智能機(jī)器人超聲檢測系統(tǒng)研制

楊蘊(yùn)鴻，馬小懷，徐 哲，霍子軍，江立新，張 辰，李宏輝，王雙元

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

無損檢測的常規(guī)方法有超聲探傷、磁粉探傷、滲透探傷和渦流探傷等，由于超聲波探傷具有探測距離大、耦合效果好、檢測速度快及探傷裝置體積小等優(yōu)點(diǎn)，已成為鈦材質(zhì)量檢測必不可少的手段。但超聲波探傷檢測結(jié)果的可靠性影響因素是多方面的。超聲波探傷儀器存在結(jié)果顯示不直觀、判斷探傷結(jié)果難、探傷結(jié)果數(shù)據(jù)無記錄、對人員素質(zhì)要求高和人為因素影響大等許多缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響超聲波檢測的可靠性。

隨著智能化時代的來臨，智能技術(shù)為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了有力支撐。作為其關(guān)鍵核心技術(shù)之一的智能機(jī)器人技術(shù)，可以將機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)與智能化控制、分析軟件系統(tǒng)相結(jié)合，在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)代替或協(xié)助人類完成工作，是工業(yè)及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的裝備。

為此，本文將智能機(jī)器人小車，集成超聲檢測、控制系統(tǒng)的工作單元應(yīng)用在工業(yè)化生產(chǎn)中，取得了很好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了板材超聲檢測的自動化和智能化，保證了板材超聲波探傷檢測過程的全覆蓋及探傷檢測機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)記錄的完整性。

1 智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架及運(yùn)行原理

1.1 結(jié)構(gòu)框架

為了提高檢測效率，同時又保證檢測效果，智能機(jī)器人超聲檢測系統(tǒng)包括智能機(jī)器人主體。智能機(jī)器人主體下方固定連接多驅(qū)履帶系統(tǒng)，在智能機(jī)器人主體前方固定連接前直線模組，前直線模組設(shè)有前滑臺，前滑臺上連接前超聲探頭模塊；在智能機(jī)器人主體后方固定連接后直線模組，后直線模組設(shè)有后滑臺，后滑臺上連接后超聲探頭模塊。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人小車結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器人小車內(nèi)安裝用于控制探傷機(jī)器人工作的各種設(shè)備，包括一體機(jī)、驅(qū)動器、蓄電池、空開和開關(guān)等。一體機(jī)可以控制探傷機(jī)器人、調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)、調(diào)節(jié)掃描速度和掃描間距等。一體機(jī)屏外側(cè)按鈕可控制啟停點(diǎn)位及手動操作。電池可保證探傷機(jī)器人在無電源情況下工作，并且可拆卸充電，使探傷機(jī)器人可以不受電源限制使用。電控箱側(cè)面設(shè)有機(jī)器人電源開關(guān)和充電口，方便使用和對設(shè)備充電。

探頭夾具用于安裝探頭，由軸套、滑套、探頭螺母、彈簧和加工件等組成。該夾具保留探頭單個方向的自由度，在水平方向上可自動上下微調(diào)，探頭垂直度的調(diào)節(jié)利用支架固定孔調(diào)整，在板材探傷過程中，根據(jù)板材高低的起伏，探頭根據(jù)板材同時進(jìn)行浮動，在一定范圍內(nèi)可以穩(wěn)定探傷波形，保證探傷效果。

多驅(qū)履帶系統(tǒng)用于驅(qū)動機(jī)器人X 方向移動（前進(jìn)、后退）。使用2 條機(jī)器人人字帶組成的多驅(qū)動履帶系統(tǒng)，進(jìn)一步增加機(jī)器人移動的抓地力和穩(wěn)定性，防止掃查過程中機(jī)器人跑偏。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人小車多驅(qū)履帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 運(yùn)行原理

