季肖楓，顧 娜，錢建忠

（1. 江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與信息學(xué)院， 江蘇 南通 226010；2. 南通理工學(xué)院 電氣與能源工程學(xué)院， 江蘇 南通 226001； 3. 南通凱米智能科技有限公司 研發(fā)部， 江蘇 南通 226001）

0 引言

2020 年9 月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上的講話中提出，“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1]。在2021 年兩會(huì)上，“碳達(dá)峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報(bào)告。

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行成為重要的研究熱點(diǎn)。風(fēng)機(jī)葉片與輪轂的連接部件采用了42CrMoA 高強(qiáng)連接螺栓，以應(yīng)對(duì)葉片運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜交變載荷。[2]王炎炎對(duì)葉根螺栓的疲勞損傷機(jī)理進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為在外界交變載荷的作用下，應(yīng)力集中在葉根螺栓上，一旦應(yīng)力超過了材料所能承受的斷裂強(qiáng)度，斷裂就會(huì)發(fā)生，造成葉片連接螺栓的疲勞損傷，從而導(dǎo)致疲勞斷裂。[3]因此，風(fēng)機(jī)中高強(qiáng)度螺栓的安全性和可靠性會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行起著很重要的作用。

在風(fēng)電螺栓生產(chǎn)中，無損檢測(cè)的檢驗(yàn)驗(yàn)收?qǐng)?zhí)行《JB4730-2005 承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)。超聲波探傷檢驗(yàn)按照該標(biāo)準(zhǔn)中的4.6 I 級(jí)要求執(zhí)行；表面磁粉探傷檢驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)中的9.1b 執(zhí)行。本文針對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)的42CrMoA 材質(zhì)、M36 雙頭風(fēng)電螺栓棒材，設(shè)計(jì)了一套超聲檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備對(duì)接了企業(yè)現(xiàn)有的表面磁粉探傷檢驗(yàn)線，實(shí)現(xiàn)了“超聲-磁粉”一體化檢測(cè)。檢測(cè)工件尺寸如圖1 所示。

圖1 M36 雙頭螺栓尺寸

1 超聲檢測(cè)工藝

螺栓的無損檢測(cè)方法常用的有超聲波檢測(cè)法、磁粉檢測(cè)法、磁記憶檢測(cè)、壓電阻抗技術(shù)和固有頻率法等。[4]超聲波由機(jī)械振動(dòng)發(fā)出的聲波，以能量的形式在具有振動(dòng)特性的介質(zhì)中傳播。[5]工業(yè)超聲波探傷常用的超聲波頻率為0.5～10 MHz，頻率選擇主要根據(jù)被檢測(cè)工件的材料、厚度等特性。對(duì)于探傷系統(tǒng)而言，超聲波在被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部傳播時(shí)，由于缺陷處的傳播介質(zhì)發(fā)生變化，缺陷特征就會(huì)以回波信號(hào)的形式反應(yīng)，通過對(duì)缺陷信號(hào)的分析、識(shí)別、判斷來實(shí)現(xiàn)無損探傷[6]。

在工業(yè)超聲探傷方法中，脈沖反射檢測(cè)是一種最常用方法，通過超聲探頭發(fā)出超聲波信號(hào)，根據(jù)底波回波和材料內(nèi)部缺陷回波進(jìn)行檢測(cè)。[7]本設(shè)備采用該方法進(jìn)行檢測(cè)，綜合了檢測(cè)面弧度與探頭耦合的因素，設(shè)計(jì)了水浸超聲檢測(cè)工藝，采用工件旋轉(zhuǎn)、超聲探頭直線掃描的方式，并且滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于掃描線速度和聲束重復(fù)覆蓋率的要求。

1.1 聚焦超聲探頭

系統(tǒng)采用了線聚焦探頭以提高檢測(cè)效果[8]，聚焦超聲探頭聲束示意圖如圖2 所示。

圖2 聚焦超聲探頭聲束示意圖

由圖2 可知，聚焦探頭焦點(diǎn)以焦柱的形式存在，焦柱內(nèi)的信噪比高，聲場(chǎng)散射信號(hào)少[9]。焦柱長(zhǎng)度與直徑的計(jì)算公式如下。

式中，F(xiàn)是探頭焦距；D是晶片直徑；λ 是聲波波長(zhǎng)。

被檢棒材表面為圓弧曲面，聲束折射方式與其入射角度有關(guān)，經(jīng)過推導(dǎo)可得到棒材中的焦點(diǎn)深度與棒材半徑R、水聲程H等參數(shù)的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 F-H

