基于VC++的超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

韓 明，苗長(zhǎng)云，白 華

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387）

基于VC++的超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

韓 明1，苗長(zhǎng)云2，白 華2

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387）

提出一種基于VC++的超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、超聲檢測(cè)系統(tǒng)和超聲水浸探頭等部分組成.采用超聲檢測(cè)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用VC++進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和調(diào)試.結(jié)果表明：提高了系統(tǒng)控制的精度、速度和檢測(cè)效率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲水浸探頭和被檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)控制，具有連續(xù)掃查和定向掃描功能.

超聲檢測(cè)；運(yùn)動(dòng)控制；步進(jìn)電機(jī)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；VC++

近些年超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正在朝著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展，并取得了很大的進(jìn)步.如今幾乎所有的工業(yè)部門(mén)和領(lǐng)域都應(yīng)用到了超聲檢測(cè)技術(shù)，很多研究成果已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際級(jí)的水平并且應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)中，充分顯示出了其所獨(dú)具的重要性和不可替代性[1].我國(guó)已經(jīng)成立了全國(guó)性的無(wú)損檢測(cè)學(xué)術(shù)組織——中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).目前我國(guó)在無(wú)損檢測(cè)方面開(kāi)展的研究主要包括：計(jì)算機(jī)化超聲操作設(shè)備、可視化應(yīng)用系統(tǒng)軟件、超聲機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)裝置、自動(dòng)掃描超聲成像技術(shù)、超聲數(shù)字信號(hào)處理、高頻超聲無(wú)損檢測(cè)、多座標(biāo)多通道超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)等[2].但是國(guó)內(nèi)對(duì)各種工件的超聲檢測(cè)工作主要是利用手提式超聲檢測(cè)儀，依靠人工手動(dòng)移動(dòng)的方式來(lái)檢測(cè).這種檢測(cè)方式存在著很多問(wèn)題，比如檢測(cè)效率低、易發(fā)生漏檢和誤檢、對(duì)檢測(cè)人員的要求也很高等，因此研制自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為重要[3-4].本文設(shè)計(jì)了基于VC++的超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它能夠有效地解決以前手提式超聲檢測(cè)儀所存在的問(wèn)題，并且可以對(duì)大型零件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和連續(xù)掃描，檢測(cè)效率高，不會(huì)出現(xiàn)漏檢和誤檢的問(wèn)題.它不僅可以應(yīng)用于一般工業(yè)生產(chǎn)中的大型零件的檢測(cè)，而且在航天航空所用工件、鐵路軌道、鍋爐和焊件等方面的檢測(cè)中均具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值[5-6].

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于VC++的超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、超聲檢測(cè)系統(tǒng)和超聲水浸探頭等部分組成，如圖1所示.其中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械執(zhí)行裝置等組成；超聲檢測(cè)系統(tǒng)是由超聲波發(fā)送與接收電路、超聲信號(hào)采集電路、超聲信號(hào)處理和傳輸電路等組成.

圖1 超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體組成框圖Fig.1 Block diagram of ultrasonic testing movement control system

超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體工作原理是，首先由工控機(jī)發(fā)送指令，再通過(guò)以太網(wǎng)將檢測(cè)信號(hào)傳送到超聲檢測(cè)系統(tǒng)，超聲檢測(cè)系統(tǒng)收到該信號(hào)之后由超聲發(fā)送與接收電路產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)并發(fā)送給超聲水浸探頭，超聲水浸探頭向被測(cè)工件發(fā)送超聲檢測(cè)信號(hào)；然后，該超聲檢測(cè)信號(hào)經(jīng)被測(cè)工件之后反射，超聲水浸探頭接收其回波信號(hào)后送給超聲發(fā)送與接收電路放大，經(jīng)超聲信號(hào)采集電路之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；最后，通過(guò)超聲信號(hào)處理和傳輸電路處理之后再通過(guò)以太網(wǎng)傳回到工控機(jī).

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理是，工控機(jī)通過(guò)PCI總線與運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行通信連接，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)械執(zhí)行裝置帶動(dòng)超聲水浸探頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件的掃描檢測(cè).步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制.由于運(yùn)動(dòng)控制器可以輸出高頻率脈沖串，其中通過(guò)脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行速度，通過(guò)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，通過(guò)發(fā)出的脈沖頻率變化率來(lái)控制電機(jī)的加速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行加/減速、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)、位置移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)控制[6].在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到運(yùn)動(dòng)控制器的信號(hào)之后，會(huì)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)角、速度和加減速[7].通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行裝置移動(dòng)，機(jī)械執(zhí)行裝置連接的水浸探頭也隨之移動(dòng)，最終完成對(duì)被測(cè)工件的掃描檢測(cè).

