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        基于機(jī)器視覺的金屬棒材自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-03-08 08:16:54陳怡凡
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年21期
        關(guān)鍵詞:棒材調(diào)試超聲波

        陳怡凡

        (陜西服裝工程學(xué)院,陜西 西安 712046)

        近年來(lái),我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,社會(huì)市場(chǎng)對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)的要求也逐步擴(kuò)大。而且中國(guó)鋼鐵與計(jì)算機(jī)等行業(yè)在很大程度上促進(jìn)了自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步改善與發(fā)展。對(duì)于鋼筋的檢測(cè)主要選擇超聲波與渦流自動(dòng)檢測(cè)技術(shù),以保障檢測(cè)效率。為切實(shí)滿足市場(chǎng)的多元化需求,研究人員一直致力于創(chuàng)新優(yōu)化自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù),以此推動(dòng)中國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[1]。

        1 金屬棒材自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

        1.1 焊接自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

        一般而言超聲波檢測(cè)方法在鋼鐵焊縫自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用比較廣泛,準(zhǔn)確性較高但是需消耗很長(zhǎng)時(shí)間。若是檢測(cè)焊縫的時(shí)候發(fā)現(xiàn)其中存在故障問題,可以發(fā)送超聲波向傳感器傳輸故障信息,以便科學(xué)精確地評(píng)估。在檢測(cè)時(shí),可選擇自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù),以保障焊接結(jié)構(gòu)的合理性與完整性,從而提升自動(dòng)檢測(cè)效率,推動(dòng)工業(yè)健康發(fā)展[2]。

        1.2 復(fù)合材料自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

        隨著科技革新發(fā)展,中國(guó)鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。在部分重工業(yè)領(lǐng)域,尤其是鋼鐵,需要消耗大量復(fù)合材料,所以需要對(duì)材料進(jìn)行批量化生產(chǎn)。在對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中,需確保檢測(cè)質(zhì)量以及檢測(cè)的全面性。另外,多數(shù)工業(yè)采用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,尺寸也非常大,這在一定程度上加大了檢測(cè)工作的難度。

        隨著自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,檢測(cè)的要求也逐漸提高,所以檢測(cè)設(shè)備的性能也需要逐步優(yōu)化?,F(xiàn)階段,常見復(fù)合材料主要采取超聲波檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)損檢測(cè),而在實(shí)際檢測(cè)時(shí),所注重的方面非常多,尤其是材料結(jié)構(gòu)特征方面,需要以先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)施與數(shù)控技術(shù)確保檢測(cè)工作的科學(xué)合理性與精確性。在復(fù)合材料自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中,主要選擇超聲穿透法與反射法。而超聲穿透法主要基于入射聲波能量變化實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料問題的實(shí)時(shí)檢測(cè),多數(shù)企業(yè)會(huì)選擇通過(guò)超聲波傳感器安裝實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,從而提升無(wú)損檢測(cè)整體效率。此外,超聲反射法在無(wú)損檢測(cè)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別超聲波,所以需進(jìn)一步采用新型檢測(cè)設(shè)備,以保障換能器超速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

        2 金屬棒材自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)工藝流程

        金屬棒材自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)工藝流程具體如圖1所示。

        圖1 無(wú)損檢測(cè)工藝流程

        無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域最為常見的檢測(cè)技術(shù)分別具備各自獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與缺陷。單一的測(cè)試技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法滿足全面的底盤和設(shè)備測(cè)試需求。復(fù)合材料自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種結(jié)合兩種或多種技術(shù)的技術(shù),通過(guò)各技術(shù)之間彼此彌補(bǔ)的形式良性結(jié)合,從而提升檢測(cè)準(zhǔn)確性與完整性。其中超聲波可檢測(cè)到金屬棒材內(nèi)部缺陷,渦流則可檢測(cè)到表面缺陷,二者的結(jié)合可在很大程度上滿足金屬棒材檢驗(yàn)的整體性[3,4]。

        3 基于機(jī)器視覺的金屬棒材自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)

        金屬棒材復(fù)合式在線自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)采用工件螺旋前進(jìn)的方式進(jìn)行檢測(cè),系統(tǒng)包括機(jī)械裝置、無(wú)損檢測(cè)工位、電氣控制部分等,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 金屬棒材復(fù)合式在線自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        3.1 機(jī)械裝置

        3.1.1 上下料裝置

        上下料裝置具體如圖3所示。

        圖3 上料裝置

        進(jìn)料臺(tái)的滾道在延伸部和進(jìn)料輥之間呈鋸齒形,并以預(yù)定角度傾斜,滾道以特定順序與承載坯料干涉,滾道下有材料刻度。頂出時(shí),工件被推出擋板并自動(dòng)朝傳送臂旋轉(zhuǎn),以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)上料流程。

        3.1.2 機(jī)械傳動(dòng)裝置

        機(jī)械傳動(dòng)裝置可通過(guò)不同的推進(jìn)方式完成工作。就超聲檢測(cè)工件而言,可實(shí)現(xiàn)螺旋式推進(jìn)。就各種直徑工件而言,轉(zhuǎn)變從動(dòng)輪視角,將螺旋的速度向前轉(zhuǎn)換。對(duì)于零件的渦流檢測(cè),滾筒主要用于直線傳動(dòng),傳動(dòng)方式由程序自主切換。機(jī)械傳動(dòng)裝置具體如圖4所示。

