核電加氫大型回轉(zhuǎn)件自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)*

邱雪松 劉佳啟，侯雨雷 曾達(dá)幸 周玉林 沈二強(qiáng) 姚建濤 趙永生

(①燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;②中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司，黑龍江 齊齊哈爾 161042)

近年來(lái)，我國(guó)核電、水電工業(yè)高速發(fā)展，所需壓力容器的體積和數(shù)量均與日俱增。在大型壓力容器生產(chǎn)中，面對(duì)日漸增加的市場(chǎng)需求，如仍以傳統(tǒng)的手工方式來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)周期長(zhǎng)，而且人為因素對(duì)檢測(cè)的結(jié)果影響較大［1］，這已經(jīng)成為制約某些企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)工藝鏈的瓶頸，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)效率。因此，針對(duì)核電加氫大型件的自動(dòng)化超聲波探傷技術(shù)與裝備對(duì)整個(gè)核電、水電工業(yè)的發(fā)展變得尤為重要。

核電加氫用大型回轉(zhuǎn)件是國(guó)家重大工程裝備的核心構(gòu)件，規(guī)格外徑為3 000～6 000 mm，壁厚在200 mm左右，長(zhǎng)度為1 330～5 400 mm，最大重量可達(dá)250 t(參見(jiàn)圖1)。國(guó)內(nèi)重大裝備的制造企業(yè)，通常在其鍛壓和粗加工之后、精加工之前對(duì)工件的內(nèi)外表面進(jìn)行超聲波檢測(cè)。被檢測(cè)工件加工工藝為鐓粗、沖孔、擴(kuò)孔，工件既有表面缺陷，又有內(nèi)部缺陷，且內(nèi)部缺陷的取向復(fù)雜，其中大部分缺陷的取向與軸線平行［2］，同時(shí)還可能存在內(nèi)外壁徑向缺陷與內(nèi)外壁橫向缺陷。根據(jù)核電產(chǎn)品超聲波探傷國(guó)家規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)和所檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)，典型探測(cè)工藝為外圓周縱波徑向直探頭檢測(cè)為主，周向或橫向橫波斜探頭檢測(cè)為輔。

國(guó)外研究和生產(chǎn)類似產(chǎn)品的公司主要有美國(guó)的泛美(PANAMETRICS)公司、加拿大的R/D TECH 公司，德國(guó)的K -K 公司等。德國(guó)Nukem Nutronik［3-4］公司研制的MAUS 超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(Mufti Aix Ultrasonic System)允許操作人員通過(guò)編程使超聲探頭能夠檢測(cè)復(fù)雜三維幾何輪廓的工件。美國(guó)PANAMETRIS 公司［5］研制的ARGUS 級(jí)高性能自動(dòng)機(jī)械臂雙梁構(gòu)架的超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，在任意軸的精度為±0.25 mm 的情況下，掃描速度超過(guò)750 mm/s。上述這些公司生產(chǎn)的超聲波檢測(cè)采集、分析和成像處理系統(tǒng)的技術(shù)水平較高，處于領(lǐng)先水平，但是有關(guān)超聲波自動(dòng)檢測(cè)大型回轉(zhuǎn)類工件的國(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。國(guó)內(nèi)少數(shù)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)最近幾年相繼開(kāi)展了超聲波自動(dòng)檢測(cè)的研究，數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀器的發(fā)展速度很快，但未見(jiàn)有針對(duì)上述大型核電加氫用大型回轉(zhuǎn)件的超聲波自動(dòng)化探傷技術(shù)與裝備的研究報(bào)道。

本文針對(duì)中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司目前迫切需要改變大型件依靠手工探傷的這一現(xiàn)狀的要求，依據(jù)核電產(chǎn)品超聲波探傷國(guó)家規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求，給出核電加氫大型回轉(zhuǎn)件自動(dòng)化超聲波探傷技術(shù)與裝備的總體研制方案，實(shí)現(xiàn)了各種規(guī)格工件探傷過(guò)程中探頭的自動(dòng)定位、信號(hào)的自動(dòng)采集和處理，自動(dòng)化程度高，檢測(cè)結(jié)果可靠，能滿足大型工件的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)要求。

