超聲C掃描檢測(cè)自動(dòng)掃查裝置的設(shè)計(jì)*

宋 成，趙 泓，萬本例，胡 斌

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

0 引言

超聲C 掃描是一種沿垂直于聲束橫截面進(jìn)行二維掃描的檢測(cè)模式，可以通過數(shù)控掃描系統(tǒng)，運(yùn)用插補(bǔ)原理實(shí)現(xiàn)各種軌跡的掃描。在自動(dòng)檢測(cè)中，通常采用水浸聚焦探頭進(jìn)行水浸掃描。

C 掃描檢測(cè)需要檢測(cè)探頭在工件表面進(jìn)行迂回型運(yùn)動(dòng)，如圖1 所示，同時(shí)探頭運(yùn)動(dòng)過程需要很高的穩(wěn)定性來保證探頭與工件的良好耦合，因此，需要設(shè)計(jì)一種性能可靠的C掃描自動(dòng)掃查裝置，可攜帶C 掃描探頭穩(wěn)定地吸附在工件表面，并在工件表面縱橫兩個(gè)方向上都能進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

可用于超聲C 掃描檢測(cè)的爬壁機(jī)器人分類眾多，按照吸附方式的不同，可以分為負(fù)壓吸附、電磁吸附及永磁吸附；按照行走方式的不同，可以分為履帶式、輪式及足式。承壓設(shè)備大多采用鐵磁性材料，因此，本設(shè)計(jì)采用永磁輪吸附式結(jié)構(gòu)，該種技術(shù)方案具有吸附可靠、相同質(zhì)量下磁吸附力大、運(yùn)動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 超聲C掃描檢測(cè)探頭掃查路徑

從文獻(xiàn)及報(bào)道方面看，國外一些采用磁吸附形式的爬壁機(jī)器人研究已經(jīng)成功應(yīng)用到工業(yè)超聲、渦流等無損檢測(cè)領(lǐng)域，但研制成型的設(shè)備由于技術(shù)壁壘大都售價(jià)高昂。國內(nèi)對(duì)于超聲C 掃描檢測(cè)采用的這種磁輪吸附式結(jié)果還很少有實(shí)際應(yīng)用，這方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)控制裝置的研究也很少[1-3]，因此，對(duì)承壓設(shè)備的超聲波C掃描自動(dòng)掃查機(jī)器人的研究是十分必要的。

1 掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

超聲C 掃描檢測(cè)針對(duì)的承壓設(shè)備材質(zhì)基本上是鐵磁性材料，所以吸附方式選擇永磁吸附。本掃查裝置整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)掃查裝置結(jié)構(gòu)按功能可分為3部分：縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭夾持臂。其中縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)掃查裝置的行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由主殼體、傳感器模塊和4個(gè)磁性輪組成，整個(gè)機(jī)構(gòu)靠4個(gè)磁輪的吸力吸附在鐵磁性材質(zhì)的待檢設(shè)備外壁，由磁輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)、后退，以及調(diào)整機(jī)構(gòu)的位置和方位，其中前兩個(gè)磁性輪為驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)兩電機(jī)設(shè)置為相同轉(zhuǎn)速，當(dāng)需要改變行走方向時(shí)依靠?jī)?nèi)部單片機(jī)控制兩電機(jī)形成速度差，從而改變爬行運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)左邊的驅(qū)動(dòng)輪速度大于右邊驅(qū)動(dòng)輪的速度時(shí)，機(jī)器人向右偏轉(zhuǎn)；反之，向左偏轉(zhuǎn)。

圖2 自動(dòng)掃查裝置整體外觀結(jié)構(gòu)

1.2 磁輪材質(zhì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

磁輪吸附組件是爬壁掃查裝置的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)產(chǎn)生足夠的吸附力，以克服檢測(cè)探頭和裝置本體的重量，保證裝置在壁面上可靠工作。本裝置磁輪采用釹鐵硼材質(zhì)的磁鐵，釹鐵硼三元系永磁材料商品化性能最高，機(jī)械加工性能好。本裝置選用的磁鐵型號(hào)為N45，屬于高磁能積性磁鐵。

