超聲自動(dòng)焊接藥筒環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 焊接藥筒環(huán)焊縫超聲檢測(cè)方法
1.1 焊接藥筒介紹
焊接鋼質(zhì)藥筒是國(guó)營(yíng)753廠研制定型的火炮藥筒。其筒底和筒體是由環(huán)焊機(jī)焊接而成的。在焊接處,筒底厚度為2.6 mm,筒體厚度1.6 mm,焊接后形成4~6 mm寬的環(huán)形焊縫,且內(nèi)表面有起伏,不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時(shí),藥筒內(nèi)壓力很大,焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。焊縫中主要會(huì)出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。為了適應(yīng)生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動(dòng)檢測(cè)的要求,結(jié)合成本等因素,采用水浸超聲自動(dòng)檢測(cè)方法。
1.2 環(huán)焊縫超聲正交掃描檢測(cè)方案
疵病有點(diǎn)狀和線狀兩種。通過(guò)對(duì)藥筒及環(huán)焊縫的具體分析,采取如圖1所示方案,從兩個(gè)方向?qū)缚p進(jìn)行正交檢測(cè),這樣不易漏檢,也可根據(jù)兩個(gè)方向獲得的信息對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析。圖1中三個(gè)探頭裝在一個(gè)探頭架上,全部采用水浸聚焦探頭。整個(gè)探頭和藥筒被測(cè)部分浸在水中(圖中未畫出水)。
圖1(a)中,探頭1是發(fā)射探頭,發(fā)射的縱波在水中傳播斜入射到藥筒筒體,在鋼板中產(chǎn)生A1模式的板波。板波沿垂直于焊縫的方向傳播,在傳播的同時(shí)部分能量以縱波的形式向水中輻射,穿過(guò)焊縫的板波到達(dá)某一點(diǎn)時(shí),其輻射的縱波能量被探頭2接收。當(dāng)板波聲束穿過(guò)的焊縫處有氣孔或焊偏缺陷時(shí),探頭2接收到的信號(hào)變小。
圖1(b)中,探頭3發(fā)射的縱波斜入射到焊縫上,在焊縫中產(chǎn)生表面波,沿焊縫方向傳播,當(dāng)在焊道上距入射點(diǎn)一定距離內(nèi)有橫裂紋、氣孔等缺陷時(shí),表面波沿焊縫方向反射,反射回波的部分能量以縱波的形式向水中輻射,被探頭3接收形成缺陷反射回波信號(hào)(無(wú)疵病時(shí),信號(hào)幅度為零)。
通過(guò)對(duì)兩組探頭信號(hào)的處理與綜合分析,可得出焊道上被測(cè)點(diǎn)的焊接情況。這就是檢測(cè)的基本原理和方法。
2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)檢測(cè)方案,檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能:
①兩組探頭對(duì)同一點(diǎn)先后檢測(cè),并把各自的回波信號(hào)進(jìn)行處理;
②提取回波信號(hào)的主要特征以便分析判斷;
③為了獲得整個(gè)焊道的信息,藥筒和探頭須有相對(duì)運(yùn)動(dòng),使系統(tǒng)對(duì)整個(gè)圓周的焊縫都能檢測(cè)到;
④整個(gè)系統(tǒng)由微機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)做出結(jié)論;
⑤遇到不合格的藥筒報(bào)警,并能在不合格的位置自動(dòng)打標(biāo)記,以便操作人員進(jìn)行X射線檢驗(yàn)核對(duì)。
根據(jù)以上考慮設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)框圖,如圖2所示。微機(jī)是監(jiān)控中心,它通過(guò)測(cè)控及處理電路和各部分有機(jī)地聯(lián)合在一起。測(cè)控及處理電路包括兩組發(fā)射電路,回波信號(hào)預(yù)處理電路,物位檢測(cè)電路,打標(biāo)控制電路,狀態(tài)指示電路。數(shù)據(jù)采集電路是用來(lái)對(duì)處理后的回波信號(hào)進(jìn)行特征提取的,檢測(cè)系統(tǒng)總的工作過(guò)程是:
①先檢測(cè)藥筒是否到位(物位檢測(cè)),不到位則等待,到位給出檢測(cè)指示狀態(tài);
②垂直于焊縫的雙探頭組發(fā)射超聲波,接收探頭接收到信號(hào)后進(jìn)行放大、檢波、采樣后把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)。然后單探頭發(fā)射超聲波并把接收到的有用信號(hào)經(jīng)過(guò)以上處理后儲(chǔ)存起來(lái);
