葉建雄,李志剛,程 群
(1. 浙江機電職業(yè)技術學院,浙江 杭州310053;2. 華東交通大學機電學院,江西 南昌330013; 3 江西省樂平市第一中學,江西 樂平333300)
目前,濕法焊接在焊接手段、工藝、焊接材料等方面已有不少成果,實現(xiàn)了從“能焊”向“焊好”的轉變。理論研究方面,Mazzaferro J A 等研究了不同深度的淺水條件下的電弧特性[1],石永華等利用U-I 相平面圖,進一步分析了電弧穩(wěn)定性與水深的關系,以及不同水深時工藝參數(shù)組合[2];高輝、焦向東等采用Abaqus 有限元軟件,對摩擦螺柱焊的焊接過程進行了仿真研究,比較了相同工藝參數(shù)分別在有水和干式環(huán)境下的焊接效果[3];在濕法焊接材料研制方面,Hanover 大學開發(fā)了雙層自保護藥芯焊條、美國研制了7018S 和“Black Beauty”,這些焊條的焊接質量均滿足美國船級社AWS D3.6 的標準,并且英國的Hydroweld FSTM 焊條在橋梁、船舶的維修中得到了實際應用; 在國內, 哈工大的郭寧等開發(fā)了一種藥芯焊絲, 可以在30 m 以內的水深完成CCSE36 等級鋼的焊接,接頭性能也達到了AWS D3.6 的標準[4];在焊接方法和工裝方面,魏康、李康等采用冷軋和退火處理工藝制備了異質層狀結構的316L 不銹鋼,然后采用GTAW 焊接工藝對處理后的鋼板實施單、雙面焊接成型,處理后的316L 不銹鋼內部形成明顯的超細晶層狀組織結構,大幅提高了母材的抗拉強度[5]。但在濕法焊接自動化領域,目前遇到的最大問題是沒有合適的傳感器可用。眾所周知,在陸地焊接中最常用的傳感器是CCD 圖像傳感器和旋轉電弧傳感器[6-7],為了在濕法焊接中使用CCD 傳感器,必須將它們封裝在一個透明的防水盒子中,且一般需要增加輔助光源以增強照明;除此之外,所采集的圖像還經常受到弧光、汽泡和水中懸浮物的影響,難以采集到理想的焊縫圖像;而旋轉電弧傳感器在水下焊接中的應用,主要集中于淺水以及電弧與水壓的關系特性等方面,已有研究表明,電弧長度及穩(wěn)定性受水壓的影響很大,水壓越大電弧越短、電弧穩(wěn)定性越差,水壓過大時會使電弧熄滅;因而要將此傳感器應用于水下濕法焊接中,不但要解決電機在水下可靠安全工作的問題,而且要考慮如何減少水壓對焊接電弧所帶來的不利影響。
濕法焊接自動化要求性能良好的傳感器,這促使人們開展水下傳感特性的研究工作。 前期研究成果表明,單體超聲波傳感器可以直接應用于水下,且對弧光、汽泡不敏感,利用相關系數(shù)法可以實現(xiàn)水下高精度測距,從而得到傳感器與工件之間的距離,進而利用幾何關系確定焊縫的準確位置[8-9],但這種方法存在需要在水平方向移動傳感器、檢測效率低等不足之處。 為此,在研究中引入了PA,它包含數(shù)十乃至上百個小陣元,在外形上常見的有直線型、圓形或其他特殊類型。 所有的小陣元都具有獨立的驅動電路,因而利用它進行焊縫形貌的檢測,具有檢測靈活方便和高效的優(yōu)點。
論文首先介紹相控陣傳感器的基本工作原理,然后在此基礎上確定所用PA 的物理參數(shù),包括PA 的形狀,陣元數(shù)量及陣元間隔大小;最后給出PA 工作時所需的多種電路,包括高精度時鐘生成、聲波發(fā)送和接收,以及帶通濾波等電路。
PA 是由眾多排成不同形狀的小陣元構成的,各陣元發(fā)出聲波并在水中形成干涉,為了保證聲波能夠在工件表面聚焦,這些由不同陣元發(fā)出的聲波必須滿足惠更斯原理,即各聲波具有相同的頻率和穩(wěn)定的相差,合成波的幅值在相角差為π (180°)的偶數(shù)倍時最大,為π 的奇數(shù)倍時最小,相角差為其他值時,幅值則介于最大與最小值之間,且幅值和相角差滿足一定的函數(shù)關系。 在圖1(a)所示的濕法焊接環(huán)境中,PA 置于工件正上方約30 cm 處,相同頻率的聲波依次從選定的若干陣元發(fā)出,就可以實現(xiàn)在不同的空間點聚焦,但如何快速地聚焦于工件表面上的不同位置,屬于場掃規(guī)劃的內容,在此不再展開。 本論文將從理論上分析PA 聚焦于特定點的工作原理,進而分析PA 的結構參數(shù)與定位精度的關系。
