CN102590342A - 一种大型锻焊件超声波无损检测系统 - Google Patents

一种大型锻焊件超声波无损检测系统 Download PDF

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Abstract

一种大型锻焊件超声波无损检测系统，包括带人机界面的电脑、FPGA、网络通讯控制器、电动扫查器，以及手动控制面板。FPGA包括逻辑控制单元LCU、运动轴的脉冲发生器、控制寄存器、状态寄存器、参数寄存器、以及解码电路，电动扫查器包括发射和接收超声波信号在同一个平面上的两只超声波斜探头、交流伺服电机驱动器、驱动电机，手动控制面板包括手动选择开关、点动按钮、急停按钮以及限位开关。本发明在对两只超声波斜探头的超声波信号进行SAFT处理后确定焊缝中缺陷的位置与大小，显著提高了检测精度和可靠性，检测焊缝的最大厚度为600mm，可以满足厚度为400mm～600mm的超大尺寸锻焊件的超声波无损检测要求。

Description

一种大型锻焊件超声波无损检测系统
技术领域
本发明涉及无损检测，特别是涉及一种大型锻焊件超声波无损检测系统。
背景技术
现有焊缝厚度为400mm～600mm的超大厚度锻焊件超声检测过程中，由于显微组织和长声程扩散会引起回波信号噪声大，缺陷信号弱，因而，存在探伤灵敏度低，检测缺陷尺寸误差大的缺陷。尽管超声检测灵敏度高，穿透能力强，用于超大厚度焊缝检测仍然存在信噪比偏低、测量精度不高的不足，且常规手工超声检测所采集的数据还无法存储和再现。目前中华人民共和国机械行业标准JB/T 4730-05有关超声探伤的规定：超声检测适用范围为焊缝厚度8～400mm。尚未见有400mm以上焊缝的斜探头合成孔径聚焦技术(Synthetic Aperture Focusing Technique，缩略词为SAFT)检测系统与方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供用于大型锻焊件的一种大型锻焊件超声波无损检测系统。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种大型锻焊件超声波无损检测系统，包括带人机界面的电脑、与所述带人机界面的电脑连接的网络通讯控制器、与所述网络通讯控制器连接的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，缩略词为FPGA)、与所述FPGA连接的电动扫查器，以及与所述FPGA连接的手动控制面板，所述电动扫查器设有三个运动轴X+、X-和Y，运动轴X+、X-垂直于焊缝放置，运动轴Y平行焊缝并放置于焊缝上方，所述FPGA用于对超声波信号的快速采集和处理，产生自动控制电动扫查器的控制信号，所述人机界面用于设置超声波自动检测的各项参数，实现超声波信号的实时显示，以及进行SAFT算法处理超声波信号；所述网络通讯控制器用于将处理后的超声波信号传送给上位机，即带人机界面的电脑，所述电动扫查器用于在保持超声波探头与被检测对象良好接触的情况下，实现对焊缝自动检测，所述手动控制面板用于直接对扫查器各运动轴的控制，还包括总电源开关和急停按钮。
这种大型锻焊件超声波无损检测系统的特点是：
所述FPGA包括：
逻辑控制单元LCU，用于根据来自外部的开关信号和控制寄存器的内容分别控制三个运动轴X+、X-和Y的驱动电机M1、M2和M3的转角、转速和转动方向的相应脉冲发生器TX+、TX-和TY；
分别与逻辑控制单元LCU连接的：
运动轴X+的脉冲发生器TX+，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV1控制驱动电机M1的转角、转速和转动方向；
运动轴X-的脉冲发生器TX-，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV2控制驱动电机M2的转角、转速和转动方向；
运动轴Y的脉冲发生器TY，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV3控制驱动电机M3的转角、转速和转动方向；。
控制寄存器R_CON，用于存放控制驱动电机M1、M2和M3启动、停止、方向以及解码电路的编码器清零操作的控制命令字；
状态寄存器R_STA，用于存放驱动电机M1、M2和M3的运行状态、编码器计数值；
参数寄存器R_CFG，用于为脉冲发生器TX+、TX-和TY提供脉冲周期、相位、数量等必要的参数；
以及分别与所述状态寄存器R_STA连接的增量式旋转编码器的解码电路DCX+、DCX-和DCY，用于分别向所述状态寄存器R_STA输出编码器脉冲的计数值，可以被清零。
所述电动扫查器包括：
发射和接收超声波信号在同一个平面上的两只超声波斜探头TT1和TT2，所述两只超声波斜探头TT1和TT2分别置于运动轴X+和运动轴X；