1 自動(dòng)探傷系統(tǒng)組成與工作原理

核電加氫大型回轉(zhuǎn)件自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)主要包括機(jī)械支撐系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)、油耦合系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、缺陷記錄與標(biāo)示系統(tǒng)，屬于多系統(tǒng)融合與集成技術(shù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與原理如圖2 所示。

系統(tǒng)的硬件部分主要包括滾輪架結(jié)構(gòu)、探頭夾持定位機(jī)構(gòu)、超聲波探頭、壓力供油裝置(提供耦合劑)、工控機(jī)、示波器、編碼器等。軟件主要包括運(yùn)動(dòng)單元PLC 控制程序，信號(hào)的自動(dòng)采集，缺陷信號(hào)的自動(dòng)判別、報(bào)警、波形實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄和缺陷標(biāo)記等各種功能。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作過(guò)程基本思想是:通過(guò)滾輪架驅(qū)動(dòng)，使工件勻速滾轉(zhuǎn)，內(nèi)、外探傷裝置探頭自適應(yīng)定位并以一定壓力壓在工件的內(nèi)、外表面，且沿著工件軸向方向勻速往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)外表面同時(shí)進(jìn)行探傷，在此運(yùn)動(dòng)規(guī)律下，探頭中心在工件表面所留檢測(cè)軌跡為雙螺旋線，并且設(shè)置使探頭在工件每旋轉(zhuǎn)一周后，回到與原始位置向前或向后相差一個(gè)步距(探頭直徑與重疊檢測(cè)區(qū)域?qū)挾戎?的地方，直至探頭掃查軌跡覆蓋整個(gè)工件表面;由編碼器檢測(cè)工件旋轉(zhuǎn)角度和探頭軸向位置;供油系統(tǒng)為探頭和工件提供機(jī)油作為耦合劑;超聲波系統(tǒng)采集檢測(cè)信號(hào)，并通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、保存和顯示;缺陷記錄標(biāo)示系統(tǒng)通過(guò)軟件對(duì)采集到的缺陷信號(hào)進(jìn)行位置標(biāo)記，然后將標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行人工復(fù)查，完成整個(gè)檢測(cè)過(guò)程。

2 機(jī)械支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械支撐系統(tǒng)是系統(tǒng)構(gòu)成的機(jī)械本體，是實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)的基本單元，主要由滾輪架、內(nèi)外探傷單元構(gòu)成，如圖3 所示。

2.1 滾輪架設(shè)計(jì)

滾輪架由交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)傳遞給工件，通過(guò)變頻器控制交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，使工件在探傷過(guò)程中保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

為滿足所有規(guī)格工件(直徑范圍:3 000 ≤D ≤6 000 mm)均能順利探傷，將滾輪架上的一對(duì)托輥中心距d 設(shè)為可調(diào)的兩個(gè)檔位距離，以適應(yīng)不同外徑的工件，如圖4 所示。為保證所有規(guī)格工件運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和良好的受力狀態(tài)，需保證托輥支撐點(diǎn)至工件軸線的夾角θ 介于60°與90°之間，根據(jù)待檢工件最大和最小外徑尺寸，設(shè)置當(dāng)工件規(guī)格為3 000≤D≤4 200 mm 時(shí)，中心距d=2 600 mm;當(dāng)工件規(guī)格為4 200 ＜D≤6 000 mm 時(shí)，中心距d=3 300 mm。此時(shí)，θ 角符合要求值。

同理，兩組滾輪架的軸向位置根據(jù)所有規(guī)格工件軸向長(zhǎng)度設(shè)為無(wú)級(jí)可調(diào)。

2.2 內(nèi)外探傷單元

為提高探傷效率，在工件軸向兩端分別設(shè)置兩內(nèi)探傷單元和兩外探傷單元，參見(jiàn)圖5。工作時(shí)，將工件沿軸線方向分為兩段，由左右探傷單元同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。

