丁旭升，陳坤裕

（廣東汕頭超聲電子股份有限公司，廣東汕頭 515041）

六軸水浸式超聲C掃描自動成像系統(tǒng)的研制

丁旭升，陳坤裕

（廣東汕頭超聲電子股份有限公司，廣東汕頭 515041）

研制了一種具有六個自由度的水浸超聲C掃自動成像系統(tǒng)，可以對平面、圓柱體、復(fù)雜曲面零件進(jìn)行檢測。采用IPC作為運動控制的核心處理部分，運動控制卡負(fù)責(zé)整個運動控制細(xì)節(jié)，并以C++Builder為工具，開發(fā)了具有開放式、通用式、靈活式的運動控制系統(tǒng)軟硬件平臺。經(jīng)過實際生產(chǎn)運行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，檢測的精度高，可重復(fù)性好。

超聲C掃描；水浸式；六軸；自動成像

0 引言

過去十年，圖像化超聲檢測已經(jīng)成為超聲檢測發(fā)展趨勢。國內(nèi)的圖像化超聲發(fā)展落后于國外若干年，近年來隨著自動化非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備行業(yè)的飛速發(fā)展，自動化行業(yè)與超聲檢測的結(jié)合越來越緊密。自動化的超聲檢測系統(tǒng)成為實現(xiàn)圖像化超聲檢測的必備途徑。超聲波C掃描技術(shù)是對超聲檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行C型顯示。超聲波C掃描檢測能夠給出圖像化的檢測結(jié)果，能直觀顯示被檢測工件的某一深度范圍內(nèi)的缺陷信息，缺陷的定量、定性、定位更加準(zhǔn)確，減少了人為因素的影響[1]。

目前，外資公司占據(jù)了國內(nèi)超聲波C掃描檢測系統(tǒng)高端市場主要份額。外資公司的產(chǎn)品以中型和大型設(shè)備為主，硬件設(shè)備性能優(yōu)良，軟件功能強大，但是系統(tǒng)的售價很高，維修成本高，維修周期較長[2]。對此，本文通過對超聲C掃描系統(tǒng)工作原理的研究，成功研制出一套高精度、高質(zhì)量、高分辨力的用于水浸超聲波檢測的六自由度自動C掃描成像系統(tǒng)，其成本只有進(jìn)口設(shè)備的五分之一。經(jīng)過實際生產(chǎn)運行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，并且檢測的精度高，具有良好的可重復(fù)性以及對外形復(fù)雜工件的良好適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)的原理及構(gòu)成

六自由度超聲C掃描自動成像系統(tǒng)是為了自動檢測平面、弧面和復(fù)雜曲面的零部件內(nèi)部缺陷而設(shè)計的，該系統(tǒng)由六自由度機械掃描裝置、CTS-04PC型超聲探傷卡、IPC工控機、運動控制卡、電機驅(qū)動控制單元、計算機軟件和系統(tǒng)控制柜等組成，如圖1所示。

檢測方法是：首先將被檢測零件的表面特征信息輸入控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行編譯處理，然后輸出控制信號給運動控制卡，接著運動控制卡發(fā)出指令給電機驅(qū)動控制單元，控制伺服電機或是步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)，機械掃描裝置帶動探頭沿著與被檢測零件表面法線相平行的方向進(jìn)行掃描。同時CTS-04PC型超聲探傷卡發(fā)射高頻脈沖信號給超聲探頭，接收超聲探頭的回波信號，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后把得到的數(shù)據(jù)反饋給IPC工控機，由IPC工控機軟件進(jìn)行處理和成像。伺服電機(或是步進(jìn)電機)再通過絲桿（或是蝸桿、齒輪）帶動探頭向下一個檢測點移動。此外，外觸發(fā)信號是由運動控制卡根據(jù)電機編碼器的位置反饋輸出CMP信號進(jìn)行同步，使得采集數(shù)據(jù)和實際位置相對應(yīng)[3]。

圖1 水浸超聲檢測系統(tǒng)的工作原理

2 機械掃描裝置的研制

機械掃描裝置的作用是帶動探頭沿著被檢測零件表面運動，為了保證在檢測過程中探頭方向始終與零件上被檢測點的法線重合[4]，設(shè)計了六自由度運動系統(tǒng)，三個移動自由度控制探頭運動的空間位置，兩個旋轉(zhuǎn)自由度控制探頭旋轉(zhuǎn)方向，一個旋轉(zhuǎn)自由度控制滾筒旋轉(zhuǎn)方向。機械掃描裝置主要由三坐標(biāo)龍門系統(tǒng)模塊、探頭部件、滾輪部件、工作臺、透明水槽及鋁框架等組成，如圖2所示。