圖3 自動(dòng)掃查裝置縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

裝置磁輪選用尺寸規(guī)格為φ58 mm×5 mm的圓環(huán)性結(jié)構(gòu)，永磁材料是比較脆的材料，磁輪直接與工件表面接觸行走過程中容易磨損磁輪及工件表面防腐層，為提高使用壽命，在磁輪外弧面加一層1 mm厚聚氨酯包膠，同時(shí)在磁輪兩側(cè)貼合安裝兩片規(guī)格為φ60 mm×2 mm的碳鋼圓片。這樣在保證裝置具有足夠吸附力的同時(shí)也避免了磁輪與工件的磨損[2]。

另外，由于掃查裝置速度低，可以近似地看作靜態(tài)磁場(chǎng)。本文采用FORCES BY VIRTUAL WORK 和Ansoft Maxwell應(yīng)力張量法分別對(duì)磁吸附力進(jìn)行仿真求解。

首先建立模型（圖4），對(duì)模型中的磁鐵、工件和空氣3種材料進(jìn)行定義。仿真軟件中自帶有N45 型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應(yīng)的介質(zhì)材料即可。然后進(jìn)行相應(yīng)邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、參數(shù)選擇和求解設(shè)置等，分別采用Maxwell應(yīng)力張量法和虛擬做功法兩種不同求解計(jì)算方法[4-5]。

圖4 磁力仿真模型

仿真分析得出以下結(jié)果。

（1）磁鐵兩側(cè)鋼導(dǎo)輪壁厚與磁輪的磁吸附力關(guān)系如圖5所示，磁力的吸附力隨著鋼導(dǎo)輪壁厚增大而增大，因此單個(gè)磁導(dǎo)輪的厚度對(duì)吸附輪影響很大，鋼導(dǎo)輪壁厚的選擇需要根據(jù)掃查裝置的整體重量確定。

（2）工件厚度與磁輪吸附力的關(guān)系如圖6 所示，工件的厚度對(duì)磁力的影響不是太大，因?yàn)榇帕€主要集中在工件表面與磁輪接觸的小部分區(qū)域，進(jìn)入工件深度范圍很小。

圖5 鋼導(dǎo)輪厚度對(duì)磁輪磁力的影響

圖6 鋼板厚度對(duì)磁輪磁力的影響

采用Maxwell應(yīng)力張量法求解計(jì)算，得出磁鐵與工件吸附力為78.2 N。當(dāng)掃查裝置滿載質(zhì)量為10 kg時(shí)，磁輪和工件表面的摩擦因數(shù)為0.75。磁輪與工件的摩擦力55.8 N（虛擬做功法），4 個(gè)磁輪摩擦力為223 N，大于機(jī)器人重量78.4 N，所以掃查裝置在檢測(cè)過程中能夠牢牢吸附在工件表面上，保證超聲檢測(cè)的正常工作。

1.3 橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要功能是攜帶相控陣C 掃描檢測(cè)探頭，并可在與主殼結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向上進(jìn)行獨(dú)立的橫向運(yùn)動(dòng)，使探頭進(jìn)行C 掃描掃查檢測(cè)。橫向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與掃查裝置通過鉸鏈剛性連接，需要調(diào)整橫向結(jié)構(gòu)的安裝位置時(shí)只需擰松鉸鏈上緊固螺釘即可使橫向結(jié)構(gòu)與掃查裝置主殼成柔性連接，待橫向結(jié)構(gòu)調(diào)整到位再鎖死緊固螺釘。

圖7 橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.4 縱向運(yùn)動(dòng)直流電機(jī)及減速機(jī)的選型

