（機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)論文）管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)機(jī)器人研究.pdf

論文題目 專(zhuān)業(yè) 碩士生 指導(dǎo)教師 管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)機(jī)器人研究 機(jī)械電子工程 馬香玲 簽名 馬宏偉 簽名 摘要 暫涂 在輸送管道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中 管道對(duì)接焊縫質(zhì)量的檢測(cè)至關(guān)重要 超聲檢測(cè)作為一 種重要的無(wú)損檢測(cè)方法 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和在役設(shè)備安全監(jiān)測(cè)中 尤其 在管道焊接缺陷檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用 已被世界各國(guó)所采用 傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)方法存 在檢測(cè)效率低 評(píng)定缺陷難等不足 研制一種管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)具有重 要的意義 本文借助計(jì)算機(jī) 數(shù)控 精密機(jī)械和微電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù) 以工控機(jī)為核心 以國(guó)內(nèi) 先進(jìn)的數(shù)字超聲探傷儀為基礎(chǔ) 以虛擬儀器結(jié)構(gòu)為軟件平臺(tái) 開(kāi)發(fā)了管道對(duì)接焊縫自動(dòng) 超聲檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了超聲檢測(cè)的數(shù)字化 自動(dòng)化 圖像化 為提高檢測(cè)的可靠 性和效率奠定了基礎(chǔ) 本課題進(jìn)行了機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 研制了浮動(dòng)探頭夾持器 實(shí)現(xiàn)了探頭與管道的自適 應(yīng)接觸 設(shè)計(jì)了具有大減速比步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng) 滿(mǎn)足了機(jī)器人繞管道圓周運(yùn)動(dòng)所需要 的動(dòng)力 借助計(jì)算機(jī)i o 接口和串口通信技術(shù) 通過(guò)l a b w i n d o w s c v i 中的專(zhuān)用r s 2 3 2 串口通訊函數(shù)庫(kù) 實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)與s t c 8 9 c 5 1 單片機(jī)的通訊 有效地對(duì)檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行 控制 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人沿管道的圓周運(yùn)動(dòng)和探頭沿管道軸向掃描運(yùn)動(dòng) 能夠?qū)缚p進(jìn)行鋸 齒形或矩形掃描 利用a c t i v e x 技術(shù) 解決了l a b w i n d o w s c v i 和o f f i c ew o r d 軟件的接口 實(shí)現(xiàn)了檢 測(cè)報(bào)告的生成和打印 構(gòu)建了管道對(duì)接焊縫超聲斜角探傷平臺(tái) 通過(guò)研究自動(dòng)掃描成像 的關(guān)鍵技術(shù)及其軟件實(shí)現(xiàn)方法 成功實(shí)現(xiàn)了以偽彩色和灰度模式顯示管道典型人工缺陷 的超聲a 掃描 b 掃描 通過(guò)對(duì)缺陷超聲檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行去噪 有效抑制電磁干擾和 點(diǎn)狀噪聲的影響 建立人工缺陷的斜角探傷數(shù)學(xué)模型 對(duì)缺陷進(jìn)行定位分析 為深入研 究斜角探傷的數(shù)字化 圖像化 智能化奠定了基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 管道對(duì)接焊縫 機(jī)器人 斜角探傷 超聲檢測(cè) l a b w i n d o w s c v i t c p i p 研究類(lèi)型 應(yīng)用研究 s u b j e c t r e s e a r c ho nu l t r a s o n i ct e s t i n gr o b o tf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d s s p e c i a l t y m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e m ax i a n g l i n g i n s t r u c t o r m ah o n g w e i a b s t r a c t s i g n a t u r e 叢聳曲 s i g n a t u r e i t sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o lq u a l i t yo fp i p e l i n eg i r t hw e l d si nb u i l d i n ga n du s i n g t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e a sa m a i nm e t h o do fn d t n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g u t u l t r a s o n i c t e s t i n g h a sb e e nw i d e l yu s e dt oc o n t r o lt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i ni n d u s t r ya n dt oi n s p e c tt h e e q u i p m e n to ns e r v i c e e s p e c i a l l yh a st h ei m p o r t a n tf u n c t i o ni ni n s p e c t i n gp i p e l i n e sg i r t h w e l d s a n di sa d o p t e db ym a n yc o u n t r i e s t h et r a d i t i o n a lu ts y s t e mh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s s u c ha sl o wi n s p e c t i v ee f f i c i e n c y d i f f i c u l t yt oe v a l u a t ed e f e c t sa n ds oo n s oi th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et od e s i g na n dd e v e l o pa na u t o m a t i cu tt e s t i n gr o b o tf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d s i nv i r t u eo ft h et e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r n c p r e c i s em a c h i n e r ya n dm i c r o m o t o r d r i v ea n ds oo n t a k i n gp ca st h ec o r eo fs y s t e m t a k i n ga na d v a n c e dd i g i t a