多变焊缝自适应路径追踪检测自动化系统

梁龙双，李晓红，贺凌昊

(武汉大学动力与机械学院，湖北武汉，430072)

0 引言

超声检测法因检测范围大、速度快、灵敏度高等优点［1］得到广泛应用。随着检测技术不断发展，超声自动化检测系统已经研发并应用到平板、管道、轮对的等规则焊缝的检测中［2－5］，但还没有适用于多变焊缝追踪检测的自动化系统。

多变焊缝具有焊缝角度及腹板、翼板曲率变化无规律且参数未知等特点，作为多变焊缝的典型代表，水轮机转轮流道狭长、检测空间小，沿焊缝方向焊缝呈S形扭曲，叶片与上冠、下环曲率在焊缝方向随焊缝角度的变化而变化。

实现多变焊缝的自动检测需要有一套能自动追踪焊缝特定轨迹运行的自适应检测自动化系统。因此设计了适用于多变焊缝的13自由度自适应爬行器，开发了能驱动爬行器追踪焊缝特定轨迹爬行、实时监测反馈调节爬行器运行状态的控制模块，编写了能将爬行器监测运行参数、传感器测量数据进行实时显示、记录和分析的上位机软件，对提高多变焊缝自动追踪检测具有非常重要的研究意义和实用价值。

1 自动检测系统总体方案

1.1 总体方案设计

多变焊缝自适应路径追踪检测自动化系统由含USB通讯的控制模块、上位机软件和多自由度自适应爬行器组成，如图1所示。

图1 检测自动化系统结构框图

爬行器自动适应多变焊缝结构参数的变化，上位机设置爬行器的爬行参数后，通过USB通讯与控制模块建立信号连接，控制模块根据设置参数对爬行器进行驱动控制，爬行器携带探头进行受检焊缝自动扫查，同时爬行器上的角度、速度、距离传感器将实时监测数据并反馈到控制模块和上位机，控制模块根据反馈数据进行爬行器运行自动调节，使爬行器沿焊缝特定轨迹追踪爬行，同时上位机实时显示和记录爬行器运行状况。实现了多变焊缝自动追踪检测。

1.2 性能参数指标

1.2.1 爬行器自适应参数指标

以某抽水蓄能电站转轮为例，图2所示为其模型图，叶片最小间距D1为220 mm，上冠与下环最小间距D2为330 mm，爬行面(上冠或下环表面)最小曲率直径为600 mm，受检面(叶片正压测或背压侧)最小曲率直径为1 000 mm，焊缝角度变化范围为55～125°。

图2 某电站水轮机转轮模型图

自适应爬行器需自动适应转轮结构参数变化，整体宽度小于220 mm高度小于330 mm，适应角度在55～125°的变化，适应爬行面曲率直径600 mm至平面的变化，适应受检面曲率直径1 000 mm至平面的变化。

1.2.2 监测数据误差指标

为保证爬行器运行过程中监测数据准确性，需对监测数据提出指标要求。爬行器爬行速度在1～20 mm/s范围可调，速度测量误差±1 mm/s，爬行器启动后需在5s内经控制模块进行反馈调节使实际运行速度调节到设定速度±1 mm/s范围内，启动速度调整好后在后续检测中实际爬行速度与设定速度偏差始终在±1 mm/s内;爬行器角度测量误差在±1°内，为超声检测缺陷的定位提供焊缝角度参数。

1.2.3 系统可靠性指标

现场安全运行放在系统运行可靠性首位，因此首先需保证爬行器在多姿态运行情况下吸附力及驱动力均满足要求，2个永磁驱动轮分别满足≥25 kg吸附力，驱动力≥5 kg，底部后方万向磁性轮与侧面3个万向磁性轮分别满足≥3 kg吸附力，爬行器沿焊缝爬行过程中不能出现打滑及磁性轮脱离情况;同时通讯可靠性方面要求系统运行通讯成功率为100%，以保证系统在运行过程中不会出现因通讯失败而造成安全事故;最后系统需运行平稳，以加0度楔块的超声相控阵探头在试验平台上运行为例，在板厚不变情况下，波幅波动小于2 dB。

2 自动检测系统设计

2.1 系统控制设计

控制系统核心MCU采用16位单片机MC9S12XS128MAl，主要功能模块包括:脉冲宽度调制模块PWM、A/D转换模块、输入/输出数字I/O口、异步串口通讯SCI、周期中断定时器模块PIT、内部PLL锁相环模块、内部存储器等。

