超聲C掃描檢測自動掃查裝置的設計*

宋 成，趙 泓，萬本例，胡 斌

（中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

0 引言

超聲C 掃描是一種沿垂直于聲束橫截面進行二維掃描的檢測模式，可以通過數控掃描系統，運用插補原理實現各種軌跡的掃描。在自動檢測中，通常采用水浸聚焦探頭進行水浸掃描。

C 掃描檢測需要檢測探頭在工件表面進行迂回型運動，如圖1 所示，同時探頭運動過程需要很高的穩定性來保證探頭與工件的良好耦合，因此，需要設計一種性能可靠的C掃描自動掃查裝置，可攜帶C 掃描探頭穩定地吸附在工件表面，并在工件表面縱橫兩個方向上都能進行穩定運動。

可用于超聲C 掃描檢測的爬壁機器人分類眾多，按照吸附方式的不同，可以分為負壓吸附、電磁吸附及永磁吸附；按照行走方式的不同，可以分為履帶式、輪式及足式。承壓設備大多采用鐵磁性材料，因此，本設計采用永磁輪吸附式結構，該種技術方案具有吸附可靠、相同質量下磁吸附力大、運動速度快、轉向靈活等優點。

圖1 超聲C掃描檢測探頭掃查路徑

從文獻及報道方面看，國外一些采用磁吸附形式的爬壁機器人研究已經成功應用到工業超聲、渦流等無損檢測領域，但研制成型的設備由于技術壁壘大都售價高昂。國內對于超聲C 掃描檢測采用的這種磁輪吸附式結果還很少有實際應用，這方面的機械結構及自動控制裝置的研究也很少[1-3]，因此，對承壓設備的超聲波C掃描自動掃查機器人的研究是十分必要的。

1 掃查裝置結構設計

1.1 裝置總體結構

超聲C 掃描檢測針對的承壓設備材質基本上是鐵磁性材料，所以吸附方式選擇永磁吸附。本掃查裝置整體機械結構如圖2所示，整個掃查裝置結構按功能可分為3部分：縱向運動機構、橫向運動機構、探頭夾持臂。其中縱向運動機構是整個掃查裝置的行走驅動機構，由主殼體、傳感器模塊和4個磁性輪組成，整個機構靠4個磁輪的吸力吸附在鐵磁性材質的待檢設備外壁，由磁輪的運動帶動機器人前進、后退，以及調整機構的位置和方位，其中前兩個磁性輪為驅動輪，分別由兩個直流電機驅動，機構直線運動時兩電機設置為相同轉速，當需要改變行走方向時依靠內部單片機控制兩電機形成速度差，從而改變爬行運動方向。當左邊的驅動輪速度大于右邊驅動輪的速度時，機器人向右偏轉；反之，向左偏轉。

圖2 自動掃查裝置整體外觀結構

1.2 磁輪材質及結構設計及仿真

磁輪吸附組件是爬壁掃查裝置的重要結構，應產生足夠的吸附力，以克服檢測探頭和裝置本體的重量，保證裝置在壁面上可靠工作。本裝置磁輪采用釹鐵硼材質的磁鐵，釹鐵硼三元系永磁材料商品化性能最高，機械加工性能好。本裝置選用的磁鐵型號為N45，屬于高磁能積性磁鐵。

圖3 自動掃查裝置縱向運動機構

裝置磁輪選用尺寸規格為φ58 mm×5 mm的圓環性結構，永磁材料是比較脆的材料，磁輪直接與工件表面接觸行走過程中容易磨損磁輪及工件表面防腐層，為提高使用壽命，在磁輪外弧面加一層1 mm厚聚氨酯包膠，同時在磁輪兩側貼合安裝兩片規格為φ60 mm×2 mm的碳鋼圓片。這樣在保證裝置具有足夠吸附力的同時也避免了磁輪與工件的磨損[2]。

另外，由于掃查裝置速度低，可以近似地看作靜態磁場。本文采用FORCES BY VIRTUAL WORK 和Ansoft Maxwell應力張量法分別對磁吸附力進行仿真求解。

首先建立模型（圖4），對模型中的磁鐵、工件和空氣3種材料進行定義。仿真軟件中自帶有N45 型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應的介質材料即可。然后進行相應邊界條件設置、網格劃分、參數選擇和求解設置等，分別采用Maxwell應力張量法和虛擬做功法兩種不同求解計算方法[4-5]。

圖4 磁力仿真模型

仿真分析得出以下結果。

（1）磁鐵兩側鋼導輪壁厚與磁輪的磁吸附力關系如圖5所示，磁力的吸附力隨著鋼導輪壁厚增大而增大，因此單個磁導輪的厚度對吸附輪影響很大，鋼導輪壁厚的選擇需要根據掃查裝置的整體重量確定。

