本文將首先介紹一種用于螺旋焊接鋼管焊縫檢測的自動(dòng)化超聲波探傷系統整體組成，然后介紹作為檢測設備核心的焊縫跟蹤機構的機械和電氣結構，并介紹了系統自動(dòng)探傷的工作過(guò)程。

2 探傷系統組成 
焊縫探傷比較有效的手段是采用脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)。由于主要是判斷是否存在缺陷，這里我們采用A型顯示(A掃描)的超聲波探傷儀。它利用超聲波的反射特性，在熒光屏上以縱坐標代表反射回波的幅度，以橫坐標代表反射回波的傳播時(shí)間，根據缺陷反射波的幅度和時(shí)間來(lái)確定缺陷的大小和存在的位置，如圖1所示。圖中，T為工件表面反射波，F為缺陷波，B為底面反射波。

圖1 A掃描顯示缺陷

采用超聲波探傷儀的自動(dòng)化探傷系統組成結構如圖2所示，整個(gè)系統由超聲波探傷儀、運輸小車(chē)和焊縫跟蹤機構組成。超聲波探傷儀用于焊縫探傷，這里采用沿圓周對稱(chēng)分布的6個(gè)斜探頭以檢測焊縫中存在的氣孔、裂紋、夾渣、未焊透和未熔合等缺陷；運輸小車(chē)用于移動(dòng)鋼管，檢測時(shí)，將鋼管放在運輸小車(chē)上送到焊縫跟蹤系統下方，小車(chē)一邊前進(jìn)，一邊旋轉鋼管，兩種運動(dòng)合成為鋼管的螺旋運動(dòng)，理想情況下，鋼管的進(jìn)給和旋轉嚴格同步，在鋼管焊縫螺旋角不變的條件下，焊縫嚴格位于探傷系統的檢測范圍內。焊縫跟蹤系統是超聲探傷儀的載體，用于跟蹤鋼管焊縫的中心。為保證檢測的精度和可靠性，超聲探頭系統需要安裝在焊縫跟蹤系統上進(jìn)行工作。其原因是：(1)探傷儀的探頭系統對位置精度要求較高。由于超聲探頭系統本身的原理和結構的限制，要求探頭系統具有很高的定位精度。(2)焊縫條件限制。理想情況下，鋼管的焊縫為一參數固定的螺旋線(xiàn)，但在鋼管焊接過(guò)程中有時(shí)會(huì )出現偏差，造成鋼管焊縫幾何參數發(fā)生變化，因而要求檢測設備能夠補償這一種變化。(3)由于運輸小車(chē)的運動(dòng)不，難以保證進(jìn)給和旋轉兩種運動(dòng)的嚴格同步，從而導致焊縫相對探頭系統發(fā)生偏移，因此，要求檢測設備跟蹤焊縫的偏移。