如图3所示，根据上位机命令参数，PWM模块产生驱动信号，发送给电机驱动芯片，两个电机驱动芯片分别控制微型水泵和两个直流减速电机;微型水泵使探头实现耦合剂自动添加，直流减速电机为系统提供爬行驱动力;爬行过程中编码器测量行走速度与路程，速度反馈到MCU并与设定速度比较后进行PID调节，如此构成反馈调节系统，使爬行器速度能迅速调节到设定速度，若实际速度与设定速度相差在±0.5 mm/s范围内则认为满足速度要求不进行速度调节，一旦超过此范围则迅速进行调节;电子尺测量爬行器与焊缝距离，实时监测爬行器是否偏离特定轨迹路径，MCU读取电子尺反馈数据后与设定路径进行比较，进而根据偏离情况调节两个直流电机进行差速驱动转向调节，以此构成一个由焊缝特定轨迹为路径的自动追踪闭环反馈调节系统。

图3 系统控制模块结构框图

2.2 系统软件设计

上位机设置爬行器初始位置参数与爬行参数，通过USB通讯传送给控制模块，同时控制模块将接收到传感器收集的数据传输给上位机，上位机对数据进行显示、存储、分析，将测量到的多变焊缝角度变化形成曲线图，供检测人员调用参考，将装置爬行速度、沿焊缝爬行距离、探头垂直于焊缝距离以及特定轨迹追踪偏离情况等均显示在上位机软件界面上，图4为上位机软件流程图。

图4 上位机软件流程图

如图5所示为上位机主窗口，最上方有行程设置按钮，点击后进入行程设置窗口设置爬行器自动检测区段及速度，区域Ⅰ为爬行器初始位置设置区域，用于设置爬行器检测焊缝编号、沿焊缝方向的初始位置以及探头垂直于焊缝方向的安装位置，区域Ⅱ为爬行器当前姿态与运行情况实时监测显示区域，将实时显示扫查器当前行进到哪一区段、当前爬行速度、行进位移和焊缝角度，区域Ⅲ为手动操作区域，检测人员可手动选择扫查器前进或后退方向、设置扫查器爬行速度、耦合剂添加速度，区域Ⅳ为自动扫查区域，可命令爬行器按照设置好的区段自动扫查，区域Ⅴ为消息栏，显示上位机软件与控制模块通讯信息。

2.3 机械装置设计

爬行器实现对多变焊缝构件自动适应的同时要携带探头进行检测，其要求在于焊缝结构参数多变情况下的自适应贴合爬行。爬行器通过13自由度机械结构实现多变焊缝结构的适应:通过合页式结构适应焊缝角度变化;通过角度可变的两个永磁驱动轮和底部后方的万向磁性轮实现爬行面为曲面的适应，万向磁性轮通过将万向节与永磁铁固定连接，再用3个万向球将永磁铁支撑起来形成永磁间隙吸附，万向磁性轮除了吸附在爬行面上，万向关节和万向球使其角度和运行方向均可灵活改变，达到适应曲面的良好贴合;通过侧面3个万向磁性轮实现受检面的良好贴合;通过两驱动电机实现爬行器的爬行驱动和沿着特定轨迹进行差速调节的功能。

图5 上位机软件主窗口

3 实验测试与验证分析

3.1 实验测试

3.1.1 通讯可靠性测试

进行10组通讯可靠性测试，每组进行20次操作，每次操作以快速点击前进、后退键、微型水泵控制键、自动扫查控制键等发送控制命令，记录爬行器是否成功执行，前期测试中成功率为71%。通过增设下位机接收信号后进行应答，若上位机接收应答错误则继续发送命令的方式来增加通讯可靠性，改进通讯方式后再次进行20组同样的测试试验，操作结果为全部执行成功，同时在水电站现场应用焊缝检测过程中未出现通讯失败现象，验证了系统通讯可靠性。

3.1.2 特定轨迹自动追踪反馈调节测试

系统在试验平台以及某水电站现场进行应用，爬行器最快爬行速度为22 mm/s，通过上位机和控制模块运行速度可在1～20 mm/s调节。速度调节方面，检测人员输入爬行器运行速度参数，控制模块根据设定速度占最快速度的比例给驱动电机输出占空比命令，驱动速度一开始即在设定速度附近，再通过编码器测量速度反馈调节，速度在1 s内即调整到设定速度±1 mm/s内，且在后续检测过程中，测量速度始终保证在设定速度±1 mm/s内，满足自动调节要求。

