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超声相控阵喷水自动扫查机械装置及检测工艺研究

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 141次


1、徐薇1 2、 周建平1 3、徐国珍14、刘骥超15、张春峰1

145上海航天设备制造总厂2、上海精密机械研究所3、上海航天动力科技工程有限公司,上海 200245

   摘 :超声相控阵检测铝合金搅拌摩擦焊缝的缺陷时,用手工扫查方式时,探头磨损大、检测速度慢、效率低、劳动强度较大,检测结果不精确。且传统机油耦合方式,残留机油会影响焊缝补焊质量。自动扫查机械装置包括探头运动导轨、轨道夹持机构、探头移动小车、探头固定机构、喷水耦合机构、电气控制和扫查运动控制软件组成。喷水式自动扫查机械装置实现喷水同时将所喷出水吸回去,将扫查器位置信息及超声回波信号采集到相控阵超声检测仪中,通过信号处理软件实现缺陷定位及定量,合理设置扫查参数,提高检测可靠性和效率。

关键词:超声相控阵技术  喷水式自动扫查机械装置

The Research of Ultrasonic Phase Array Automatic Sprinkler Testing  System and Proceduresa

1、Xu Wei12Zhou Jian-ping13Xu Guo-zhen14Liu Ji-chao15Zhang Chun-feng1

145 Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer     2Shanghai Aerospace Precision Machinery      3Shanghai Mechanical Power Engineering CompanyShanghai 200245China

Abstract: There are many drawbacks when using Ultrasonic Phase Array technique to detect the defects of aluminium alloy friction stir weldings by manual scanning.such as wearing away quickly on probe,low testing speed,low efficiency,high labor intensity and low accuracy.In the meantime,the traditional coupled modes by engine oil would also have side effect on repairing welding.Here we demonstrate an automatic scanning

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(1)2016.4(2)基金名称:国家重大科学仪器设备开发专项项目(3)作者 徐薇(1982.10—)女 汉族 上海航天设备制造总厂 工程师 硕士

device that is comprised by probe movement navigation,track holding

device,on-board probe,probe fixed structure,springkler coupled

device,electrical control system.Automatic sprinkler testing system could spray and absorb water simultaneously while the  ultrasonic phase array testing device collects the position information of scanning device collects the position information of scanning device and ultrasonic echo signal.Flaws can be located and qualified by signal processing software and the reliability and efficiency of this method can also be improved by adjusting scanning parameters.

Key Words:Ultrasonic Phase Array, Automatic Sprinkler Testing  System

1引言

搅拌摩擦焊接工艺被越来越多应用于运载火箭贮箱焊接,利用相控阵超声检测技术的多晶片探头及计算机处理软件技术,能解决搅拌摩擦焊缝内部缺陷检测问题,为某运载型号助推模块贮箱研制提供有效检测手段。

2手工式扫查的缺点

但在现有技术中,使用超声相控阵检测设备检测铝合金搅拌摩擦焊缝的缺陷时,由人工移动检测设备的探头,即采用手工扫查方式进行检测,如图1所示。这种手工扫查方式的缺点是:1)探头与工件直接接触、探头磨损大、检测速度慢、效率低、劳动强度较大,对于助推模块贮箱完成每个筒段上4条焊缝检测需要2小时左右,不能满足型号研制进度要求;2)检测结果受检测人员探头压紧力度、扫查速度等因素影响较大,检测结果不精确,在检测焊接处各个区域时可能存在焊缝缺陷的漏检、误检。3)手工式扫查采用传统机油耦合方式,使超声波进入被检焊缝内部,由于机油会部分残留于焊缝内,如存在超标缺陷需要补焊,残留机油会影响焊缝补焊质量。

 

 

 

 

     

a)手动扫查                 b) 机油耦合剂

1 相控阵超声检测的手工扫查方式

开展相控阵超声仪扩展应用研究,研制喷水耦合探头楔块及喷水装置实现喷水同时将所喷出水吸回去,设计与研制自动扫查机械装置,将扫查器位置信息及超声回波信号采集到相控阵超声检测仪中,通过信号处理软件对信号进行滤波、分析并合成二维图像,实现缺陷定位及定量。充分发挥相控阵超声检测仪的作用,配置自动扫查装置,提高检测可靠性和效率。