（2）工件厚度與磁輪吸附力的關系如圖6 所示，工件的厚度對磁力的影響不是太大，因為磁力線主要集中在工件表面與磁輪接觸的小部分區域，進入工件深度范圍很小。

圖5 鋼導輪厚度對磁輪磁力的影響

圖6 鋼板厚度對磁輪磁力的影響

采用Maxwell應力張量法求解計算，得出磁鐵與工件吸附力為78.2 N。當掃查裝置滿載質量為10 kg時，磁輪和工件表面的摩擦因數為0.75。磁輪與工件的摩擦力55.8 N（虛擬做功法），4 個磁輪摩擦力為223 N，大于機器人重量78.4 N，所以掃查裝置在檢測過程中能夠牢牢吸附在工件表面上，保證超聲檢測的正常工作。

1.3 橫向運動機構的設計

橫向運動機構的主要功能是攜帶相控陣C 掃描檢測探頭，并可在與主殼結構運動方向垂直的方向上進行獨立的橫向運動，使探頭進行C 掃描掃查檢測。橫向運動結構與掃查裝置通過鉸鏈剛性連接，需要調整橫向結構的安裝位置時只需擰松鉸鏈上緊固螺釘即可使橫向結構與掃查裝置主殼成柔性連接，待橫向結構調整到位再鎖死緊固螺釘。

圖7 橫向運動機構

1.4 縱向運動直流電機及減速機的選型

已知參數如下：

（1）掃查裝置總質量M=10 kg（滿負荷），其中橫向滑塊及所攜帶夾持臂探頭等附件總質量為2 kg；

（2）縱向機構最高行走速度v=6 m/min，橫向機構最高移動速度v=3 m/min；

（3）縱向運動機構永磁輪直徑d=0.060 m，橫向運動機構帶輪直徑d=0.025 m。

每個永磁輪的輸出轉矩為:

式中：k0為安全系數，k0=1.5。

每臺直流電機的額定功率為：

式中：n1為永磁輪轉速，r/min；n2為橫向運動帶輪轉速，r/min；

求解以上公式可得：縱向運動機構所需電機扭矩為2.2 N·m，功率為11 W；橫向運動機構所需電機扭矩為0.2 N·m，功率為1.2 W。

根據上述計算結果[6]，本課題選擇Maxon微型直流減速電機，其性能參數如表1 所示，縱向運動機構電機選用Maxon DCX 系列B75D3C441463 型電機，本款電機額定功率22.7 W，減速器最大輸出扭矩3.3 N·m；縱向運動機構電機選用Maxon DCX 系列B72DB9E403F6 型電機，本款電機額定功率15 W，減速器最大輸出扭矩2 N·m；滿足本掃查裝置許用要求。

表1 Maxon DCX 系列直流電動機性能參數表

1.5 探頭夾持臂

探頭夾持臂結構如圖8 所示，滑軌及壓縮彈簧構件可使檢測探頭在垂直方向有一定調整空間，可適應較粗糙的工件表面；楔塊夾持塊可使探頭在橫向范圍內有一定角度的變化，使探頭和工件更好地耦合。

圖8 探頭夾持結構

2 掃查裝置運動控制系統

本掃查裝置控制系統硬件部分采用飛思卡爾MC9S12XS128 單片機，控制模塊分為縱向運動模塊、橫向運動模塊、無線遙控模塊、編碼器等，控制系統結構如圖9所示。

系統控制軟件采用C 語言編程，開發環境為CodeWarrior。系統具體控制流程：根據超聲檢測C 掃描檢測掃查路徑，掃查器前進一段距離后暫停，然后橫向運動機構啟動，探頭沿著滑軌從左端移動到右端后暫停，掃查器接著前進一段距離后暫停，橫向機構再次啟動，探頭沿著滑軌從右端返回到左端停止，掃查器縱向及橫向運動機構按照此運動路徑循環進行，直至完成整個工件平面的C掃描檢測[7]。

圖9 控制系統結構圖

單片機通過315M超外差無線接收及發送模塊可對自動掃查器運動模式進行實時無線遙控控制，可遙控控制掃查器啟動爬行、停止、轉向、加速、減速等運動行為。

3 結束語

按本文介紹的超聲C 掃描檢測自動掃查裝置的結構，研制了樣機，進行了現場測試試驗。測試試驗表明，這種采用以單片機為控制核心的磁吸附式C 掃描檢測自動掃查裝置是可行的。該裝置結構簡單，控制系統可靠，可根據實際工況調整縱向步進、橫向掃查速度，掃查范圍等參數；順利實現掃查運動和調整運動，并達到超聲C 掃描檢測掃查所要求的運動精度。