同时验证了系统能自动追踪调节使爬行器沿着焊缝特定轨迹进行自动检测，并通过人为干预爬行器进行辅助验证，首先人为干预电子尺使爬行器偏离焊缝特定轨迹≥10 mm，随后解除人为干预，电子尺监测到爬行器偏离了轨迹，实时将监测记录数据反馈到控制模块并显示到上位机界面，控制模块通过控制两个驱动轮爬行速度进行差速驱动转向，通过上位机显示数据可以看到爬行器迅速调整了方向回到了特定轨迹上，驱动轮在调节3s后则回到了预设轨迹上，同时爬行器驱动部分与骨架部分通过轴承与滑轨连接，驱动轮偏离轨迹≤20 mm都不会影响爬行器底板和侧板的良好贴合，实现了系统的特定轨迹自动追踪反馈调节。

3.1.3 运行平稳性测试

爬行器搭载加0度契块的超声相控阵探头在试验平台上进行自动喷淋耦合爬行，试验平台受检侧板厚为(2.9±0.1)mm，可认为厚度不变，爬行器爬行过程中相控阵仪器显示侧板多次反射底波波幅浮动范围小于2dB，波形稳定，如图6所示，验证了爬行器运行平稳性。

图6 PA仪器超声波信号

3.2 验证分析

3.2.1 爬行器对多变焊缝自适应验证

作为多变焊缝的典型代表，文章总结了水轮机转轮结构特征，制作了能体现其特征的试验平台，试验平台使用厚2.9±0.1 mm的45#钢板焊接而成，焊缝长度1 500 mm，焊缝角度55°～125°，爬行面即腹板最小曲率直径为600 mm，受检面即翼板最小曲率直径为1 000 mm。

爬行器整体宽度200 mm，高度290 mm，满足空间狭小要求，通过在试验平台上不同位置安放及沿焊缝自动爬行，验证了爬行器的自动适应能力，爬行器可适应焊缝角度变化范围为43°～170°，爬行面适应曲率直径≥500 mm，探头检测面适应曲率直径≥700 mm，单个永磁驱动轮吸附力≥30 kg，单个万向磁性轮吸附力≥5 kg，爬行器最大驱动力≥7 kg，满足试验平台和水轮机现场检测吸附力、结构参数变化需求，达到了爬行器在多变焊缝上安全运行和自适应效果。

3.2.2 焊缝角度自动测量验证

以某水电站现场应用中爬行器在受检水轮机2#叶片背压侧由出水端沿焊缝向入水端爬行检测为例，上位机与控制模块建立好通讯后，在上位机上设置爬行器初始位置参数，并按照分区段检测要求设置检测运行命令参数，检测开始后传感器实时记录了爬行器沿焊缝爬行距离、爬行速度、焊缝角度，图7所示为焊缝角度在焊缝方向的变化曲线，表1为沿焊缝方向检测人员手工测量实测值，自动测量值与实测值相差范围在±1°范围内，满足前文所述测量指标要求。

图7 自动测量角度沿焊缝变化曲线

表1 检测人员沿焊缝方向角度实测值

4 结束语

设计的多变焊缝自适应爬行器，采用13自由度机械结构，实验验证了爬行器能自行适应多变焊缝角度、腹板翼板曲率等参数多变结构的良好贴合爬行。

系统通过能实时监测、反馈调节的控制模块实现了自适应爬行器以焊缝为路径进行追踪爬行检测，并能在外界干扰并偏离爬行路径情况下迅速自动调节纠正到预设轨迹上。

通过对自适应路径追踪检测自动化系统可靠性测试，验证了系统通讯可靠性、测量参数准确性及系统运行平稳性。

［1］宫佳鹏，许霁，邱玉，等.基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置.仪表技术与传感器，2011(5):78－81.

［2］刘志远，裴润，王玲，等.一种焊缝缺陷自动超声检测系统.焊接学报，2002，23(3):71 －74.

［3］唐锐，张敬东，张祺，等.小径厚壁钢管超声探伤系统设计研究.机械设计与制造，2013(8):226－229.

［4］张甬成.车辆轮对动态检测装置——LY系列轮对动态检测系统的研究:［学位论文］.成都:西南交通大学，2011.

［5］WU R M.Portable Ultrasonic Testing System for Pressure Vessel Weld.International conference on intelligent information technology application 4th，Qinhuangdao，2010.