由折射定律可知：

式中，α 為入射角；β 為折射角；K為超聲縱波在鋼和水中的波速比；D′為聲波在棒材表面的寬度；d為聲束在棒材中的焦點(diǎn)距離；a為無棒材時(shí)聲束在水中的焦點(diǎn)距離。

由幾何關(guān)系可知：

聯(lián)立以上各式可得：

根據(jù)式（1）、式（2）可推導(dǎo)出棒材中的焦柱長(zhǎng)度與直徑：

為保證焦點(diǎn)匯聚在棒材內(nèi)部，應(yīng)有d<2R，可得：

該公式為探頭的選擇與水聲程厚度的計(jì)算提供了理論依據(jù)。對(duì)于聲束原匯聚焦點(diǎn)位于圓心下方，即F-H>R的情況，結(jié)論與上述情況相同，本文不再重復(fù)論證。

系統(tǒng)選用了5 MHz 晶片，焦距為25 mm，超聲縱波在鋼和水中的波速比K=3.98，按照最小水聲程進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1 所示。

表1 水聲程對(duì)比表

由上表可知，當(dāng)檢測(cè)棒材外徑為36 mm 時(shí)，水聲程厚度為5 mm，焦點(diǎn)深度已經(jīng)超出了棒材半徑，在實(shí)際使用中，水聲程都選擇10 mm 左右，檢測(cè)效果顯著。

1.2 多通道超聲探傷儀

本系統(tǒng)采用了自主研發(fā)的NUS8 型數(shù)字式超聲波探傷儀。該探傷儀基于1U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，儀器具有DB9 編碼器接口、RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口、Type B 型USB 接口、C5 型級(jí)聯(lián)接口、8 通道波門狀態(tài)燈及Q9 型探頭接口等。探傷儀與工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式，兼容了USB 傳輸以及網(wǎng)絡(luò)傳輸兩種設(shè)計(jì)方案，在項(xiàng)目實(shí)施中，因設(shè)備間距較小，優(yōu)先采用USB 數(shù)據(jù)傳輸方案，通過USB 接口驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)鏈接庫，采集PC 端Dome 軟件數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。

超聲波探頭接口選用Q9 型，其輸出激勵(lì)超聲探頭電壓設(shè)計(jì)為400 V，電路設(shè)計(jì)采用雙MOS 管方波激勵(lì)方式，P-MOS 管吸收正向過沖電壓，減少發(fā)射脈沖后的盲區(qū)，與普通尖脈沖激勵(lì)方式相比，回波比提高了6 dB。雙管激勵(lì)電壓原理圖如圖4 所示。

圖4 超聲探頭雙管激勵(lì)電路

超聲儀器的設(shè)計(jì)依據(jù)為《JB/T10061-1999 A 型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術(shù)條件》《JB/T9214-1999 A 型脈沖反射式超聲探傷系統(tǒng)工作性能測(cè)試方法》等標(biāo)準(zhǔn)，主要技術(shù)參數(shù)如下：增益總量100 dB，重復(fù)頻率10 kHz，探傷靈敏度余量≥54 dB，垂直線性≤2%，水平線性≤1%，動(dòng)態(tài)范圍≥26 dB，分辨率≥30 dB，波形采樣率100 MHz。

2 檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)被檢工件的形狀特征，設(shè)計(jì)了檢測(cè)工裝，主體結(jié)構(gòu)采用鋁型材搭建，以方便拆裝。

2.1 工裝結(jié)構(gòu)

該工裝結(jié)構(gòu)包括主體框架、上料待檢機(jī)構(gòu)、輔助檢測(cè)夾料機(jī)構(gòu)、超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)、下料分揀機(jī)構(gòu)、輔助滑動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)。各分機(jī)構(gòu)的裝配位置如圖5 所示。

圖5 工裝結(jié)構(gòu)圖

圖6 所示的上料待檢機(jī)構(gòu)由氣缸、連裝架、上料輔滑動(dòng)邊架、限位件、連接板、電機(jī)、錐齒輪組、撥桿和卡裝環(huán)等零部件組成。上料工件依次排列在滑動(dòng)邊架上，氣缸推出帶動(dòng)撥桿翻轉(zhuǎn)，工件被傳動(dòng)至待檢區(qū)（錐齒輪組）上。為保證工件檢測(cè)原點(diǎn)的一致性，電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪組旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工件右移至撥桿處停止，等待氣爪搬運(yùn)工件。