3喷水式自动扫查机械装置研究

喷水式自动扫查机械装置依据超声C扫描检测技术原理,采取特征扫描方法,利用计算机和相控阵超声检测仪全波列采集检测信号,提取和存储超声波特征信号,经信号处理后显示检测图像,装置总体框图见图2

2搅拌摩擦焊缝自动扫查装置总体框图

机械扫查装置包括探头运动导轨、轨道夹持机构、探头移动小车、探头固定机构、喷水耦合机构、电气控制和扫查运动控制软件组成。

3.1探头移动导轨

探头移动导轨保证探头移动小车沿轨道作直线运动,由弹簧钢和铝合金型材组成,如图3所示。

 

3 探头移动导轨设计图

3.2轨道夹持机构

轨道夹持机构使轨道固定于所检筒段上,采用快速螺纹固定方式,夹持间距可调,以分别满足长度1.6米和2米不同长度筒段检测要求,如图4所示。

4 轨道夹持机构设计图

3.3探头移动小车

探头移动小车通过探头夹持机构带动相控阵超声探头移动,采用电磁吸附原理,运动小车由铷铁硼磁性材料制成滚动轮吸附在导磁移动导轨上,采用四轮运动方式,通过直流伺服步进电机带动主动轮旋转,依靠主动轮与导轨摩擦驱动小车沿导轨作直线运动,以确保运动速度可控和运动时平稳性,小车带有极限位置限位开关,当小车运动到轨道两端极限位置时通过扫查控制器使小车停止运动,以保护移动小车和探头。小车具磁性开关,打开开关使小车牢固吸附在轨道上,关闭开关磁性消失,以便检测结束取下小车。

探头移动小车带有二维扫查编码器,在探头运动过程中通过检测软件检测探头移动距离,实现扫查过程中对缺陷位置检测,以对所检测出缺陷位置进行定位,见图5所示。

5探头移动小车设计图

3.4探头固定机构

探头固定机构使探头牢固安装,在移动小车带动下,使相控阵超声探头在焊缝表面进行稳定扫查,固定机构采用弹簧保证探头与焊缝紧密贴合,固定机构探头位置调节臂,调节臂采用铝合金型材,可调节探头X轴位置,调节范围0 ~ 300 mm以确保探头覆盖焊缝表面如图6所示。

6 探头固定机构图

3.5喷水耦合机构

喷水耦合机构依靠探头前端水楔上接头通过塑料软管与喷水泵连接,实现探头在扫查时从水楔出水孔喷出洁净自来水,使超声波通过水耦合进入到焊缝中,同时通过水楔回水孔同时将水吸回到水泵,实现往复循环。

3.6电气控制设计

搅拌摩擦焊缝超声相控阵自动扫查装置电气控制部分采用模块化设计,采用可编程PLC设计,安装于控制箱内组成扫查控制器,通过编程电缆将PLC编程口与计算机RS232串口连接,实现控制器与计算机通讯,通过扫查软件实现扫查距离、扫查速度、缺陷位置测量,其控制原理见图7所示,扫查装置各部分电气系统采用特殊线缆,有效屏蔽检测过程中干扰信号,避免干扰信号对超声波检测信号产生干扰。

7 自动扫查机构运动控制原理图

计算机控制PLC给步进电机的驱动器发出一个脉冲信号,驱动器便驱动步进电机旋转一定的角度。步进电机的输出轴带动传动机构,把电机角度变化转变成直线位移。同时,旋转编码器将电机转数脉冲送至PLC的输入端,该输入端同时也是P L C的内置高速计数器(HSC)的输入端。来自旋转编码器的脉冲输入到HSC,从而记下电动机转数,实现对直线运动单元运行控制。

扫描速度控制通过定时器定时中断。将定时/计数器T1/T0设置为定时器工作方式,对内部时钟信号计数,计数初值由电机转速要求决定。计数溢出执行中断服务程序,改变电机通电状态,重装计数初值。升速段初值由小变大,恒速段初值不变,降速段初值由大变小,可实现变速控制;根据电机转速要求,确定每个通电状态保持的时间,设计延时子程序,调用不同的延时程序,即可改变步进脉冲的频率,实现变速控制;改变脉冲分配方式。通过改变每发一个脉冲所对应的步矩角的大小,采用软件延时的方法控制步进电机的速度,扫查装置设计紧急停止控制电路,在扫查过程中出现异常情况可按下移动小车上紧急按钮开关,使移动小车即刻停止扫查。

