鄭雄勝，張惠

（1.浙江海洋學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316000；2.浙江?。ň煤停┐跋冗M(jìn)制造技術(shù)研發(fā)中心浙江省船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316000）

1 引言

現(xiàn)代造船中，焊接是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工藝。船舶焊接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到船舶的航行安全，它不僅影響船體建造質(zhì)量，而且對(duì)提高生產(chǎn)率、縮短造船周期起著很大的作用。在船舶建造過(guò)程中，船殼外板的對(duì)接焊縫在船殼焊縫中占很大比重，尤其是船體大合攏對(duì)接焊縫的焊接質(zhì)量對(duì)船舶安全航行起到很重要的保障作用［1］。目前，這類焊縫常采用X 射線檢測(cè)，而隨著船舶向大型化方向發(fā)展，X 射線檢測(cè)的難度和成本越來(lái)越大，檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)效果不甚理想。另外，X 射線檢測(cè)只能抽檢，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足船舶制造業(yè)的快速發(fā)展需要。因此，為了保證船舶建造質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化、低成本化，提高檢測(cè)效率和改善工人工作條件，研究設(shè)計(jì)了一種適用于船殼外板大合攏對(duì)接焊縫缺陷的超聲自動(dòng)檢測(cè)爬行器。該爬行器采用永磁鐵吸附和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，以PLC 可編程控制器為核心，結(jié)合激光焊縫跟蹤技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行控制［2］，是一種適用于現(xiàn)場(chǎng)使用、性價(jià)比高的船殼外板大合攏對(duì)接焊縫缺陷自動(dòng)檢測(cè)裝置。

2 總體方案設(shè)計(jì)

船殼外板大合攏對(duì)接焊縫缺陷超聲自動(dòng)檢測(cè)爬行器（其本體結(jié)構(gòu)見圖1）主要由履帶式爬行機(jī)構(gòu)、焊縫掃查機(jī)構(gòu)、激光焊縫跟蹤系統(tǒng)、PLC 主控制器、小車驅(qū)動(dòng)電路、監(jiān)控顯示器及電流變送器等組成［3］。履帶式爬行機(jī)構(gòu)由左右兩個(gè)交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)爬行器前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)。履帶上的永磁鐵能將爬行器牢固、可靠地吸附在船體外表面，能保證爬行時(shí)的吸附要求。爬行器的抗傾覆機(jī)構(gòu)能幫助爬行器安全可靠地越過(guò)凸起的焊縫，以適應(yīng)船體表面凹凸不平的結(jié)構(gòu)，提高爬行的穩(wěn)定性。爬行器的激光焊縫跟蹤系統(tǒng)可以識(shí)別各種焊縫，能在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行焊縫的精確跟蹤，可保證爬行器檢測(cè)作業(yè)時(shí)始終沿著焊縫兩側(cè)行走。爬行器進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)時(shí)，通過(guò)激光焊縫跟蹤系統(tǒng)和PLC 主控制器，實(shí)時(shí)控制焊縫掃查機(jī)構(gòu)的兩組收發(fā)探頭相對(duì)被檢焊縫的檢測(cè)基準(zhǔn)線（一般為被檢焊縫的中心線）作左右等距離、反向的勻速運(yùn)動(dòng)。

圖1 超聲自動(dòng)檢測(cè)爬行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 探傷原理及儀器、探頭的選擇

船殼外板大合攏對(duì)接焊縫缺陷超聲自動(dòng)檢測(cè)爬行器主要采用多探頭超聲串列法檢測(cè)。串列法檢測(cè)作業(yè)時(shí)要求兩組收發(fā)探頭相對(duì)于檢測(cè)基準(zhǔn)線作勻速、等距和反向運(yùn)動(dòng)［4］。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)爬行器選用了德國(guó)K.KUSN60 超聲波探傷儀。該型號(hào)的探傷儀具有頻帶寬、靈敏度和分辨力高、可數(shù)字化操作等突出優(yōu)點(diǎn)，是一種適合自動(dòng)掃查系統(tǒng)的探傷設(shè)備。大型船舶船體外板的厚度通常超過(guò)100mm，因此掃查時(shí)采用了串列式斜探頭組對(duì)稱式探傷方式，兩組串列式斜探頭（一組探頭接受信號(hào)、一組探頭發(fā)送信號(hào)）對(duì)稱地置于被檢焊縫的兩側(cè)，由爬行器行走機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)和焊縫掃查機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)配合帶動(dòng)掃查探頭組完成矩形掃查或鋸齒形掃查（掃查方式示意圖如圖2 所示）。另外，考慮耦合劑來(lái)源方便，價(jià)格低廉，對(duì)人體無(wú)害，對(duì)船體材料無(wú)腐蝕作用，便于操作，檢測(cè)后容易被清除等因素，選擇添加有防腐劑和潤(rùn)濕劑的水作為探傷的耦合劑。