圖1 PA 在水下濕法焊接中的應用Fig.1 Ultrasonic PA working method in underwater wet welding
與通過機械運動進行各點測距的單管傳感器相比,PA 的效率顯著提高。 PA 的大小、陣元的數(shù)量及陣元的排列形式、間距對聚焦的效果都有很大影響,對于圖1(b),當聲波的焦點在圖中P 點時,為了使O1和O2點處的陣元所發(fā)聲波能同時到達焦點,發(fā)出聲波的時間差可以由余弦定理求得
式中:r1,r2分別為二陣元O1,O2到焦點P 的距離;d 為相鄰陣元的間距;θ 為陣元、焦點連線與豎直垂線的夾角,因而由上式可得時間差如下
式中:Δs 為r1和r2的差;C 為聲波在水中的傳播速度;d 為二點間的陣元間隔數(shù)量。
根據式(2)確定各陣元所發(fā)出聲波的時間差,同時借助軟件ArrayCalcis 可以進行聲波干涉效果的仿真,這是一款可以進行立體干涉效果仿真的軟件,設置好PA 的形狀和陣元參數(shù)后,其可以算出在空間各點波的合成效果并用三維圖形進行表示,從而為PA 的選擇和工作參數(shù)的設定提供依據,圖2 給出了有8 個陣元的線性PA 在主瓣偏轉角度為10°時的2D 和3D 干涉效果。
與圓形、面型相控陣相比,線性PA 更易于在工件表面獲得直線型的焦點。 利用ArrayCalcis 分析不同陣元參數(shù)的線性PA 聚焦效果,通過計算焦點至各陣元的距離及角度,可以獲得直觀的干涉效果。 圖3 給出了陣元本體寬度為b=2 mm,陣元間距d=3 mm 時,陣元個數(shù)分別為8 和16 時,各陣元依次相隔0.2 μs 發(fā)出聲波時的干涉效果,其中暖色調比冷色調所代表的能量高,深色比淺色所代表的能量高。
圖2 PA 聲波的聚焦與偏轉Fig.2 PA focusing and flection results
圖3 聚焦精度與陣元數(shù)量的關系仿真Fig.3 Relationship between number of PA units and focusing precision
表1 給出了更多參數(shù)時的仿真結果,從結果可以看出,陣元數(shù)量越多,聚焦精度越高,同時主瓣能量比重也越高,但陣元數(shù)量的增加,會導致通道數(shù)量的增加和控制電路、驅動電路的增加,使整體電路復雜度增加。
表1 不同陣元時的聚焦精度Tab.1 Focusing accuracy under various units number
聚焦精度除了與以上參數(shù)相關外,還與時鐘分辨率密切相關。 聲波的不同時延影響各聲波干涉時的相位,并形成聲波的偏轉。Erhard A 等分析了時鐘的量化誤差與旁瓣離散化之間的關系,旁瓣的能量與主瓣能量的比例可用下式表示[10]式中:N 表示陣元個數(shù);μ 表示脈沖周期相對于最小時鐘量化誤差的比值。S 越小表示能量越集中、聚焦精度對于確定的N,通過增加μ 值可以獲得理想的S 值,但μ 的增加是以硬件開銷為代價的,也就是說,時鐘分辨率越高,聚焦效果越好,但對硬件的要求也會越高。 因而需要在性能需求和硬件成本二者之間確定一個平衡點。
針對水下焊接的實際,水中聲速約為1 340 m/s,PA 一般在工件上方40 cm 左右,焦距不會超過50 cm,因而可確定所用PA 的參數(shù)見表2。
表2 PA 的工作參數(shù)Tab.2 Working parameters of PA
