超声波无损探伤的控制系统设计

器
负 载
水平线性误差
＜ ０．１％
动态范围
＞ ３２ｄＢ
垂直线性误差 分辨率
＜ ３％ ＞ ３６ｄＢ
灵敏度余量 （ ２．５ＭＨｚΦ２０）
＞ ６０ｄＢ
４ 控制系统工作方式及原理
４．１ 系统工作方式
控制系统各个部分（ 图略） ， 其功能为：（ １） 超声波探伤仪， 探 测钢管得到数据， 并将此数据通过 ＲＳ－ ２３２ 协议返回给工业控制 计算机；（ ２） 位移传感器， 安装在与被检测工件平行的轨道上， 精 确测量超声波探伤仪的探头的精确位置， 所得位移数据传给工业 控制计算机；（ ３） ＰＬＣ 控制器， 用来控制步进电机 Ｉ 和步进电机 ＩＩ 的运动；（ ４） 步进电机， 本系 统 共 使 用 两 个 步 进 电 机 ， 步 进 电 机 Ｉ 用来驱动钢管旋转运动， 步进电机 ＩＩ 用来驱动超声波探伤仪的 探头做直线运动；（ ５） 工业控制计算机， 存储记录位移传感器返回 数据以及超声波探伤仪返回数据， 并存入数据库， 实现工件检测 报表打印功能。
机械装置是为了实现直管的自动和点动检测， 机械系统， 如 图 １ 所示。步进电机 １ 带动无缝钢管转动， 转动前需将无缝钢管 稳定安装在夹具上； 随后步进电机 ２ 带动超声波探头平动， 实现 连续的测量， 步进电机控制运动速度进而控制测量的速度， 直线导
均衡受压， 故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。同时该 技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点［１］。
工作过程： ＰＬＣ 通过步进电机驱动器控制两台步进电机的动 作， 其中步进电机 Ｉ 用来驱动钢管的转动， 步进电机 ＩＩ 驱动探头 的平动。在检测过程中， 首先是步进电机 ＩＩ 驱动探头走过一个平 动位移， 然后步进电机 Ｉ 驱动钢管转过一个小角度， 此时 ＰＬＣ 向 上位机发出一个记录信号， 上位机记录下当前的传感器的位移、 光电编码盘的角度以及超声波探伤仪返回的数据， 步进电机 Ｉ 继 续使钢管走过一个小角度， 上位机记录下当前的位移、角度以及 超声波探伤仪返回的数据； 当步进电机 Ｉ 驱动工件转动一圈 （ ３６０°） 后， 编码盘向 ＰＬＣ 发出信号， ＰＬＣ 驱动步进电机 ＩＩ 做固定 位移。步进电机 Ｉ 驱动钢管转过小角度， 如此重复， 直至完成对整 根钢管的检测。
５．１．２ 步进电机驱动器
遵循先选电机后选驱动的原则， 电机的相数、电流大小是驱 动器选择的决定性因素； 在选型中， 还要根据 ＰＬＣ 输出信号的极 性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。为了改善电机的运 行性能和提高控制精度， 通常通过选择带细分功能的驱动器来实 现， 目前驱动器的细分等级有 ８ 倍、１６ 倍、３２ 倍、６４ 倍等， 最高可 达 ２５６ 倍细分。在实际应用中， 应根据控制要求和步进电机的特 性选择合适的细分倍数， 以达到更高的速度和更大的高速转矩， 使电机运转精度更高， 振动更小。由于本设备装置使用在噪声干 扰及静电干扰较大的恶劣环境， 所以需要步进电机驱动器包含光 电隔离电路； 光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下， 以光为 煤介传送信号， 对输入和输出电路可以进行隔离。因而能有效地
由于步进电机具有无累积误差、跟踪性能好的优点， 步进电 机的控制以组成开环控制系统居多， 基于 ＰＬＣ 的步进电机典型 控制方案本文控制步进电机系统结构， 如图 ２ 所示。系统硬件部 分由工业控制计算机、ＰＬＣ 控制器、步进电机驱动器、步进电机等 组成。工业控制计算机作为人机交互界面， 通过与 ＰＬＣ 的通信， 实现操作监控功能； ＰＬＣ 控制器发出脉冲、方向信号， 通过驱动器 控制步进电机的运行状态。
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中图分类号： ＴＨ１２， ＴＰ２７ 文献标识码： Ａ
１ 引言
２ 机械传动系统
热 等 静 压（ Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ， 简 称 ＨＩＰ） 是 一 种 集 高 温 、 高压与一体的工艺生产技术， 加热温度通常为（ １０００～２０００） ℃， 通过以密闭容器种的高压惰性气体或者氮气为传压介质， 工作压 力可达 ２００ＭＰａ。在高温、高压的共同作用下， 被加工工件的各向
光栅尺
无缝钢管
伤测试， 可为厂方建立专用的超声波探伤测试实验中心。由于本
系统为非标设备， 只能独立设计研发。
系统由三部分组成：（ １） 机械传动系统；（ ２） 超声波测量系统；
（ ３） 控制系统。其中机械传动系统和超声波测量系统为非控制系 统。系统完成后工厂可在该设备上完成工厂各种规格的无缝钢管
步进电机Ⅱ 检测探头 直线导轨 滚珠丝杆
项目
指标
项目
指标
工
脉冲信号 步
增益范围
１００ｄＢ，０．１，２．０，６．０
闸门
进波门和失波门
业
步进
各参数连续可调
控
制
频带宽度
０．４￣２０．０ＭＨｚ ＤＡＣ， ＡＶＧ 曲线 任意点， 可选择
计
探测范围
０．０￣５０００．０ｍｍ
探头方式
双晶， 穿透
算 机
Ｐ
进
方向信号 电
Ｌ
机
驱 Ｇ 使能信号 动
步 进 电 机
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【摘 要】热等静压机中高压无缝钢管是整个静压机中相对重要的部件 ， 因此高压无缝钢管的 质量相对重要。提出了一种对高压无缝钢管做超声波无损自动检测的方法， 完成了整个系统的设 计。系统可对直管进行自动连续和点动探伤检测， 对弯管手动检测； 并可实现存储多种规格钢管的 探伤工艺和标准， 自动记录探伤结果以及检测报告打印。设计能满足工厂对无缝钢管检测的需求， 并为工厂建立了无缝钢管检测实验中心。
数字化超Baidu Nhomakorabea波探伤是计算机技术和超声波探伤仪技术相结 合的产物。它承袭了常规超声波探伤仪的基本工作方式， 脉冲反 射式超声波探伤仪； 具有常规超声波探伤仪的基本功能， 利用微 型计算机实现探伤过程中的缺陷定位、定量和辅助定性； 实现探 伤回波和数据的存储及回放， 使超声探伤的现场结果可记录； 有 效地减少了超声探伤的人为误差， 提高了超声探伤结果的可靠 性。从实际应用的情况来看， 它的自动化程度高、稳定性好， 降低 了劳动强度， 提高了超声波检测的质量和工作效率。超声波检测 系统的主要技术参数和指标， 如表 １ 所示。
和管接的超声波探伤测试。
图 １ 机械传动系统
＊ 来稿日期： ２００７－ １０－ １６
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李凯峻： 超声波无损探伤的控制系统设计
第８期
３ 超声波检测系统