圖2 自動掃描機械結(jié)構(gòu)

2.1 直線運動機構(gòu)

直線運動機構(gòu)實現(xiàn)x、y、z三個方向的單獨或是組合步進(jìn)掃描運動。傳動形式采用螺桿式傳動集成模塊直線執(zhí)行機構(gòu)，即采用滾珠螺母（滑座）移動，絲桿轉(zhuǎn)動，再加兩側(cè)直線導(dǎo)軌來支撐導(dǎo)向的運行方式，伺服電機與絲桿通過聯(lián)軸器相連。直線運動機構(gòu)采用三坐標(biāo)龍門系統(tǒng)模塊，不但能實現(xiàn)重復(fù)性高的精密執(zhí)行運動，而且裝配、調(diào)試、維護(hù)比較容易。龍門系統(tǒng)模塊現(xiàn)在已經(jīng)很成熟了，市場上能夠根據(jù)需要購買到標(biāo)準(zhǔn)化（或是客制化）產(chǎn)品。

2.2 旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)主要由探頭部件和滾輪部件組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)

探頭旋轉(zhuǎn)方向經(jīng)由兩個旋轉(zhuǎn)自由度來控制，保證在被測點位置探頭聲束與被檢測的表面的法線平行[4]。采用一個步進(jìn)電機與蝸桿通過聯(lián)軸器相連，帶動固定在另一端部的蝸輪繞x軸旋轉(zhuǎn)，因探頭夾具與蝸輪相連固定，從而實現(xiàn)探頭夾具繞x軸旋轉(zhuǎn)運動；另一個步進(jìn)電機通過齒輪直接帶動整個探頭部件繞y軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)探頭夾具繞y軸旋轉(zhuǎn)運動。該種方式結(jié)構(gòu)簡單，保證電機在整個探傷檢測過程中不浸泡在水中，可靠性高，但對電動機及機械結(jié)構(gòu)有較高的要求。

滾輪旋轉(zhuǎn)方向經(jīng)由一個旋轉(zhuǎn)自由度來控制，保證被檢測零件所有表面都處于探傷的有效范圍，不出現(xiàn)掃描盲區(qū)。采用伺服電機經(jīng)由減速電機，通過同步帶帶動滾筒的傳動方式。

3 控制系統(tǒng)硬件的研制

運動控制系統(tǒng)采用開環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的控制方式，由控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象等部分組成，能控制探頭或是滾筒按預(yù)定的軌跡運動，即通過計算機將輸入的信息進(jìn)行編譯和處理，變成指令信號，送給運動控制卡，當(dāng)運動控制卡接收PC指令后，向四臺交流伺服驅(qū)動器和兩臺直流步進(jìn)驅(qū)動器發(fā)出運動脈沖控制信號，經(jīng)過驅(qū)動器放大后驅(qū)動電機，使各坐標(biāo)軸運動的電動機按照相應(yīng)的頻率和角度運行。考慮到系統(tǒng)的運算速度和檢測的實時性，采用IPC工控機作為本系統(tǒng)的上位機，由它來完成插補運算、速度控制、方向控制等功能。下位機為運動控制卡，主要負(fù)責(zé)整個運動控制細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種控制可實現(xiàn)上位機對各個運動坐標(biāo)軸的單軸單獨控制和多軸聯(lián)動控制。

圖4 運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 控制系統(tǒng)上位機設(shè)計

上位機主要功能有：控制系統(tǒng)的初始化、提供控制接口、探頭運動軌跡的規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、在線修改運行參數(shù)、綜合優(yōu)化控制算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理與成像、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控系統(tǒng)運行、報警及故障顯示和管理權(quán)限等。為達(dá)到工業(yè)控制的要求，系統(tǒng)采用研華工控機IPC-610，利用其較高的防磁、防塵、防振蕩、防沖擊的能力，能在高溫下穩(wěn)定工作并有著豐富的擴展性能。CTS-04PC型超聲卡和凌華PCI-8158運動控制卡以PCI插卡形式嵌入PC機中。

