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基于大型回转工件的超声波在线自动检测系统研究

2014-04-29 11:36:22

[导读] 针对现有大型回转工件超声检测效率低下,劳动强度大,依照个人经验评判缺陷等问题,研制出了超声波 在线自动检测系统,主要完成对超声信号的采集和处理,数据的实时存储,信号的消噪处理,缺陷的在线分析与识别等。经过现场的实际应用表明,该系统操作方 便,运行稳定、可靠,自动化程度高,大大提高了大型回转工件超声检测的质量和效率。


目前,大型发电设备的主要零部件、重型容器等大型装备的主要工件主要采用超声手工扫查检测,检测效率低,劳动强度大,依照个人经验评判缺陷,并 且很难保证对工件按给定轨迹进行100%覆盖扫查。为了提高检测的质量和工作效率,发展各种自动化在线扫描检测技术是近年来研究的一个主要技术方向 [1]。

近20年来,超声检测技术取得了巨大的进步,例如美国PANAMETRICS公司研制的ARGUS级高性能自动机械臂双梁构架的超声自动检测系 统[2],在任意轴的精度为±0. 25 mm的情况下,扫面速度超过750 mm/s。美国MATEC[3]公司和加拿大的R/DTECH[4]公司为了检测复杂几何形状的工件,分别开发了多自由度超声自动检测系统,其检测扫描模 式能够通过CATIA文件或者自动化学习来完成。德国Nukem NutroNIk[5-6]公司研制的MAUS超声自动检测系统允许操作人员通过编程使超声探头能够检测复杂三维几何轮廓的工件。目前,国外超声检测正向 着自动化、数字化和智能化的方向发展。国内对超声波检测技术方面已有一定的研究,但针对大型工件的在线超声检测研究相对较少,而且很多都不具备自动检测系 统。浙江大学周晓军等

对曲面构件超声检测系统的理论和方法作了较为深入的研究,成功开发出大型曲面构件超声彩色成像系统[7]。武汉中科创新技术公司的HSD多功能 超声波自动探伤系统[8],通道数4~128可选,采样频率达100 MHz,探伤频率0. 5~15 MHz。芮华[9]提出了一个PC-DSP双重结构基的数字化超声波自动探伤系统,其基于嵌入式DSP子系统可以满足用户对探伤的实时性要求,实现实时报 警、缺陷定位和当量计算。

综合以上所述,各文献在超声检测自动化方向上进行了一些探索,但是还没有用于大型回转件的超声波在线自动检测系统,因此作者研制了超声波在线自动检测系统,填补了超声自动检测在大型发电设备、重型容器等重型装备的空白。

1 系统结构及工作原理

构建的超声波自动检测系统以高速多通道数据采集卡和工控笔记本为平台,以MicrosoftVC. net和SQL Server数据库为基础开发的软件系统,完成对超声信号的自动采集和处理,并实现数据的实时存储,缺陷的在线分析与识别等功能,检测速度快,可靠性和准 确性高,大大减轻了工人的劳动强度。整个自动检测系统包括探头以及探头自动对中夹紧装置、耦合剂供给及回收装置、超声波发射/接收卡、工控笔记本、超声波 自动检测软件以及坐标位置传感器等几部分组成,如图1所示。

 

 

1. 1 系统硬件结构

超声自动检测系统的硬件主要完成超声信号的发射与接收,探头的装夹与自动对中,耦合剂的供给和回收等功能。

1)探头的选择以及自动对中夹紧装置

由于所要检测的零件都是尺寸较大的轴类零件,为了使足够的声能入射到检测部位,一般选用晶片直径大的探头,本系统选择晶片直径为20 mm,频率为2MHz的直探头进行检测。

在检测过程中,超声探头紧贴旋转的工件表面,超声波束按螺旋轨迹对工件实现100%扫描,探头与工件表面不接触,通过探头套与滚轮体之间的夹紧机构来自动调节探头与工件之间的间隙,这个间隙靠耦合剂来进行填充,从而使超声波能够传入工件。

2)耦合剂的供给和回收装置

为了保证有足够的声能射入被检测的工件,本系统设计了耦合剂的供给和回收装置,在检测过程中,靠油泵的压力使耦合剂均匀地充满探头和工件之间的间隙,同时对耦合剂进行回收,实现了耦合剂的重复利用。