圖2 螺旋鋼管焊縫自動(dòng)超聲探傷系統結構

在圖2的系統中，采用兩臺交流變頻調速電機實(shí)現運輸小車(chē)的進(jìn)給和鋼管的旋轉，由于鋼管的質(zhì)量大，鋼管的進(jìn)給和旋轉無(wú)法嚴格同步，在檢測初始階段尤為顯著(zhù)，因而焊縫跟蹤系統是焊縫自動(dòng)探傷設備的關(guān)鍵部分。下面著(zhù)重介紹這一部分。 
3焊縫跟蹤系統機械結構 
由前述可見(jiàn)，自動(dòng)化超聲波探傷對焊縫跟蹤系統的要求很高，我們所設計的焊縫跟蹤系統滿(mǎn)足下述指標要求：
1)適用鋼管范圍：螺旋埋弧焊管外徑Φ337-Φ1200mm;帶鋼寬度550-1500mm;焊縫螺旋角10°-75°；焊縫余高≥2mm;焊縫寬度8-30mm. 
2)焊縫切線(xiàn)運動(dòng)速度：≤8m/min; 
3)焊縫位置跟蹤精度：±1mm; 
4)水平跟蹤范圍：±300mm; 
5)垂直跟蹤范圍：±150mm。 
根據指標要求，在設計焊縫跟蹤系統時(shí)，在機械上采用兩個(gè)平移自由度：一個(gè)為垂直方向，帶動(dòng)超聲波探頭架上下移動(dòng)；另一個(gè)為水平方向，帶動(dòng)探頭架在水平面內沿鋼管母線(xiàn)方向移動(dòng)，以實(shí)現對鋼管焊縫偏移的跟蹤。焊縫跟蹤系統機械結構如圖3所示。探頭架安裝在垂直螺母上。兩個(gè)自由度均采用絲杠副實(shí)現平移運動(dòng)，各采用一臺交流伺服電機通過(guò)減速器驅動(dòng)。電機軸到絲杠軸的減速比為9，絲杠的螺距為6mm,電機轉速≤300r/min，由上述參數得到水平垂直機構的跟蹤線(xiàn)速度≤2m/min，根據實(shí)際條件下測得的焊縫偏移統計數據，此系統能夠滿(mǎn)足跟蹤速度的要求。根據傳動(dòng)方式和系統機械結構參數，將所有轉動(dòng)慣量折算到電機軸上，依照公式： 
W額≥(3-4)W軸

圖3 焊縫跟蹤系統機械結構

取兩個(gè)交流伺服電機的額定功率為200W。上式W額為電機的額定轉矩，W軸為電機軸上的轉矩。 
4焊縫跟蹤系統電氣系統結構 
焊縫跟蹤系統電氣部分組成如圖4所示，它主要由以下幾部分構成。