lu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o ra sb a s e t a k i n gv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns t r u c t u r ea ss o f t w a r ep l a t f o r m ar o b o ts y s t e m o fa u t o m a t i cu t t e s t i n gf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d sh a sb e e nd e v e l o p e d t h ed i g i t a l a u t o m a t i o n a n dp i c t u r i z a t i o no fu l t r a s o n i ct e s t i n ga r er e a l i z e d a n dt h ef o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fu t i se s t a b l i s h e d t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no fr o b o ti sc o m p l e t e d t h ep r o b ec l i pi sd e v e l o p e d w h i c hh a s r e a l i z e da d a p t i v ec o n t a c tb e t w e e np r o b ea n dp i p e l i n e t h es t e p m o t o rt r a n s m i s s i o ns y s t e m w h i c hh a sg r e a td e c e l e r a t i o nr a t i oi sd e v e l o p e d w h i c hh a ss a t i s f i e dt h er e q u i r e dp o w e ro f r o b o tw h e ni tm a k e sc i r c l em o t i o na l o n gp i p e l i n e u s i n gc o m p u t e ri oi n t e r f a c ea n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s t h r o u g h t h er s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni n l a b w i n d o w s c v i c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ni n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds t c 8 9 c 5 1s c mi s a c h i e v e d s ot h a te f f e c t i v e l yc o n t r o l l i n gt h er o b o t t h ec i r c l em o t i o na n da x e sd i r e c t i o n m o t i o na l o n gp i p e l i n ea r er e a l i z e d s o p r o b es c a n n i n gw a yo fh a c k l eo rr e c t a n g l ef o rw e l d i n g l i n eh a sa c h i e v e d u s i n ga c t i v e xt e c h n o l o g y i n t e r f a c eb e t w e e nt h el a b w i n d o w s c v ia n do f f i c ew o r d s o f t w a r ei ss o l v e d a n dt h et e s tr e p o r tc a nb eg e n e r a t e da n dp r i n t e d t h ep l a t f o r mo fb e v e l u l t r a s o n i ct e s t i n gf o rt h ep i p e l i n ew e l di se s t a b l i s h e d t h r o u g hr e s e a r c h i n go nt h ek e y t e c h n o l o g ya n ds o f t w a r er e a l i z e dm e t h o do fa u t o m a t i o ns c a n n i n gi m a g i n g t od i s p l a yt h e u l t r a s o n i ca s c a n b s c a no ft h et y p i c a ld e f e c t so ft h ep i p e l i n eb yp s e u d o c o l o ra n dg r a y s c a l e m o d e li ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e d t h r o u g hf i l t e r i n gd e n o i s i n gf o ru l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n s i g n a l e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n di m p a c to fp o i n tn o i s ea l ei n h i b i t e de f f e c t i v e l y t h e b e v e lt e s t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em a n u a lf l a wi se s t a b l i s h e d a n do r i e n t a t i o na n a l y s e f o rt h ef l a wi sa c h i e v e d a i lo ft h e s eh a v ee s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gf u r t h e rt h e d i g i t a l p i c t u r i z a t i o n a n di n t e l l i g e n t i z e do ft r a n s v e r s ew a v et e s t i n g k e y w o r d s p i p e l i n eg i r t h w e l d sr o b o tb e v e ld e t e c t i n gu l t r a s o n i ct e s t i n g l a b w i n d o w s c v i t c p i p t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技史學(xué) 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性說(shuō)明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及其取得研究成果 盡我所知 除了文中加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不 包含其他人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不包含為獲得西安科 技大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)所使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì) 本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意 一 學(xué)位論文作者簽名 搟 日期 d g 紅p 學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明書(shū) 