3)超声波发射/接收卡本系统采用的数字采集

卡是基于PCI总线的多通道超声波发射/接收卡[8],该卡集成了超声波的发送与接收、100 MHz高速信号采集、大容量存储、多通道自动控制以及超声波成像等多种功能,具有板卡小,集成度高,通道选择灵活等优点。

4)工控笔记本

由于重型机械加工现场供电稳定性差、噪音、光电等干扰大,为了减少干扰,保证系统的正常运行,普通的计算机已不能满足实际的需要,因此本系统采用工控笔记本来作为整个系统的平台,不仅抗干扰能力强,而且在整个检测现场移动方便。

5)坐标位置传感器

坐标位置传感器是测定检测发生的位置而设,通过检测传感器发射的脉冲可以很方便地计算出周向和轴向位置,以便进行检测缺陷的定位。周向编码是按 装在编码器上滚子的周长来换算编码器发出的每个脉冲所代表的距离,而轴向编码是按机床丝杠螺距来换算的,编码器由OMRON公司生产,每转500个脉冲。

1. 2 系统软件结构

研制的超声波在线自动检测系统除了具有传统数字式超声波仪的所有基本功能外,还借助计算机高容量的存储空间和强大的计算处理能力,结合了传统的 超声波无损检测技术和先进的虚拟仪器、数字信号处理技术,开发出了一些特有的功能,例如检测数据的实时存储与回放显示,工件外形尺寸和探头位置显示功能, 缺陷在线分析与识别等功能。整个软件构架由基础设置、在线检测以及后置处理等几部分组成,如图2所示,系统运行主界面如图3所示。

 

 

 

 

节探伤参数和系统的线性。在检测过程中可以实时调节探伤参数,例如增益、检测范围、重复频率、采样频率、工作方式、检波方式等,在屏幕上及时反映参数调节的效果,方便用户操作。

在线检测主要包括数据采集与处理、实时数据存储、DAC曲线绘制、缺陷当量计算等,在检测过程中,数据主要以A型扫描的方式显示,并且可以根据需要实时存储检测的数据,以便以后进行数据回放、分析,并且可以进行DAC缺陷的绘制以及缺陷当量的实时计算。

后置处理主要对现场采集数据进行进一步的处理,包括历史数据回放、缺陷分析、探伤报告以及数据管理等,完成缺陷的定性定量分析与评价以及生成相应的探伤报告等。

2 系统运行情况及关键技术分析

超声波在线自动检测系统与2006年7月在二重开始调试、安装,经过两个月的试用,根据出现的问题和现场的实际需要,对软硬件进行了进一步的完 善,与10月份正式投入使用。从现场使用的情况来看,整个超声波自动检测系统运行可靠、稳定,操作方便,满足自动化检测需要,大大提高了检测的质量和效 率,系统运行主界面如图4所示。

 

 

对于超声自动探伤检测系统来说,设计运行可靠、操作方便的探头自动对中夹紧装置是系统首先要解决的关键问题之一,因为探头自动对中夹紧装置直接 关系到是否有足够的超声信号顺利进入工件,是超声自动检测系统成败的重要因素。同时还要对检测到的超声信号进行消噪处理,这是在不改变硬件系统的前提下, 提高超声检测信号质量、改善回波特性的重要手段。对于被检测工件内缺陷的分析与识别,可以采用定位定量定性分析的方法进行分析。

2.1 探头自动对中夹紧装置

由于超声波在线自动检测系统是在加工现场不重新装卸工件的情况下,边加工边检测,因此,如何方便灵活地对探头进行固定,以及实现探头中心线与工件的自动对中,成为首要解决的关键问题。

设计的探头自动对中夹紧装置主要是由导向套、导向螺栓、探头套、夹紧机构、磁铁、滚轮体等几部分组成,如图5所示。滚轮体两边各两块磁铁,磁铁 磁力方向与工件的法向方向重合,这使得探头装置始终压紧在工件表面上,这就保证了超声波束通过工件中心线。磁铁选用的是钕铁硼稀土强磁磁铁,它的剩磁可达 1.18~1.23 T,并且根据需要,可以调节磁铁到工件表面的距离以改变磁力的大小;同时它还起到一个清洁的作用,把工件上面的铁屑吸附到其上面以免划伤超声波探头。为了 适应不同的工件材料和表面精度,探头和工件表面之间的间隙可以通过探头套与滚轮体之间的夹紧机构来调节。