在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制部分中設(shè)計(jì)了四軸運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)，分別為X、Y、Z、α軸，每個(gè)軸均由步進(jìn)電機(jī)和相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器控制[8-9]，選取了步進(jìn)電機(jī)1-4及其對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1-4.其中，步進(jìn)電機(jī)1控制探頭實(shí)現(xiàn)在X軸方向的掃描；步進(jìn)電機(jī)2控制探頭實(shí)現(xiàn)在Y軸方向的掃描；步進(jìn)電機(jī)3控制探頭實(shí)現(xiàn)在Z軸方向的掃描，通過(guò)X、Y、Z 3個(gè)軸進(jìn)行三維立體空間掃描；步進(jìn)電機(jī)4連接的是α軸，α軸是一個(gè)放有圓柱形水槽的轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)對(duì)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)在α軸上順時(shí)針、逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以使探頭保持不動(dòng)，通過(guò)被測(cè)工件的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè).該系統(tǒng)既可以進(jìn)行單軸的直線定向掃描，又可以進(jìn)行多軸的任意掃描和連續(xù)掃查.

為了使超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制整體系統(tǒng)具有最佳的性能，不僅要設(shè)計(jì)好系統(tǒng)的硬件部分，還要編譯好軟件部分，最終實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化和模塊化，并能支持用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[10].

針對(duì)工控機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，選擇VC++語(yǔ)言進(jìn)行編譯控制，在Windows應(yīng)用平臺(tái)上操作，使用時(shí)可以選擇連接模式、運(yùn)動(dòng)方式、設(shè)定參數(shù)、處理數(shù)據(jù)以及監(jiān)控報(bào)警等操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)的控制.通過(guò)VC++語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲水浸探頭和被測(cè)工件的運(yùn)動(dòng)控制[11].運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件部分如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of system software

在整個(gè)超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)部分是關(guān)注的重點(diǎn).運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一方面通過(guò)工控機(jī)上的控制軟件來(lái)控制超聲水浸探頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè).另一方面控制系統(tǒng)也能精確控制需要檢測(cè)的具體位置，實(shí)時(shí)地將探頭的位置信息同布上傳到工控機(jī)上，使這些位置信息與數(shù)據(jù)采集器所采集到的超聲數(shù)字信號(hào)在位置坐標(biāo)上建立出映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)[14].最后通過(guò)工控機(jī)上的圖像處理軟件，形成最終的超聲檢測(cè)圖像，精確顯示出被測(cè)工件存在缺陷的位置、大小和性質(zhì).

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

在完成了超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)部分后，搭建了該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且開(kāi)始對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)試.在實(shí)際操作的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了很多最初設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到的問(wèn)題.根據(jù)實(shí)際調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中不斷進(jìn)行修改、完善，使整個(gè)系統(tǒng)最后能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求.

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件部分包括運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械執(zhí)行裝置等，其中由機(jī)械執(zhí)行裝置來(lái)固定超聲水浸探頭進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng).將超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)作為機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由底板、水槽、探頭架和X、Y、Z、α四軸定位平臺(tái)等夠成，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示.

圖3 機(jī)械執(zhí)行裝置剖面圖Fig.3 Profile of mechanical perform device

該機(jī)械執(zhí)行裝置是針對(duì)脈沖反射超聲檢測(cè)方法而設(shè)計(jì)的，采用單探頭進(jìn)行檢測(cè).超聲探頭放置在探頭架中.探頭選用超聲波水浸聚焦型探頭，需使用水或者機(jī)油作為超聲檢測(cè)的耦合劑.操作時(shí)首先將被檢測(cè)工件放入水槽內(nèi)，之后將耦合劑倒進(jìn)水槽，使被測(cè)物體完全浸沒(méi)于耦合劑中，這樣即可采用水浸探頭對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行超聲檢測(cè).X、Y、Z、α四軸檢測(cè)系統(tǒng)可以在三維空間X、Y、Z軸方向上控制探頭的運(yùn)動(dòng)，其中在X、Y軸方向上分別進(jìn)行水平面上的左右和前后方向的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)采用滾珠絲杠傳動(dòng)方式，控制超聲水浸探頭進(jìn)行單軸直線運(yùn)動(dòng)或多軸連續(xù)掃查；在Z軸方向上進(jìn)行垂直面上的上下方向的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)采用滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)方式，控制超聲水浸探頭進(jìn)出耦合劑及調(diào)整探頭與被測(cè)物體之間的距離.絲杠傳動(dòng)能夠把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)，它具有轉(zhuǎn)動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、同步性能好、耐用時(shí)間長(zhǎng)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn).α軸為水平旋轉(zhuǎn)軸，可以沿著順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)超聲水浸探頭固定不動(dòng)的時(shí)候，也可以通過(guò)被測(cè)物體的移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè).該系統(tǒng)與其他檢測(cè)系統(tǒng)相比增加了系統(tǒng)的靈活性和多樣性.

