數控系統在盤環件水浸超聲波檢測設備上的應用試驗

李征

北京航臻科技有限公司 北京 101300

關鍵字：數控系統；盤環件；水浸超聲波檢測設備

1 序言

隨著檢測精度要求的提高，越來越多的航空零部件開始采用自動化超聲波檢測設備進行檢測。根據檢測對象的不同，自動化超聲波檢測設備可分為檢測金屬零部件常用的常規水浸超聲波檢測設備和盤環件水浸超聲波檢測設備，以及檢測復合材料零部件常用的噴水式自動化超聲波檢測設備等[1]。

目前，自動化超聲波檢測設備多采用運動控制板卡進行運動控制，通過對板卡的底層函數進行軟件開發，形成多種類型的掃描運動軌跡。這種控制方式具有使用方便、可編譯性強、成本低等優勢，但也存在開發工作量大、調試復雜、安全性差等缺點。在運動控制方式中，數控機床中應用的數控系統控制方式具有集成度高、通用性強、控制軸數多、功能豐富、運動精度高、可靠性高等特點，且相關技術成熟。

但是，數控系統除在運動軸數較多和行程較大的噴水式自動化超聲波檢測設備[2]上有所應用外，在常規水浸超聲波檢測設備和盤環件水浸超聲波檢測設備中鮮有應用。

基于上述情況，我公司決定開展數控系統在自動化超聲波檢測設備上的應用試驗，設計生產一臺采用數控系統進行運動控制的盤環件水浸超聲波檢測設備，并選用筒形試件作為典型件進行檢測試驗驗證，以此研究數控系統在盤環件水浸超聲波檢測設備上的應用情況。

2 設備的設計生產

根據市場常用盤環件水浸超聲波檢測設備的規格，確定設備的最基本的設計要求如下。

1）檢測對象：最大直徑1500mm，最大厚度或高度為600mm。

2）坐標軸設置：X、Y、Z、B、C（轉臺軸）、H（升降軸）。

3）檢測精度：能夠檢出φ0.8mm的平底孔，以及鈦合金試塊中φ1.2mm×300mm的平底孔。

4）組成：設備主要包括硬件和軟件兩大部分。其中，硬件包含機械運動機構、數控系統、超聲波板卡和上位機等；軟件包含超聲波數據采集和分析軟件，以及掃描軌跡規劃軟件等。

因此，設備的設計生產主要包含數控系統配置、機械運動系統搭建和軟件開發三個方面。

2.1 數控系統配置

在自動化超聲波數據采集過程中，需要由數控系統給出當前位置坐標值信息，超聲波板卡激勵并接收當前位置處的超聲波信號。上位機同時讀取當前位置的坐標位置數據和超聲波信號數據，形成一個完整數據，一組這樣的數據結果通過調色板進行映射成像，即形成了直觀的超聲波檢測圖像。

因此，選取數控系統時，首要解決的問題是：如何快速讀取當前位置坐標值并上傳至上位機；同時還需要考慮坐標位置數據和超聲波信號數據的同步性，以及數控系統和伺服驅動裝置對超聲波信號的干擾問題。

選取廣州數控的GSK25iMb型數控系統，搭配廣州數控220V交流伺服驅動和電動機。具體實現方式為如下。

1）采用網絡連接方式，實現上位機和超聲波板卡的實時通信。

2）直接調用廣州數控提供的位置信息實時獲取DEMO程序，直接從數控系統底層獲取單一位置數據信息，并將讀取速度提高到2ms。

3）創建兩個先入先出緩存器（FIFO），分別用于存儲坐標位置數據和超聲波信號數據，由上位機軟件同時讀取、匹配。

4）對設備進行全閉環控制，在數控系統等硬件上加裝屏蔽裝置，并進行接地處理，保證設備整體的信噪比。

2.2 機械運動機構搭建

機械運動機構選用剛性強、穩定性好、精度保持性高的橋式結構，主要由水箱、橫梁、滑板、滑枕、轉臺及卡盤等部件組成，轉臺具有升降功能。

機械運動機構配置X、Y、Z、H、B、C共6個運動坐標軸，包括：橫梁在水箱上的縱向運動（X）；橫滑板在橫梁上的橫向運動（Y）；垂向滑枕在橫滑板上的上下運動（Z）；探頭在安裝于垂向滑枕下端雙擺角調整機構上的擺動（B：繞Y坐標的旋轉）轉臺的上下運動（H）；轉臺繞Z坐標的回轉（C）。機械運動機構如圖1所示。超聲波探頭可安裝在B擺角末端。自動掃描時，可實現縱向（X）、橫向（Y）、垂向（Z）、B擺角及C擺角（轉臺）的多軸聯動。

圖1 機械運動機構

2.3 軟件開發

軟件開發主要包括：基于廣州數控的GSK25iMb型數控系統，開發數據采集前的掃描軌跡規劃軟件，以及基于法國Socomate公司的USPC 7100LA板卡開發超聲波數據采集和分析的軟件。