 

 

2. 2 超声信号消噪处理

超声缺陷信号回波波形特征的质量是对检测对象进行定位定量定性分析评价的关键所在,只有获得高质量的缺陷回波波形图才能提前有效的回波信息,因 此利用小波包去噪技术来区分缺陷回波有用信号和噪声干扰,改善回波信号的特征质量。小波包消噪方法是通过信号和噪声在小波分解分量中的不同表现实现信号和 噪声分离的,在小波包分解某个尺度下,噪声信号可能引起明显的小波分量幅值变化,这就为消除噪声信号提供了条件。通过对小波包系数进行阀值处理,就可以在 小波包变换域中去除高频的噪声的突变部分,然后根据阀值处理后的小波分解系数即可重构出消噪后的信号。

小波包消噪算法主要包括超声检测信号的小波包分解、小波包分解系数的阀值量化和信号的小波包重构3个步骤,其中最关键的是阀值的选取和如何进行阀值的量化,这直接影响到超声检测信号的消噪质量。本文采用软阀值和硬阀值两种方法进行消噪处理。

图6为含有缺陷的原始信号运用小波包分析算法进行消澡的效果,从图6可以看出,原始信号中噪声比较大,缺陷信息淹没在噪声中,缺陷特征不明显,而经过消澡后的信号信噪比大大提高,缺陷的特征更加明显。

 

 

2. 3 超声缺陷分析

超声检测技术中对缺陷评定的3大关键内容是缺陷的定位、定量和定性。

定位分析要求确定缺陷几何位置,即缺陷距探头中心的水平距离L和距探测面的垂直距离H,如图7所示。

 

 

若探头中心到缺陷的声程距离为S,探头折射角为β, c为超声波在检测对象中的传播速度, tF为传播到缺陷的时间,则它们间的关系如下:

 

 

定量分析要求能够定量评价缺陷的尺寸大小,起方法主要有当量试块比较法、底波高度百分比法、当量计算法和AVG曲线法。本文主要采用当量计算法,当声程大于3倍近场时,缺陷当量直径的大小按下式计算:

 

 

式中,α为材质衰减系数,dB/mm,当α<0.004时可以不考虑2α(xf-S);Xf为缺陷深度,mm;φf为缺陷当量直径,mm;B /Bf为底波与缺陷回波的dB差,dB;S为声程,mm;λ为超声波波长,mm。其中的材质衰减系数a可按式(3)来确定,

 

 

B1/B2为在锻件无缺陷区域内,测出B1/B2之dB差值,即第一次底波高度B1与第二次底波高度B2之间的dB差值。

定性分析要求能够对缺陷性质进行判断,这是评定检测对象是否合格的重要依据之一。定性分析的信息主要来源于缺陷回波高度hF、回波F的形状和密 集程度Δt。例如对于裂纹和气孔等气体缺陷,由于检测材料的声阻抗与缺陷的所含物质的声阻抗相差较大,界面反射率很高,其回波高度hF很大(相对于hr来 说),回波波形陡直尖锐,回波密集程度Δt较小;而对于夹杂物和夹渣等缺陷,由于缺陷内含非金属物,界面发射率很低,除了反射以外,还有一部分声能渗入夹 渣层,形成多次反射。这样有一系列回波紧跟在直接丛缺陷表面返回的回波后面,所以其回波高度hF很小,回波密集程度Δt较大,回波波形上常带有小锯齿。

3 结束语

构建了一种基于大型回转零件的超声波在线自动检测系统,该系统具有探头自适应对中、调节方便、迅速的特点,可以满足用户对探伤的自动化要求;同 时,利用工控机强大的处理能力和数字信号处理技术,完成对超声回波信号的实时存储、信号的消噪处理、缺陷识别与分析等后续处理。系统有效地减轻了工人工作 量,提高了探伤效率和质量。目前,系统运行平稳、可靠,满足了大型回转件在线检测的自动化、实时性要求。

[整理编辑:中国测控网]
标签:  自动检测[17]
 
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