本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學(xué)位期 間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬于西安科技大學(xué) 學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部 門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 本人允許論文被查閱和借閱 學(xué)校可以 將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 同時(shí)本人保證 畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位 論文研究課題再撰寫(xiě)的文章一律注明作者單位為西安科技大學(xué) 保密論文待解密后適用本聲明 學(xué)位論文作者簽名 刪 指導(dǎo)教師簽轢 b 彥 矽 略年年月 o 日 1 緒論 1 1 管道焊縫檢測(cè)的發(fā)展 1 緒論 長(zhǎng)輸管道的任務(wù)是遠(yuǎn)距離輸送液體或氣體產(chǎn)品 目日仃 世界各困石油及天然氣長(zhǎng)輸 管道總長(zhǎng)度為2 0 0 多萬(wàn)公里 我團(tuán)長(zhǎng)輸管道總長(zhǎng)約2 萬(wàn)公罩 其中輸油管道約1 萬(wàn)公里 輸 i 管道約0 7 萬(wàn)里 還有少量的礦漿管道 國(guó)家重點(diǎn)工程 西氣東輸 工程 主管 道投資3 8 4 億元 豐管線(xiàn)和城市管網(wǎng)投資將突破1 0 0 0 億元 隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 對(duì)石油和天然氣等能源的需求在不斷加大 國(guó)家還將陸續(xù)建設(shè) 批能源干線(xiàn) 2 1 1 3 1 特別是 用于運(yùn)輸原油 天然乒e 成品油等介質(zhì)的長(zhǎng)輸管道在今后短時(shí)期內(nèi)將會(huì)有很大發(fā)展 4 j 管道焊接是長(zhǎng)輸管道實(shí)現(xiàn)的必然步驟 那么管道的焊接質(zhì)黽就直接決定了管道的運(yùn) 行質(zhì)量1 5j 按照美國(guó)的估算 兇焊接接頭失效引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)國(guó)民生產(chǎn)總值的5 美國(guó)僅在1 9 8 6 2 0 0 0 年期問(wèn) 天然氣管道就發(fā)生事故1 1 8 1 起 造成了5 5 人死亡 2 1 0 人受傷 j 計(jì)財(cái)產(chǎn)損失約2 5 億美元 最近幾年 俄羅斯 巴基斯坦 阿根廷 加拿大 等圍家也有管道斷裂事故的報(bào)道 6j 據(jù)不完令統(tǒng)計(jì) 國(guó)內(nèi)油氣管道事故發(fā)生概率是國(guó)外 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的5 1 0 倍 根本原因就是沒(méi)有進(jìn)行可靠嚴(yán)格的檢測(cè)和監(jiān)測(cè) 因此 如何 保證含有焊接構(gòu)件裝置的運(yùn)行安全就成為一個(gè)極富有挑戰(zhàn)性的課題 這要從制造 到投 產(chǎn)進(jìn)而走向退役的整個(gè)工程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)做起 分析潛在的失效影響因素 開(kāi)發(fā)出有 效而可靠的檢測(cè)技術(shù) 達(dá)到早期預(yù)報(bào)可能發(fā)牛潛在事故的體制 進(jìn)而促進(jìn)焊接工程構(gòu)件 安全運(yùn)行的目的i7 1 如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些缺陷并準(zhǔn)確判斷缺陷的危害性 帶來(lái)的經(jīng)濟(jì) 損失是巨大的 甚至是不可挽網(wǎng)的峭j 因此 研究管道焊縫檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù) 提高檢測(cè) 的可靠性和自動(dòng)化程度 加強(qiáng)在建和在役運(yùn)輸管道的蛉測(cè)和檢測(cè) 對(duì)于保障人民生命和 國(guó)家財(cái)產(chǎn)的安全具有重要意義 管道焊接是在組對(duì)管道端面坡口處形成冶會(huì)連接即焊縫的過(guò)程 圖1 1 為管道組對(duì) 實(shí)物圖 焊縫質(zhì)量是衡量管道焊接是否合格的唯一 標(biāo)準(zhǔn)1 9 j 焊縫檢測(cè)方法有多種 其中無(wú)損檢測(cè)技術(shù) n d t 是一種理想的方法 它就是在不破壞物體的 前提下 檢查物體宏觀(guān)缺陷或測(cè)量工件特征的各種 技術(shù)方法的統(tǒng)稱(chēng) 可以直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn) 而且 效率高 目前 工業(yè)上常用的無(wú)損檢測(cè)方法主要包 括磁粉檢測(cè) p t 滲透檢測(cè) m t 渦流檢測(cè) e t 超聲檢測(cè) u t 射線(xiàn)檢測(cè) r t 5 種 前三種方法 主要是針對(duì)被檢物的表面及近表面的缺陷 后兩種 圖1 1 管道組對(duì)實(shí)物圖 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 主要是針對(duì)被檢物內(nèi)部的缺吲1 0 1 是最為常用的管道環(huán)焊縫檢測(cè)方法 按照常規(guī)的檢驗(yàn) 方法 石油天然氣長(zhǎng)輸鋼質(zhì)管道對(duì)接焊縫主要采用x 射線(xiàn)膠片照相探傷 此方法雖比較直 觀(guān) 但需耗用大量x 光膠片 檢驗(yàn)周期長(zhǎng) 勞動(dòng)量大 貼片 拍片 洗片工序復(fù)雜 且 管道施工多在野外 給拍片和洗片帶來(lái)更大困難 l l l2 1 而且對(duì)人體有輻射危害 超聲無(wú) 損檢測(cè)與其它常規(guī)技術(shù)相比 它具有被測(cè)對(duì)象范圍廣 檢測(cè)深度大 缺陷定位準(zhǔn)確 檢 測(cè)靈敏度高 成本低 使用方便 速度快 對(duì)人體無(wú)害及便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn) 幾十年 來(lái) 超聲無(wú)損檢測(cè)已得到了巨大發(fā)展和廣泛應(yīng)用 幾乎應(yīng)用到所有工業(yè)部門(mén) 已成為材 料或結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)最常用的手段u 引 超聲檢測(cè)相對(duì)射線(xiàn)檢測(cè)用于檢測(cè)某些焊縫缺陷的 優(yōu)勢(shì)為人所知已很多年了 l4 1 所以是最有開(kāi)發(fā)前景的無(wú)損檢測(cè)方法 最突出的例子是美 國(guó)6 0 0 家電力公司下屬的1 0 0 0 0 多家電廠(chǎng) 目前生產(chǎn)中保證安全運(yùn)行的主要無(wú)損檢測(cè)手 段是超聲檢測(cè) 這樣作不但能保證產(chǎn)品質(zhì)量 而且能降低成本 據(jù)說(shuō)為了提高超聲檢測(cè) 的可靠性 多年來(lái)美國(guó)先后投入了數(shù)千萬(wàn)美元 而其收益可達(dá)到數(shù)十億美元 7 國(guó)外對(duì)管道的檢測(cè)始于2 0 世紀(jì)2 0 年代 對(duì)管道無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)已有多年 歷史 管道檢測(cè)最早只限于在管道外部對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè) 自澳大利亞開(kāi)發(fā)出纖維型焊條 的手工電弧焊并用于管道的焊接時(shí) 對(duì)管道焊縫質(zhì)量的檢測(cè)就開(kāi)始了 當(dāng)時(shí)的射線(xiàn)成像 技術(shù)有一定發(fā)展 用于管道焊縫檢測(cè)得x 射線(xiàn)機(jī)和y 射線(xiàn)機(jī)也相繼研制成功 于是射線(xiàn) 檢測(cè)技術(shù)最先用于管道焊縫檢測(cè) 