3.2 控制系統(tǒng)下位機設(shè)計

本系統(tǒng)的執(zhí)行元件有6臺電機，考慮到以后的擴展需要（如增加輸送機構(gòu)、水循環(huán)模塊、實時監(jiān)控水位水質(zhì)等的控制），所選用的運動控制卡需要能實現(xiàn)控制6軸以上功能，并且有可擴展性，因此選用凌華PCI-8158模塊化設(shè)計的高級8軸步進(jìn)和伺服運動控制卡。該卡具有以下功能：3軸螺旋插補；脈沖輸出選擇：OUT/DIR，CW/ CCW，AB相；脈沖輸出速率：最高6.55 MHz；2～4軸線性插補；2軸圓弧插補；硬件緊急輸入；在線改變速度/位置；支持手動脈沖產(chǎn)生(MPG)等。此外，當(dāng)調(diào)試、檢修或突發(fā)事件時，還可根據(jù)需要通過在電子手輪上分別旋轉(zhuǎn)相應(yīng)旋鈕或急停按鈕，旋轉(zhuǎn)電子手輪，進(jìn)行手動操作。

4 控制系統(tǒng)軟件的研制

研制了六軸水浸式超聲C掃描自動成像系統(tǒng)檢測軟件CTS-Scan，主要實現(xiàn)了超聲探頭的位姿控制和自動掃描檢測，采用面向?qū)ο笤O(shè)計方法和模塊化的設(shè)計思想，主要分為：參數(shù)設(shè)置、運行模塊、狀態(tài)顯示、系統(tǒng)管理和幫助說明五個模塊。參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)六軸運動控制的脈沖輸出控制，調(diào)節(jié)脈沖發(fā)送的速度和加速度；運行模式模塊主要調(diào)整運行的方式，有自動運行模式、手動運行模式和智能運行模式；狀態(tài)顯示模塊可以將運行狀態(tài)和調(diào)整的參數(shù)實時顯示；系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)運行時的文件管理，如文件存檔管理、文件編輯管理和程序編譯管理等；幫助和說明主要是提供本控制軟件的操作說明、各按鈕的作用以及程序代碼的解釋。各模塊通過主框架程序相互協(xié)調(diào)控制，成為一個完整統(tǒng)一的運動控制系統(tǒng)軟件平臺[5]。

5 結(jié)論

本次研制的六軸水浸式超聲C掃描自動成像系統(tǒng)是一種集機電一體化技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、計算機測控技術(shù)于一體的新型機電一體化超聲波檢測設(shè)備。經(jīng)過實際生產(chǎn)運行證明，該系統(tǒng)具有操作維護(hù)方便、成本低廉、檢測精度高和適應(yīng)性廣等優(yōu)點，不僅能夠提高超聲檢測的自動化程度、檢測效率和可靠性，而且有利于缺陷的定位、定量和定性分析，為準(zhǔn)確判定工件缺陷提供了保證，并可使用VC++、C++Builder、VB等開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)，有著良好的可移植性和通用性。

［1］喬日東，張維國，郭智敏，等.多軸超聲C掃描系統(tǒng)在車輛負(fù)重檢測中的應(yīng)用［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2011，34（2）：99-102.

［2］楊青，劉穎韜.航空航天領(lǐng)域中超聲波C掃描檢測系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.無損檢測，2012，34（7）：54.

［3］楊青.四通道水浸式超聲C掃描檢測系統(tǒng)研制［J］.無損檢測，2012，34（7）：67.

［4］姜慶昌，郭士清，沈延飛.一種面向復(fù)雜曲面的水浸超聲C掃描自動檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電工程技術(shù)，2009，38（3）：29-30.

［5］李穎，譚立新，張文凱.基于PC和運動控制卡的開放式運動控制系統(tǒng)［J］.儀器技術(shù)，2007（4）：47.

The Development of Six-Axis Immersion C-Scan Automatic Imaging System

DING Xu-sheng，CHENG Kun-yu
（Guangdong Goworld Co.，Ltd，Shantou515041，China）

One six degrees of freedom immersion ultrasonic C-scan automatic imaging system is developed，which can be used to check plane，cylindrical surface and complex curve parts.Using IPC as the hard core of motion control and the motion card that responsible for the motion control details，a software and hardware platform for motion control system that adds openness，flexibility and universality is developed by C++Builder.As proved by the actual operation，the system is stable，high detection precision and good repeatability.

ultrasonic C-scan；immersion；six-axis；automatic imaging

TP274.5

B

1009－9492(2014)02－0037－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.011

丁旭升，男，1980年生，廣東潮州人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：機電液一體化、自動化探傷和無損檢測產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計和研究。已發(fā)表論文3篇。

(編輯：向 飛)

2013－08－08