圖2 掃查方式示意圖

4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 檢測(cè)過(guò)程分析

爬行器工作前，必須先清除船殼外板表面的鐵銹等雜質(zhì)，然后在被檢焊縫表面畫出檢測(cè)基準(zhǔn)線，接著調(diào)節(jié)探頭的初始位置（既要保證探頭的探測(cè)面垂直壓緊在船殼外板表面上，又要保證探測(cè)面與船殼表面留有一定的上下調(diào)節(jié)余量）、設(shè)定設(shè)備的基準(zhǔn)靈敏度和基本參數(shù)（掃查速度、掃查間距、掃查方式等），完成設(shè)備的調(diào)試和校驗(yàn)。

檢測(cè)作業(yè)時(shí)，通過(guò)手動(dòng)控制將爬行器置于被測(cè)焊縫表面上，同時(shí)開啟伺服電機(jī)和水泵電源開關(guān)，將設(shè)備設(shè)定為自動(dòng)檢測(cè)模式，焊縫掃查自動(dòng)開始。在檢測(cè)過(guò)程中先進(jìn)行快速預(yù)掃查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似缺陷時(shí)，設(shè)備進(jìn)行聲光報(bào)警，并自動(dòng)轉(zhuǎn)為慢速的精度掃查。在有缺陷的地方即時(shí)打上標(biāo)記并儲(chǔ)存檢測(cè)參數(shù)。當(dāng)整道焊縫掃查完畢，水泵電源隨即關(guān)閉，自動(dòng)檢測(cè)控制轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制模式，通過(guò)手動(dòng)控制器將爬行器行走到下一道被檢焊縫［5］。另外，在掃查過(guò)程中，對(duì)不能馬上識(shí)別缺陷的地方可進(jìn)行往復(fù)式掃查。

4.2 控制硬件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)爬行器采用了以工控計(jì)算機(jī)和PLC 可編程控制器為核心的兩級(jí)控制模式，包括手動(dòng)控制器和人機(jī)交互界面的綜合控制系統(tǒng)。PC 機(jī)是上位機(jī)，它可以通過(guò)有線或無(wú)線遙控方式將檢測(cè)參數(shù)輸入，主要執(zhí)行制定檢測(cè)任務(wù)，顯示檢測(cè)狀態(tài)，協(xié)調(diào)爬行動(dòng)作等功能。PLC 可編程序器是下位機(jī)，它主要接收和執(zhí)行上位機(jī)的信號(hào)，并且將各種檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行反饋。整個(gè)控制系統(tǒng)包括：爬行器行走機(jī)構(gòu)、焊縫掃查機(jī)構(gòu)、檢測(cè)電源、激光跟蹤機(jī)構(gòu)、水泵電源、缺陷打標(biāo)機(jī)構(gòu)等?？刂朴布娇驁D如圖3 所示。

圖3 超聲自動(dòng)檢測(cè)爬行器的控制系統(tǒng)框圖

4.3 PLC 控制系統(tǒng)I/O 接口分配

在該爬行器的控制系統(tǒng)中，選用了德國(guó)西門子公司出產(chǎn)的S7-300 型可編程控制器。按照焊縫檢測(cè)的工藝要求，PLC 主要用來(lái)協(xié)調(diào)控制爬行器各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作并采集、檢測(cè)相關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)爬行器的啟停、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)及各種邏輯控制和系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)控制要求設(shè)定爬行器的控制系統(tǒng)輸入/輸出接口分配見表1?？刂葡到y(tǒng)一共用了18個(gè)數(shù)字量輸入口、12個(gè)數(shù)字量輸出口、5個(gè)模擬量輸入口（檢測(cè)電流值、爬行器左輪速度反饋電壓值、爬行器右輪速度反饋電壓值、左掃查電機(jī)速度反饋電壓值、右掃查電機(jī)速度反饋電壓值）和4個(gè)模擬量輸出口（爬行器左電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓輸出、爬行器右電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓輸出、左掃查電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓輸出、右掃查電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓輸出）。PLC 通過(guò)RS485 網(wǎng)絡(luò)總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