但這種靠檢測(cè)人員手持射線(xiàn)機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)的方法 準(zhǔn)確率很低 檢測(cè)的精度和可靠性受到檢測(cè)人員技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)的影響 檢測(cè)人員勞動(dòng) 強(qiáng)度大 且受射線(xiàn)的傷害 后來(lái) 人們開(kāi)發(fā)了半自動(dòng)化 自動(dòng)化的管道檢測(cè)爬行器來(lái)代 替檢測(cè)人員的手工檢測(cè) l5 1 9 5 9 年 荷蘭的r t d 作為自動(dòng)超聲檢測(cè)工業(yè)應(yīng)用的先驅(qū) 研制成功 r o t o s c a n 系統(tǒng) 三個(gè)探頭可以同時(shí)對(duì)焊縫中縱 橫各種裂紋進(jìn)行檢測(cè) 但 是手工操作難以排除焊角假發(fā)射的干擾 缺陷波反射不易分辨的限制和手工焊縫的本身 缺陷的不可控因素等方面問(wèn)題成為阻礙手工焊縫的自動(dòng)化檢測(cè)的關(guān)鍵 隨著管道自動(dòng)焊 接技術(shù)的研究與應(yīng)用 焊縫檢測(cè)的自動(dòng)化技術(shù)迅速發(fā)展 當(dāng)時(shí)有名的自動(dòng)焊接系統(tǒng)如美 國(guó)的c r c 荷蘭的v e r m a t 法國(guó)的s e r i m e 等 1 9 7 1 年t o n yr i c h a r d s o n 設(shè)計(jì)出首臺(tái)針對(duì) c r c 系統(tǒng)自動(dòng)焊縫的超聲檢測(cè)系統(tǒng) 2 0 世紀(jì)8 0 年代中期 聚焦探頭 數(shù)字化超聲波探 傷儀等方面迅速發(fā)展 提高了信噪比 并且e c a e n g i n e e r i n gc r i t i a l a s s e s s m e n t 一一種把 超聲結(jié)果和裂紋力學(xué)性能聯(lián)系起來(lái)的觀(guān)點(diǎn)得到重視 這種在管道對(duì)接焊縫自動(dòng)超聲檢測(cè) 中把焊縫分成數(shù)個(gè)區(qū)域的觀(guān)念 不僅可以給出裂紋的尺寸 而且便于在計(jì)算機(jī)顯示中識(shí) 別不同的區(qū)域 s g s 公司e h g o t t f e l d 和h e i n e 德國(guó) 兩人于1 9 9 2 年承接開(kāi)發(fā)的m i p a m u l t i p l e i m m e r s i o np r o b ea r r a y 是一種典型的快速自動(dòng)檢測(cè)手工或自動(dòng)焊接的管道對(duì)接焊縫自動(dòng) 超聲檢測(cè)系統(tǒng)l l 引 m i p a 采用了水浸探頭消除了與被檢管道相關(guān)的難題 特殊設(shè)計(jì)的探 頭夾持器有效減小了管道表面狀態(tài)對(duì)入射角的影響 從而增強(qiáng)了檢測(cè)薄壁管道時(shí)的 近 2 1 緒論 區(qū) 限制 加拿人足現(xiàn)今1 廿界卜使用自動(dòng)超聲檢測(cè)控制管道焊縫建設(shè)質(zhì)昆較成熟的國(guó)家 7j 加 拿人2 0 世紀(jì)8 年代就在管道工 譬建設(shè)中廣泛使用超聲無(wú)損槍測(cè)方法 并且已經(jīng)把自動(dòng) 超聲檢測(cè)作為射線(xiàn)檢測(cè)替代方法使用 1 9 9 3 年 t r a n sc a n a d ap i p e l i n e sl t d t c p l 一力 拿大最大的管道公刊 把臼動(dòng)超聲檢測(cè)作為主要的無(wú)損檢測(cè)方法用于管道建設(shè)中的自動(dòng) 焊縫檢測(cè) 利用t o f d t i m eo ff l i g h td i f f r a c t i o n 技術(shù) 系統(tǒng)的檢測(cè)精度可以達(dá)到0 1 m m 0 2m m 同年 t c p l 針劉 管道對(duì)接焊縫的檢測(cè)制定了千h 天的食業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 住t c p l 的推動(dòng)卜 超盧檢測(cè)系統(tǒng)的i j 靠性 檢測(cè)速度和系統(tǒng)的評(píng)價(jià)能力得到了很大提高 1 9 9 7 年 改進(jìn)的t c p l 檢測(cè)系統(tǒng)用于大口徑管道手i 對(duì)接焊縫的檢測(cè) 進(jìn)入2 0f u 紀(jì)9 0 年代 j 動(dòng)超聲榆測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)聯(lián)系更加緊密 各種智能檢測(cè)機(jī) 器人不斷涌現(xiàn) 形成了機(jī)器人檢測(cè)的新時(shí)代及工程檢測(cè)機(jī)器人的系列化與商業(yè)市場(chǎng) 1 8 j 1 9 1 1 2 圳 二j 本東京煤氣公司的蜘蛛型機(jī)器人 移動(dòng)速度約6 0 m h 重約l4 0 k g 采用16 i 超聲探頭可以塒運(yùn)jj 二狀態(tài)卜 的球罐上仟意點(diǎn)半標(biāo)位置進(jìn)行掃描 1 2 國(guó)內(nèi)外焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置的發(fā)展動(dòng)態(tài) 聞內(nèi)外已經(jīng)丌發(fā)出各種焊接檢測(cè)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境l 實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng) 自動(dòng)定 位 i f 艮蹤焊縫等智能化功能 1 2 1 國(guó)外焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置的發(fā)展動(dòng)態(tài) f l 侄2 0 世紀(jì)6 0 年代 管道超聲檢測(cè)技術(shù)主要用于在工廠(chǎng)對(duì)管道長(zhǎng)焊縫或蝶旋焊縫 進(jìn)行檢測(cè) 檢測(cè)力 式也不只局限于a 掃描 b 掃描 cj 1 描以及混合 j 描的檢測(cè)方式也 相繼出現(xiàn) 荷蘭的r t d b v 作為應(yīng)用超聲白動(dòng)檢測(cè)管道環(huán)焊縫的先驅(qū) 研制成功用j i 管 道行業(yè)的r o t o s c a n 檢測(cè)系統(tǒng) 爬行器 但其尢法避免自身的相互干涉 1 川 1 9 6 6 年同本 大阪府立大學(xué)i 學(xué)部任講師的西亮 就利用電風(fēng)扇進(jìn)7e 側(cè)低壓窄氣產(chǎn) 上的負(fù)壓作為吸附 力制作了一臺(tái)垂直擘面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī) 一一 j 羔 2 1 1 此后的幾十年單 爬蹙機(jī)器人技術(shù)在世界范 多 爸 磐 j 一7 i 圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展 例如 同本成用技術(shù)研究 q 70 辮了 成文7 所研制出了車(chē)輪式吸附爬壁機(jī)器人 如圖1 2 所 度二 曩群寫(xiě) 7 i 卜 示 它可以吸附在各種大型構(gòu)件物壁面 代替人8 i 杖 進(jìn)行檢查或修理等作業(yè) 22 1 月 麥f o r c e 研究所研臻防5 i 1 婷 制了一系列輕便機(jī)器人 該機(jī)器人凈重1 0 k g 采 一 一 一 用磁吸附式與預(yù)置磁條跟蹤方式可檢測(cè)各類(lèi)大型 圖i 2 車(chē)輪式磁吸附爬墻機(jī)器人 儲(chǔ)罐與船體焊縫 2 1l 加拿大是世界上應(yīng)用自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)來(lái)控制管道鋪設(shè)過(guò)程中 焊縫質(zhì)量比較成熟的幽烈陽(yáng)j 加拿大2 0l t j f g8 0 年代就在管道鋪設(shè)1 程中廣泛使用超聲 3 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 檢測(cè)方法 