圖6 上料待檢機(jī)構(gòu)

2.2 檢測(cè)工位

無損檢測(cè)工位分為四大組成部分，即上料待檢區(qū)、自動(dòng)檢測(cè)區(qū)、下料分揀區(qū)、磁粉檢測(cè)傳送機(jī)構(gòu)，各工作區(qū)的3D 仿真圖如圖7 所示。各個(gè)工作區(qū)的功能如下。

圖7 工裝3D 仿真圖

（1）上料待檢區(qū)。上料區(qū)域排列待檢測(cè)的工件，可對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)上料工位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)上料。待檢區(qū)實(shí)為檢測(cè)緩存區(qū)，即存放一個(gè)將被檢測(cè)的工件。正常工作時(shí)，一旦待檢位空缺，系統(tǒng)將自動(dòng)從上料區(qū)翻轉(zhuǎn)工件至待檢區(qū)。

（2）自動(dòng)檢測(cè)區(qū)。該工位是檢測(cè)系統(tǒng)核心區(qū)域，由氣動(dòng)機(jī)械手傳送工件。檢測(cè)區(qū)中的水槽設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)水浸探傷檢測(cè)工藝。檢測(cè)過程由三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度完成，即超聲探頭X軸方向平移、Z軸方向自動(dòng)微調(diào)、工件繞X軸方向旋轉(zhuǎn)，以確保工件的檢出率。

（3）下料分揀區(qū)。分揀區(qū)可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)良品與次品的分揀，次品區(qū)用于手動(dòng)下料人工復(fù)檢。下料區(qū)排列已測(cè)良品，可對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)的下料工位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)下料。下料區(qū)末端設(shè)置磁粉檢測(cè)緩存區(qū)，用于在聯(lián)機(jī)狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行“超聲-磁粉”一體化檢測(cè)。

（4）磁粉檢測(cè)傳送機(jī)構(gòu)。該傳送機(jī)構(gòu)專用于聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式，通過計(jì)算在線磁粉檢測(cè)線的工作節(jié)拍及工件定位，控制氣動(dòng)機(jī)械手抓取工件，精準(zhǔn)傳送至后續(xù)檢測(cè)線，實(shí)現(xiàn)一體化對(duì)接。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)為，工件從上料區(qū)翻入待檢區(qū)，并進(jìn)行對(duì)齊操作，確保檢測(cè)起點(diǎn)位置的一致性?？刂齐姍C(jī)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)、探頭直線掃描，完成檢測(cè)過程。工件傳入下料區(qū)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定，工件滑入下料區(qū)或廢料區(qū)。下料區(qū)的工件根據(jù)工作模式的選擇，輸送至磁粉檢測(cè)線或直接下料。控制系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)說明如下。

（1）工件類型及工作模式選擇。根據(jù)四種不同規(guī)格工件（長(zhǎng)度與直徑不相同），系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)檢測(cè)距離與水層深度。單機(jī)、聯(lián)機(jī)工作模式分別控制著設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行和與磁粉檢測(cè)線聯(lián)機(jī)運(yùn)行。

（2）檢測(cè)探頭的兩個(gè)自由度。探頭有X和Z方向兩個(gè)自由度，同一種工件在檢測(cè)中由于螺紋與連桿部分存在臺(tái)階，同時(shí)考慮水層的影響，探頭在直線運(yùn)行中Z方向會(huì)自動(dòng)調(diào)整。對(duì)于不同的工件，檢測(cè)距離即X方向和Z方向都需要自動(dòng)調(diào)整。

（3）檢測(cè)探頭自動(dòng)回原點(diǎn)與檢測(cè)起點(diǎn)。工件檢測(cè)結(jié)束后，探頭執(zhí)行快速原點(diǎn)回歸操作。檢測(cè)開始后，根據(jù)超聲儀器返回底波信號(hào)，避開端面回波的影響，確認(rèn)實(shí)際檢測(cè)起點(diǎn)，用于精確定位缺陷。

