張海寬，劉 宇，石 勇，范明琦

(海軍駐渤海造船廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004)

磁粉檢測 (Magnetic Particle Testing，MT)作為一種無損檢測技術(shù)是檢查船體結(jié)構(gòu)等鐵磁性材料表面和近表面缺陷的主要手段，由于其較高的檢測靈敏度、檢測速度快、缺陷易于識別等優(yōu)勢，日益受到了機(jī)械加工領(lǐng)域的重視，尤其在艦艇的船體建造領(lǐng)域的應(yīng)用要求越來越高。然而熒光磁粉檢測的效率與結(jié)果的可靠性很大程度上依賴于檢測設(shè)備，國內(nèi)外業(yè)界十分重視磁粉檢測設(shè)備的開發(fā)，因為只有檢測設(shè)備的進(jìn)步，才能給磁粉檢測帶來成功的應(yīng)用［1］?，F(xiàn)在國外磁粉檢測設(shè)備從固定式、移動式到便攜式，從半自動、全自動到專用設(shè)備，從單向磁化到多向磁化，設(shè)備已經(jīng)系列化和商品化，而國內(nèi)目前大多處于傳統(tǒng)的手工探傷階段，智能化設(shè)備尚處于研究階段。手工探傷過程中，需要人工進(jìn)行焊縫磁化、噴灑磁懸液、照射紫外光、質(zhì)量查驗、缺陷標(biāo)記等操作，致使檢測工作效率低、勞動強(qiáng)度大、人為影響大、人體防護(hù)差等缺點(diǎn)，而上述缺點(diǎn)一直以來都是該種磁粉檢測方法的瓶頸。同時對檢測過程和檢測結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控和電子化保存，方便后續(xù)復(fù)驗和抽查，也是提高船體焊接質(zhì)量管理、促使開發(fā)自動化、智能化磁粉探傷設(shè)備的動力。熒光磁粉檢測的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展已成為必然趨勢，實(shí)施熒光磁粉自動檢測的意義主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)。

1)提高檢測效率。

通過集中控制系統(tǒng)連續(xù)完成磁軛的移動、磁化、噴液、照射等動作，減少了各動作之間的間隔，有效提高了檢測效率。

2)保證檢測質(zhì)量。

使用交叉磁軛一次完成待檢焊縫部位的全部磁化工作，并同步進(jìn)行磁懸液的噴灑、紫外光的照射以及缺陷查驗等操作，有效減少了操作過程的人為因素影響，保證檢測質(zhì)量。

3)實(shí)現(xiàn)檢測過程的可追溯性。

通過圖像采集裝置實(shí)現(xiàn)檢測全過程跟蹤視頻保存和定點(diǎn)抓拍，并同時記錄探傷速度、磁場強(qiáng)度、光照強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)，可以根據(jù)該數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)檢測過程的重現(xiàn)，便于焊縫的復(fù)驗、抽檢，實(shí)現(xiàn)了檢測過程的可追溯性。

4)降低勞動強(qiáng)度。

手工磁粉檢測的操作需要不同的操持高度多次交換檢測設(shè)備，使用自動檢測設(shè)備進(jìn)行磁粉探傷時，檢測人員只需要操縱主控制臺就可完成檢測工作，減輕了人員日常檢測工作量，減少人為因素的影響，保證船體建造質(zhì)量。

1 熒光磁粉自動檢測設(shè)備的功能定位

結(jié)合我國船體建造磁粉檢測技術(shù)的發(fā)展情況，針對目前船體建造質(zhì)量檢驗的新要求，首先要對熒光磁粉檢測操作流程集成化、檢測步驟的連貫化，實(shí)現(xiàn)平直焊縫或環(huán)形焊縫的過程自動檢測，復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間角落部位焊縫仍由人工處理。然后在此基礎(chǔ)上，配備相應(yīng)的智能反饋控制裝置，開發(fā)功能強(qiáng)大的缺陷識別系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)檢測機(jī)器人自動檢測船體焊縫、自動識別焊縫表面缺陷，完成檢測數(shù)據(jù)的采集、處理、報警、存儲、回溯等磁粉檢測工作。因此，現(xiàn)階段熒光磁粉自動探傷的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)焊縫磁化、磁懸液噴灑、紫光燈照射、焊縫表面查驗、缺陷標(biāo)記等檢測動作的自動化，一次完成1條連續(xù)焊縫的上述檢測工作，通過攝像裝置對檢測全過程進(jìn)行監(jiān)控，并對焊縫缺陷處定位、保存和記錄，同時開發(fā)相應(yīng)的控制程序和圖像處理軟件完成歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和回放。產(chǎn)品的設(shè)計功能具體描述如下。

