CN113155970A - 用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，包括机械扫描运动子系统、相控阵超声仪器、电控子系统、控制单元，其中，机械扫描运动子系统用于实现相控阵探头沿焊缝移动，以及探头的夹持和耦合；相控阵超声仪器对超声数据进行采集和处理，控制单元基于工控机以以太网为介质与相控阵超声仪器、电控子系统进行数据通讯和指令下达及缺陷图像处理；电控子系统接收控制单元的指令来驱动机械扫描运动子系统带动探头实现对筒型或锥筒型工件搅拌摩擦焊焊缝的全自动扫描检测。本发明优点在于自动化程度高、可视化成像、检测效率高、缺陷可自动识别统计分析。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊焊缝内部缺陷检测领域，具体涉及一种用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)技术在航天重大装备关键件焊接上应用较为广泛，实际应用中，由于焊接工艺参数偏差、装夹条件、材料表面状况、操作人员等因素的影响，搅拌摩擦焊工件也可能出现缺陷，进而影响接头的性能，且搅拌摩擦焊缺陷相对常规熔焊缺陷具有紧贴、细微和位向复杂等特征，增加了检测难度。目前，针对搅拌摩擦焊焊缝缺陷的无损检测技术主要有X射线和超声检测，X射线影像清晰且可以长期保存，但对于紧贴型缺陷检测灵敏度相对较低，而且检测返修效率低，特别是对于带有内部撑环工装的大型筒型或锥筒型工件，同时需要人工贴胶片、洗片，自动化程度低。
目前相控阵超声检测因为检测精度高、技术先进，逐渐成为搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测的首选。但目前大多数工件生产厂家对该类工件的缺陷检测均采用手工相控阵超声检测，且靠人工识别缺陷，对自动化在线检测系统研究应用较少。因此，针对批量化的大型筒型或锥筒型工件搅拌摩擦焊焊缝内部缺陷检测，有必要设计一种自动在线检测系统，以实现搅拌摩擦焊焊缝的高效率、在线自动检测。
发明内容
本发明提供一种用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，可实现筒型或锥筒型工件装夹对中、焊缝厚度大于20mm的搅拌摩擦焊焊缝内部质量相控阵超声自动扫描检测、缺陷自动识别，提高了检测效率、自动化程度。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：一种用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，包括机械扫描运动子系统、相控阵超声仪器、电控子系统和控制单元，其中，相控阵超声仪器通过相控阵探头向工件发射经相控阵技术调制的超声波束，并接收回波，再通过以太网接口与控制单元进行数据交换通讯和特征信号采集，控制单元基于工控机以太网接口向电控子系统发送自动扫描指令，再由电控子系统驱动机械扫描运动子系统，实现对筒型工件或锥筒型工件的搅拌摩擦焊焊缝的全自动扫描检测及缺陷可视化成像，扫描结束后，利用控制单元实现缺陷的自动识别及统计分析。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)本发明通过将相控阵超声技术与工业机器人技术、自动控制技术、图像处理技术有机结合，设计了自动相控阵超声检测系统，解决了搅拌摩擦焊焊缝内部缺陷的自动化检测、缺陷自动识别以及面积型缺陷X光检测灵敏度低的问题，并实现了PPM值的统计。
(2)本发明采用工件对中夹具，解决了不同直径筒型或锥筒型工件适应性差以及回转轴与回转台不对中时，影响检测效果的问题。
(3)本发明可在筒型或锥筒型工件不拆卸内部撑环工装的条件下实施自动检测和返修，大大提高了检测及返修效率，解决了常规X射线检测方法需要拆卸工装检测和重新安装工装返修造成的效率低下的问题。
附图说明
图1是本发明实例用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统整体示意图。
图2是本发明实例中工件及内部撑环工装结构示意图，左侧为俯视剖面示意图、右侧为右视剖面示意图。
图3是本发明实例中柔性探头夹持耦合工装结构示意图。
图4是本发明实例用于搅拌摩擦焊焊缝检测的结果及缺陷识别结果图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本发明公开了一种用于筒型或锥筒型工件搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，包括机械扫描运动子系统、相控阵超声仪器、电控子系统和控制单元，其中，相控阵超声仪器通过相控阵探头向工件发射经相控阵技术调制的超声波束，并接收回波，再通过以太网接口与控制单元进行数据交换通讯和特征信号采集，控制单元基于工控机以太网接口向电控子系统发送自动扫描指令，再由电控子系统驱动机械扫描运动子系统，实现对筒型工件或锥筒型工件的搅拌摩擦焊焊缝的全自动扫描检测及缺陷可视化成像，扫描结束后，利用控制单元实现缺陷的自动识别及统计分析。