并且已經(jīng)把自動(dòng)超聲檢測(cè)作為射線(xiàn)檢測(cè)的替代方法使用 國(guó)外對(duì)管道焊縫檢 測(cè)研究多年 技術(shù)較成熟 并已經(jīng)有系列產(chǎn)品出售 日本n k k 公司研制的機(jī)器人借助 管道內(nèi)液體推力f i 進(jìn) 可以測(cè)量輸油管道腐蝕狀況 其檢測(cè)精度小于l m m 丹麥f o r c e 研究所的爬壁機(jī)器人 重約l o k g 采用磁吸附與預(yù)置磁條跟蹤方式可檢測(cè)各類(lèi)大型儲(chǔ)管 與船體 2 0 0 0 年w c n d t 會(huì)議上展示的意大利航空公司的超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置更是采用了 c a d 或c a t i a 計(jì)算機(jī)增強(qiáng)的三維交互作用設(shè)計(jì) 技術(shù) 掃描裝置是計(jì)算機(jī)控制的五維 操縱器 可以將換能器置于任意形狀結(jié)構(gòu)需要探測(cè)的位置 2 3 2 4 典型的環(huán)焊縫檢測(cè)設(shè)備 如法國(guó)i n t e r c o n t r o l l 公司的m i s 機(jī) 美國(guó)p a c i f i cg a sa n de l a s t i c 公司的輕便機(jī)以及加拿 大r d t e c h 公司的多通道 聲聚焦 分區(qū)掃查的全自動(dòng)超聲波檢測(cè)系統(tǒng) 但是國(guó)外設(shè)備 價(jià)格昂貴 技術(shù)保密 使得售后服務(wù)問(wèn)題難以得到及時(shí)有效的解決 2 3 1 2 2 國(guó)內(nèi)焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置的發(fā)展動(dòng)態(tài) 在自動(dòng)超聲檢測(cè)方法方面 目前 國(guó)內(nèi)工礦企業(yè)及研究單位普遍采用的焊縫超聲檢 測(cè)方法實(shí)際上大多停留在超聲探傷階段 人們只利用了超聲波形數(shù)據(jù)中的一小部分 然 后人為判斷缺陷的性質(zhì) 大小等 這種檢測(cè)和分析的結(jié)果容易因檢測(cè)人員自身理論分析 水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不同而產(chǎn)生差異 且檢測(cè)效率低 可靠性難以保證 25 在國(guó)內(nèi) 實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的自動(dòng)檢測(cè)裝置主要是 射線(xiàn)類(lèi)管道爬行器 如中國(guó)石油天然氣管道第一公 司1 9 9 7 年研制成功的首臺(tái)y 射線(xiàn)管道內(nèi)爬行器 并 已通過(guò)局級(jí)鑒定 達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平 并在此基o 一 礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)研制了x 射線(xiàn)管道爬行裂2 6 盤(pán)錦北方無(wú) j 7 損檢測(cè)公司首家獨(dú)立研制成功y x 射線(xiàn)兩用管道 鼉 爬行器 填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白 并且首次將國(guó)產(chǎn)x 射線(xiàn)管 i 道爬行器推向國(guó)外 完全取代了進(jìn)口產(chǎn)品 北方交 通大學(xué)研制的球罐焊縫超聲檢測(cè)自動(dòng)爬行器及 n y l 0 2 便攜式超聲波p 掃描成像系統(tǒng)提高了對(duì)缺陷 定位定量的精度 且有利于定性分析叨 1 9 8 8 年 圖1 3 管道超聲檢測(cè)掃查器 哈爾濱工業(yè)大學(xué)率先從事爬壁機(jī)器人的研究 2 8 1 到目前上海交通大學(xué) 清華大學(xué)精密儀 器系機(jī)器人及其自動(dòng)化研究室 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)機(jī)械系 上海大學(xué) 重慶 大學(xué) 南昌大學(xué) 長(zhǎng)春光電學(xué)院等科研院所致力于相關(guān)方面的研究 并已取得豐碩的成 果 但投入使用中的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品還很少 大部分企業(yè)單位檢測(cè)裝置還是依靠進(jìn)口 如圖1 3 所示 它將內(nèi)齒板拼接成一個(gè)大的內(nèi)齒輪固定在管道上 掃查器主機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)在管 道的圓周上移動(dòng) 這種固定和移動(dòng)方式可以很好的滿(mǎn)足精度要求 但是能檢測(cè)的管徑范 圍很小 裝卸時(shí)間長(zhǎng) 為了提高掃查裝置的適用性 研制使用方便適應(yīng)性廣的掃查器勢(shì) 4 1 緒論 在必行 2 自1 9 9 9 年1 2 月起 管道科學(xué)研究院等單位申請(qǐng)了 大i s i 徑環(huán)焊縫相控陣超 聲波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備研制 科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目 并于2 0 0 3 年通過(guò)了鑒定 該設(shè)備達(dá)到了國(guó)外 同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)水平 2 9 在西氣東輸管道工程中 工作人員在短短2 個(gè)月內(nèi)掌握了國(guó)際 上最先進(jìn) 國(guó)內(nèi)空白的全自動(dòng)超聲波檢測(cè) a u t 技術(shù) 開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)管道工程史上的先 例 砌 1 3 超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用增多是由超聲檢測(cè)諸多優(yōu)點(diǎn)及超聲自動(dòng)檢 測(cè)相關(guān)技術(shù)日益成熟決定的 常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法中只有射線(xiàn)和超聲檢測(cè)方法適合于整體 缺陷的檢測(cè) 同時(shí)超聲檢測(cè)對(duì)裂紋的檢出靈敏度比射線(xiàn)檢測(cè)高的多 1 8 圖1 4 為射線(xiàn)與 超聲兩種無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)裂紋時(shí)的 缺陷檢出率對(duì)比 對(duì)于焊縫中的危險(xiǎn) 缺陷一裂紋 未焊透 尤其是微裂紋 黎 和輕微未焊透 用超聲波探傷比其他 褥 幾種常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法更容易 而且 基 超聲波儀器簡(jiǎn)單 檢查速度快 因此 囂 近年來(lái)為各國(guó)所廣泛采用 6 超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用 最廣泛 使用頻率最高且發(fā)展較快的 垂 一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù) 有關(guān)資料表明 國(guó)外每年大約發(fā)表3 0 0 0 篇涉及無(wú)損 襞絞疑緩 糯 圖1 4 射線(xiàn)與超盧檢測(cè)裂紋檢出率的對(duì)比 檢測(cè)的文獻(xiàn)資料 全部文獻(xiàn)資料中有關(guān)超聲無(wú)損檢測(cè)的內(nèi)容約占4 5 2 0 0 0 年1 0 月在 羅馬召開(kāi)的第十五屆世界無(wú)損檢測(cè)會(huì)議 w c n d t 收錄的6 6 3 篇論文中 超聲檢測(cè)就占 2 5 0 篇 2 3 1 近年來(lái) 隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)為具體體現(xiàn)的信息技術(shù)的突飛猛進(jìn) 