3.7扫查运动控制软件

扫查运动软件的主要任务是判断步进电机的转动方向、转动速度和位置,并按照顺序发出一系列控制脉冲,同时判断运动机构是否到达定位点。根据探头运动要求,直线运动单元采用自动运行方式:首先,判断探头位置是否在轨道最底端的起始位置,如果不在,则控制单元体上滑块带动探头一起向下运动,直到限位开关发出到位信号,滑块停在轨道的最底端;如果在最底端,则等待向上运动的指令。向上运动的命令发出后,探头在直线运动单元的带动下按事先设定探头移动速度、移动距离平稳地向上运动到规定位置,直线小车上编码器发出反馈探头移动距离位置信号到控制器,探头移动到规定位置时发出到位信号,扫查结束,小车同时自动返回,到最底端停下,等待下一轮的扫查运动,扫查运动控制软件具自动和手动扫查控制功能,手动扫查功能可对检测过程发现缺陷部位作反复来回扫查,以便对缺陷尺寸、深度等参数精确测量,图8是自动扫查机构运动控制流程图。图9是喷水式自动扫查装置操作界面图。

8 自动扫查机构运动控制流程图

机械扫查运动机构主要用于带动探头沿着轨道方向行走,可以将探头运动到指定位置,作用是精确控制探头位置,实现精确检测。控制器主要执行控制软件发出的运动指令,轨道夹持机构用于扫查机构固定于所检测筒段上。机械扫查装置连接相控阵超声检测仪、计算机结合自动扫查软件实现搅拌摩擦焊缝自动扫查检测。

9 喷水式自动扫查装置操作界面图

4喷水式自动扫查装置主要技术参数

喷水式自动扫查装置主要技术参数如表1所示,从表中可以看出,喷水式自动扫查装置的扫查速度在0-100mm/s连续可调,将自动扫查机械装置安装在筒段上,设定自动扫查速度为5.0mm/s,设定自动扫查装置运动长度为1000m,测量自动扫查装置运动时间,计算自动扫查速度,测量3次,分别是4.95mm/s4.98mm/s5.03mm/s,平均速度4.98mm/s,满足技术指标提出的5mm/s的要求。图10是喷水式自动扫查机械装置系统的实物图。

DSC_0018

 

 

 

 

 

 


10 喷水式自动扫查机械装置系统硬件系统实物图

1 喷水式自动扫查装置主要技术参数

机械系统型号

MS-08

扫查系统主体材料

超硬铝+表面阳极化

轨道

弹簧钢+支撑铝型材

手控器

在远离计算机时使用

轨道扫描行程X

0 ~ 1600 mm

扫描速度X

0 ~ 100 mm/s连续可调

轨道扫描行程Y

0 ~ 300 mm

扫描速度Y

手动调节

系统控制器

MC-01

控制软件

控制扫查器的运动、停止、扫查

输出

编码输出

运动控制能力

4

5结论

喷水式自动扫查机械装置应用于运载火箭贮箱筒段纵缝搅拌摩擦焊缝的自动扫查,代替了手工扫查方式。以某运载型号助推模块贮箱为例,筒段长度1800mm,检测速度5mm/s,完成每个筒段上4条焊缝检测大约需要40分钟,比手工扫查方式的2小时左右,效率提高3倍。

喷水式自动扫查机械装置的主要功能是带动探头沿着轨道方向自动行走,将探头精确运动到指定位置,通过喷水耦合探头楔块及喷水装置实现搅拌摩擦焊缝喷水耦合超声相控阵检测,检测贮箱筒段纵缝搅拌摩擦焊焊接中形成的内部缺陷,如隧道孔、未焊透、弱连接等搅拌摩擦焊缝特有缺陷,以实现运载火箭贮箱筒段纵缝铝合金搅拌摩擦焊缝超声自动检测,避免了人工因素对检测结果的影响,提高相控阵技术的检测效率和检测可靠性。

       

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