分别与所述脉冲发生器TX+、TX-和TY连接的交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3，所述交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3还分别与所述解码电路DCX+、DCX-和DCY连接，用于传送位置信息至状态寄存器，各个驱动器均工作在位置控制模式；
分别与所述交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3连接的运动轴X+的驱动电机M1、运动轴X-的驱动电机M2和运动轴Y的驱动电机M3。电机根据输入脉冲指令进行运转，输入正转指令脉冲，电机正转，输入反转指令脉冲，电机反转。输入脉冲频率越高，电机运行的速度越快。
所述手动控制面板包括：
手动选择开关MS，用于选择电机驱动器的控制模式，分为四档：位置控制模式，X+、X-、Y轴的JOG点动控制模式；
正向点动按钮J+，用于选定轴的JOG模式正向运行；
反向点动按钮J-，用于选定轴的JOG模式反向运行；
急停按钮EMG，用于停止所有轴的运行；
以及
设置在运动轴X+上的限位开关对X+LIM+、X+LIM-，用于限制X+轴上的超声波探头的运行范围；
设置在运动轴X-上的限位开关对X-LIM+、X-LIM-，用于限制X-轴上的超声波探头的运行范围；
设置在运动轴Y上的限位开关对YLIM+、YLIM-，用于限制Y轴上的整个系统装置的运行范围。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述网络通讯控制器包括千兆网卡和千兆网线。
所述人机界面包括在两只超声波斜探头完成一次靠近焊缝或者远离焊缝的运行之后显示该次运行检测到的焊缝内部图像、超声波检测的参数设置、电动扫查器的控制参数设置，以及以程序实现的斜探头的SAFT算法，人机界面软件结构包括进入主程序后，先初始化应用程序，然后初始化前端的FPGA，带人机界面的电脑登陆文件传输协议(File Transfer Protocol，缩略词为FTP)，等待网络正常通信后，显示超声波回波信号的图像，且可以设置检测参数，带人机界面的电脑通过FTP传送信息给前端的FPGA，对test.tXt文件进行写操作，前端的FPGA通过用户数据报协议(UserDatagram Protocol，缩略词为UDP)主动发送数据包至带人机界面的电脑，带人机界面的电脑启动接收线程，按照FIFO(First In First Out，先进先出)的模式缓存数据包，带人机界面的电脑启动显示线程，显示接收到的超声波回波数据，并且响应人机界面上的控制按钮。
本发明与现有超声波检测技术相比的有益效果是：
本发明是设有采用发射和接收在同一个平面上的两只超声波斜探头的超声波自动检测系统，当两只探头分别沿X+轴和X-轴扫查时，能收到同一缺陷的回波信号。超声波信号在超声波检测系统中以图像的形式显示，在分别对两只超声波斜探头的超声波信号进行合成孔径聚焦技术(SAFT)处理后，叠加至一幅图像上，由两只探头接收到的对同一缺陷的信号的交点，可确定焊缝中缺陷的位置与大小，从而，显著提高了检测精度和可靠性，有效解决了由超声波扩散角而引起的在大厚度焊缝中缺陷的测量和定位精度不高的问题，检测焊缝的最大厚度为600mm，可以满足厚度为400mm～600mm的超大尺寸锻焊件的超声波无损检测要求，而且，本发明方法能够记录原始数据和三维显示缺陷形状，有效克服了手工超声检测无法存储和再现的不足。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的组成方框图；
图2是图1电动扫查器中的两只超声波斜探头与三个运动轴的配置示意图；
图3是图2的两只超声波斜探头对缺陷扫查检测的示意图；
图4是图3的两只超声波斜探头扫查路径示意图；
图5是超声波斜探头SAFT原理图；
图6是斜探头超声波成像示意图；
图7是SAFT处理程序流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。
一种如图1～7所示的大型锻焊件超声波无损检测系统，包括带人机界面的电脑、与带人机界面的电脑连接的网络通讯控制器、与网络通讯控制器连接的FPGA、与FPGA连接的电动扫查器，以及与FPGA连接的于动控制面板，电动扫查器设有三个运动轴X+、X-和Y，运动轴X+、X-垂直于焊缝放置，运动轴Y平行焊缝并放置于焊缝上方，FPGA用于对超声波信号的快速采集和处理，产生自动控制电动扫查器的控制信号，人机界面用于设置超声波自动检测的各项参数，实现超声波信号的实时显示，以及进行SAFT算法处理超声波信号；网络通讯控制器用于将处理后的超声波信号传送给上位机，即带人机界面的电脑，电动扫查器用于在保持超声波探头与被检测对象良好接触的情况下，实现对焊缝自动检测，手动控制面板用于直接对扫查器各运动轴的控制，还包括总电源开关和急停按钮。
FPGA包括：
