CN103728373A - 超声波摆扫焊缝跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波摆扫焊缝跟踪系统及方法，该系统主要包括自动摆扫机械子系统和数据采集子系统；数据采集子系统由超声波信号采集部分和计算机组成，其特征在于：超声波信号采集部分采集自动摆扫机械子系统的超声波探头的信号传输给计算机，计算机控制自动摆扫机械子系统的伺服电机和水包抬起气缸，并记录编码器的位置信号。利用本发明的超声直探头平行于管体进行循环摆扫，利用焊缝焊接反面留有的内毛刺使超声波底部回波反射信号波幅发生改变来识别焊缝中心。

Description

超声波摆扫焊缝跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及涉及对钢管焊缝进行无损检测时的焊缝自动跟踪领域，具体涉及一种利用超声波实时跟踪定位焊缝的系统及方法。

背景技术

目前，公知的焊缝跟踪主要涉及图像识别方式，识别焊缝余高或者颜色，来实现对焊缝进行跟踪定位。识别焊缝余高主要通过激光跟踪方式，使用激光器打出的线状激光在有一定余高的焊缝上产生形变，通过摄像头采集的形变图像，识别焊缝相对位置信息来对焊缝中心进行跟踪，但是此种方法进行跟踪的焊缝必须有一定的余高且容易受到光的干扰；颜色识别焊缝方式则是通过在焊缝焊接过程中，同时在自动焊接装置上加装一套画线装置，使焊缝位置与画出的线的相对位置固定，再通过图像识别系统识别所画的线颜色来实现跟踪焊缝的目的，这种装置克服了对焊缝余高的要求，但是很多焊缝焊接过程中同时存在着淬火工艺，导致画线的颜色改变或者消失，同时加装的自动画线装置也增加了焊接成本。

现行的很多ERW（高频直缝电阻焊管）管体焊缝都没有余高，同时管体焊接后接着就是一道淬火工艺，这样如果使用图像识别方式进行跟踪就都不合适。

发明内容

为了克服现有的利用图像识别过程中焊缝激光跟踪和画线跟踪的限制条件，本发明的目的在于提供了一种超声波摆扫焊缝跟踪系统及方法，该系统跟踪方式可以克服对于焊缝没有余高或者余高小于0.5mm，同时又有淬火过程无法实现画线功能的焊缝存在的跟踪缺点。本系统主要是利用超声直探头平行于管体进行循环摆扫，利用焊缝焊接反面留有的内毛刺使超声波底部回波反射信号波幅发生改变来识别焊缝中心。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

超声波摆扫焊缝跟踪系统，该系统主要包括自动摆扫机械子系统和数据采集子系统；数据采集子系统由超声波信号采集部分和计算机组成，其特征在于：超声波信号采集部分采集自动摆扫机械子系统的超声波探头的信号传输给计算机，计算机控制自动摆扫机械子系统的伺服电机和水包抬起气缸，并记录编码器的位置信号。

超声波信号采集部分采用现有的数字超声波检测仪模块，模块产生高压发射电压，激发超声波探头产生超声波并接收进行数字处理，通过网络传输给上位计算机显示并记录。

所述的自动摆扫机械子系统，包括滚珠丝杆、伺服电机、圆弧形导轨、两根导杆、两根拉伸弹簧、圆弧轨道滑块、编码器、带导套的水包抬起气缸、探头水包、超声波探头、导杆夹、导柱导套、摆扫座，超声波探头安装在探头水包中，探头水包通过夹持件固定在两根导杆之间，两根导杆上部安装有带导套的水包抬起气缸，用于探头水包临时抬起，带导套的水包抬起气缸固定在摆扫座上，摆扫座固定在圆弧导轨滑块上，圆弧导轨滑块放置在圆弧形导轨上并与圆弧形导轨匹配，沿圆弧形导轨滑动，两根导杆上部安装有导杆夹，通过调节导杆夹所夹持两根导杆的位置，可适应检测不同管径范围变化，两根拉升弹簧将导杆夹与水包抬起气缸连接，保证探头水包的柔性下压；摆扫座内安装有导柱导套，导柱导套与滚珠丝杆螺母铰链相连，滚珠丝杆一端连接伺服电机，另一端连接编码器，在伺服电机驱动滚珠丝杆做正反向旋转，带动摆扫座沿圆弧形导轨运动，从而保证探头水包始终沿钢管圆弧表面来回扫查。

所述的探头水包的下部安装一个橡皮膜。在检测过程中使用水浸法检测，通过水管往水包里面充满水，同时给予一定的水压，始终保持水包满水状态，探头水包的下部安装一个橡皮膜，在摆扫过程中始终橡皮膜和管体接触，避免探头或者金属水包和管体接触，保护管体和探头的磨损，使用水浸法检测同时也能提高超声波回波的稳定性和减少近场盲区。