超声波检测具有检测对象广泛， 穿透能力强； 缺陷定位准确， 灵敏度高； 成本低， 使用方便； 速度快， 对人体无害等优点， 得到了越 来越广泛的应用。目前， 一些设备的主要零部件一般采用超声手工 扫查检测， 检测效率低， 劳动强度大， 依照个人经验评判缺陷。
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第８期 ２００８ 年 ８ 月
文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００８） ０８－ ０１５９－ ０２
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
表 １ 技术参数和指标
４．２ 控制特性
步进电机的控制和驱动方法很多， 按照使用的控制装置可分 为： 普通集成电路控制、单片机控制、工控机控制、ＰＬＣ 控制等几 种； 按照控制结构可分为： 硬脉冲生成器硬脉冲分配结构、软脉冲 生 成 器 软 脉 冲 分 配 器 结 构 、软 脉 冲 生 成 器 硬 脉 冲 分 配 器 结 构 。 本 文控制系统以 ＰＬＣ 为工作主站， 控制步进电机的工作， 并向上位 机发出记录信号， 上位机仅完成数据采集、记录以及后期处理报 表功能。
轨下方安装长度光栅尺， 可准确的定位钢管的瑕疵的位置， 无缝钢 管下方安装浮动支撑， 以减小无缝钢管自重变形对直线度的影响。
热等静压机中高压无缝钢管是整个系统中最薄弱的环节， 因 此对于无缝钢管的质量要求也就显得尤为重要。本超声波无损探 伤系统可为厂方完成各种型号的无缝钢管和管接件的超声波探
底座 步进电机Ⅰ 顶针
图 ２ 控制步进电机系统结构图
５ 控制系统硬件组成及软件设计
５．１ 硬件组成 ５．１．１ 步进电机
步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的 控制精度要求选择步距角大小， 根据负载的大小确定静力矩， 静 力矩一经确定根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三 大要素确定， 步进电机的型号便确定下来了。步进电机能响应而 不失步的最高步进频率称为“启动频率”； 与此类似，“停止频率” 是指系统控制信号突然关断， 步进电机不冲过目标位置的最高步 进 频 率 。 而 电 机 的 启 动 频 率 、停 止 频 率 和 输 出 转 矩 都 要 和 负 载 的 转动惯量相适应。有了这些数据， 就能有效地对步进电机进行变速控 制。基于以上本文选用 Ｊａｐａｎ Ｓｅｒｖｏ 公司制造的 ＫＨ５６ＱＭ２－ ９５１ 型步 进电机（ 步进电机 Ｉ） 和 ＫＨ５６ＫＭ２－ ９５１ 型步进电机（ 步进电机 ＩＩ） 。
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超声波无损探伤的控制系统设计
李凯峻 （ 四川大学 制造科学与工程学院 机械设计系， 成都 ６１００６５）
Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｄｅ ｓ ｉｇｎ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｓ ｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅ ｓ ｔｒｕｃｔｉｖｅ ｆｌａ ｗ ｄｅ ｔｅ ｃｔｉｏｎ
ＬＩ Ｋａｉ－ ｊｕｎ （ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５， Ｃｈｉｎａ）
关键词： 超声波无损探伤； 可编程逻辑控制器； 步进电机 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｔｈｅ ｈｉｇｈ － ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ（ ＨＩＰ） ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｕｎｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ， ｓｏ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｆｌａｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ； ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ． Ｔｈｅ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｐｉｐｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｐｏｉｎｔ－ ｍｏｖｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ； ｔｈｅ ｅｌｂｏｗ ａｌｓｏ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｍａｎｕａｌ ｍｏｄｅ． Ｓａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌａｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ； ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｌａｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｐｏｒｔｓ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｔｈｅ ｖｅｒｙ ｔｈｉｎｇ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｙ’ｓ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｓ ｆｌａｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ Ｔｅｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｆｌａｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｕｌｔｒ ａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒ ｕｃｔｉｖｅ ｆｌａｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ； Ｐｒ ｏｇｒ ａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｔｒ ｏｌｌｅｒ ； Ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