感外殼為鋁殼，主要功能是保護(hù)內(nèi)部激光器和攝像機(jī)，在使用過程中防止現(xiàn)場惡劣環(huán)境，造成傳感器損壞；冷卻板的作用是冷卻傳感器，防止傳感器在高溫下停止工作。

圖3 傳感器相關(guān)配件示意圖

防飛濺板防止在檢測的過程中耦合劑飛濺影響圖像，損壞保護(hù)玻璃片；保護(hù)玻璃可以直接插拔，方便更換。激光視覺傳感器保護(hù)玻璃的主要作用有：①防止灰塵進(jìn)入到激光視覺傳感器中；②防止激光器和濾光片老化，延長激光視覺傳感器使用壽命。在正常使用的過程中，注意激光視覺傳感器防護(hù)玻璃片的維護(hù)更換，在激光視覺傳感器防護(hù)玻璃片丟失的情況下，禁止使用激光視覺傳感器。

傳感器部分有傳感器連接桿連接座、傳感器電源插座、氣冷接頭。其中傳感器連接桿連接座主要應(yīng)用于連接傳感器萬向連接架，傳感器電源插座和傳感器插頭相連，提供傳感器電源，同時(shí)傳輸視頻信號；傳感器連接孔的主要作用是在焊縫自動(dòng)跟蹤時(shí)，傳感器和三桿機(jī)構(gòu)連接。

3 檢測系統(tǒng)

基于激光跟蹤傳感器搭建塔筒焊縫TOFD 檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)工作原理如圖4所示。激光視頻采集模塊通過激光器及攝像頭進(jìn)行焊縫激光數(shù)據(jù)的采集，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后根據(jù)前期輸入的探頭距離等參數(shù)進(jìn)行焊縫偏移量的計(jì)算并傳輸給FPGA。FPGA 將焊縫距離的修正值傳輸給爬行器進(jìn)行焊縫對中的修正且同時(shí)還對TOFD 探頭及編碼器形成的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸給工控機(jī)，形成TOFD 檢測圖像。其中位置編碼器，具有PID 速度反饋機(jī)制，確保爬行器智能調(diào)整行走速度，始終與焊縫進(jìn)行精確匹配

圖4 系統(tǒng)工作原理

4 激光跟蹤效果測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的激光跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果，通過連續(xù)測試5次同一條焊縫的跟蹤數(shù)據(jù)，記錄下距離-脈沖（方向+個(gè)數(shù)），測試跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

激光跟蹤技術(shù)主要利用視頻采集原理，將激光線照射在焊縫上產(chǎn)生的形變，利用視頻采集到激光線的形變點(diǎn)來判斷焊縫相對位置，利用判斷到的焊縫相對位置來控制爬行器運(yùn)動(dòng)來保持檢測探頭和焊縫相對位置固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測效果的相對穩(wěn)定。

焊縫跟蹤基于激光視覺技術(shù)，具有很好的抗干擾能力，且對探傷信號或其他設(shè)備無影響，跟蹤系統(tǒng)能適應(yīng)焊縫兩側(cè)存在一定積水、帶銹和不帶銹鋼管、補(bǔ)焊焊縫、較強(qiáng)光線照射等特殊情況下的跟蹤。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的激光跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性及現(xiàn)場的應(yīng)用需不斷積累。系統(tǒng)的可集成性還有進(jìn)一步提高的空間。但從實(shí)際應(yīng)用上來看，將激光焊縫跟蹤技術(shù)與TOFD檢測技術(shù)相結(jié)合，有助于解決在利用TOFD 檢測技術(shù)時(shí)，高空塔筒焊縫無法保持焊縫對中的問題，實(shí)現(xiàn)了高空塔筒焊縫的自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)修正、自動(dòng)檢測等功能，保證了風(fēng)機(jī)塔筒TOFD 檢測技術(shù)的有效運(yùn)用。