六軸水浸式超聲C掃描自動(dòng)成像系統(tǒng)的研制

丁旭升，陳坤裕

（廣東汕頭超聲電子股份有限公司，廣東汕頭 515041）

六軸水浸式超聲C掃描自動(dòng)成像系統(tǒng)的研制

丁旭升，陳坤裕

（廣東汕頭超聲電子股份有限公司，廣東汕頭 515041）

研制了一種具有六個(gè)自由度的水浸超聲C掃自動(dòng)成像系統(tǒng)，可以對(duì)平面、圓柱體、復(fù)雜曲面零件進(jìn)行檢測(cè)。采用IPC作為運(yùn)動(dòng)控制的核心處理部分，運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制細(xì)節(jié)，并以C++Builder為工具，開發(fā)了具有開放式、通用式、靈活式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，檢測(cè)的精度高，可重復(fù)性好。

超聲C掃描；水浸式；六軸；自動(dòng)成像

0 引言

過去十年，圖像化超聲檢測(cè)已經(jīng)成為超聲檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)的圖像化超聲發(fā)展落后于國(guó)外若干年，近年來隨著自動(dòng)化非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備行業(yè)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化行業(yè)與超聲檢測(cè)的結(jié)合越來越緊密。自動(dòng)化的超聲檢測(cè)系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)圖像化超聲檢測(cè)的必備途徑。超聲波C掃描技術(shù)是對(duì)超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行C型顯示。超聲波C掃描檢測(cè)能夠給出圖像化的檢測(cè)結(jié)果，能直觀顯示被檢測(cè)工件的某一深度范圍內(nèi)的缺陷信息，缺陷的定量、定性、定位更加準(zhǔn)確，減少了人為因素的影響[1]。

目前，外資公司占據(jù)了國(guó)內(nèi)超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)高端市場(chǎng)主要份額。外資公司的產(chǎn)品以中型和大型設(shè)備為主，硬件設(shè)備性能優(yōu)良，軟件功能強(qiáng)大，但是系統(tǒng)的售價(jià)很高，維修成本高，維修周期較長(zhǎng)[2]。對(duì)此，本文通過對(duì)超聲C掃描系統(tǒng)工作原理的研究，成功研制出一套高精度、高質(zhì)量、高分辨力的用于水浸超聲波檢測(cè)的六自由度自動(dòng)C掃描成像系統(tǒng)，其成本只有進(jìn)口設(shè)備的五分之一。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，并且檢測(cè)的精度高，具有良好的可重復(fù)性以及對(duì)外形復(fù)雜工件的良好適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)的原理及構(gòu)成

六自由度超聲C掃描自動(dòng)成像系統(tǒng)是為了自動(dòng)檢測(cè)平面、弧面和復(fù)雜曲面的零部件內(nèi)部缺陷而設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)由六自由度機(jī)械掃描裝置、CTS-04PC型超聲探傷卡、IPC工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元、計(jì)算機(jī)軟件和系統(tǒng)控制柜等組成，如圖1所示。

檢測(cè)方法是：首先將被檢測(cè)零件的表面特征信息輸入控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行編譯處理，然后輸出控制信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制卡，接著運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元，控制伺服電機(jī)或是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械掃描裝置帶動(dòng)探頭沿著與被檢測(cè)零件表面法線相平行的方向進(jìn)行掃描。同時(shí)CTS-04PC型超聲探傷卡發(fā)射高頻脈沖信號(hào)給超聲探頭，接收超聲探頭的回波信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后把得到的數(shù)據(jù)反饋給IPC工控機(jī)，由IPC工控機(jī)軟件進(jìn)行處理和成像。伺服電機(jī)(或是步進(jìn)電機(jī))再通過絲桿（或是蝸桿、齒輪）帶動(dòng)探頭向下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)移動(dòng)。此外，外觸發(fā)信號(hào)是由運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)電機(jī)編碼器的位置反饋輸出CMP信號(hào)進(jìn)行同步，使得采集數(shù)據(jù)和實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)[3]。