进一步的，所述机械扫描运动子系统包含多轴机器人6、回转台4、工件对中夹具3、柔性探头夹持耦合工装7、相控阵探头及耦合楔块8；
所述柔性探头夹持耦合工装7的上端连杆13与多轴机器人6末端连接；下端套筒15通过弹性元件14与上端连杆13连接；同时下端通过安装板安装相控阵探头及耦合楔块8、滚动式编码器16、滚轮17，相控阵探头及耦合楔块8与滚动式编码器16位于安装板两侧，平行固定于安装板上，滚轮17位于两者之间；
所述的工件对中夹具3采用黄铜或其他类似材料制作，能同时夹紧或松开且放置工件2的支撑块可拆卸并沿径向前后移动。
进一步的，所述柔性探头夹持耦合工装7上端连杆与多轴机器人6末端通过螺栓连接。
进一步的，相控阵探头及耦合楔块8与滚动式编码器16通过螺栓平行固定于安装板上。
进一步的，所述工件2形状为筒型或锥筒型，材料为铝合金或镁合金，焊缝厚度为20mm以上，由两个半圆壁板通过两条纵向搅拌摩擦焊焊缝和上下两条环向搅拌摩擦焊焊缝焊接而成，同时，检测过程中工件内部的撑环工装9不拆除。
进一步的，所述的实现对筒型或锥筒型工件搅拌摩擦焊焊缝全自动扫描检测功能，检测方法采用的是相控阵超声扇形扫查技术，相控阵探头通过楔块直接耦合在工件表面，扫描时探头平行于焊缝移动。
进一步的，能够实现本发明中机械扫描运动子系统的自动控制包括多轴机器人6和回转台4的在线联动控制；通过以太网接口实现相控阵超声仪器11的在线控制及特征信号的实时C扫描和B扫描可视化成像；实现检测图像的处理及缺陷自动识别统计分析。
所述能够实现本发明中机械扫描运动子系统的自动控制，采用的是总线控制结构，具体是通过上位机软件经网络交换机向PLC控制器发送控制指令，再由PLC发送指令到回转台4伺服驱动器和机器人控制器，最后分别由伺服驱动器驱动回转台电机，机器人控制器驱动机器人末端按设定轨迹进行扫描来实现的。
所述控制单元具备可视化成像功能：能够在扫描时同时实现B扫描成像和C扫描成像的实时显示且用彩虹色调制图像、用黄色及红色表示缺陷区域。
所述控制单元具备缺陷自动识别统计分析功能：先对图像进行阈值分割，统计感兴趣区域的缺陷长度、宽度、深度，再根据缺陷长宽比和深度综合确定缺陷性质为线性缺陷或点状缺陷或面积型缺陷，最后再由缺陷总长与焊缝总长的比值计算焊缝PPM值(即百万分率的缺陷率)。
为了详细说明本发明的技术内容，实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图进行详细说明。
实施例
结合图1、图2、图3，一种用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，由工件2、工件对中夹具3、回转台4、机器人底座5、多轴机器人6、柔性探头夹持耦合工装7、相控阵超声探头模块8、工件内部撑环工装9、电控柜子系统10、相控阵仪器11组成。
所述柔性探头夹持耦合工装7的上端连杆13与多轴机器人6末端通过螺栓连接；下端套筒15通过弹性元件14与上端连杆13连接；同时下端通过安装板安装相控阵超声探头模块8、滚动式编码器16、滚轮17，其中，相控阵超声探头模块8与滚动式编码器16在安装板两侧通过螺栓平行固定于安装板上，滚轮17位于两者之间，三者底部平齐。
所述的工件2放置在工件对中夹具3上，通过对中夹具3锁紧固定，对中夹具3放置在回转台4上，并通过螺栓连接，回转台4通过螺栓固定在地面或安装地基上，并通过电缆与电控柜子系统10连接，机器人底座5通过螺栓固定在回转台4一侧的地面或地基上，机器人底座5上放置多轴机器人6，并通过螺栓连接，机器人末端通过螺栓连接柔性探头夹持耦合工装7，机器人带动探头施加在工件焊缝边缘处，相控阵探头、编码器与相控阵仪器11通过专用线缆连接，相控阵仪器11经以太网接口通过网线与电控子系统10中的工控计算机连接，软件系统安装在工控计算机上。
工件对中夹具3采用黄铜或其他类似材料制作，能同时夹紧或松开且放置工件2的支撑块可拆卸并沿径向前后移动。
所述的工件2，形状为筒型或锥筒型，材料为铝合金或镁合金，焊缝厚度为20mm以上，由两个半圆壁板通过两条纵向搅拌摩擦焊焊缝和上下两条环向搅拌摩擦焊焊缝焊接而成，同时，检测过程中工件内部的撑环工装9不拆除。
所述缺陷自动识别统计分析功能是通过先对图像进行阈值分割，统计感兴趣区域的缺陷长度、宽度、深度，再根据缺陷长宽比和深度综合确定缺陷性质为线性缺陷或点状缺陷或面积型缺陷，最后再由缺陷总长与焊缝总长的比值计算焊缝的PPM值来实现的。
其中，缺陷长度/宽度＜3时，认为缺陷是点状缺陷；缺陷长度/宽度≥3时，认为缺陷时线状或面积型缺陷，再根据缺陷是否有一定深度范围，本发明取深度范围大于3时认定为面积型缺陷，可根据具体情况进行取值。
本发明中，焊缝的PPM计算方法为：(缺陷总长/扫描焊缝长度)×10000。
