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      超聲波螺旋焊接鋼管焊縫自動化探傷檢測系統

      本文将首先介紹一種用于螺旋焊接鋼管焊縫檢測的自動化超聲波探傷系統整體組成,然後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,并介紹了系統自動探傷的工作過程。


      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。由于主要是判斷是否存在缺陷,這裡我們采用A型顯示(A掃描)超聲波探傷儀。它利用超聲波的反射特性,在熒光屏上以縱坐标代表反射回波的幅度,以橫坐标代表反射回波的傳播時間,根據缺陷反射波的幅度和時間來确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。


      1 A掃描顯示缺陷

      采用超聲波探傷儀的自動化探傷系統組成結構如圖2所示,整個系統由超聲波探傷儀、運輸小車和焊縫跟蹤機構組成。超聲波探傷儀用于焊縫探傷,這裡采用沿圓周對稱分布的6個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;運輸小車用于移動鋼管,檢測時,将鋼管放在運輸小車上送到焊縫跟蹤系統下方,小車一邊前進,一邊旋轉鋼管,兩種運動合成為鋼管的螺旋運動,理想情況下,鋼管的進給和旋轉嚴格同步,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範圍内。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,但在鋼管焊接過程中有時會出現偏差,造成鋼管焊縫幾何參數發生變化,因而要求檢測設備能夠補償這一種變化。(3)由于運輸小車的運動不精确,難以保證進給和旋轉兩種運動的嚴格同步,從而導緻焊縫相對探頭系統發生偏移,因此,要求檢測設備跟蹤焊縫的偏移。


      螺旋鋼管焊縫自動超聲探傷系統結構

      在圖2的系統中,采用兩台交流變頻調速電機實現運輸小車的進給和鋼管的旋轉,由于鋼管的質量大,鋼管的進給和旋轉無法嚴格同步,在檢測初始階段尤為顯著,因而焊縫跟蹤系統是焊縫自動探傷設備的關鍵部分。下面着重介紹這一部分。 
      3焊縫跟蹤系統機械結構 
      由前述可見,自動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足下述指标要求:
      1)适用鋼管範圍:螺旋埋弧焊管外徑Φ337-Φ1200mm;帶鋼寬度550-1500mm;焊縫螺旋角10°-75°;焊縫餘高≥2mm;焊縫寬度8-30mm. 
      2)焊縫切線運動速度:≤8m/min; 
      3)焊縫位置跟蹤精度:±1mm; 
      4)水平跟蹤範圍:±300mm; 
      5)垂直跟蹤範圍:±150mm。 
      根據指标要求,在設計焊縫跟蹤系統時,在機械上采用兩個平移自由度:一個為垂直方向,帶動超聲波探頭架上下移動;另一個為水平方向,帶動探頭架在水平面内沿鋼管母線方向移動,以實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。兩個自由度均采用絲杠副實現平移運動,各采用一台交流伺服電機通過減速器驅動。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速度≤2m/min,根據實際條件下測得的焊縫偏移統計數據,此系統能夠滿足跟蹤速度的要求。根據傳動方式和系統機械結構參數,将所有轉動慣量折算到電機軸上,依照公式: 
      W≥(3-4)W


      焊縫跟蹤系統機械結構

      取兩個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。


      焊縫跟蹤系統電氣結構

      (1)工業控制計算機。系統不僅要實現各種控制功能,還要具有良好的操作界面。這裡采用一台Pentium586工業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,可在顯示器上實時顯示焊縫外觀的三維信息,并且具有設備的各種狀态顯示和報警提示,易于掌握和使用。 
      (2)數字量輸入卡用于掃描操作面闆上各種操作按鈕的狀态、伺服驅動器的狀态以及各個軸方向的零位和極限開關,通過ISA總線傳遞給工控機,以确定應該采取的操作。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态。 
      (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傳感器和攝像頭作為焊縫位置檢測單元。在實際應用中,由于焊接時多采用直流焊機,焊接後一般還要實行倒渣操作,導緻焊縫在檢測之前已被磁化,同時焊縫的形狀并不完全對稱,這些因素使得電磁式差動傳感器的應用效果并不理想,難以實現焊縫的自動跟蹤。采用攝像頭作為檢測單元實現自動跟蹤需要進行圖象處理,其運算代價較高,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。這裡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,采用一個往複掃描機構,通過掃描獲取鋼管焊縫的二維圖象,提供給工業控制計算機提取鋼管焊縫信息,用來對鋼管焊縫實現自動跟蹤。這種傳感器具有精度高、抗幹擾、數據處理簡單等優點。
      (4)焊縫傳感器接口卡。焊縫位置傳感器本身也是一個伺服系統,需要實時地對掃描機構的運行進行控制,同時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ISA總線與工控機相連。使系統以一定的時序獨立工作,實現對掃描機構的控制、焊縫位置信号的采集以及數據的預處理和傳輸。為了實現掃描速度曲線的優化,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器。考慮到設備的定位精度要求較高,采用兩台交流伺服電機作為兩個自由度的驅動元件。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個脈沖當量,小于機械結構的間隙值,完全能夠滿足系統的跟蹤精度要求。 
      (6)定時器/計數器用于對兩台伺服電機的控制。其中計數器用于測量系統的當前位置,提供給工控機以實現整個系統的閉環,定時器用于向伺服電機驅動器發出指令,控制電機的轉速和轉角,實現位置控制。 
      5自動檢測過程 
      本文所介紹的自動超聲探傷系統工作時,采用下述自動檢測流程:
      (1)運輸小車接受鋼管,移動到檢測初始位置; 
      (2)軌道上的光電傳感器檢測到鋼管前端後,給出鋼管準備好信号,停止小車的進給,探頭系統和焊縫位置傳感器落到鋼管表面,焊縫位置傳感器開始掃描,旋轉鋼管尋找焊縫; 
      (3)焊縫初始定位後,啟動運輸小車,探傷儀啟動,開始自動探傷; 
      (4)檢測到鋼管末端後,擡起探頭系統,探傷儀和跟蹤機構複位; 
      (5)運輸小車将鋼管運到分級撥管位置,卸下鋼管,繼續下一個檢測周期。 
      在鋼管的自動探傷過程中,可随時将系統切換為手動方式,此時,操作人員可根據顯示器上的焊縫三維綜合圖象進行焊縫的手動跟蹤。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 
      焊縫的自動無損檢測是保證鋼管質量的一種重要手段,但實現起來具有一定的困難。由于采用了合理的結構和測試技術,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探傷儀具備了進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際生産環境中進行了實驗,結果表明,系統能夠滿足螺旋焊接鋼管焊縫檢測的基本要求,說明其設計思想是正确的。由于實際應用環境比較複雜,存在各種光、電幹擾以及周圍環境的機械震動,目前需要在系統的抗幹擾性以及檢測元件的小型化方面進行進一步的工作,以使系統能夠适應鋼管生産過程中的複雜環境。



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