圖1 水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

2 機(jī)械掃描裝置的研制

機(jī)械掃描裝置的作用是帶動(dòng)探頭沿著被檢測(cè)零件表面運(yùn)動(dòng)，為了保證在檢測(cè)過程中探頭方向始終與零件上被檢測(cè)點(diǎn)的法線重合[4]，設(shè)計(jì)了六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，三個(gè)移動(dòng)自由度控制探頭運(yùn)動(dòng)的空間位置，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度控制探頭旋轉(zhuǎn)方向，一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度控制滾筒旋轉(zhuǎn)方向。機(jī)械掃描裝置主要由三坐標(biāo)龍門系統(tǒng)模塊、探頭部件、滾輪部件、工作臺(tái)、透明水槽及鋁框架等組成，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)掃描機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)x、y、z三個(gè)方向的單獨(dú)或是組合步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)形式采用螺桿式傳動(dòng)集成模塊直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即采用滾珠螺母（滑座）移動(dòng)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再加兩側(cè)直線導(dǎo)軌來支撐導(dǎo)向的運(yùn)行方式，伺服電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器相連。直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用三坐標(biāo)龍門系統(tǒng)模塊，不但能實(shí)現(xiàn)重復(fù)性高的精密執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，而且裝配、調(diào)試、維護(hù)比較容易。龍門系統(tǒng)模塊現(xiàn)在已經(jīng)很成熟了，市場(chǎng)上能夠根據(jù)需要購(gòu)買到標(biāo)準(zhǔn)化（或是客制化）產(chǎn)品。

2.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由探頭部件和滾輪部件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

探頭旋轉(zhuǎn)方向經(jīng)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度來控制，保證在被測(cè)點(diǎn)位置探頭聲束與被檢測(cè)的表面的法線平行[4]。采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)與蝸桿通過聯(lián)軸器相連，帶動(dòng)固定在另一端部的蝸輪繞x軸旋轉(zhuǎn)，因探頭夾具與蝸輪相連固定，從而實(shí)現(xiàn)探頭夾具繞x軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過齒輪直接帶動(dòng)整個(gè)探頭部件繞y軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)探頭夾具繞y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保證電機(jī)在整個(gè)探傷檢測(cè)過程中不浸泡在水中，可靠性高，但對(duì)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械結(jié)構(gòu)有較高的要求。

滾輪旋轉(zhuǎn)方向經(jīng)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度來控制，保證被檢測(cè)零件所有表面都處于探傷的有效范圍，不出現(xiàn)掃描盲區(qū)。采用伺服電機(jī)經(jīng)由減速電機(jī)，通過同步帶帶動(dòng)滾筒的傳動(dòng)方式。

3 控制系統(tǒng)硬件的研制

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用開環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的控制方式，由控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象等部分組成，能控制探頭或是滾筒按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，即通過計(jì)算機(jī)將輸入的信息進(jìn)行編譯和處理，變成指令信號(hào)，送給運(yùn)動(dòng)控制卡，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制卡接收PC指令后，向四臺(tái)交流伺服驅(qū)動(dòng)器和兩臺(tái)直流步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)動(dòng)脈沖控制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)按照相應(yīng)的頻率和角度運(yùn)行。考慮到系統(tǒng)的運(yùn)算速度和檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，采用IPC工控機(jī)作為本系統(tǒng)的上位機(jī)，由它來完成插補(bǔ)運(yùn)算、速度控制、方向控制等功能。下位機(jī)為運(yùn)動(dòng)控制卡，主要負(fù)責(zé)整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種控制可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的單軸單獨(dú)控制和多軸聯(lián)動(dòng)控制。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要功能有：控制系統(tǒng)的初始化、提供控制接口、探頭運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、在線修改運(yùn)行參數(shù)、綜合優(yōu)化控制算法的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理與成像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行、報(bào)警及故障顯示和管理權(quán)限等。為達(dá)到工業(yè)控制的要求，系統(tǒng)采用研華工控機(jī)IPC-610，利用其較高的防磁、防塵、防振蕩、防沖擊的能力，能在高溫下穩(wěn)定工作并有著豐富的擴(kuò)展性能。CTS-04PC型超聲卡和凌華PCI-8158運(yùn)動(dòng)控制卡以PCI插卡形式嵌入PC機(jī)中。