滚珠丝杆的螺母沿丝杆轴线方向作直线运动，摆扫座沿圆弧形导轨作圆弧形运动，在摆扫座内有导柱导套适应丝杆螺母与摆扫座间高度上相对位置变化，进而实现沿滚珠丝杆直线运动，沿导轨弧线运动。滚珠丝杆另一端编码器记录摆扫座相对位置S。

超声波摆扫焊缝跟踪方法，其特征在于按以下步骤进行：数据采集子系统的超声波数据采集部分采集超声波探头在工件底部回波信号，每一个回波信号对应一个回波高度百分比H和当前摆扫座的相对位置编码器读值S，以编码器读值为X轴，回波高度百分比为Y轴画曲线，对所形成曲线再进行差分算法，精确定位回波幅度变化，清晰发现在摆扫区域不同位置超声波底部回波反射信号幅度变化关系，即管体不同位置不同的超声波底部反射信号，因为管体形状为规律形状，厚度基本一致且反面平整，故在非焊缝区域超声波底部回波反射信号基本一致，而在焊缝反面由于尖峰毛刺的存在，回波幅度大幅变化，进而发现焊缝反面的尖峰毛刺，判断焊缝中心位置，达到识别焊缝中心目的。

当超声波数据采集部分重复频率F在500Hz，编码器线数L为1000线，每次摆扫速度V为1s一次，电机转动R圈数50圈，一次摆扫在管体距离GD为100mm，即可判断每一个超声波回波对应位置精度值为

GDS=GD/V/F

以上例的数据即可得出为0.2mm。

编码器记录精度为

EGD=GD/L/R

以上次的数据即可得出为0.002mm。

由此可以看出，在采用本发明实施焊缝跟踪时，跟踪精度也能满足大部分的跟踪需求，例如焊缝无损检测方面焊缝自动跟踪，又解决了常规图像识别无法实施的焊缝跟踪方法。

附图说明

图1为本发明的自动摆扫机械子系统正视图。

图2为本发明的自动摆扫机械子系统侧视图。

图3为识别焊缝中心系统框图。

图4为管体超声波底部反射原始波形图。

图5为焊缝反面尖峰毛刺底部反射原始波形图。

图6为超声波采集底波幅度为Y轴，当前摆扫装置对应位置编码读数为X轴曲线图。

图7为对图6进行差分算法转换曲线图。

图中：1-滚珠丝杆，2-伺服电机，3-圆弧形导轨，4－导杆，5－拉伸弹簧，6-圆弧轨道滑块，7-编码器，8-水包抬起气缸，9-探头水包，10-超声波探头，11-导杆夹，12-导柱导套，13-摆扫座，14-超声波数据采集部分，15－计算机。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步的描述。

如图3所示，本发明超声波摆扫焊缝跟踪系统，该系统主要包括自动摆扫机械子系统和数据采集子系统；数据采集子系统由超声波信号采集部分14和计算机15组成，其特征在于：超声波信号采集部分14采集自动摆扫机械子系统的超声波探头10的信号传输给计算机15，计算机15控制自动摆扫机械子系统的伺服电机2和水包抬起气缸8，并记录编码器7的位置信号。

超声波信号采集部分采用现有的数字超声波检测仪模块，模块产生高压发射电压，激发超声波探头产生超声波并接收进行数字处理，通过网络传输给上位计算机显示并记录。

如图1、图2所示，所述的自动摆扫机械子系统，包括滚珠丝杆1、伺服电机2、圆弧形导轨3、两根导杆4、两根拉伸弹簧5、圆弧轨道滑块6、编码器7、带导套的水包抬起气缸8、探头水包9、超声波探头10、导杆夹11、导柱导套12、摆扫座13，超声波探头10安装在探头水包9中，探头水包9通过夹持件固定在两根导杆4之间，两根导杆4上部安装有带导套的水包抬起气缸8，用于探头水包9临时抬起，带导套的水包抬起气缸8固定在摆扫座13上，摆扫座13固定在圆弧导轨滑块6上，圆弧导轨滑块6放置在圆弧形导轨3上并与圆弧形导轨3匹配，沿圆弧形导轨3滑动，两根导杆4上部安装有导杆夹11，通过调节导杆夹11所夹持两根导杆4的位置，可适应检测不同管径范围变化，两根拉升弹簧5将导杆夹11与水包抬起气缸8连接，保证探头水包9的柔性下压；摆扫座13内安装有导柱导套12，导柱导套12与滚珠丝杆1的螺母铰链相连，滚珠丝杆1一端连接伺服电机2，另一端连接编码器7，在伺服电机2驱动滚珠丝杆1做正反向旋转，带动摆扫座13沿圆弧形导轨3运动，从而保证探头水包9始终沿钢管圆弧表面来回扫查。所述的探头水包9的下部安装一个橡皮膜。在检测过程中使用水浸法检测，通过水管往水包里面充满水，同时给予一定的水压，始终保持水包满水状态，探头水包的下部安装一个橡皮膜，在摆扫过程中始终橡皮膜和管体接触，避免探头或者金属水包和管体接触，保护管体和探头的磨损，使用水浸法检测同时也能提高超声波回波的稳定性和减少近场盲区。