智能機(jī)器人超聲檢測系統(tǒng)模擬人工探傷工作方式，使超聲探頭垂直于板材表面進(jìn)行探傷，通過安裝在機(jī)器人小車上的特殊探頭夾具固定探頭，利用夾具調(diào)整探頭與板材的垂直角度，探頭夾具具有多方向浮動的功能，保證探頭垂直接觸于板材表面時隨著板材平面高低及傾斜浮動。工作時機(jī)器人小車放置在待探傷板材表面，探頭在機(jī)器人兩軸系統(tǒng)的帶動下，進(jìn)行X 向和Y 向移動，先X 向掃描指定長度，然后Y 向向前移動設(shè)定距離，繼續(xù)X 向掃描指定長度，依次循環(huán)掃描，使探頭無縫掃查板材表面，并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即時分析記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)板材智能檢測。機(jī)器人小車運(yùn)行軌跡如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人小車運(yùn)行軌跡圖

1.3 使用方法

把機(jī)器人放置到待檢測板材的端頭開始探測，調(diào)整探頭夾具使探頭至合適位置，打開電源開關(guān)，點(diǎn)擊啟動按鈕，手動控制探頭在標(biāo)準(zhǔn)板上移動，檢查標(biāo)準(zhǔn)傷的波形高度，確認(rèn)波形是否正確，增益是否達(dá)到要求。若波形不正常手動調(diào)整，等待波形確認(rèn)完成后，開始檢測板材，使探頭走到左側(cè)板材邊沿，按下開關(guān)確定左極限位置，使探頭走到右側(cè)板材邊沿，再確定右極限位置，然后點(diǎn)擊自動探傷按鈕，使探傷機(jī)器人自動工作。當(dāng)一道掃描結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)掃查機(jī)器占用的地方，先將探頭回零，輸入“起點(diǎn)坐標(biāo)”（此時因機(jī)器方向翻轉(zhuǎn)起點(diǎn)坐標(biāo)在O1位置），掃查完成后，再將小車移至第二道掃查起點(diǎn)坐標(biāo)O2），依次完成整塊板材掃查。待探傷機(jī)器人掃完整個平面后，關(guān)閉電源，收回機(jī)器人。

2 控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

智能機(jī)器人超聲檢測系統(tǒng)，由機(jī)器人小車探傷執(zhí)行系統(tǒng)和上位機(jī)智能化控制分析系統(tǒng)組成，兩系統(tǒng)間采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

上位機(jī)選用便攜式計(jì)算機(jī)，運(yùn)行智能化控制分析軟件，顯示超聲探傷回波（A 掃描）及板材掃查結(jié)果圖像（C 掃描），對探傷儀發(fā)送的波形數(shù)據(jù)做原始記錄并進(jìn)行智能化分析，以直觀的圖示輸出探傷結(jié)果，指示缺陷位置等信息，還可以輸出合格和不合格報(bào)警信息，探傷至板材邊緣后自動返回?？刂破鹘邮丈衔粰C(jī)的命令及按鈕與邊緣檢測光電開關(guān)等信號，控制探頭Y 及小車X 驅(qū)動器和報(bào)警信號輸出等。驅(qū)動器接收控制器發(fā)出的脈沖指令，并以脈沖指令驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)及編碼器帶動探頭和小車的運(yùn)動，編碼器將探頭和小車的運(yùn)動信息以脈沖信號反饋給超聲波探傷儀，超聲波探傷儀將信號通過網(wǎng)絡(luò)傳送上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)脈沖信號完成小車位置計(jì)算。超聲儀器驅(qū)動超聲探頭，接收探頭回波信號及編碼器信號，并將其信號發(fā)送給上位機(jī)。圖4為控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖4 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 操作面板

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上靈活地結(jié)合了面板的簡潔操作功能與軟件的豐富參數(shù)設(shè)置和控制功能，在手動模式下簡單操作即可應(yīng)對隨意性的工況作業(yè)，在軟件上進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)置也可應(yīng)對大批量重復(fù)性的繁重作業(yè)。圖5為操作面板示意圖。

