六軸水浸式超聲C掃描自動成像系統的研制

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）

六軸水浸式超聲C掃描自動成像系統的研制

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，可以對平面、圓柱體、復雜曲面零件進行檢測。采用IPC作為運動控制的核心處理部分，運動控制卡負責整個運動控制細節，并以C++Builder為工具，開發了具有開放式、通用式、靈活式的運動控制系統軟硬件平臺。經過實際生產運行證明，該系統穩定可靠，檢測的精度高，可重復性好。

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成為超聲檢測發展趨勢。國內的圖像化超聲發展落后于國外若干年，近年來隨著自動化非標準設備行業的飛速發展，自動化行業與超聲檢測的結合越來越緊密。自動化的超聲檢測系統成為實現圖像化超聲檢測的必備途徑。超聲波C掃描技術是對超聲檢測數據進行C型顯示。超聲波C掃描檢測能夠給出圖像化的檢測結果，能直觀顯示被檢測工件的某一深度范圍內的缺陷信息，缺陷的定量、定性、定位更加準確，減少了人為因素的影響[1]。

目前，外資公司占據了國內超聲波C掃描檢測系統高端市場主要份額。外資公司的產品以中型和大型設備為主，硬件設備性能優良，軟件功能強大，但是系統的售價很高，維修成本高，維修周期較長[2]。對此，本文通過對超聲C掃描系統工作原理的研究，成功研制出一套高精度、高質量、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，其成本只有進口設備的五分之一。經過實際生產運行證明，該系統穩定可靠，維護方便，并且檢測的精度高，具有良好的可重復性以及對外形復雜工件的良好適應性。

1 系統的原理及構成

六自由度超聲C掃描自動成像系統是為了自動檢測平面、弧面和復雜曲面的零部件內部缺陷而設計的，該系統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、電機驅動控制單元、計算機軟件和系統控制柜等組成，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，由控制系統進行編譯處理，然后輸出控制信號給運動控制卡，接著運動控制卡發出指令給電機驅動控制單元，控制伺服電機或是步進電機運轉，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行掃描。同時CTS-04PC型超聲探傷卡發射高頻脈沖信號給超聲探頭，接收超聲探頭的回波信號，并對數據進行采集，然后把得到的數據反饋給IPC工控機，由IPC工控機軟件進行處理和成像。伺服電機(或是步進電機)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，外觸發信號是由運動控制卡根據電機編碼器的位置反饋輸出CMP信號進行同步，使得采集數據和實際位置相對應[3]。

圖1 水浸超聲檢測系統的工作原理

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]，設計了六自由度運動系統，三個移動自由度控制探頭運動的空間位置，兩個旋轉自由度控制探頭旋轉方向，一個旋轉自由度控制滾筒旋轉方向。機械掃描裝置主要由三坐標龍門系統模塊、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 自動掃描機械結構

2.1 直線運動機構

直線運動機構實現x、y、z三個方向的單獨或是組合步進掃描運動。傳動形式采用螺桿式傳動集成模塊直線執行機構，即采用滾珠螺母（滑座）移動，絲桿轉動，再加兩側直線導軌來支撐導向的運行方式，伺服電機與絲桿通過聯軸器相連。直線運動機構采用三坐標龍門系統模塊，不但能實現重復性高的精密執行運動，而且裝配、調試、維護比較容易。龍門系統模塊現在已經很成熟了，市場上能夠根據需要購買到標準化（或是客制化）產品。

2.2 旋轉運動機構

旋轉運動機構主要由探頭部件和滾輪部件組成，其結構簡圖如圖3所示。

圖3 旋轉運動機構

探頭旋轉方向經由兩個旋轉自由度來控制，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]。采用一個步進電機與蝸桿通過聯軸器相連，帶動固定在另一端部的蝸輪繞x軸旋轉，因探頭夾具與蝸輪相連固定，從而實現探頭夾具繞x軸旋轉運動；另一個步進電機通過齒輪直接帶動整個探頭部件繞y軸旋轉，從而實現探頭夾具繞y軸旋轉運動。該種方式結構簡單，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構有較高的要求。

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

3 控制系統硬件的研制

運動控制系統采用開環與閉環相結合的控制方式，由控制裝置、執行機構、被控對象等部分組成，能控制探頭或是滾筒按預定的軌跡運動，即通過計算機將輸入的信息進行編譯和處理，變成指令信號，送給運動控制卡，當運動控制卡接收PC指令后，向四臺交流伺服驅動器和兩臺直流步進驅動器發出運動脈沖控制信號，經過驅動器放大后驅動電機，使各坐標軸運動的電動機按照相應的頻率和角度運行。考慮到系統的運算速度和檢測的實時性，采用IPC工控機作為本系統的上位機，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，主要負責整個運動控制細節，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。系統結構如圖4所示。這種控制可實現上位機對各個運動坐標軸的單軸單獨控制和多軸聯動控制。

圖4 運動控制系統結構圖

3.1 控制系統上位機設計

上位機主要功能有：控制系統的初始化、提供控制接口、探頭運動軌跡的規劃、控制指令的發送、在線修改運行參數、綜合優化控制算法的實現、數據處理與成像、數據存儲、監控系統運行、報警及故障顯示和管理權限等。為達到工業控制的要求，系統采用研華工控機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 控制系統下位機設計

本系統的執行元件有6臺電機，考慮到以后的擴展需要（如增加輸送機構、水循環模塊、實時監控水位水質等的控制），所選用的運動控制卡需要能實現控制6軸以上功能，并且有可擴展性，因此選用凌華PCI-8158模塊化設計的高級8軸步進和伺服運動控制卡。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；支持手動脈沖產生(MPG)等。此外，當調試、檢修或突發事件時，還可根據需要通過在電子手輪上分別旋轉相應旋鈕或急停按鈕，旋轉電子手輪，進行手動操作。

4 控制系統軟件的研制

研制了六軸水浸式超聲C掃描自動成像系統檢測軟件CTS-Scan，主要實現了超聲探頭的位姿控制和自動掃描檢測，采用面向對象設計方法和模塊化的設計思想，主要分為：參數設置、運行模塊、狀態顯示、系統管理和幫助說明五個模塊。參數設置模塊負責六軸運動控制的脈沖輸出控制，調節脈沖發送的速度和加速度；運行模式模塊主要調整運行的方式，有自動運行模式、手動運行模式和智能運行模式；狀態顯示模塊可以將運行狀態和調整的參數實時顯示；系統管理模塊負責控制系統運行時的文件管理，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調控制，成為一個完整統一的運動控制系統軟件平臺[5]。

5 結論

本次研制的六軸水浸式超聲C掃描自動成像系統是一種集機電一體化技術、超聲檢測技術、計算機測控技術于一體的新型機電一體化超聲波檢測設備。經過實際生產運行證明，該系統具有操作維護方便、成本低廉、檢測精度高和適應性廣等優點，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，為準確判定工件缺陷提供了保證，并可使用VC++、C++Builder、VB等開發工具進行二次開發，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掃描系統在車輛負重檢測中的應用［J］.兵器材料科學與工程，2011，34（2）：99-102.

［2］楊青，劉穎韜.航空航天領域中超聲波C掃描檢測系統的發展與應用［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.一種面向復雜曲面的水浸超聲C掃描自動檢測系統設計［J］.機電工程技術，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［J］.儀器技術，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，大學本科。研究領域：機電液一體化、自動化探傷和無損檢測產品的開發、設計和研究。已發表論文3篇。

(編輯：向 飛)

2013－08－08