        圖4 機(jī)械傳動(dòng)裝置

        3.2 無(wú)損檢測(cè)工位

        渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)以檢測(cè)線圈、充磁裝置和退磁裝置為基礎(chǔ),安裝在供電側(cè)的發(fā)射裝置表面,記錄儀與超聲波檢測(cè)儀一起放置在電氣柜內(nèi)。為保障檢測(cè)效果,避免桿件傳動(dòng)時(shí)發(fā)生振動(dòng),傳動(dòng)裝置上設(shè)定了壓塊機(jī)構(gòu),通過(guò)油缸推出。傳動(dòng)裝置設(shè)定了與壓塊機(jī)構(gòu)類似的缺陷位置標(biāo)記設(shè)備,通過(guò)控制器采樣檢測(cè)速度與固定距離,從而有效控制標(biāo)記設(shè)備操作。

        超聲波探調(diào)裝置安裝在水箱中,并配置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與探頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),兩側(cè)安裝了自動(dòng)門,以氣缸驅(qū)使轉(zhuǎn)動(dòng)。在檢測(cè)水箱下方設(shè)置補(bǔ)給水箱。在液位檢測(cè)相對(duì)偏低時(shí),便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)水處理。而探頭調(diào)節(jié)器的工作是調(diào)整探頭位置、角度、線度。其中內(nèi)部夾緊的時(shí)候,應(yīng)確保對(duì)準(zhǔn)聚焦探頭盡可能保持平行。

        3.3 電氣控制

        作為自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,控制器的電氣部分在很大程度上直接控制整個(gè)系統(tǒng)的所有動(dòng)作,可與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信,傳輸金屬棒材信息,利于充分掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。電氣控制程序功能具體如圖5所示。

        圖5 電氣控制程序功能

        工控機(jī)作為上位機(jī),PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器,負(fù)責(zé)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器和編碼器的相應(yīng)信號(hào),并與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信。上位機(jī)選擇組態(tài)軟件設(shè)置控制流程,動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)發(fā)現(xiàn)過(guò)程,并基于界面按鈕實(shí)時(shí)管理整個(gè)過(guò)程和各個(gè)發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)。

        控制器選擇PLC,使用SFC進(jìn)行編程。上位機(jī)采用MCGS軟件配置處理,專門分為登錄界面和控制界面兩部分。登錄界面由自動(dòng)渦流檢測(cè)、自動(dòng)超聲波檢測(cè)、手動(dòng)調(diào)試、退出系統(tǒng)組成。檢測(cè)屏模擬實(shí)時(shí)動(dòng)臂操作,并根據(jù)操作狀態(tài)設(shè)置報(bào)警燈。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)啟動(dòng)、檢測(cè)停止、緊急停止和警示燈。手動(dòng)調(diào)試界面由氣缸電磁調(diào)試、時(shí)間設(shè)置、報(bào)警調(diào)試、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試四個(gè)功能模塊組成,每個(gè)模塊為系統(tǒng)硬件設(shè)置相應(yīng)的調(diào)試內(nèi)容[5]。

        4 系統(tǒng)調(diào)試及其應(yīng)用分析

        超聲波以偏心角入射,波形轉(zhuǎn)換為入射橫波,A掃描顯示無(wú)底狀態(tài)。縱波垂直下降,根據(jù)聲路設(shè)置,較低的波向外傳播。進(jìn)行實(shí)時(shí)缺陷試塊檢測(cè),觀察分析偏心探頭波形的狀態(tài),快門安裝在36mm的聲路中,寬度約12mm。缺陷波形出現(xiàn)在30 mm聲程上,當(dāng)聲程為40 mm時(shí),振幅趨于最大值。然后幅度逐漸減小,轉(zhuǎn)移出閘門并消失不見。缺陷波形在超出閘門高度的時(shí)候,控制軟件會(huì)及時(shí)告警,發(fā)出聲光以提示。

        設(shè)備工裝的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試狀況需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理,即棒材易于發(fā)生彎曲,進(jìn)料時(shí),頭尾兩端突然彈跳,導(dǎo)致編程錯(cuò)誤。程序中對(duì)頭尾兩端的信號(hào)進(jìn)行濾波,以達(dá)到更滿意的結(jié)束效果;精度取決于刀具生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置,這些設(shè)置是在調(diào)試過(guò)程中重新校正分析獲得的;在受局部電磁干擾的影響下,檢測(cè)信號(hào)不僅在檢測(cè)軟件中設(shè)置了閘門報(bào)警延時(shí)修飾,還在控制軟件上安裝了高速計(jì)數(shù)裝置,對(duì)同一缺陷信號(hào)進(jìn)行多次采樣和確認(rèn),以便消除不必要的誤報(bào)現(xiàn)象缺陷。

        通過(guò)調(diào)試和分析,所有設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程、儀器設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)等方面均符合相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

        5 金屬棒材自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

        近年來(lái),金屬棒材自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)如下所示:

        其一,超高精度檢測(cè)要求,降低原材料成本。在嚴(yán)格控制表面脫碳的條件下,實(shí)現(xiàn)熱軋局部替代銀亮材料加以使用,以節(jié)約材料綜合成本;內(nèi)部檢測(cè)精確度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以滿足超高精度金屬棒材使用的具體要求。其二,明確劃分各種不同類型金屬的在線高速檢測(cè)裝置,從而最大程度上滿足特殊金屬材料的相關(guān)要求。其三,精確且實(shí)用在線測(cè)徑裝置,以滿足高檔產(chǎn)品對(duì)于同類型材料尺寸偏小范圍波動(dòng)的有關(guān)要求。其四,科學(xué)合理選擇工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選型,進(jìn)而滿足產(chǎn)品市場(chǎng)定位需求。

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