為超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn) 一步發(fā)展提供了廣闊的空間 在超聲檢測(cè)研究與應(yīng)用方面有如下趨向 1 向高準(zhǔn)確度 高可靠性方向發(fā)展 3 1 3 2 j 2 0 世紀(jì)7 0 年代以來(lái) 超聲檢測(cè)的數(shù) 字化 自動(dòng)化 智能化和圖像化成為超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn) 近年來(lái) 隨著超聲 傳感器技術(shù) 電子技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)進(jìn) 入到以計(jì)算機(jī)控制為主的信息加工時(shí)代 表現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程的監(jiān) 督 如對(duì)軋鋼的生產(chǎn)線(xiàn)的監(jiān)控 對(duì)涂有各種厚度的防腐材料和保溫層的工程檢測(cè)技術(shù) 能自動(dòng)掃描 自動(dòng)定位與跟蹤檢測(cè)對(duì)象的各種檢測(cè)機(jī)器人 對(duì)人工智能技術(shù) 如模式識(shí) 別 專(zhuān)家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 及計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在缺陷自動(dòng)識(shí)別中的應(yīng)用的深 入研究等 國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)己逐步從n d i 和n d t 向n d e 過(guò)渡 超 5 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 聲無(wú)損探傷 n d i 是初級(jí)階段 它的作用僅僅是在不損害零部件的前提下 發(fā)現(xiàn)其人眼 不可見(jiàn)的內(nèi)部缺陷 以滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度要求 超聲無(wú)損評(píng)價(jià) n d e 是超聲檢測(cè)發(fā) 展的最高境界 不但要探測(cè)缺陷的有無(wú) 還要給出材質(zhì)的定量評(píng)價(jià) 也包括對(duì)材料和缺 陷的物理和力學(xué)性能的檢測(cè)及其評(píng)價(jià) 2 超聲成像技術(shù) 3 3 1 3 4 在現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中 是一種令人矚目的新技術(shù) 超 聲圖像可以提供直觀(guān)和大量的信息 直接反映物體的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 有著非常廣闊的 發(fā)展前景 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 圖像重建技術(shù) 自動(dòng)化和智能化技術(shù)以及超聲成像系統(tǒng)的性 能價(jià)格比等發(fā)展直接影響超聲檢測(cè)圖像化的進(jìn)程 現(xiàn)代超聲成像技術(shù)大多有自動(dòng)化和智 能化的特點(diǎn) 因而有許多優(yōu)點(diǎn) 如檢測(cè)的一致性好 可靠性 重現(xiàn)性高 存儲(chǔ)的檢測(cè)結(jié) 果可隨時(shí)調(diào)用 并可以對(duì)歷次檢測(cè)的結(jié)果自動(dòng)比較 以對(duì)缺陷做動(dòng)態(tài)檢測(cè)等 總之 超 聲成像技術(shù)克服了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)不直觀(guān) 判傷難 無(wú)記錄的缺陷 減少了檢測(cè)中人為干 擾 有效地提高無(wú)損檢測(cè)的可靠性 是定量無(wú)損檢測(cè)的重要工具 目前已經(jīng)使用和正在開(kāi)發(fā)的成像技術(shù)包括 超聲b 掃描成像 超聲c 掃描成像 超聲d 掃描成像 a l o k 德文 振幅一傳播時(shí)間一位置曲線(xiàn) 的縮寫(xiě) 成像 s a f t 合 成孔徑聚焦 成像 p 掃描成像 超聲全息成像 超聲c t 成像等技術(shù) 3 超聲檢測(cè)儀器的應(yīng)用與發(fā)展 35 超聲檢測(cè)儀器性能直接影響超聲檢測(cè)的可靠性 其發(fā)展與電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展是息息相關(guān)的 計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 一方面提高了 設(shè)備的抗干擾能力 另一方面利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算功能 實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷信號(hào)的定量 自動(dòng) 讀數(shù) 自動(dòng)識(shí)別 自動(dòng)補(bǔ)償和報(bào)警 2 0 世紀(jì)8 0 年代 新一代的超聲檢測(cè)儀器一數(shù)字化 智能化超聲儀問(wèn)世 標(biāo)志著超聲檢測(cè)儀器進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代 超聲無(wú)損檢測(cè)儀器將向數(shù) 字化 智能化 圖像化 小型化和多功能化發(fā)展 在第十三 十四屆世界無(wú)損檢測(cè)會(huì)議 儀器展覽會(huì) 1 9 9 6 年中國(guó)國(guó)際質(zhì)量控制技術(shù)與測(cè)試儀器展覽會(huì) 1 9 9 7 年同木無(wú)損檢測(cè) 展覽會(huì)等大型國(guó)際會(huì)議會(huì)展中 數(shù)字化 智能化 圖像化超聲儀最引人注目 其中以德 國(guó)k r a u t r a m e r 公司 美國(guó)p a n a m e t r i c s 公司 丹麥f o r c ei n s t i t u t e s 公司與美國(guó)p a c 公司 的產(chǎn)品最具代表性 顯示了當(dāng)今世界無(wú)損檢測(cè)儀器的發(fā)展趨勢(shì) 另外提高超聲檢測(cè)中對(duì) 缺陷的定位 定量和定性的可靠性也是超聲檢測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化 智能化急待解決的關(guān) 鍵技術(shù)問(wèn)題 電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為研制高度智能化的無(wú)損檢測(cè)儀器奠定了良好 基礎(chǔ) 未來(lái)的超聲檢測(cè)儀器應(yīng)具有以下特征 1 檢測(cè)智能化與缺陷信號(hào)圖像化 未來(lái)的超聲檢測(cè)儀器應(yīng)該是高度智能化的 且檢測(cè)結(jié)果可用圖像直觀(guān)顯示 具有良好的用戶(hù)界面 能開(kāi)機(jī)后自檢 可以菜單設(shè)定儀 器測(cè)試參數(shù) 探傷工藝 并可與別的處理機(jī)進(jìn)行通訊 對(duì)超聲信號(hào)數(shù)字化后 進(jìn)行數(shù)據(jù) 的后繼處理 如成像 分析 評(píng)價(jià)等 對(duì)采集的數(shù)據(jù)可以以波形或多種圖像方式顯示 2 模塊化和插卡化 研制各種超聲檢測(cè)卡 借助高速 高容量計(jì)算機(jī) 無(wú)損檢 6 1 緒論 測(cè)儀器的研制變得十分容易 3 數(shù)據(jù)庫(kù)和自動(dòng)識(shí)別功能 未來(lái)超聲儀器最重要的進(jìn)步是對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行自動(dòng) 識(shí)別以及自動(dòng)評(píng)價(jià)的功能 故要有比較完備的數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家評(píng)判系統(tǒng) 4 自動(dòng)化和機(jī)器人化 它將具有高的檢測(cè)效率 可在惡劣的工作條件下完成檢 