圖5 操作面板示意圖

確認(rèn)按鈕：確認(rèn)機(jī)器工作原點(diǎn)。方向按鈕：左控制探頭向左，右控制探頭向右，前控制機(jī)器向前，后控制機(jī)器向后。邊緣報(bào)警燈：當(dāng)光電開關(guān)檢測到邊緣或探傷結(jié)束時報(bào)警。停止：停止探頭及機(jī)器的運(yùn)動。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)運(yùn)行在PLC 和嵌入式觸摸屏工控機(jī)上，PLC 中運(yùn)行與小車運(yùn)動控制相關(guān)的智能算法，如自動糾偏算法等，嵌入式觸摸屏工控機(jī)用于人機(jī)交互，運(yùn)行小車控制圖形界面、參數(shù)設(shè)置、探傷結(jié)果智能分析顯示等界面。在界面中調(diào)整各項(xiàng)探傷參數(shù)，如閘門位置、數(shù)量、長度，探傷增益和延遲等，具體參數(shù)根據(jù)探傷要求設(shè)置。

C 掃顯示可依據(jù)板材及要求設(shè)定好X 軸的“速度”“步進(jìn)”“掃查長度”及Y 軸的“速度”“掃查寬度”，以及C 掃色卡等參數(shù)，執(zhí)行超聲掃描。掃描過程中，超聲儀器將接收探頭回波信號及編碼器信號，發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)依據(jù)編碼器反饋的位置信號，將回波數(shù)據(jù)A 門的傷波高度轉(zhuǎn)化C 掃色卡對應(yīng)的顏色，繪制到C 掃顯示對應(yīng)的坐標(biāo)中。不同的顏色代表不同傷波高度，默認(rèn)紅色為嚴(yán)重缺陷。圖6 為機(jī)器人小車控制界面和探傷波形監(jiān)測C 掃繪制界面圖。

圖6 機(jī)器人小車控制界面圖（左）和探傷波形監(jiān)測C 掃繪制界面圖（右）

工作模式切換為自動時，探頭從原點(diǎn)移動到“掃查寬度”所設(shè)定寬度的距離后，探傷機(jī)器人向前移動一個“步進(jìn)”距離，然后探頭再反向移動“掃查寬度”所設(shè)定寬度距離，依次運(yùn)動，直至到達(dá)所設(shè)的“掃查長度”停止并報(bào)警提示“終點(diǎn)到達(dá)”。

中途可按“停止”按鈕停止，當(dāng)光電開關(guān)檢測到邊緣信號后立即停止，并報(bào)警提示。

同時超聲儀器將接收探頭回波信號及編碼器信號。

3 關(guān)鍵點(diǎn)及解決途徑

3.1 探頭浮動裝置研發(fā)

探頭浮動裝置是智能機(jī)器人超聲檢測系統(tǒng)重要零部件，用于夾持固定超聲探頭，以恒定壓力與垂直角度接觸被檢測板材表面執(zhí)行掃查。該裝置需要能適應(yīng)板材表面的輕微不平整情況。

3.2 超聲波檢測耦合效果的保證和垂直入射的控制

在耦合效果方面，采用了補(bǔ)水系統(tǒng)自動補(bǔ)水的方式，保證超聲探頭與被檢板材表面之間有水膜耦合。

垂直入射方面，通過對探頭浮動裝置的精密加工與裝配，以及對掃查速度的精確穩(wěn)定控制，確保了超聲信號的垂直入射。

3.3 系統(tǒng)便捷與輕量化的實(shí)現(xiàn)

智能機(jī)器人小車主體框架使用鋁型材組裝，大幅降低了系統(tǒng)整體重量；在2 個直線模組之間一端安裝一對輔助移動滾輪，另一端安裝搬運(yùn)提手，使得智能機(jī)器人小車在板材上搬運(yùn)放置時更加輕便；采用鋰離子電池供電系統(tǒng)，使智能機(jī)器人小車工作時無須提供外部連接電纜；還配有搬運(yùn)液壓車，更加方便智能機(jī)器人小車的擺放與回收。