逻辑控制单元LCU，用于根据来自外部的开关信号和控制寄存器的内容分别控制三个运动轴X+、X-和Y的驱动电机M1、M2和M3的转角、转速和转动方向的相应脉冲发生器TX+、TX-和TY；
分别与逻辑控制单元LCU连接的：
运动轴X+的脉冲发生器TX+，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV1控制驱动电机M1的转角、转速和转动方向；
运动轴X-的脉冲发生器TX-，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV2控制驱动电机M2的转角、转速和转动方向；
运动轴Y的脉冲发生器TY，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV3控制驱动电机M3的转角、转速和转动方向；。
控制寄存器R_CON，用于存放控制驱动电机M1、M2和M3启动、停止、方向以及解码电路的编码器清零操作的控制命令字；
状态寄存器R_STA，用于存放驱动电机M1、M2和M3的运行状态、编码器计数值；
参数寄存器R_CFG，用于为脉冲发生器TX+、TX-和TY提供脉冲周期、相位、数量等必要的参数；
以及分别与状态寄存器R_STA连接的增量式旋转编码器的解码电路DCX+、DCX-和DCY，用于分别向状态寄存器R_STA输出编码器脉冲的计数值，可以被清零。
电动扫查器包括：
发射和接收超声波信号在同一个平面上的两只超声波斜探头TT1和TT2，所述两只超声波斜探头TT1和TT2分别置于运动轴X+和运动轴X；
分别与脉冲发生器TX+、TX-和TY连接的交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3，交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3还分别与所述解码电路DCX+、DCX-和DCY连接，用于传送位置信息至状态寄存器，各个驱动器均工作在位置控制模式；
分别与交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3连接的运动轴X+的驱动电机M1、运动轴X-的驱动电机M2和运动轴Y的驱动电机M3。电机根据输入脉冲指令进行运转，输入正转指令脉冲，电机正转，输入反转指令脉冲，电机反转。输入脉冲频率越高，电机运行的速度越快。
交流伺服电动机型号为SEM-60A02303HN、SEM-60B04303HB，交流伺服电机驱动器型号为SED-0223/30、SED-0423/30。
手动控制面板包括：
手动选择开关MS，用于选择电机驱动器的控制模式，分为四档：位置控制模式，X+、X-、Y轴的JOG点动控制模式；
正向点动按钮J+，用于选定轴的JOG模式正向运行；
反向点动按钮J-，用于选定轴的JOG模式反向运行；
急停按钮EMG，用于停止所有轴的运行；
以及
设置在运动轴X+上的限位开关对X+LIM+、X+LIM-，用于限制X+轴上的超声波探头的运行范围；
设置在运动轴X-上的限位开关对X-LIM+、X-LIM-，用于限制X-轴上的超声波探头的运行范围；
设置在运动轴Y上的限位开关对YLIM+、YLIM-，用于限制Y轴上的整个系统装置的运行范围。
网络通讯控制器包括千兆网卡和千兆网线。
人机界面包括在两只超声波斜探头完成一次靠近焊缝或者远离焊缝的运行之后显示该次运行检测到的焊缝内部图像、超声波检测的参数设置、电动扫查器的控制参数设置，以及以程序实现的斜探头的SAFT算法，人机界面软件结构包括进入主程序后，先初始化应用程序，然后初始化前端的FPGA，带人机界面的电脑登陆FTP，等待网络正常通信后，显示超声波回波信号的图像，且可以设置检测参数，带人机界面的电脑通过FTP传送信息给前端的FPGA，对test.txt文件进行写操作，前端的FPGA通过UDP主动发送数据包至带人机界面的电脑，带人机界面的电脑启动接收线程，按照FIFO模式缓存数据包，带人机界面的电脑启动显示线程，显示接收到的超声波回波数据，并且响应人机界面上的控制按钮。
具体实施方式的SAFT处理程序流程见图7。经过SAFT技术的处理，预制的深度为540mm的圆孔缺陷能检测，并且定位精度和测量精度得到了提高，具体见下表：
  误差(mm)   现有检测方法   本具体实施方法
  水平方向定位   2.8   2.8
  垂直方向定位   3.65   3.15
  尺寸   9.95   3.65