探傷單元主要由支撐梁(上設(shè)有移動(dòng)導(dǎo)軌)、探頭夾持定位機(jī)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱為探頭架)、探頭等組成，探頭架由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)PLC 控制器控制伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)探頭的預(yù)期運(yùn)動(dòng)。左、右內(nèi)探傷單元使用獨(dú)立的支撐梁，而左、右外探傷單元共用一支撐梁。

2.3 探頭架機(jī)構(gòu)

探頭架是探傷設(shè)備中的關(guān)鍵部分，是保證采集信號(hào)質(zhì)量的核心所在［6］。

所設(shè)計(jì)的探頭架結(jié)構(gòu)由探頭裝置、快速裝夾裝置和自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置3 部分組成，其基本原理是模擬手工探傷功能，不同之處在于人手僅能持單個(gè)探頭進(jìn)行缺陷檢測(cè)，而為提高自動(dòng)化探傷效率，一個(gè)探頭架可安裝3 個(gè)探頭，使其構(gòu)成一組(中間為直探頭，兩側(cè)為斜探頭)，同時(shí)進(jìn)行探傷。

為保證檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果可靠，國(guó)標(biāo)要求連續(xù)工作探頭每?jī)尚r(shí)之內(nèi)必須校準(zhǔn)一次，為此探頭需經(jīng)常更換和校準(zhǔn)，所以探頭的裝卡必須非常方便，并能保證安裝精度，因而，探頭架上設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的快速裝卡結(jié)構(gòu)，以便于探頭的更換和校準(zhǔn)。

依據(jù)手工探傷標(biāo)準(zhǔn)，為獲得較高質(zhì)量的超聲波信號(hào)，須保證探頭與工件表面壓力為20 N 左右。故在所設(shè)計(jì)的探頭架中，設(shè)置了壓力保持裝置，并且在壓力增大時(shí)能自動(dòng)退讓而保證不損壞探頭。

此外，探頭架必須具有通用性，可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)探頭與工件的相對(duì)位置，以適應(yīng)不同直徑工件的內(nèi)外表面探傷。

2.3.1 探頭裝置

探頭裝置沿支架一定位截面(橫截面)和沿支架二定位截面(縱截面)結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示，將探頭固定在裝卡內(nèi)殼中，內(nèi)殼可沿外殼上的導(dǎo)向槽上下移動(dòng)，內(nèi)殼體外側(cè)底部安裝有小型壓力傳感器，預(yù)壓力可通過(guò)調(diào)整螺釘調(diào)整，外殼體與支架一通過(guò)回轉(zhuǎn)軸一連接在一起，支架一與支架二通過(guò)回轉(zhuǎn)軸二進(jìn)行連接，回轉(zhuǎn)軸一和回轉(zhuǎn)軸二構(gòu)成十字軸轉(zhuǎn)動(dòng)副，這能保證探頭面始終與工件表面相切。

在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，為了減少探頭與工件之間的磨損量，要保證探頭與工件之間保持有0.5～1.0 mm 的間隙［7］，在探頭裝置下端設(shè)置4 個(gè)仿形點(diǎn)，工作過(guò)程中使仿形點(diǎn)與工件直接接觸，探頭與工件之間的間隙由耦合劑填充。

2.3.2 自適應(yīng)調(diào)整裝置

面對(duì)表面圓周弧率不同的工件，為保證探頭架的通用性和探頭架上的3 個(gè)探頭始終與工件表面相切，探頭架采用自適應(yīng)調(diào)整裝置，如圖7 所示。在調(diào)整裝置中，中間探頭支撐架是基準(zhǔn)，與探頭架外部裝置固定在一起，外側(cè)探頭支撐架對(duì)稱分布在中間探頭支撐架兩側(cè)，與擺角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定連接在一起。擺角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)對(duì)稱的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)所組成，兩曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共用一個(gè)機(jī)架和一個(gè)滑塊，由于結(jié)構(gòu)尺寸相同，通過(guò)調(diào)節(jié)滑塊位置，就可以實(shí)現(xiàn)相同的曲柄擺角，即探頭面法線擺角。