3.4 動態(tài)掃查過程中，檢測結(jié)果可靠性的保證

超聲儀器選用汕超系列探傷采集器。該系列儀器超聲數(shù)據(jù)采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、多通道控制卡均采用國際先進(jìn)的集成電路技術(shù)，操作簡單，功能強(qiáng)大。智能機(jī)器人上安裝機(jī)器人人字帶，構(gòu)成多驅(qū)履帶系統(tǒng)，并通過合理布局，提高智能機(jī)器人小車運(yùn)動穩(wěn)定性，綜合保障了檢測結(jié)果的可靠性。

3.5 運(yùn)動軌跡算法及可視化顯示的研發(fā)

運(yùn)動軌跡算法，核心包括自動尋邊算法與大步距掃查算法，前者保證了智能機(jī)器人小車運(yùn)動過程中不跑偏，后者提高了檢測效率；可視化方面，設(shè)計(jì)了小車控制界面，以及A 掃、C 掃顯示界面，實(shí)現(xiàn)全圖形化操作。

4 超聲檢測效果測試

使用具有Φ1.2 mm 平底孔的試塊（平底孔直徑1.2 mm），進(jìn)行檢測靈敏度測試，顯示結(jié)果清晰準(zhǔn)確。采用5 MHz 頻率、晶片直徑0.5 英寸（1 英寸等于2.54 cm）的超聲波探頭，檢測板材試塊上埋深為3 mm 的平底孔，波形達(dá)標(biāo)。在接近開關(guān)和掃查軸運(yùn)動控制軟件配合下，進(jìn)行板材盲區(qū)檢測測試，可檢測到板材邊部。

5 結(jié)束語

將智能機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用到超聲探傷領(lǐng)域，具體地說是鈦板材超聲探傷領(lǐng)域，通過網(wǎng)絡(luò)檢索尚未查找到有相關(guān)類似項(xiàng)目案例。本項(xiàng)目開創(chuàng)了先例，通過創(chuàng)新應(yīng)用高新技術(shù)，為企業(yè)板材產(chǎn)品超聲檢測工作帶來了新的轉(zhuǎn)變與提升。

本項(xiàng)目研發(fā)的智能機(jī)器人超聲檢測系統(tǒng)，其各組成部分、主要零部件、軟件算法，也具有高度創(chuàng)新性。例如探頭浮動裝置，通過精心設(shè)計(jì)與精密裝配，保證了探頭超聲波的垂直入射；由邊緣檢測光電傳感器結(jié)合智能尋邊算法組成的自動尋邊系統(tǒng)，保證了智能機(jī)器人在運(yùn)動過程中不會跑偏；雙直線模組雙探頭結(jié)構(gòu)，結(jié)合大步距掃查算法，不僅成倍提升了檢測效率，還消除了邊緣檢測盲區(qū)；還有眾多細(xì)節(jié)方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如鋰離子電池供電系統(tǒng)，自動補(bǔ)水系統(tǒng)等?？偟膩碚f，智能機(jī)器人超聲檢測系統(tǒng)是一個由眾多創(chuàng)新性設(shè)計(jì)子系統(tǒng)組成的整體。

項(xiàng)目將智能機(jī)器人應(yīng)用于超聲檢測領(lǐng)域開創(chuàng)了先例，現(xiàn)設(shè)計(jì)方案在檢測通道數(shù)量、掃查速度、掃查算法等方面仍具備提升優(yōu)化潛力，未來可在此基礎(chǔ)上研發(fā)更多通道、更快速度、更高智能化程度的超聲檢測系統(tǒng)。

通過創(chuàng)新應(yīng)用新一代信息技術(shù)，能切實(shí)解決當(dāng)前實(shí)際問題，將工作方式從現(xiàn)有的手動檢測提升為自動化智能化檢測，給企業(yè)板材產(chǎn)品超聲檢測工作帶來了新的轉(zhuǎn)變與提升，同時為智能機(jī)器人等新一代信息技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用起到良好的示范效應(yīng)，也為未來其他智能機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目提供了更多的經(jīng)驗(yàn)與思路。