表1 PLC的輸入/輸出接口分配

4.4 控制流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是爬行器的運(yùn)動(dòng)路徑控制。通過(guò)激光傳感器得到被檢焊縫的偏差信號(hào)分別進(jìn)行控制爬行器行走機(jī)構(gòu)的左右兩個(gè)交流伺服電機(jī)和焊縫掃查機(jī)構(gòu)的兩個(gè)交流伺服電機(jī)，焊縫檢測(cè)的精度和電機(jī)相應(yīng)的速度都會(huì)影響到檢測(cè)精度。該系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)的控制流程圖如圖4 所示。

5 控制軟件設(shè)計(jì)

爬行器的軟件部分包括參數(shù)預(yù)置（焊縫厚度、檢測(cè)類型、掃查長(zhǎng)度、掃查速度、爬行器步進(jìn)距離、折射角、聲波在探頭內(nèi)的傳播時(shí)間等）、評(píng)定缺陷靈敏度曲線的制作與存儲(chǔ)（DAC 曲線）、爬行器的運(yùn)動(dòng)控制（包括:運(yùn)動(dòng)控制卡選擇，運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置，前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎的控制)、缺陷信號(hào)的采集與存儲(chǔ)、缺陷圖像的生成與檢驗(yàn)報(bào)告的編輯、視頻監(jiān)視（焊縫圖像監(jiān)視和爬行軌跡糾正）等，軟件采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，其控制結(jié)構(gòu)框圖見圖5 所示［6］。

上位機(jī)軟件運(yùn)行在Windows XP 操作系統(tǒng)平臺(tái)上，采用Visual C.++高級(jí)語(yǔ)言編寫，主要實(shí)現(xiàn)爬行器的運(yùn)動(dòng)路徑控制、焊縫自動(dòng)檢測(cè)控制、手動(dòng)控制和視頻監(jiān)視功能。通過(guò)RS485 網(wǎng)絡(luò)總線與PLC 可編程序控制器進(jìn)行通訊。

PLC 可編程序控制器的軟件用匯編語(yǔ)言編寫，軟件運(yùn)行后接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理及功率放大，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)它又檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，返回工作站，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的計(jì)算機(jī)閉環(huán)監(jiān)控。

圖4 PLC 控制流程框圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)的船殼外板大合攏對(duì)接焊縫超聲自動(dòng)檢測(cè)爬行器集超聲波探傷、爬行器運(yùn)動(dòng)控制及信號(hào)處理于一體。兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制能按規(guī)定路徑自動(dòng)快速地實(shí)現(xiàn)船體對(duì)接焊縫的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，實(shí)時(shí)記錄并儲(chǔ)存檢測(cè)數(shù)據(jù)、定性定量地判別焊縫缺陷，準(zhǔn)確地確定缺陷位置。不同的檢測(cè)參數(shù)可根據(jù)檢測(cè)要求設(shè)置并儲(chǔ)存，具有連續(xù)、高速檢測(cè)功能。系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單，操作方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在船舶修造行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 軟件控制結(jié)構(gòu)框圖

［1］趙思連.船舶焊接缺陷及其質(zhì)量檢驗(yàn)［J］.武漢造船，2001（3）：21-23.

［2］劉志遠(yuǎn)，裴潤(rùn)等.一種焊縫缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)［J］.焊接學(xué)報(bào)，2002（6）：71-74.

［3］鄭雄勝.自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)在船體對(duì)接焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（6）：63-65.

［4］劉志遠(yuǎn)，裴潤(rùn)，王玲.一種焊縫缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)［J］.焊接學(xué)報(bào)，2002，23（3）：71-74.

［5］張旭輝.管道對(duì)接焊縫自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研制［D］.西安：西安科技學(xué)院，2002.

［6］張?jiān)粕?實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.