自適應(yīng)裝置還具有提供壓力以及在超出給定壓力時(shí)發(fā)生退讓的功能。參見(jiàn)圖7，通過(guò)調(diào)節(jié)伸縮桿上的限位螺母可以調(diào)節(jié)探頭沿伸縮桿軸線方向的初始位置，通過(guò)壓力調(diào)整螺母的壓縮或放松彈簧，來(lái)改變探頭壓在工件表面的壓力，探頭壓力由探頭裝置中的壓力傳感器測(cè)出。

2.3.3 調(diào)節(jié)參數(shù)

根據(jù)目前所有規(guī)格工件尺寸，可確定出擺角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的擺角范圍，最終通過(guò)調(diào)整滑塊的行程y 來(lái)保證探頭架上3 個(gè)探頭的準(zhǔn)確位置。

以工件外探傷狀態(tài)為例，以中心探頭桿左側(cè)端點(diǎn)為原點(diǎn)，中心探頭所在直線為x 軸，垂直方向?yàn)閥 軸，建立坐標(biāo)系如圖8 所示。

建立由滑塊、機(jī)架和曲柄所組成的平面曲柄滑塊機(jī)構(gòu)方程如下:

可確定出A 點(diǎn)坐標(biāo)(x，y):

A 點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)滿足工件的外圓方程，有:

由上述方程可得滑塊行程y 與工件半徑R 關(guān)系:

式中

L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7分別為探頭架自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的各桿長(zhǎng);θ 為曲柄擺角。

根據(jù)式(6)可以看出，滑塊行程y 是工件半徑R的單變量函數(shù)，所以，對(duì)于不同直徑的工件，只需要根據(jù)式(6)調(diào)節(jié)不同的y 值，便可實(shí)現(xiàn)三探頭同時(shí)與工件表面相切。

3 油耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在超聲波探傷設(shè)備中，要想得到高質(zhì)量的探傷信號(hào)，其耦合劑的供給非常重要。根據(jù)超聲波的性質(zhì)，如果探頭與工件耦合困難，超聲波的反射率高，大量的超聲波能量無(wú)法進(jìn)入工件，探頭采集不到理想信號(hào)，也就無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。本探傷設(shè)備中使用機(jī)油作為耦合劑，整個(gè)油耦合系統(tǒng)由油箱、過(guò)濾器、油泵、閥、輸油管線以及回油收集箱等部件組成。整個(gè)供油系統(tǒng)負(fù)責(zé)耦合劑機(jī)油的供應(yīng)以及油的回收，油量可調(diào)，可循環(huán)利用。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整套自動(dòng)化探傷系統(tǒng)共用4 臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)和2 臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)，其中伺服電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)探頭架的軸向運(yùn)動(dòng)，交流電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4.1 系統(tǒng)控制原理

整套自動(dòng)化探傷系統(tǒng)設(shè)備屬于多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用PLC 作為運(yùn)動(dòng)控制器的控制方案，以實(shí)現(xiàn)將預(yù)定目標(biāo)轉(zhuǎn)換為期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制［8］。本系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制單元、直線伺服驅(qū)動(dòng)單元、數(shù)據(jù)通訊單元、安全保護(hù)單元、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及指示單元等組成，其控制原理框圖如圖9 所示。

4.2 系統(tǒng)控制過(guò)程

自動(dòng)化探傷系統(tǒng)控制系統(tǒng)實(shí)施方案如圖10 所示。

具體控制過(guò)程如下:

(1)系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)入觸摸屏人機(jī)交互界面，在工件尺寸輸入界面輸入工件實(shí)際尺寸(高度、直徑和壁厚)。