表明超声波自动检测系统，采用两只超声波斜探头结合的方式对大厚度的焊缝进行无损检测，使用SAFT技术对超声波信号进行处理，可以使检测结果准确、可靠、精度高，解决了大型锻焊件超声波无损检测问题。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种大型锻焊件超声波无损检测系统，包括带人机界面的电脑、与所述带人机界面的电脑连接的网络通讯控制器、与所述网络通讯控制器连接的现场可编程门阵列FPGA、与所述FPGA连接的电动扫查器，以及与所述FPGA连接的于动控制面板，所述电动扫查器设有三个运动轴X+、X-和Y，运动轴X+、X-垂直于焊缝放置，运动轴Y平行焊缝并放置于焊缝上方，所述FPGA用于对超声波信号的快速采集和处理，产生自动控制电动扫查器的控制信号，所述人机界面用于设置超声波自动检测的各项参数，实现超声波信号的实时显示，以及进行合成孔径聚焦技术SAFT算法处理超声波信号；所述网络通讯控制器用于将处理后的超声波信号传送给上位机，即带人机界面的电脑，所述电动扫查器用于在保持超声波探头与被检测对象良好接触的情况下，实现对焊缝自动检测，所述手动控制面板用于直接对扫查器各运动轴的控制，还包括总电源开关和急停按钮，其特征在于：
所述FPGA包括：
逻辑控制单元LCU，用于根据来自外部的开关信号和控制寄存器的内容分别控制三个运动轴X+、X-和Y的驱动电机M1、M2和M3的转角、转速和转动方向的相应脉冲发生器TX+、TX-和TY；
分别与逻辑控制单元LCU连接的：
运动轴X+的脉冲发生器TX+，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV1控制驱动电机M1的转角、转速和转动方向；
运动轴X-的脉冲发生器TX-，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV2控制驱动电机M2的转角、转速和转动方向；
运动轴Y的脉冲发生器TY，用于发生双脉冲输出脉冲通过交流伺服电机驱动器DRV3控制驱动电机M3的转角、转速和转动方向；。
控制寄存器R_CON，用于存放控制驱动电机M1、M2和M3启动、停止、方向以及解码电路的编码器清零操作的控制命令字；
状态寄存器R_STA，用于存放驱动电机M1、M2和M3的运行状态、编码器计数值；
参数寄存器R_CFG，用于为脉冲发生器TX+、TX-和TY提供脉冲周期、相位、数量等必要的参数；
以及分别与所述状态寄存器R_STA连接的增量式旋转编码器的解码电路DCX+、DCX-和DCY，用于分别向所述状态寄存器R_STA输出编码器脉冲的计数值，可以被清零；
所述电动扫查器包括：
发射和接收超声波信号在同一个平面上的两只超声波斜探头TT1和TT2，所述两只超声波斜探头TT1和TT2分别置于运动轴X+和运动轴X；
分别与所述脉冲发生器TX+、TX-和TY连接的交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3，所述交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3还分别与所述解码电路DCX+、DCX-和DCY连接，用于传送位置信息至状态寄存器，各个驱动器均工作在位置控制模式；
分别与所述交流伺服电机驱动器DRV1、DRV2和DRV3连接的运动轴X+的驱动电机M1、运动轴X-的驱动电机M2和运动轴Y的驱动电机M3。电机根据输入脉冲指令进行运转，输入正转指令脉冲，电机正转，输入反转指令脉冲，电机反转。输入脉冲频率越高，电机运行的速度越快。
所述于动控制面板包括：
手动选择开关MS，用于选择电机驱动器的控制模式，分为四档：位置控制模式，X+、X-、Y轴的JOG点动控制模式；
正向点动按钮J+，用于选定轴的JOG模式正向运行；
反向点动按钮J-，用于选定轴的JOG模式反向运行；
急停按钮EMG，用于停止所有轴的运行；
以及
设置在运动轴X+上的限位开关对X+LIM+、X+LIM-，用于限制X+轴上的超声波探头的运行范围；
设置在运动轴X-上的限位开关对X-LIM+、X-LIM-用于限制X-轴上的超声波探头的运行范围；
设置在运动轴Y上的限位开关对YLIM+、YLIM-，用于限制Y轴上的整个系统装置的运行范围。
2.如权利要求1所述的大型锻焊件超声波无损检测系统，其特征在于：
所述网络通讯控制器包括于兆网卡和千兆网线。
3.如权利要求1或2所述的大型锻焊件超声波无损检测系统，其特征在于：
所述人机界面包括在两只超声波斜探头完成一次靠近焊缝或者远离焊缝的运行之后显示该次运行检测到的焊缝内部图像、超声波检测的参数设置、电动扫查器的控制参数设置，以及以程序实现的斜探头的SAFT算法，人机界面软件结构包括进入主程序后，先初始化应用程序，然后初始化前端的FPGA，带人机界面的电脑登陆文件传输协议FTP，等待网络正常通信后，显示超声波回波信号的图像，且可以设置检测参数，带人机界面的电脑通过FTP传送信息给前端的FPGA，对test.txt文件进行写操作，前端的FPGA通过用户数据报协议UDP主动发送数据包至带人机界面的电脑，带人机界面的电脑启动接收线程，按照FIFO模式缓存数据包，带人机界面的电脑启动显示线程，显示接收到的超声波回波数据，并且响应人机界面上的控制按钮。
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