船體大合攏焊縫超聲自動檢測爬行器控制系統

鄭雄勝，張惠

（1.浙江海洋學院機電工程學院，浙江舟山 316000；2.浙江省（久和）船舶先進制造技術研發中心浙江省船舶工程重點實驗室，浙江舟山 316000）

1 引言

現代造船中，焊接是一項非常關鍵的工藝。船舶焊接質量的好壞直接關系到船舶的航行安全，它不僅影響船體建造質量，而且對提高生產率、縮短造船周期起著很大的作用。在船舶建造過程中，船殼外板的對接焊縫在船殼焊縫中占很大比重，尤其是船體大合攏對接焊縫的焊接質量對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，而隨著船舶向大型化方向發展，X 射線檢測的難度和成本越來越大，檢測人員勞動強度大，檢測效果不甚理想。另外，X 射線檢測只能抽檢，已經遠遠不能滿足船舶制造業的快速發展需要。因此，為了保證船舶建造質量，實現檢測的自動化、低成本化，提高檢測效率和改善工人工作條件，研究設計了一種適用于船殼外板大合攏對接焊縫缺陷的超聲自動檢測爬行器。該爬行器采用永磁鐵吸附和伺服電機驅動方式，以PLC 可編程控制器為核心，結合激光焊縫跟蹤技術、數控技術、計算機技術等多種技術進行控制［2］，是一種適用于現場使用、性價比高的船殼外板大合攏對接焊縫缺陷自動檢測裝置。

2 總體方案設計

船殼外板大合攏對接焊縫缺陷超聲自動檢測爬行器（其本體結構見圖1）主要由履帶式爬行機構、焊縫掃查機構、激光焊縫跟蹤系統、PLC 主控制器、小車驅動電路、監控顯示器及電流變送器等組成［3］。履帶式爬行機構由左右兩個交流伺服電機進行驅動，可以實現爬行器前進、后退和轉彎等運動。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，能保證爬行時的吸附要求。爬行器的抗傾覆機構能幫助爬行器安全可靠地越過凸起的焊縫，以適應船體表面凹凸不平的結構，提高爬行的穩定性。爬行器的激光焊縫跟蹤系統可以識別各種焊縫，能在一定的范圍內進行焊縫的精確跟蹤，可保證爬行器檢測作業時始終沿著焊縫兩側行走。爬行器進行檢測作業時，通過激光焊縫跟蹤系統和PLC 主控制器，實時控制焊縫掃查機構的兩組收發探頭相對被檢焊縫的檢測基準線（一般為被檢焊縫的中心線）作左右等距離、反向的勻速運動。

圖1 超聲自動檢測爬行器結構簡圖

3 探傷原理及儀器、探頭的選擇

船殼外板大合攏對接焊縫缺陷超聲自動檢測爬行器主要采用多探頭超聲串列法檢測。串列法檢測作業時要求兩組收發探頭相對于檢測基準線作勻速、等距和反向運動［4］。本文設計的檢測爬行器選用了德國K.KUSN60 超聲波探傷儀。該型號的探傷儀具有頻帶寬、靈敏度和分辨力高、可數字化操作等突出優點，是一種適合自動掃查系統的探傷設備。大型船舶船體外板的厚度通常超過100mm，因此掃查時采用了串列式斜探頭組對稱式探傷方式，兩組串列式斜探頭（一組探頭接受信號、一組探頭發送信號）對稱地置于被檢焊縫的兩側，由爬行器行走機構伺服電機和焊縫掃查機構伺服電機配合帶動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，考慮耦合劑來源方便，價格低廉，對人體無害，對船體材料無腐蝕作用，便于操作，檢測后容易被清除等因素，選擇添加有防腐劑和潤濕劑的水作為探傷的耦合劑。

圖2 掃查方式示意圖

4 電控系統設計

4.1 檢測過程分析

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

檢測作業時，通過手動控制將爬行器置于被測焊縫表面上，同時開啟伺服電機和水泵電源開關，將設備設定為自動檢測模式，焊縫掃查自動開始。在檢測過程中先進行快速預掃查，當發現疑似缺陷時，設備進行聲光報警，并自動轉為慢速的精度掃查。在有缺陷的地方即時打上標記并儲存檢測參數。當整道焊縫掃查完畢，水泵電源隨即關閉，自動檢測控制轉為手動控制模式，通過手動控制器將爬行器行走到下一道被檢焊縫［5］。另外，在掃查過程中，對不能馬上識別缺陷的地方可進行往復式掃查。