滚珠丝杆1的螺母沿丝杆轴线方向作直线运动，摆扫座13沿圆弧形导轨3作圆弧形运动，在摆扫座13内有导柱导套12适应滚珠丝杆1的螺母与摆扫座13间高度上相对位置变化，进而实现沿滚珠丝杆1直线运动，沿导轨弧线运动。滚珠丝杆另一端编码器记录摆扫座相对位置S。

在图3中，超声波采集部分14按一定周期接收超声波探头10信号，并数字化通过网络传输到计算机15，计算机15驱动伺服电机2做来回反复旋转运动，同时记录每次接收数据波幅高度和对应编码器7反应位置信号，形成以编码器位置值S为X轴，波幅高度值为Y轴的曲线，再将曲线通过现有的差分算法，得到更精确的曲线两端上升沿对应中心点，也就是焊缝中心位置。计算机就可以通过识别的焊缝中心位置发出跟踪信号自动摆扫机械子系统的驱动机械，达到跟踪焊缝的目的。

在图4中可以看到管体部分超声波原始回波波形，以波形反射幅度为Y轴，以波形入射声程为X轴，在管体部分反射多次回波清楚，波幅高度在显示范围的80%左右。

在图5中可以看到焊缝部分超声波原始回波波形，以波形反射幅度为Y轴，以波形入射声程为X轴，在焊缝部分基本看不到多次回波，波幅反射高度在显示范围的40%左右，明显比管体部分低。

在图6中是以在摆扫装置进行摆扫过程中超声波每一个回波信号对应一个回波高度百分比H和当前摆扫装置的相对位置编码器读值S，以编码器读值为X轴，回波高度百分比为Y轴画曲线，可以看到在摆扫过程中超声波回波幅度变化的曲线为百分比有高到低在到高的过程，即摆扫过程从母材到焊缝再到母材过程，在焊缝两侧做摆扫动作。

在图7中将图6曲线进行现有的差分算法，得到精确的波幅变化的沿的精确点，以两个沿为两端取中心点即为焊缝中心点。

Claims (5)

1.超声波摆扫焊缝跟踪系统，该系统主要包括自动摆扫机械子系统和数据采集子系统；数据采集子系统由超声波信号采集部分和计算机组成，其特征在于：超声波信号采集部分采集自动摆扫机械子系统的超声波探头的信号传输给计算机，计算机控制自动摆扫机械子系统的伺服电机和水包抬起气缸，并记录编码器的位置信号。

2.根据权利要求1所述的超声波摆扫焊缝跟踪系统，其特征在于：所述的自动摆扫机械子系统，包括滚珠丝杆、伺服电机、圆弧形导轨、两根导杆、两根拉伸弹簧、圆弧轨道滑块、编码器、带导套的水包抬起气缸、探头水包、超声波探头、导杆夹、导柱导套、摆扫座，超声波探头安装在探头水包中，探头水包通过夹持件固定在两根导杆之间，两根导杆上部安装有带导套的水包抬起气缸，带导套的水包抬起气缸固定在摆扫座上，摆扫座固定在圆弧导轨滑块上，圆弧导轨滑块放置在圆弧形导轨上并与圆弧形导轨匹配，沿圆弧形导轨滑动，两根导杆上部安装有导杆夹，两根拉升弹簧将导杆夹与水包抬起气缸连接；摆扫座内安装有导柱导套，导柱导套与滚珠丝杆的螺母铰链相连，滚珠丝杆一端连接伺服电机，另一端连接编码器。

3.根据权利要求2所述的超声波摆扫焊缝跟踪系统，其特征在于：所述的探头水包的下部安装一个橡皮膜。

4.超声波摆扫焊缝跟踪方法，其特征在于按以下步骤进行：数据采集子系统的超声波数据采集部分采集超声波探头在工件底部回波信号，每一个回波信号对应一个回波高度百分比H和当前摆扫座的相对位置编码器读值S，以编码器读值为X轴，回波高度百分比为Y轴画曲线，对所形成曲线再进行差分算法，精确定位回波幅度变化，清晰发现在摆扫区域不同位置超声波底部回波反射信号幅度变化关系，即管体不同位置不同的超声波底部反射信号，因为管体形状为规律形状，厚度基本一致且反面平整，故在非焊缝区域超声波底部回波反射信号基本一致，而在焊缝反面由于尖峰毛刺的存在，回波幅度大幅变化，进而发现焊缝反面的尖峰毛刺，判断焊缝中心位置，达到识别焊缝中心目的。

5.根据权利要求4所述的超声波摆扫焊缝跟踪方法，其特征在于：当超声波数据采集部分重复频率F在500Hz，编码器线数L为1000线，每次摆扫速度V为1s一次，电机转动R圈数50圈，一次摆扫在管体距离GD为100mm，即可判断每一个超声波回波对应位置精度值为0.2mm

GDS=GD/V/F；

编码器记录精度为0.002mm

EGD=GD/L/R。

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