電路從功能上劃分為控制電路、激勵信號產生及放大電路、帶寬濾波器、聲波發(fā)送和接收放大電路等部分,此外,為了靈活準確地控制焦點的變化,還設計了高精度時鐘發(fā)生器,以精確控制各陣元所發(fā)出聲波的時間差。 具體如圖4 所示,其中,控制電路包括16 路獨立的通道,每個通道均由與門電路74HCT11 控制,僅當啟動信號Start signal、時鐘輸出信號Out 均為高電平時,相應通道的激勵信號Excitation 才能通過與門電路送往后面的陣元放大及激勵電路,驅動陣元發(fā)出所需的聲波。
圖4 控制電路結構Fig.4 Structure of control circuit
根據預先設計好的掃描路徑,計算出各陣元間的時間差,并將這些值存儲在計算機中,工作時按一定的步序依次將這些值送往CPLD(complex programmable logic device);高精確度時鐘信號由CPLD 器件EPM1270144C5 實現(xiàn),它集成有1 270 個邏輯單元、近千個宏單元及8 KB flash 單元,各通道的觸發(fā)過程如下:
* EPM1270144C5 每次接收一組由計算機通過串口送來的時間序列值,并依次存儲在長度為8 bit 的16個寄存器中,每個寄存器對應一個陣元。
* CPLD 完成時序信號的接收后,啟動其內部的高速硬件累加器開始計數(shù),并將累加值與各通道的時間序列值進行實時比較,在匹配的瞬間將對應的信號從OUT 口送出,從而確保時序的準確性。
* 利用高速三輸入與門電路74HCT11,確保只有當激勵信號、時鐘信號和啟動信號均為高電平時,對應的陣元才能被激勵并發(fā)出聲波。
PA 工作中,位于工件上方約30 cm,由式(2)可知,所需的最小延時為26.97 ns,最大延時約為1 799.69 ns,將EPM1270144C5 的工作頻率確定為100 MHz 時,8 位的累加器可以實現(xiàn)的最小時延和最大時延分別為10 ns 和2 550 ns,完全滿足上述的使用要求。但需要注意的是,各通道的初始時刻、以及各陣元所發(fā)聲波的頻率和初相位必須相同,為滿足這些要求,由CPLD 發(fā)出的起始信號同時送往各通道的門器件,并且時序輸出越高,信號所用的時鐘比較器為同一累加器,由于CPLD 芯片內各通道所具有的時延特性是相同的,因而可以認為各通道的起始時刻是完全相同的。
圖5(a)所示為聲波發(fā)射電路,激勵信號被高頻變壓器EE1302 放大,最高電壓可達130 V;圖5(b)是聲波接收電路,回波被陣元接收后,首先利用高頻三極管NPN9013 放大,然后通過由M33078 構成的有源帶通濾波器進行濾波,濾波后的信號最后由高速信號采集卡PCI4712 所采樣。
圖5 聲波發(fā)送和接收電路Fig.5 Sound wave emitting and receiving circuit
PA 可以方便地實現(xiàn)聲波的偏轉和聚焦,影響其精度的因素主要有陣元數(shù)量、陣元間隔大小以及時鐘精度,通過研究得到以下結論:
1) 聚焦精度受PA 的物理參數(shù)影響,陣元數(shù)量越多,聚焦精度越高,但相應的硬件電路越復雜。 同時,PA 使用的環(huán)境對電路參數(shù)的選擇也有影響,電路要能完成最小及最大延時時間的精確計量。
2) 干涉波的相位差由激勵波的延時決定,而延時的準確性與時鐘精度密切相關,即聚焦精度也取決于時鐘精度,時鐘精度越高,聚集精度也越高。
3) 工作頻率的增加可以提高時鐘精度,通過CPLD 而不是選用微處理器產生時鐘脈沖,可以顯著提高工作頻率。
在水下濕法焊接中,利用PA 進行焊縫信息檢測,相比于單管超聲波傳感器具有靈活、高效的特點,但水下焊接環(huán)境惡劣,信號受到的干擾大,如何實現(xiàn)PA 信號的高速、有效處理,需要進一步的深入研究。