4.2 控制硬件設計

本檢測爬行器采用了以工控計算機和PLC 可編程控制器為核心的兩級控制模式，包括手動控制器和人機交互界面的綜合控制系統。PC 機是上位機，它可以通過有線或無線遙控方式將檢測參數輸入，主要執行制定檢測任務，顯示檢測狀態，協調爬行動作等功能。PLC 可編程序器是下位機，它主要接收和執行上位機的信號，并且將各種檢測到的信號進行反饋。整個控制系統包括：爬行器行走機構、焊縫掃查機構、檢測電源、激光跟蹤機構、水泵電源、缺陷打標機構等。控制硬件方框圖如圖3 所示。

圖3 超聲自動檢測爬行器的控制系統框圖

4.3 PLC 控制系統I/O 接口分配

在該爬行器的控制系統中，選用了德國西門子公司出產的S7-300 型可編程控制器。按照焊縫檢測的工藝要求，PLC 主要用來協調控制爬行器各個機構的動作并采集、檢測相關信號，實現爬行器的啟停、前進、后退、左轉、右轉等運動及各種邏輯控制和系統監控。根據控制要求設定爬行器的控制系統輸入/輸出接口分配見表1。控制系統一共用了18個數字量輸入口、12個數字量輸出口、5個模擬量輸入口（檢測電流值、爬行器左輪速度反饋電壓值、爬行器右輪速度反饋電壓值、左掃查電機速度反饋電壓值、右掃查電機速度反饋電壓值）和4個模擬量輸出口（爬行器左電機轉速控制電壓輸出、爬行器右電機轉速控制電壓輸出、左掃查電機轉速控制電壓輸出、右掃查電機轉速控制電壓輸出）。PLC 通過RS485 網絡總線與主控計算機進行通信。

表1 PLC的輸入/輸出接口分配

4.4 控制流程設計

本系統控制的關鍵是爬行器的運動路徑控制。通過激光傳感器得到被檢焊縫的偏差信號分別進行控制爬行器行走機構的左右兩個交流伺服電機和焊縫掃查機構的兩個交流伺服電機，焊縫檢測的精度和電機相應的速度都會影響到檢測精度。該系統自動檢測的控制流程圖如圖4 所示。

5 控制軟件設計

爬行器的軟件部分包括參數預置（焊縫厚度、檢測類型、掃查長度、掃查速度、爬行器步進距離、折射角、聲波在探頭內的傳播時間等）、評定缺陷靈敏度曲線的制作與存儲（DAC 曲線）、爬行器的運動控制（包括:運動控制卡選擇，運動參數設置，前進、后退和轉彎的控制)、缺陷信號的采集與存儲、缺陷圖像的生成與檢驗報告的編輯、視頻監視（焊縫圖像監視和爬行軌跡糾正）等，軟件采用面向對象設計，其控制結構框圖見圖5 所示［6］。

上位機軟件運行在Windows XP 操作系統平臺上，采用Visual C.++高級語言編寫，主要實現爬行器的運動路徑控制、焊縫自動檢測控制、手動控制和視頻監視功能。通過RS485 網絡總線與PLC 可編程序控制器進行通訊。

PLC 可編程序控制器的軟件用匯編語言編寫，軟件運行后接收上位機發來的電信號，經信號處理及功率放大，驅動相應的執行機構，同時它又檢測執行機構的狀態，返回工作站，實現整個設備的計算機閉環監控。

圖4 PLC 控制流程框圖

6 結語

本文研究設計的船殼外板大合攏對接焊縫超聲自動檢測爬行器集超聲波探傷、爬行器運動控制及信號處理于一體。兩級計算機控制能按規定路徑自動快速地實現船體對接焊縫的現場檢測，實時記錄并儲存檢測數據、定性定量地判別焊縫缺陷，準確地確定缺陷位置。不同的檢測參數可根據檢測要求設置并儲存，具有連續、高速檢測功能。系統裝置簡單，操作方便，經濟實用，在船舶修造行業中有著非常廣泛的應用前景。

圖5 軟件控制結構框圖

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

［2］劉志遠，裴潤等.一種焊縫缺陷自動超聲檢測系統［J］.焊接學報，2002（6）：71-74.

［3］鄭雄勝.自動超聲探傷系統在船體對接焊縫檢測中的應用研究［J］.機械研究與應用，2007，20（6）：63-65.

［4］劉志遠，裴潤，王玲.一種焊縫缺陷自動超聲檢測系統［J］.焊接學報，2002，23（3）：71-74.

［5］張旭輝.管道對接焊縫自動超聲檢測系統的研制［D］.西安：西安科技學院，2002.

［6］張云生.實時控制系統軟件設計原理及應用［M］.北京：國防工業出版社，1998.