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器為雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用12～42 V直流電源進(jìn)行供電，共包含16種細(xì)分選擇，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇相電流的輸入值，最大值為3.5 A.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)、相電流、LED報(bào)錯(cuò)和光藕輸出報(bào)錯(cuò)等功能，并在靜止時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流減半，其輸入、輸出控制信號(hào)均采用光電隔離[12].圖4所示為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖.

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of stepping motor driver

2.2 實(shí)驗(yàn)及調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中需要對(duì)軟件部分進(jìn)行調(diào)試，圖5為工控機(jī)的MFCMove控制界面.在單軸運(yùn)動(dòng)控制顯示界面中，運(yùn)動(dòng)軸可以自由選擇AXIS0-AXIS4，將需要運(yùn)行到的位置步數(shù)輸入“單軸運(yùn)動(dòng)控制”中，之后點(diǎn)擊“單軸運(yùn)動(dòng)到->”按鈕實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng).當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)“狀態(tài)信息”欄的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)顯示為“In Motion”，“Current Position”顯示運(yùn)動(dòng)軸目前的位置坐標(biāo).

圖5 單軸運(yùn)動(dòng)控制界面顯示圖Fig.5 Interface diagram of uniaxial motion control

如果在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)故障或者單軸設(shè)定時(shí)超出了限定范圍，電機(jī)軸會(huì)在運(yùn)行到限位處時(shí)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)會(huì)立即停止并暫停步進(jìn)電機(jī)的工作[13].此時(shí)“狀態(tài)信息”框中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示為“Kill All Moves”，如想讓系統(tǒng)重新運(yùn)行需點(diǎn)擊“聯(lián)合運(yùn)動(dòng)控制”框中的“Clr KAM”按鈕，對(duì)系統(tǒng)之前存儲(chǔ)的指令和數(shù)據(jù)清零，使系統(tǒng)重新啟動(dòng).

系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)掃查運(yùn)動(dòng)時(shí)的操作界面如圖6所示.本設(shè)計(jì)以X-Y平面掃查為實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行在X軸上往復(fù)運(yùn)動(dòng)、在Y軸上逐次步進(jìn)的“Z字型”掃描方式.在掃描之前可以先點(diǎn)擊“X-Y回起點(diǎn)”鍵使超聲水浸探頭回至原始起點(diǎn)方便掃描.掃描時(shí)首先在“聯(lián)合運(yùn)動(dòng)控制”框中輸入X+和X-的數(shù)值，規(guī)定在X軸上的運(yùn)動(dòng)范圍；然后輸入Y起點(diǎn)和Y+的數(shù)值確定Y軸的起點(diǎn)和Y軸每次步進(jìn)的數(shù)值，之后輸入掃描次數(shù)的數(shù)值；最后點(diǎn)擊“X-Y move”按鈕實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃查.

圖6 掃查運(yùn)動(dòng)控制界面Fig.6 Interface diagram of scanning motion control

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度為±0.065 mm/300 mm，重復(fù)精度為±0.05 mm，分辨率為0.01 mm.由此可見(jiàn)，本系統(tǒng)具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性.

3 結(jié)語(yǔ)

基于VC++的超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有連續(xù)掃查和定向掃描的功能，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲水浸探頭和被檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工件的連續(xù)自動(dòng)檢測(cè).該系統(tǒng)還便于形成B掃描或C掃描檢測(cè)圖像并進(jìn)行自動(dòng)探傷，避免了手動(dòng)工作檢測(cè)方式中的人為因素和客觀環(huán)境的影響.自主研制超聲檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高我國(guó)產(chǎn)品的自主程度，減少對(duì)國(guó)外昂貴的超聲檢測(cè)儀器等產(chǎn)品的依賴，極大地降低了檢測(cè)的成本，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力[19].與其他系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)工作效率更高、應(yīng)用前景更好，使用范圍更廣.

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Design and realization of motion control system for ultrasonic testing based on VC++

HAN Ming1，MIAO Chang-yun2，BAI Hua2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

A motion control system for ultrasonic testing is designed based on VC++,which is composed of industrial machines，ultrasonic testing system，motion control system，immersion ultrasonic probe and other components. The hardware of the system is designed using ultrasonic nondestructive testing technology and motion control technology，and the software of the system using VC++.The laboratory terrace is constructed and are experiment and relaxation are conducted，the precision and speed of the motion control system are improved the detection efficiency is also increased.The system enables motion control of ultrasound probe and the detected object,with functions of continuous scanning and directional scanning.

ultrasonic testing；motion control；stepping motor；laboratory terrace；VC++

TP273；TB551

A

1671－024X（2015）05－0063－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.05.013

2015-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51274150）

韓 明（1987—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槌暡z測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制.E-mail：hanming.tjpu@163.com