已知參數(shù)如下：

（1）掃查裝置總質(zhì)量M=10 kg（滿負(fù)荷），其中橫向滑塊及所攜帶夾持臂探頭等附件總質(zhì)量為2 kg；

（2）縱向機(jī)構(gòu)最高行走速度v=6 m/min，橫向機(jī)構(gòu)最高移動(dòng)速度v=3 m/min；

（3）縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)永磁輪直徑d=0.060 m，橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶輪直徑d=0.025 m。

每個(gè)永磁輪的輸出轉(zhuǎn)矩為:

式中：k0為安全系數(shù)，k0=1.5。

每臺(tái)直流電機(jī)的額定功率為：

式中：n1為永磁輪轉(zhuǎn)速，r/min；n2為橫向運(yùn)動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速，r/min；

求解以上公式可得：縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所需電機(jī)扭矩為2.2 N·m，功率為11 W；橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所需電機(jī)扭矩為0.2 N·m，功率為1.2 W。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果[6]，本課題選擇Maxon微型直流減速電機(jī)，其性能參數(shù)如表1 所示，縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)選用Maxon DCX 系列B75D3C441463 型電機(jī)，本款電機(jī)額定功率22.7 W，減速器最大輸出扭矩3.3 N·m；縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)選用Maxon DCX 系列B72DB9E403F6 型電機(jī)，本款電機(jī)額定功率15 W，減速器最大輸出扭矩2 N·m；滿足本掃查裝置許用要求。

表1 Maxon DCX 系列直流電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表

1.5 探頭夾持臂

探頭夾持臂結(jié)構(gòu)如圖8 所示，滑軌及壓縮彈簧構(gòu)件可使檢測(cè)探頭在垂直方向有一定調(diào)整空間，可適應(yīng)較粗糙的工件表面；楔塊夾持塊可使探頭在橫向范圍內(nèi)有一定角度的變化，使探頭和工件更好地耦合。

圖8 探頭夾持結(jié)構(gòu)

2 掃查裝置運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

本掃查裝置控制系統(tǒng)硬件部分采用飛思卡爾MC9S12XS128 單片機(jī)，控制模塊分為縱向運(yùn)動(dòng)模塊、橫向運(yùn)動(dòng)模塊、無線遙控模塊、編碼器等，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

系統(tǒng)控制軟件采用C 語言編程，開發(fā)環(huán)境為CodeWarrior。系統(tǒng)具體控制流程：根據(jù)超聲檢測(cè)C 掃描檢測(cè)掃查路徑，掃查器前進(jìn)一段距離后暫停，然后橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，探頭沿著滑軌從左端移動(dòng)到右端后暫停，掃查器接著前進(jìn)一段距離后暫停，橫向機(jī)構(gòu)再次啟動(dòng)，探頭沿著滑軌從右端返回到左端停止，掃查器縱向及橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照此運(yùn)動(dòng)路徑循環(huán)進(jìn)行，直至完成整個(gè)工件平面的C掃描檢測(cè)[7]。

圖9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)通過315M超外差無線接收及發(fā)送模塊可對(duì)自動(dòng)掃查器運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行實(shí)時(shí)無線遙控控制，可遙控控制掃查器啟動(dòng)爬行、停止、轉(zhuǎn)向、加速、減速等運(yùn)動(dòng)行為。

3 結(jié)束語

按本文介紹的超聲C 掃描檢測(cè)自動(dòng)掃查裝置的結(jié)構(gòu)，研制了樣機(jī)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試試驗(yàn)表明，這種采用以單片機(jī)為控制核心的磁吸附式C 掃描檢測(cè)自動(dòng)掃查裝置是可行的。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)可靠，可根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整縱向步進(jìn)、橫向掃查速度，掃查范圍等參數(shù)；順利實(shí)現(xiàn)掃查運(yùn)動(dòng)和調(diào)整運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到超聲C 掃描檢測(cè)掃查所要求的運(yùn)動(dòng)精度。