測(cè)任務(wù) 1 4 本課題研究的意義和內(nèi)容 1 4 1 研究的意義 國(guó)內(nèi)管道的各種智能超聲波檢測(cè)機(jī)器人仍處于研究中 成熟的產(chǎn)品尚未開(kāi)發(fā)出來(lái) 盡管某些科研單位研制出了幾種功能樣機(jī) 還不能滿(mǎn)足工程檢測(cè)的實(shí)際需求 而國(guó)外同 類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格相當(dāng)昂貴 并對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖 因此 國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對(duì)管道超聲波檢測(cè) 機(jī)器人加大研究力度 研制開(kāi)發(fā)出自己的超聲波智能檢測(cè)機(jī)器人才是唯一出路幽j 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 電子技術(shù)的發(fā)展 數(shù)字化的超聲檢測(cè)儀器得到了長(zhǎng)足的發(fā)展 改變 了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的諸多不足 以計(jì)算機(jī)軟硬件為基礎(chǔ)發(fā)展的虛擬儀器技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了儀器 技術(shù)的突破性變化 3 酬 隨著對(duì)檢測(cè)性能要求的逐步提高 目前在國(guó)內(nèi)小型數(shù)字化檢測(cè)設(shè) 備尚不成熟的形式下 許多設(shè)備都從國(guó)外進(jìn)口 設(shè)備價(jià)格昂貴 即使國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)自己的 檢測(cè)設(shè)備 功能也非常單一 設(shè)備之間的數(shù)據(jù)無(wú)法共享 3 7 j 而虛擬儀器技術(shù)是建立在微 電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 軟件技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 電子測(cè)量技術(shù)等基礎(chǔ)上1 3 引的自動(dòng)測(cè)試技 術(shù) 具有功能化 模塊化 數(shù)據(jù)共享 體積小等優(yōu)點(diǎn) 使得軟件部分代替了傳統(tǒng)意義上 的儀器功能 實(shí)現(xiàn)了儀器的可視化 柔性化 人性化 大大提高了儀器的性能價(jià)格比 檢測(cè)精度和可靠性 3 9 1 綜上所述 開(kāi)發(fā)一套基于虛擬儀器技術(shù)管道對(duì)接焊縫自動(dòng)超聲檢 測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)具有重大的意義 1 4 2 主要研究?jī)?nèi)容 本課題以長(zhǎng)距離輸送管道對(duì)接焊縫為檢測(cè)對(duì)象 在實(shí)驗(yàn)室已有的管道對(duì)接焊縫自動(dòng) 檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上 研制基于p c 的管道自動(dòng)超聲檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng) 主要完成如下工作 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)對(duì)管道超聲檢測(cè)條件的分析和確定 確定系統(tǒng)總體 方案 2 已有檢測(cè)機(jī)械裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)并加工 對(duì)爬行驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)改進(jìn)以實(shí) 現(xiàn)檢測(cè)機(jī)器人可以沿管道作圓周方向運(yùn)動(dòng) 對(duì)掃描驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)探頭軸 向掃描的功能 設(shè)計(jì)浮動(dòng)探頭夾持器 以實(shí)現(xiàn)探頭與管道的自適應(yīng)耦合 3 機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)電控制部分 完成機(jī)器人的控制 滿(mǎn)足控 制精度 實(shí)現(xiàn)對(duì)管道對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)的自動(dòng)化 智能化 為缺陷超聲信號(hào)的圖像 7 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 化奠定基礎(chǔ) 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā)基于t c p i p 協(xié)議的超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)與數(shù)字 探傷儀的網(wǎng)絡(luò)通訊 采集超聲探傷回波信號(hào) 5 系統(tǒng)軟件包設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā)基于虛擬儀器的管道對(duì)接焊縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件 實(shí) 現(xiàn)超聲自動(dòng)掃描和數(shù)字化成像 對(duì)超聲檢測(cè)的a b 掃描控制 超聲缺陷信號(hào)圖像顯示 采集超聲信號(hào)的去噪處理 超聲圖像 數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以及探傷報(bào)告生成與輸出等功能 6 試驗(yàn)與分析 對(duì)人工缺陷進(jìn)行檢測(cè) 建立橫波檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型 對(duì)缺陷進(jìn)行 定位分析 8 2 管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)機(jī)器總體設(shè)計(jì) 2 管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 2 1 引言 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的確定是構(gòu)建超聲檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵 管道對(duì)接焊縫超聲檢 測(cè)機(jī)器人受超聲探傷儀 超聲探頭 耦合劑類(lèi)型 工件表面質(zhì)量 缺陷自身特性 管道 檢測(cè)設(shè)備 缺陷回波信號(hào)采集與處理設(shè)備以及軟件環(huán)境等多方面因素影響 本章簡(jiǎn)要分 析各方面影響因素 確定系統(tǒng)總體方案 構(gòu)建檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2 2 焊縫超聲檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析 3 9 4 0 選擇不同的超聲檢測(cè)方法 儀器和探頭對(duì)管道超聲檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)性能的影響不 同 對(duì)管道超聲檢測(cè)機(jī)器人功能以及檢測(cè)速度的要求不同 下面主要對(duì)影響管道焊縫超 聲檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的條件進(jìn)行分析 2 2 1 脈沖反射法 脈沖反射法是根據(jù)缺陷及底面反射信號(hào)的有無(wú) 反射信號(hào)幅度的高低及其反射訊號(hào) 在熒光屏上的位置來(lái)判斷有無(wú)缺陷 缺陷大小以及缺陷的深度 是目前運(yùn)用最廣泛的一 種超聲波探傷法 