1)能夠?qū)崿F(xiàn)快速磁化和全面磁化操作。

人工磁化探傷方法采用的手工相互垂直磁化的方法，需要2次操作，費(fèi)時費(fèi)力，自動探傷設(shè)備應(yīng)具備快速磁化的功能、易于操作的特點(diǎn)。而且還應(yīng)該考慮手工方法由于漏磁或磁化強(qiáng)度不夠等因素造成的探傷失誤。

2)能夠?qū)崿F(xiàn)磁粉的自動噴灑。

人工方法在磁化完成后，采用手工噴槍進(jìn)行磁懸液的噴灑，不但效率低，還會出現(xiàn)噴灑不均勻，甚至漏噴的情況，導(dǎo)致探傷不準(zhǔn)確。因此，自動探傷設(shè)備應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動、均勻噴灑磁懸液。

3)能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)缺陷的自動識別功能。

人工方法的缺陷識別依靠人的眼睛，憑借經(jīng)驗進(jìn)行判斷，由于人為原因?qū)е碌恼`判、漏判、錯判等情況時有發(fā)生。自動探傷也應(yīng)具備缺陷自動識別功能，對常規(guī)缺陷應(yīng)能自動評判、報警，并在缺陷處自動加以標(biāo)注，以備復(fù)驗和處理。

4)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測過程的可追溯性。

目前對熒光磁粉探傷無法完成探傷過程的重現(xiàn)或追溯，對焊接過程監(jiān)控、缺陷復(fù)驗等均不具有可追溯性，進(jìn)一步會影響焊接質(zhì)量的保證。因此，研制的自動探傷設(shè)備應(yīng)采用先進(jìn)的計算機(jī)圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)探傷過程的采集、存儲和回放功能，實(shí)現(xiàn)探傷過程的可追溯性。

2 軟硬件的設(shè)計實(shí)現(xiàn)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

熒光磁粉自動檢測設(shè)備主要有2個部分組成:主控機(jī)柜和爬行機(jī)構(gòu)，其中主控機(jī)柜包括工控機(jī)、檢測控制模塊、磁化發(fā)生模塊，爬行機(jī)構(gòu)包括磁化裝置、噴液裝置、標(biāo)記裝置、紫光照射裝置、圖像采集裝置及相應(yīng)的爬行支撐平臺等，主控機(jī)柜的檢測控制模塊實(shí)現(xiàn)對設(shè)備爬行、對中、噴液、標(biāo)記、磁化開關(guān)等檢測動作的控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成圖

熒光磁粉自動檢測設(shè)備通過應(yīng)用硬件、軟件和優(yōu)化控制算法設(shè)計，突破了傳統(tǒng)檢測方式的種種弊端。具有可靠性好、檢測效率高、勞動強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確等特點(diǎn)，有效提高了船體焊接熒光磁粉探傷的準(zhǔn)確性和過程可追溯性。

2.2 硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1)主控機(jī)柜。

主控機(jī)柜作為自動檢測設(shè)備的控制中樞完成對磁化裝置支撐平臺的上/下行、左右對中調(diào)整等機(jī)械動作進(jìn)行開關(guān)控制，觸發(fā)磁懸液噴灑、缺陷標(biāo)記裝置工作，并且提供人機(jī)交互的工控機(jī)模塊。整個框架采用一體化設(shè)計思想，將檢測控制與磁化發(fā)生裝置、爬行移動信號發(fā)生端等各硬件部分有機(jī)融合到一體。通過對上述硬件部分的有機(jī)合成，提高了各部分之間的聯(lián)合操作，檢測人員在主控臺前只需要點(diǎn)擊不同的按鈕即可完成焊縫檢測的全過程。

為滿足現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境要求，使用工業(yè)控制計算機(jī)，作為人機(jī)交互的窗口，工控機(jī)主要完成焊縫檢測實(shí)時影像顯示、操作按鈕、缺陷圖片顯示與處理、打印輸出機(jī)與其他控制端接口等功能。并且在顯示焊縫檢測過程的同時，以avi格式保存視頻文件，以bmp格式保存抓拍的缺陷圖片，以備對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，追溯檢測過程，復(fù)驗焊縫質(zhì)量。