③在微機(jī)控制下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度,通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)藥筒轉(zhuǎn)動(dòng)到下一點(diǎn);
④重復(fù)②的檢測(cè),直到藥筒轉(zhuǎn)完一圈,這時(shí)整個(gè)焊道兩組探頭檢測(cè)到的數(shù)據(jù)已經(jīng)儲(chǔ)存起來(lái);
⑤經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后給出結(jié)論,若不合格則報(bào)警并在不合格處打標(biāo)記,需另行處理。然后等待下一發(fā)藥筒到位,重復(fù)以上檢測(cè)步驟。
3 多輸入-單輸出適配電路
正交檢測(cè)方案要求對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行兩組探頭測(cè)量。為了兩組超聲波不混疊,兩組探頭應(yīng)先后分別測(cè)量,兩個(gè)回波的后期處理基本相同,而工廠現(xiàn)有CTS-23型單通道探傷儀,為了用一個(gè)通道來(lái)處理兩路信號(hào)(采用單通道探傷儀),設(shè)計(jì)了多輸入-單輸出的適配電路。電路框圖如圖3(a)所示,工作原理是:在計(jì)算機(jī)的控制之下,控制單元首先讓雙探頭發(fā)射,延時(shí)一定時(shí)間,打開雙探頭多路轉(zhuǎn)換通道,使雙探頭接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)入探傷儀進(jìn)行處理及后期特征提取,然后關(guān)閉雙探頭通道,讓單探頭發(fā)射,延時(shí)一定的時(shí)間后,打開單探頭多路轉(zhuǎn)換通道,讓單探頭接收的疵病信號(hào),經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后期處理(始波信號(hào)通不過(guò)),然后關(guān)閉單探頭通道,完成此次的檢測(cè)工作 (藥筒轉(zhuǎn)到下一點(diǎn)時(shí)重復(fù)以上步驟) 。其工作時(shí)序圖如圖3 (b)所示?;夭ㄐ盘?hào)中,1為始波,2為有用信號(hào)波,3為干擾信號(hào),干擾信號(hào)幅值時(shí)大時(shí)小,有時(shí)不出現(xiàn),單探頭的疵病信號(hào)是隨著藥筒轉(zhuǎn)動(dòng)而逐漸向始波移動(dòng),當(dāng)移到某一點(diǎn)時(shí)幅值大。
4 疵病信號(hào)特征提取電路設(shè)計(jì)
對(duì)于雙探頭組接收信號(hào),在有疵病時(shí)表現(xiàn)為信號(hào)幅度下降,波形略有變化(和無(wú)疵病信號(hào)比較),其主要特征是幅值,通過(guò)分析其頻譜,有疵病時(shí)頻譜略有展寬,根據(jù)這一特性,在信號(hào)處理電路中,設(shè)計(jì)了適合于無(wú)疵病信號(hào)頻譜的帶通濾波器,這樣,當(dāng)有疵病時(shí),幅值進(jìn)一步下降。對(duì)于單探頭回波信號(hào),當(dāng)有橫裂紋等疵病時(shí),有疵病信號(hào),其大小與疵病大小有關(guān),所以其特性也是信號(hào)的幅值。因此,為了簡(jiǎn)化處理電路和減少處理時(shí)間,特性提取電路的功能就是要采集有用回波信號(hào)的峰值。
因?yàn)樘絺麅x處理后的回波信號(hào)是時(shí)域上變化很快的脈沖信號(hào),信號(hào)過(guò)去后,為了保持住信號(hào)的峰值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,設(shè)計(jì)了如圖4所示的兩級(jí)采保電路。級(jí)由分立元件( 高頻三極管和阻容等元件)組成,利用電容充電來(lái)采集峰值。信號(hào)到來(lái)時(shí)(SW斷開),通過(guò)D1給C2充電,由于D1的單向?qū)щ娦裕盘?hào)過(guò)去后,C2兩端的電壓等于信號(hào)的峰值,但C2的保持能力差,由集成采樣保持器LF398在級(jí)峰保的基礎(chǔ)上采保。所以對(duì)采集速度要求不高,它的保持特性很好,滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。
由于單、雙探頭組的回波信號(hào)中,不僅有有用信號(hào),還有一些始波及干擾信號(hào)存在,所以須根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)控制峰保電路,使其保持有用信號(hào)的峰值,而使干擾信號(hào)不影響其輸出,在下一次采樣前,須使電容C2上的充電放掉(SW接通),為此設(shè)計(jì)的控制信號(hào)KZ1,KZ2,KZ3的時(shí)序如圖5所示。