采用脈沖發(fā)射法超聲波探傷原理 脈沖波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻脈沖 發(fā)射波 加在 探頭和放大器上 激勵(lì)壓電晶片振動(dòng) 使之產(chǎn)生超聲波 超聲波以一定的速度向工件內(nèi) 部傳播 一部分聲波遇到缺陷 f 時(shí)反射回來(lái) 另一部分聲波繼續(xù)傳至工件底面 b 后 也反射回來(lái) 由缺陷和底面反射回來(lái)的聲波被探頭接收時(shí) 又變成電脈沖波 發(fā)射 波 t 缺陷波 f 及底波 b 經(jīng)放大后 在熒光屏上顯示 熒光屏上的水平亮線(xiàn) 為掃描線(xiàn) 時(shí)間基線(xiàn) 其長(zhǎng)度與時(shí)間成正比 由發(fā)射波 缺陷波及底波在掃描線(xiàn)上的 位置 即可求出缺陷的位置 如圖 2 1 所示 圖2 1 脈沖反射法的原理示意圖 9 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 這種方法可分為直接接觸縱波脈沖反射法和斜角探傷兩大類(lèi) 如圖 2 2 所示 縱 波探傷主要能發(fā)現(xiàn)和探測(cè)面平行或較大的稍有傾斜的缺陷 而難于發(fā)現(xiàn)垂直探測(cè)面或相 對(duì)探測(cè)面斜度較大的缺陷 橫波探傷對(duì)這類(lèi)缺陷比較敏感 特別是檢查類(lèi)似于表面張口 的裂紋缺陷 此外 縱波要求工件有規(guī)則的幾何形狀 橫波探傷在這方面就要求低些 對(duì)管道對(duì)接焊縫 鋼結(jié)構(gòu)件焊縫等都采用橫波探傷 a 直接接觸縱波一次脈沖反射法 斜探頭 b 直接接觸縱波多次脈沖反射法 斜探頭 c 單斜探頭法 d 雙斜探頭法 e 雙斜探頭法 圖2 2 脈沖反射探傷方法 2 2 2 焊縫的斜角探傷 焊縫探傷中 由于焊縫加強(qiáng)高的影響及焊縫中存在的缺陷往往是與探測(cè)面形成一定 角度或垂直 所以在一般情況下采用超聲波傾斜入射到工件內(nèi)部的斜角探傷法 1 斜角探傷各參數(shù)之間的關(guān)系為了正確調(diào)整探傷儀中的時(shí)間掃描線(xiàn)和確定缺陷 位置 需要了解斜角探傷時(shí)各參數(shù)之間的關(guān)系 斜角探傷原理示意圖見(jiàn)圖2 3 其中萬(wàn) 為板厚 夕為斜探頭折射角 聲束軸線(xiàn)與探測(cè)面法線(xiàn)的夾角 聲程為舅探頭入射點(diǎn)p 到板厚6 的水平距離為尸 在直角a a o b 中 a b 萬(wàn) a o s b o p o 探頭的k 值為 k i t g p 去 1 0 2 1 2 管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)機(jī)器總體設(shè)計(jì) 根據(jù)三角函數(shù)得出其它常用的三角關(guān)系式 p s s i n f l 萬(wàn) s c o s f l s 萬(wàn) 而 j l c 0 s8 2 p 2 8 t g 2 6 k 2 2 2 3 2 4 2 5 圖2 3 斜角探傷原理示意圖 2 橫波探傷由于焊縫表面凹凸不平以及焊縫中危害性缺陷 如 氣孔 夾渣 未溶合 未焊透和裂紋等 多與焊縫表面垂直 故超聲波探測(cè)時(shí) 主要采用傾斜入射的 橫波探傷 為了在試件中獲得單一的橫波波型 要求縱波的入射角必須在第一臨界角和 第二臨界角之間 如果透聲斜楔采用有機(jī)玻璃制作 縱波聲速為2 7 3 0 m s 被檢試件為 鋼 縱波聲速為5 9 0 0 m s 橫波聲速為3 2 3 0 m s 則第一臨界角為口 2 7 6 0 口 5 7 7 0 實(shí)用的折射角范圍在3 8 8 0 之間 利用這種方式產(chǎn)生和接收橫波的探頭長(zhǎng)稱(chēng)為 斜探 頭 因此 橫波檢測(cè)也稱(chēng)斜角檢測(cè) 3 對(duì)接焊縫探傷為保證焊縫質(zhì)量 選擇探傷方法應(yīng)考慮使整個(gè)焊縫斷面都能得 到聲束的掃查 探測(cè)對(duì)接焊縫中的缺陷時(shí) 應(yīng)注意探頭的移動(dòng)方式和方向 探測(cè)縱向缺 陷時(shí) 探頭的方向基本上應(yīng)與焊縫軸線(xiàn)垂直 探測(cè)橫向缺陷時(shí) 探頭方向應(yīng)與焊縫軸線(xiàn) 成一角度 如圖2 4 所示 探測(cè)縱向缺陷時(shí) 探頭在離焊縫中心線(xiàn)半跨距 p 2 處可發(fā)現(xiàn)焊縫根部的缺陷 探頭自p 2 向焊縫方向移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的方法 稱(chēng)為一次反射法 見(jiàn)圖2 5 一次發(fā)射法 只能探測(cè)焊縫下半部的缺陷 探頭在一個(gè)跨距 p 處探測(cè)時(shí) 可發(fā)現(xiàn)焊縫頂部 上半 部 的缺陷 探頭在p 2 p 的范圍內(nèi)移動(dòng)探測(cè)時(shí) 可發(fā)現(xiàn)焊縫整個(gè)斷面上的缺陷 如 圖2 6 所示 這種方法稱(chēng)二次反射法 橫波探傷的波次一般用一 二次為好 以減少聲 束的折轉(zhuǎn)次數(shù) 從而減少因表面粗糙造成的聲能損失 按照g b l1 3 4 5 1 9 8 9 的推薦 為 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 了發(fā)現(xiàn)縱向缺陷 一般應(yīng)按表2 1 選擇探測(cè)面 探傷方法和探頭折射角 焊縫橫向裂紋縱向裂紋超 乞 吵已 一 彳 一 2 5 5 0 7 0 或6 0 k 2 5 k 2 0 k 1 5 單面雙側(cè)或雙面單 發(fā)射法 側(cè)4 5 或6 0 4 5 和6 0 4 5 和7 0 5 0 并用 k 1 或k l 5 k l 和k 1 5 k 1 和k 2 1 0 0 直射法 并用 1 0 0 雙面雙側(cè)4 5 和6 0 并用 k 1 和k 1 5 或k 2 并用 和中厚板對(duì)接焊縫的探傷 本系統(tǒng)要探傷的對(duì)象為1 0f i l m 厚的管道對(duì)接焊縫 屬于薄板 探傷 故準(zhǔn)備采用單探頭法 2 2 3 斜探頭掃查方式 采用不同的探頭移動(dòng)方式 是為了發(fā)現(xiàn)焊縫中的缺陷和對(duì)缺陷的定性 定量 斜探 頭掃查方式分類(lèi)如圖2 8 所示 其中左右和前后掃查同時(shí)進(jìn)行是為了查同時(shí)進(jìn)行是為了 檢查有無(wú)缺陷 左右掃查是為了推斷缺陷的長(zhǎng)度 轉(zhuǎn)角和環(huán)繞掃查主要用于進(jìn)行是為了 廣鋸齒形掃查 卜轉(zhuǎn)角掃查 篡p 舶搪 獺鼢查 孥ll 坂務(wù)老努善 鏨 特殊掃查1 糕至爵翥查 方 i廠(chǎng)串列式掃杏 式l 雙探頭掃查士瓣查 l v 型掃查 檢查有無(wú)缺陷 左右掃查是為了推斷缺陷的長(zhǎng)度 轉(zhuǎn)角和環(huán)繞掃查主要用于推斷缺陷的 形狀 矩形掃查多用于自動(dòng)化 半自動(dòng)或在無(wú)法分辨真假反射波時(shí) 鋸齒形掃查是焊縫 1 3 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 探傷中經(jīng)常使用的一種探頭移動(dòng)方式 以鋸齒形往復(fù)移動(dòng) 每次前進(jìn)的齒距寬度不得超 過(guò)晶片寬度 此外 為了防止缺陷漏檢 還采用兩種以上的斜角探頭從多方向來(lái)掃查 采用單面 雙側(cè)還是采用雙面雙側(cè)的掃查 視焊縫的鋼板厚度而定 實(shí)際探測(cè)時(shí) 探頭 沿焊縫作鋸齒形或矩形方式移動(dòng) 當(dāng)探頭垂直于焊縫作前后移動(dòng)的同時(shí) 應(yīng)作小角度擺 動(dòng) 約 l o 左右 以發(fā)現(xiàn)各種形狀和位置的缺陷 2 2 4 探頭移動(dòng)區(qū)域 試件表面狀況好壞 直接影響檢測(cè)結(jié)果 所以應(yīng)清除焊接試件表面飛濺物 氧化皮 凹坑及銹蝕等 焊縫兩側(cè)檢測(cè)面的修整寬度應(yīng)至少等于探頭的移動(dòng)區(qū) 可根據(jù)母材厚度 所用探頭的k 值 或折射角 和探頭的尺寸 a 確定 如圖2 9 所示 b 圖2 9 檢測(cè)面修磨寬度的確定 以l 表示跨距 則 l 2 8 t a n 2 d k z 厶 2 6 式中k 探頭的k 值 萬(wàn) 試件厚度 折射角 通常要求探頭移動(dòng)區(qū)b 么 對(duì)于一次波法檢測(cè) o 5 l l o l o