(1)單片機(jī)控制單元。整個控制采用工控機(jī)與單片機(jī)單元串口通訊實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)控制過程中，上位機(jī)發(fā)送命令，控制繼電器的線圈通斷電，繼電器的常開觸點(diǎn)與相應(yīng)的控制端相接，實(shí)現(xiàn)了通過計算機(jī)來控制相應(yīng)設(shè)備的觸發(fā)動作。

(2)磁化發(fā)生裝置。針對人工方式檢測需要兩次磁化的問題，本設(shè)備采用伸縮型交叉磁軛設(shè)備，應(yīng)用連續(xù)法對工件進(jìn)行復(fù)合磁化，同時周向和縱向磁化時，由于2個磁場相位差為120°，它們合成的磁場為橢圓形磁場，該磁場能檢測工件上全方位的缺陷。磁化發(fā)生裝置主回路配有開關(guān)電源，交流接觸器通電后，開關(guān)電源向外部提供24 V電壓，當(dāng)由通訊總線傳遞磁化信號時，磁化變壓器磁軛通電可對工件磁化，實(shí)現(xiàn)對焊縫的磁化。

2)爬行機(jī)構(gòu)。

自動檢測設(shè)備中的爬行機(jī)構(gòu)首先作為磁軛、噴液、標(biāo)記及攝像頭等子設(shè)備的支撐平臺，能夠提供上/下行、左右對中、前后距離調(diào)整等活動銜接。同時又作為一個整體可以方便拆卸作為便攜式探頭使用。因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，兼顧各方面需求，盡量縮小體積，采用分體式設(shè)計、插入式安裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)各功能子設(shè)備的有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)自動檢測爬行機(jī)構(gòu)。整個支撐平臺通過齒條與支撐框架銜接，前后和左右對中調(diào)整采用滑竿銜接，2種驅(qū)動均使用直流電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)的動作由單片機(jī)控制單元觸發(fā)。

2.3 軟件設(shè)計

熒光磁粉自動檢測設(shè)備配套系統(tǒng)軟件由以下3個程序模塊組成。

1)數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊通過高頻度CCD攝像頭獲取熒光照射下磁化后的焊縫視頻信號，實(shí)現(xiàn)視頻信號的采集、處理、存儲，突出顯示熒光磁粉介質(zhì)在焊縫表面的分布形式，另外通過不同的傳感器獲取磁化電流和電壓信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后存儲。

2)數(shù)據(jù)管理模塊。

用于保存產(chǎn)品、焊縫、分/總段、檢測時間、檢驗人員、肋骨位及備注等信息字段，采用MS ACCESS數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義和描述，建立便捷的索引接口，可依據(jù)產(chǎn)品編碼、焊縫編號、檢測日期、分/總段編號等信息進(jìn)行查詢、編輯和回溯等重復(fù)檢查等操作。

3)焊縫缺陷識別與處理模塊。

提供用戶操作子窗口，實(shí)現(xiàn)焊縫檢測數(shù)據(jù)的離線分析功能，主要包括焊接過程視頻文件的回放，缺陷圖片的平滑、銳化、邊界提取等圖像處理操作，同時提供焊接缺陷形式分析及標(biāo)定、缺陷圖片標(biāo)注，進(jìn)一步確定缺陷種類和尺寸等要素信息。

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的人工方式進(jìn)行船體焊縫熒光磁粉檢測造成的效率低、勞動強(qiáng)度大、不可回溯等問題，本文提出船體焊縫熒光磁粉自動探傷設(shè)備的設(shè)計方案，采用優(yōu)化設(shè)計思想集成了熒光磁粉檢測的子設(shè)備，對環(huán)形焊縫及平直焊縫可實(shí)現(xiàn)磁化、噴液、標(biāo)記等探傷動作的連續(xù)作業(yè)，提高了檢測效率、改善了勞動條件，并成功實(shí)現(xiàn)了檢測過程的可追溯性，為船體焊接質(zhì)量管理提供了幫助。本設(shè)備已在國內(nèi)某船廠的船體焊縫熒光磁粉檢測生產(chǎn)實(shí)際中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了焊縫熒光磁粉的自動探傷、探傷過程的可追溯性以及探傷結(jié)果的分析、復(fù)驗自動評判等功能，有效降低了探傷人員的勞動強(qiáng)度，提高了探傷過程的質(zhì)量控制。

［1］彭沛欣，周軍，鮑志強(qiáng).熒光磁粉無損檢測自動化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報，2003，17(1):7-10.

［2］中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.磁粉檢測 (第2版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］劉磊，劉秀蘭，俞庫.全自動熒光磁粉檢測系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)械工程與自動化，2004(6):26-32.

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