圖4 焊縫跟蹤系統電氣結構

(1)工業(yè)控制計算機。系統不僅要實(shí)現各種控制功能，還要具有良好的操作界面。這里采用一臺Pentium586工業(yè)控制計算機作為系統主機，編制了基于Windows95的圖形模式操作軟件，可在顯示器上實(shí)時(shí)顯示焊縫外觀(guān)的三維信息，并且具有設備的各種狀態(tài)顯示和報警提示，易于掌握和使用。 
(2)數字量輸入卡用于掃描操作面板上各種操作按鈕的狀態(tài)、伺服驅動(dòng)器的狀態(tài)以及各個(gè)軸方向的零位和極限開(kāi)關(guān)，通過(guò)ISA總線(xiàn)傳遞給工控機，以確定應該采取的操作。數字量輸出卡用于控制伺服系統的上電、操作模式以及指示燈的狀態(tài)。 
(3)焊縫位置傳感器。目前的探傷跟蹤系統中多采用電磁式差動(dòng)傳感器和攝像頭作為焊縫位置檢測單元。在實(shí)際應用中，由于焊接時(shí)多采用直流焊機，焊接后一般還要實(shí)行倒渣操作，導致焊縫在檢測之前已被磁化，同時(shí)焊縫的形狀并不完全對稱(chēng)，這些因素使得電磁式差動(dòng)傳感器的應用效果并不理想，難以實(shí)現焊縫的自動(dòng)跟蹤。采用攝像頭作為檢測單元實(shí)現自動(dòng)跟蹤需要進(jìn)行圖象處理，其運算代價(jià)較高，對控制器的運算速度具有很高的要求，在焊縫的高速檢測中應用還有一段距離，目前主要用于人工操作的跟蹤系統。這里我們設計了一種基于激光測距原理的掃描式焊縫位置傳感器，它使用激光測距傳感器作為距離敏感元件，采用一個(gè)往復掃描機構，通過(guò)掃描獲取鋼管焊縫的二維圖象，提供給工業(yè)控制計算機提取鋼管焊縫信息，用來(lái)對鋼管焊縫實(shí)現自動(dòng)跟蹤。這種傳感器具有精度高、抗干擾、數據處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
(4)焊縫傳感器接口卡。焊縫位置傳感器本身也是一個(gè)伺服系統，需要實(shí)時(shí)地對掃描機構的運行進(jìn)行控制，同時(shí)還要采集掃描的位置和焊縫的高度信息，以便于工控機提取焊縫的特征。為此采用單片機作為控制核心設計了從計算機系統，通過(guò)ISA總線(xiàn)與工控機相連。使系統以一定的時(shí)序獨立工作，實(shí)現對掃描機構的控制、焊縫位置信號的采集以及數據的預處理和傳輸。為了實(shí)現掃描速度曲線(xiàn)的優(yōu)化，采用零相位跟蹤方法控制掃描機構，以便獲取盡可能多的有效采樣數據，對獲取的焊縫數據使用小波分析方法提取焊縫的位置。 
(5)交流伺服電機及驅動(dòng)器?？紤]到設備的定位精度要求較高，采用兩臺交流伺服電機作為兩個(gè)自由度的驅動(dòng)元件。焊縫位置檢測單元獲取的是焊縫的水平和垂直方向的偏差量，所以伺服電機都采用位置控制方式，電機采用光電編碼器作為反饋元件，位置伺服精度可達到5個(gè)脈沖當量，小于機械結構的間隙值，完全能夠滿(mǎn)足系統的跟蹤精度要求。 
(6)定時(shí)器/計數器用于對兩臺伺服電機的控制。其中計數器用于測量系統的當前位置，提供給工控機以實(shí)現整個(gè)系統的閉環(huán)，定時(shí)器用于向伺服電機驅動(dòng)器發(fā)出指令，控制電機的轉速和轉角，實(shí)現位置控制。 
5自動(dòng)檢測過(guò)程 
本文所介紹的自動(dòng)超聲探傷系統工作時(shí)，采用下述自動(dòng)檢測流程：
(1)運輸小車(chē)接受鋼管，移動(dòng)到檢測初始位置； 
(2)軌道上的光電傳感器檢測到鋼管前端后，給出“鋼管準備好”信號，停止小車(chē)的進(jìn)給，探頭系統和焊縫位置傳感器落到鋼管表面，焊縫位置傳感器開(kāi)始掃描，旋轉鋼管尋找焊縫； 
(3)焊縫初始定位后，啟動(dòng)運輸小車(chē)，探傷儀啟動(dòng)，開(kāi)始自動(dòng)探傷； 
(4)檢測到鋼管末端后，抬起探頭系統，探傷儀和跟蹤機構復位； 
(5)運輸小車(chē)將鋼管運到分級撥管位置，卸下鋼管，繼續下一個(gè)檢測周期。 
在鋼管的自動(dòng)探傷過(guò)程中，可隨時(shí)將系統切換為手動(dòng)方式，此時(shí)，操作人員可根據顯示器上的焊縫三維綜合圖象進(jìn)行焊縫的手動(dòng)跟蹤。系統采用了多級保護措施，可在緊急情況下采取相應的操作，以防止對系統造成損害。
6結論 
焊縫的自動(dòng)無(wú)損檢測是保證鋼管質(zhì)量的一種重要手段，但實(shí)現起來(lái)具有一定的困難。由于采用了合理的結構和測試技術(shù)，尤其是激光測距式焊縫位置檢測單元的設計和使用，使得本文所設計的超聲自動(dòng)探傷儀具備了進(jìn)行焊縫超聲探傷所要求的跟蹤速度和精度。本系統的樣機已在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗，結果表明，系統能夠滿(mǎn)足螺旋焊接鋼管焊縫檢測的基本要求，說(shuō)明其設計思想是正確的。由于實(shí)際應用環(huán)境比較復雜，存在各種光、電干擾以及周?chē)h(huán)境的機械震動(dòng)，目前需要在系統的抗干擾性以及檢測元件的小型化方面進(jìn)行進(jìn)一步的工作，以使系統能夠適應鋼管生產(chǎn)過(guò)程中的復雜環(huán)境。