電磁超聲掃描裝置及其控制系統的設計探討

孫家全

摘要：就本文所講電磁超聲技術而言，不需要耦合介質和對試件進行預處理即可實現在高溫、高速、表面粗糙等一些相對比較惡劣的環境下進行試件非接觸性檢測作業，本文通過對電磁超聲掃描裝置進行相應的設計，促使探頭能夠實現在X、Y兩個方向進行步進掃描作業，同時還可實現對探頭高度進行相應調節，以此達成對探頭掃描軌跡進行控制的目標。就此本文針對電磁超聲掃描裝置及其控制系統的設計進行詳細探討，旨在以此為相關人士提供有價值的參考。

關鍵詞：電磁超聲 掃描裝置 控制系統

中圖分類號：TB553

前言

電磁超聲技術是通過對超聲波在缺陷部分的反射、投射以及散射存在的缺陷問題進行無損探傷檢測作業。而本文所講的電磁超聲掃描裝置的設計研究就是基于此基礎上提出來的，通過掃描裝置對超聲信號的有效值進行驗證分析，同時通過掃描裝置還可進行板材在線檢測裝置的研制，以此推動鋁板自動化檢測，這對我國鋁合板材的檢測水平提升有積極性研究意義。

一 電磁超聲掃描裝置的整體結構設計

關于掃描裝置的整體結構設計，主要采用十字交叉重疊結構進行相應設計，其具有緊湊性強、空間占用面積小的優勢。本文所講的裝置結構設計非常簡短，一方面能夠有效減短加工所用的時間和成本支出，基于保證定位精度的基礎上確保整個裝置的檢測范圍能夠實現對整個工件的覆蓋效果。從整體上來看下圖一的機械結構圖，其中兩個步進電機作為探頭在進行平面運行時的動力源，其中一個步進電機借助絲杠，將原本的電機旋轉運動逐步轉變為探頭在X方向進行直線運行;而另一個步進電機就會驅動處于X方向的絲杠，使其順延Y方向向上進行直線運動，通過以上兩個電機對探頭在X、Y兩個方向的運行進行相應控制，以此來實現對探頭平面控制。下圖一為電磁超聲掃描裝置圖：

圖一：電磁超聲掃描裝置圖

對于掃描裝置的探頭與工件兩者之間的距離調整可采取手動方式來對其進行相應的調整，在進行檢測時，通常情況下會要求探頭與試件兩者保持相應間隙距離，也就是提高距離，若提高距離發生變化情況下，就會對回波信號接收成效帶來相應影響，而本文所講的電磁超聲掃描拍裝置就是基于控制探頭定位，對其掃描軌跡進行相應控制，并對提高距離的改變可能對缺陷檢測產生的影響進行檢測。

二 電磁超聲掃描裝置的控制系統設計

1硬件設計

在控制系統的設計中，其中核心部件為單片機，通過鍵盤來對運行的參數進行設定，以此對步進電機運用狀態起到控制作用，其中數碼管和LED的主要作用在于顯示步進電機運行期間的轉動速度和方向。

2軟件設計

單片機剛上電時應處于初始化狀態，也就是Flog默認為0，然后按啟動鍵，這時候步進電機即可進行勻速掃描（可根據使用需求對探討的掃描速度和方向進行相應的調節[1]）。若標志位Flog處于1的位置時，電機工作狀態處于定位模式，然后根據需求設置相應的運行步數，設置好之后即可按啟動鍵，步進電機就會根據設定要求下運行，電機完成設定的步數后就會停止運行，即探頭定位完成。

關于步進電機的速度控制，在進行探頭掃描時，獲取到探討掃描速度以及是否處于勻速運行狀態具有一定的重要性，這主要在于勻速掃描能夠對標識缺陷尺寸以及完成閾值進行報警，以此來達成電磁超聲的自動化檢測目的，以此減少探傷所用時間，進一步強化其在運行效率，對掃描裝置能夠在最快時間內準確進行鋁合金工件跟蹤掃查、實時對檢測數據進行記錄有積極性應用意義。

關于步進電機的定位控制，在進行鋁板存在缺陷部位、表面波聲軸線上部外振幅分布以及表面波擴展角部分進行檢測過程中，需要借助探頭的作用開展定位作業，所謂定位，從本質上來來講，就是運用探頭在起始位置直至目標位置兩者之間的直線距離，將這部分距離換算為步數，以此來實現探頭定位[2]。

在進行實際步進電機定位控制過程中，為實現在最快時間內進行探頭定位，通常情況下采用加速-勻速-減速這一定位過程進行相應的定位左營，對于加速和減速兩個階段的時間要求應盡可能的短，對于中間勻速部分應采取盡可能長的時間運行，這樣做的目的在于降低在定位過程中存在的誤差問題，同時也要盡可能的防止出現失步和過沖情況。當前應用比較普遍的階梯升速法能夠很好的滿足上述要求，因此本文運用該種方式對探頭定位控制進行研究。

電機在起動階段以800Hz的頻率運行，然后進行勻加速運行，在加速過程中平均每個脈沖頻率會向下走5步，當頻率運行參數達2200Hz情況下，步進電機即可開始以勻速的狀態運行，等到其完成之前已經設定的運行步數后即可進行減速運動，減速和加速的運行過程剛好是相反的，電機會以啟動脈沖頻率來停止運行。

基于以上，在進行程序編寫過程中，將加速和減速兩者的運行步數分別設置為70步，其余步數在勻速階段完成。具體來講：其一，對于加速階段的運行步數，也就是步進電機處于升速階段，由最開始設置的800Hz逐步上升至2100Hz，在這個過程中頻率變化量和每個脈沖頻率下走參數信息為100Hz和5步;其二，對于勻速階段的運行步數，也就是步進電機處于勻速階段，在這個狀態下電機的脈沖頻率持續在2200Hz的狀態下運行，該階段所走步數的計算方式為預置步數-（升速階段步數+減速階段步數）;其三，對于減速階段的運行步數，也就是步進電機處于減速階段，由2100Hz逐步下降至800Hz，對于頻率變化量和每個脈沖頻率下走參數信息，與上述的加速階段設置基本相同，但其頻率處于不斷降低狀態。

總結：綜上所述，首先本文通過對電磁超聲掃描裝置整體結構進行設計，一方面能夠實現探頭在X、Y方向進行單獨掃描運動，另一方面也可進行復合掃描運動;其次，本文又從硬件和軟件兩方面來分析電磁超聲掃描裝置的控制系統設計，通過以上設計，能夠進一步強化對探頭的直線距離控制，促使探頭定位更加精準。

參考文獻：

[1]沈小倩. 機械手智能物料搬運裝置及其控制系統的設計[J]. 機械制造， 2019（4）：1-1.

[2]李晶晶. 淺析四自由度視覺裝置設計及其控制系統實現[J]. 山東工業技術， 2019， 292（14）：159-159.

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