(2)根據(jù)輸入的工件尺寸，由系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)算法自動(dòng)確定出工件和探頭的運(yùn)動(dòng)速度以及完成整個(gè)探傷過(guò)程探頭需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期數(shù)、每周期的步進(jìn)量等，并將這些信息生成運(yùn)動(dòng)指令，輸送給PLC 控制器。

(3)采用點(diǎn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)探頭架及探頭的初始定位，調(diào)整好探頭的位置和初始?jí)毫Α?/p>

(4)啟動(dòng)滾輪架的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)控制器單元調(diào)速系統(tǒng)使工件達(dá)到設(shè)定速度。

(5)當(dāng)工件運(yùn)行平穩(wěn)并通過(guò)設(shè)置的軸向起始位置磁開(kāi)關(guān)時(shí)，觸發(fā)啟動(dòng)探頭架伺服電動(dòng)機(jī)，使其按照加速-勻速-減速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成單個(gè)行程運(yùn)動(dòng)。

(6)開(kāi)始反行程運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與正行程運(yùn)動(dòng)相同。

(7)檢測(cè)過(guò)程中，超聲波系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)缺陷，探傷儀將報(bào)警，并把報(bào)警信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，開(kāi)始記錄下此時(shí)工件旋轉(zhuǎn)角度和探頭軸向運(yùn)動(dòng)位置(由編碼器測(cè)得)，并保存以供后續(xù)復(fù)查使用。

(8)當(dāng)探頭運(yùn)動(dòng)到指定周期數(shù)目后，控制探頭和滾輪架運(yùn)動(dòng)停止，完成整個(gè)探傷工作。

5 缺陷記錄與標(biāo)示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在探傷過(guò)程中，既要求設(shè)備能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)缺陷，還需要準(zhǔn)確地把缺陷位置確定下來(lái)，目前缺陷位置的標(biāo)記已有專門的噴標(biāo)系統(tǒng)，只需探傷設(shè)備告知其坐標(biāo)位置即可。

本探傷系統(tǒng)中，工件是繞自身軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角可以通過(guò)壓在其上的增量型編碼器記錄，而且工件每旋轉(zhuǎn)一周，當(dāng)編碼器通過(guò)一固定于工件上的物理初始點(diǎn)時(shí)，編碼器將重新記錄轉(zhuǎn)角，防止出現(xiàn)累計(jì)誤差。探頭沿工件軸向方向的位移通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)上自帶位置檢測(cè)器進(jìn)行記錄，有了轉(zhuǎn)角和軸向位移，即可通過(guò)柱坐標(biāo)來(lái)記錄探頭在工件表面任意一點(diǎn)位置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，觸發(fā)探傷設(shè)備控制系統(tǒng)，記錄下缺陷位置并保存，當(dāng)整個(gè)工件探傷完畢后，使用噴標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)記錄下來(lái)的坐標(biāo)位置，在工件表面噴上對(duì)應(yīng)的標(biāo)記。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本文針對(duì)目前核電加氫大型回轉(zhuǎn)件的超聲波探傷亟需提高效率和準(zhǔn)確度，從傳統(tǒng)的手工探傷過(guò)渡到自動(dòng)化探傷的實(shí)際需求，提出一套核電加氫大型回轉(zhuǎn)件自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)，為大型回轉(zhuǎn)件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化探傷提供了理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)方法。

(2)本文所提出的大型回轉(zhuǎn)件自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)中的機(jī)械支撐系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種規(guī)格工件的定位和探頭裝置的自適應(yīng)定位，油耦合系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)和缺陷記錄與標(biāo)示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)探傷信號(hào)的采集、缺陷識(shí)別與分析、報(bào)警和記錄等功能，完全能夠滿足大型回轉(zhuǎn)件探傷的自動(dòng)化、智能化需求。

(3)核電加氫大型回轉(zhuǎn)件自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)技術(shù)的提出與應(yīng)用，填補(bǔ)了我國(guó)核電加氫大型件自動(dòng)化超聲波探傷的技術(shù)空白，可為今后類似系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究提供參考。

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