3.1 控制系統(tǒng)硬件

超聲檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用信捷XD 系列PLC 作為設(shè)備主控器，威綸通MT6103iP 觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，伺服系統(tǒng)采用控制精度高、性能良好的松下系列伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，電感、光電接近開關(guān)、光纖等選取歐姆龍的相關(guān)產(chǎn)品，氣動(dòng)元件選用SMC 的相關(guān)產(chǎn)品。硬件結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)是以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)對(duì)整個(gè)工作流程進(jìn)行監(jiān)控，可編程控制器作為下位機(jī)接受現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)、控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。多通道超聲波檢測(cè)設(shè)備與可編程控制器和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，由可編程控制器發(fā)出缺陷報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行缺陷報(bào)警處理。設(shè)備中的參數(shù)可通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定，自動(dòng)跟蹤信號(hào)并傳輸給可編程控制器和上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，通過可編程控制器控制相應(yīng)的伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)軟件流程圖如圖9 所示。

圖9 控制程序總體流程圖

在程序設(shè)計(jì)中，操作模式以子程序的方式進(jìn)行獨(dú)立封裝、調(diào)用，實(shí)現(xiàn)模塊化編程。為提高程序工作效率，“全自動(dòng)”與“半自動(dòng)”模式調(diào)用同一段子程序，“半自動(dòng)”模式調(diào)用完成后直接返回；“全自動(dòng)”模式調(diào)用完成后判斷運(yùn)行條件，如滿足則調(diào)用“超聲-磁粉”一體化檢測(cè)程序，否則處于等待狀態(tài)。

3.3 人機(jī)接口

觸摸屏通過RS232 接口實(shí)現(xiàn)與PLC 信息交互。該觸摸屏采用Easy Builder Pro 軟件進(jìn)行組態(tài)，以主界面為例，它由工作模式、運(yùn)行狀態(tài)、工件選擇三個(gè)功能區(qū)組成。工作模式區(qū)可通過按鈕選擇單機(jī)模式或聯(lián)機(jī)模式，在單機(jī)模式下，工件只進(jìn)行超聲波檢測(cè)；在聯(lián)機(jī)模式下，工件采用“超聲-磁粉”一體化檢測(cè)。運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)指示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，即組態(tài)運(yùn)行、停止、急?；驈?fù)位顯示。工件選擇區(qū)用于選擇檢測(cè)工件的型號(hào)，默認(rèn)為1#工件，每個(gè)工件對(duì)應(yīng)一組運(yùn)動(dòng)參數(shù)，選擇工件類型的同時(shí)，控制程序自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括X/Z兩軸的脈沖數(shù)量、脈沖頻率等。

4 調(diào)試與運(yùn)行

（1）調(diào)試準(zhǔn)備。外接現(xiàn)場(chǎng)氣源和電源，確認(rèn)氣缸運(yùn)行狀態(tài)和速度；確保所以電氣元件工作正常。

（2）運(yùn)行驗(yàn)證。獨(dú)立運(yùn)行兩種模式，確認(rèn)PLC 控制程序運(yùn)行正常。

（3）參數(shù)設(shè)置。設(shè)置超聲軟件中的參數(shù)，如檢波方式、重復(fù)頻率、發(fā)射電壓、基本增益、聲程距離、材料聲速、波門參數(shù)等。調(diào)節(jié)探頭的水層深度，避免水面波動(dòng)對(duì)檢測(cè)的影響。

驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的樣棒為無超標(biāo)棒材，執(zhí)行YST1818-2017 和GB6519-2013 標(biāo)準(zhǔn)，在棒材兩端和中間位置制作多個(gè)直徑為2 mm 的人工平底孔缺陷。由于棒材直徑較小，只檢測(cè)內(nèi)部缺陷，因此8 個(gè)超聲波探頭聲束并排垂直入射，無須布置偏心探頭與角度探頭。通過調(diào)節(jié)聲程,可移出底波，缺陷波門一般設(shè)置在兩次底波中間，若該位置出現(xiàn)尖波超出波門，則認(rèn)定為缺陷。波門的高低依據(jù)樣件缺陷當(dāng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過樣棒的測(cè)試，能順利檢出其中的缺陷，可投入生產(chǎn)運(yùn)行。

5 結(jié)束語

風(fēng)電螺栓棒材的生產(chǎn)質(zhì)量直接影響風(fēng)力發(fā)電的安全運(yùn)行，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無損檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)接磁粉檢測(cè)工位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電棒材的“超聲-磁粉”一體化檢測(cè)，解決人工抽檢效率低下的問題。經(jīng)過了一年多的投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)備檢出的缺陷都得到了復(fù)檢驗(yàn)證，證實(shí)該設(shè)備的穩(wěn)定可靠。該檢測(cè)系統(tǒng)適用于風(fēng)電棒材以及類似工件的檢測(cè)，具有很大的推廣價(jià)值和良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。