3.2 控制系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的執(zhí)行元件有6臺(tái)電機(jī)，考慮到以后的擴(kuò)展需要（如增加輸送機(jī)構(gòu)、水循環(huán)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控水位水質(zhì)等的控制），所選用的運(yùn)動(dòng)控制卡需要能實(shí)現(xiàn)控制6軸以上功能，并且有可擴(kuò)展性，因此選用凌華PCI-8158模塊化設(shè)計(jì)的高級(jí)8軸步進(jìn)和伺服運(yùn)動(dòng)控制卡。該卡具有以下功能：3軸螺旋插補(bǔ)；脈沖輸出選擇：OUT/DIR，CW/ CCW，AB相；脈沖輸出速率：最高6.55 MHz；2～4軸線性插補(bǔ)；2軸圓弧插補(bǔ)；硬件緊急輸入；在線改變速度/位置；支持手動(dòng)脈沖產(chǎn)生(MPG)等。此外，當(dāng)調(diào)試、檢修或突發(fā)事件時(shí)，還可根據(jù)需要通過在電子手輪上分別旋轉(zhuǎn)相應(yīng)旋鈕或急停按鈕，旋轉(zhuǎn)電子手輪，進(jìn)行手動(dòng)操作。

4 控制系統(tǒng)軟件的研制

研制了六軸水浸式超聲C掃描自動(dòng)成像系統(tǒng)檢測(cè)軟件CTS-Scan，主要實(shí)現(xiàn)了超聲探頭的位姿控制和自動(dòng)掃描檢測(cè)，采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法和模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要分為：參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行模塊、狀態(tài)顯示、系統(tǒng)管理和幫助說明五個(gè)模塊。參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)六軸運(yùn)動(dòng)控制的脈沖輸出控制，調(diào)節(jié)脈沖發(fā)送的速度和加速度；運(yùn)行模式模塊主要調(diào)整運(yùn)行的方式，有自動(dòng)運(yùn)行模式、手動(dòng)運(yùn)行模式和智能運(yùn)行模式；狀態(tài)顯示模塊可以將運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)整的參數(shù)實(shí)時(shí)顯示；系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的文件管理，如文件存檔管理、文件編輯管理和程序編譯管理等；幫助和說明主要是提供本控制軟件的操作說明、各按鈕的作用以及程序代碼的解釋。各模塊通過主框架程序相互協(xié)調(diào)控制，成為一個(gè)完整統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)[5]。

5 結(jié)論

本次研制的六軸水浸式超聲C掃描自動(dòng)成像系統(tǒng)是一種集機(jī)電一體化技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)于一體的新型機(jī)電一體化超聲波檢測(cè)設(shè)備。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行證明，該系統(tǒng)具有操作維護(hù)方便、成本低廉、檢測(cè)精度高和適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠提高超聲檢測(cè)的自動(dòng)化程度、檢測(cè)效率和可靠性，而且有利于缺陷的定位、定量和定性分析，為準(zhǔn)確判定工件缺陷提供了保證，并可使用VC++、C++Builder、VB等開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)，有著良好的可移植性和通用性。

［1］喬日東，張維國(guó)，郭智敏，等.多軸超聲C掃描系統(tǒng)在車輛負(fù)重檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2011，34（2）：99-102.

［2］楊青，劉穎韜.航空航天領(lǐng)域中超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.無損檢測(cè)，2012，34（7）：54.

［3］楊青.四通道水浸式超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)研制［J］.無損檢測(cè)，2012，34（7）：67.

［4］姜慶昌，郭士清，沈延飛.一種面向復(fù)雜曲面的水浸超聲C掃描自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009，38（3）：29-30.

［5］李穎，譚立新，張文凱.基于PC和運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.儀器技術(shù)，2007（4）：47.

The Development of Six-Axis Immersion C-Scan Automatic Imaging System

DING Xu-sheng，CHENG Kun-yu
（Guangdong Goworld Co.，Ltd，Shantou515041，China）

One six degrees of freedom immersion ultrasonic C-scan automatic imaging system is developed，which can be used to check plane，cylindrical surface and complex curve parts.Using IPC as the hard core of motion control and the motion card that responsible for the motion control details，a software and hardware platform for motion control system that adds openness，flexibility and universality is developed by C++Builder.As proved by the actual operation，the system is stable，high detection precision and good repeatability.

ultrasonic C-scan；immersion；six-axis；automatic imaging

TP274.5

B

1009－9492(2014)02－0037－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.011

丁旭升，男，1980年生，廣東潮州人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：機(jī)電液一體化、自動(dòng)化探傷和無損檢測(cè)產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)和研究。已發(fā)表論文3篇。

(編輯：向 飛)

2013－08－08