基于數控系統軌跡規劃軟件的工作方式如下。

1）通過上位機編程，創建零件形狀參數設置窗口，由操作者輸入零件形狀參數。

2）這些參數直接對數控系統內的宏變量進行賦值，進而在數控系統底層直接生成與零件形狀相對應的NC程序。

3）基于NC程序，上位機發出運行指令，數控系統控制機械運動機構實現實際的數據采集過程。目前，已實現了平面掃描、圓盤面掃描、圓柱面掃描和圓錐面掃描這4種掃描模式的軌跡規劃。

超聲波數據采集和分析軟件主要是：通過超聲波板卡采集獲取當前位置的超聲波信號數據，即實時A波信號；上位機同時讀取A波信號數據和坐標位置數據，從不同方向進行顏色映射，形成檢測圖像。目前，能夠實現直角坐標系下和極坐標系下的C掃描成像和B/D掃描成像，以及極坐標系下的形狀圖像還原。同時，支持在圖像中進行缺陷尺寸測量、區域截取、缺陷識別、缺陷標記、底波分析和報告生成等功能，以實現對超聲波檢測結果數據的分析和判定。

2.4 設備完成

通過設備裝配、電氣調試、精度測量、軟件調試和整機調試后，配以操作臺、腳踏板等附件，一臺搭配了數控系統的盤環件水浸超聲波檢測設備設計生產完成，如圖2所示。

圖2 盤環件水浸超聲檢測設備

各坐標軸的行程如下。

X軸行程：1550mm。

Y軸行程：1630mm。

Z軸行程：730mm。

B擺角行程：-95°～+95°。

C坐標行程：n×360°。

H坐標（轉臺升降）：940mm。

其中，直線軸的定位精度均＜0.1mm，重復定位精度均＜0.05mm；擺角B軸的定位精度為1342.6"（0.38°），重復定位精度為648.5"（0.18°）；轉臺C軸的定位精度為266.9"（0.07°），重復定位精度為266.9"；最大掃描檢測速度能夠達到150mm/s。

3 試驗驗證

為驗證盤環件水浸超聲波檢測設備的檢測能力，選取反映設備整體超聲波檢測性能的信噪比來進行檢測試驗和檢測精度試驗，以及反映盤環件超聲波檢測工藝的筒形試件檢測試驗進行重點介紹。

3.1 信噪比檢測

選取預埋有φ0.8m m平底孔的7075鋁合金試塊，試塊直徑50mm、厚95mm，平底孔面距被檢測面75mm。

選用5M H z水浸平探頭，探頭晶片直徑0.5i n（1in＝25.4mm），設置探頭底端和試塊被檢測面之間的水層厚度為100mm；移動X、Y軸，將探頭移動至平底孔位置，找到平底孔反射波幅值的最大值；調節增益，使其幅值達到100%；設置閘門，觀察到閘門噪聲信號幅值約為5%（見圖3），得出該設備的信噪比為26dB（20 ∶1）。

圖3 信噪比檢測結果

3.2 檢測精度試驗

選取預埋有φ1.2m m平底孔的T C4鈦合金試塊，試塊φ75mm、厚320mm，平底孔面距被檢測面100mm。

選用5MHz水浸平探頭，探頭晶片直徑0.5in，設置探頭底端和試塊被檢測面之間的水層厚度為65mm，采用平面掃描模式進行自動化掃描檢測。

檢測結果如圖4所示，其中C掃描和A掃描中均能清晰地看到平底孔反射波信號。

圖4 鈦合金φ1.2mm×300mm試塊檢測結果

3.3 筒形試件檢測

選取7075鋁合金筒形試件：外徑200mm，內徑180mm，在φ190mm處預埋了6個φ2mm、孔深15mm的平底孔缺陷，如圖5所示。

圖5 筒形試件

選用5MHz水浸平探頭；設置探頭底端和試塊被檢測面之間的水層厚度為65mm；采用圓柱面掃描模式（外側）進行自動化掃描檢測。

檢測結果如圖6所示。其中，C掃描展開圖、B和D圖像與形狀還原圖像中均能夠看到預埋的6個缺陷；在D掃描圖中，打開十字光標，選取一點，A掃圖中相應地顯示出該選取點處的信號情況。

圖6 筒形試件檢測結果

4 結束語

通過盤環件水浸超聲檢測設備的設計生產，以檢測試驗驗證，說明采用數控系統進行運動控制的自動超聲波檢測設備，能夠實現超聲波信號的實時采集，以及超聲波掃描檢測的實時成像和全A波存儲，能夠檢測鈦合金試塊中φ1.2mm×300mm的平底孔，滿足盤環件水浸超聲波檢測的應用需求。

基于數控系統開發的軌跡規劃軟件，能夠實現平面掃描、圓盤面掃描、圓柱面掃描等掃描模式的軌跡規劃設置，減少了開發工作量。

由于此次條件有限，所以對盤環件水浸超聲波檢測設備的掃描速度、超聲波信號的信噪比等方面未作深入研究，后續將針對這些方面開展相應研究。