结合图1、图2、图3、图4，本发明的工作过程为：
将带有内部撑环工装9的工件2吊装在回转台上的对中夹具3上，并夹紧，然后开启相控阵仪器11、电控子系统10、软件系统，设置相控阵仪器参数，选择扇形扫查方式，最在软件上选中对应的产品型号和编号，点确定后开始依次自动将相控阵超声探头模块8平行贴紧在工件2的环焊缝1和纵焊缝12两侧，并沿焊缝进行相控阵超声C扫描、B扫描成像，扫描结束后保存检测图像，再将检测图片导入软件系统进行缺陷自动识别、统计分析、PPM值计算。
采用本发明对图2所示的工件搅拌摩擦焊焊缝进行自动检测，其中一条纵焊缝存在缺陷显示，成像效果见图4所示，图纸给出了缺陷的类型、具体尺寸和PPM值，从中可以看出，采用本发明可以有效自动检出搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷，能够达到缺陷类型的自动识别、缺陷尺寸的统计计算以及PPM值的自动计算。
Claims (10)
1.一种用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，包括机械扫描运动子系统、相控阵超声仪器、电控子系统和控制单元，其中，相控阵超声仪器通过相控阵探头向工件发射经相控阵技术调制的超声波束，并接收回波，再通过以太网接口与控制单元进行数据交换通讯和特征信号采集，控制单元基于工控机以太网接口向电控子系统发送自动扫描指令，再由电控子系统驱动机械扫描运动子系统，实现对筒型工件或锥筒型工件的搅拌摩擦焊焊缝的全自动扫描检测及缺陷可视化成像，扫描结束后，利用控制单元实现缺陷的自动识别及统计分析。
2.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，所述机械扫描运动子系统包含多轴机器人(6)、回转台(4)、工件对中夹具(3)、柔性探头夹持耦合工装(7)、相控阵探头及耦合楔块(8)；
所述柔性探头夹持耦合工装(7)的上端连杆(13)与多轴机器人(6)末端连接；下端套筒(15)通过弹性元件(14)与上端连杆(13)连接；同时下端通过安装板安装相控阵探头及耦合楔块(8)、滚动式编码器(16)、滚轮(17)，相控阵探头及耦合楔块(8)与滚动式编码器(16)位于安装板两侧，平行固定于安装板上，滚轮(17)位于两者之间；
所述的工件对中夹具(3)，能同时夹紧或松开且放置工件(2)的支撑块可拆卸并沿径向前后移动。
3.根据权利要求2所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，所述柔性探头夹持耦合工装(7)上端连杆与多轴机器人(6)末端通过螺栓连接。
4.根据权利要求2所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，相控阵探头及耦合楔块(8)与滚动式编码器(16)通过螺栓平行固定于安装板上。
5.根据权利要求2所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，所述工件(2)形状为筒型或锥筒型，材料为铝合金或镁合金，焊缝厚度为20mm以上，由两个半圆壁板通过两条纵向搅拌摩擦焊焊缝和上下两条环向搅拌摩擦焊焊缝焊接而成，同时，检测过程中工件内部的撑环工装(9)不拆除。
6.根据权利要求2所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，工件对中夹具(3)采用黄铜制作。
7.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，扫描检测采用的是相控阵超声扇形扫查技术，相控阵探头通过楔块直接耦合在工件表面，扫描时探头平行于焊缝移动。
8.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，控制单元实现本发明中机械扫描运动子系统的自动控制包括多轴机器人(6)和回转台(4)的在线联动控制；通过以太网接口实现相控阵超声仪器(11)的在线控制及特征信号的实时C扫描和B扫描可视化成像；实现检测图像的处理及缺陷自动识别和统计分析。
9.根据权利要求8所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，在扫描时同时实现B扫描成像和C扫描成像的实时显示且用彩虹色调制图像、用黄色及红色表示缺陷区域。
10.根据权利要求8所述的用于搅拌摩擦焊内部缺陷在线检测的自动化系统，其特征在于，所述缺陷自动识别和统计分析的方法为：先对图像进行阈值分割，统计感兴趣区域的缺陷长度、宽度、深度，再根据缺陷长宽比和深度综合确定缺陷性质为线性缺陷或点状缺陷或面积型缺陷，最后再由缺陷总长与焊缝总长的比值计算焊缝的PPM值。
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