基于大數(shù)據(jù)的超聲波溫控在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張國(guó)政

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,陜西 西安 710300)

大數(shù)據(jù)工業(yè)分析是一個(gè)檢查、清理、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)建模的復(fù)合過程,關(guān)于大數(shù)據(jù)分析的研究有很多。如張夢(mèng)瑤將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到環(huán)境的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,通過收集到的大量大氣顆粒物,利用數(shù)據(jù)模型將具有相似性質(zhì)的顆粒物聚集到一個(gè)分組中,以此來判斷某地區(qū)內(nèi)主要大氣污染物的成分,并根據(jù)成分判斷污染物可能的來源,為大氣污染防治治理提供參考依據(jù)[1];徐蔓青將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于交通領(lǐng)域,通過獲取到的海量交通數(shù)據(jù)來比對(duì)各個(gè)路段的實(shí)時(shí)交通運(yùn)行狀態(tài),為緩解交通運(yùn)輸狀況和人民生產(chǎn)生活提供了有效的幫助[2-4]。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),全自動(dòng)超聲波在線檢測(cè)技術(shù)在海底管線等長(zhǎng)距離管道檢驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用,超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)能力強(qiáng)、效率高、環(huán)保性能好等優(yōu)勢(shì)明顯,在海底管線鋪設(shè)過程中發(fā)揮了重要作用,已成為海底管線鋪設(shè)檢驗(yàn)首選方法之一[5]。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐目前國(guó)內(nèi)主要采用9%Ni鋼制造,該鋼種焊接性能要求較高。9Ni鋼是一種磁化性較強(qiáng)的材料,在材料加工、運(yùn)輸過程中都可能被磁化。當(dāng)采用直流電源機(jī)焊接時(shí),會(huì)導(dǎo)致母材進(jìn)一步被磁化,產(chǎn)生電弧磁偏吹,無法正常施焊[6]。這也給后續(xù)的無損檢測(cè)增加了難度,加之儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)一般都較大,人工檢測(cè)無法實(shí)現(xiàn),能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的無損檢測(cè)系統(tǒng)是很好的選擇[7]。

超聲波探傷是應(yīng)用最廣泛的無損探傷方法之一,尤其適合LNG儲(chǔ)罐,是輪船焊縫檢測(cè)的首選檢測(cè)手段[8]。超聲波是一種機(jī)械波,只要有振動(dòng)的介質(zhì),就可以進(jìn)行檢測(cè),而且機(jī)械波容易控制,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。超聲波在線檢測(cè)技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、應(yīng)用材料種類及范圍廣的優(yōu)點(diǎn),常用于火車鐵軌、海底管道及一些特種設(shè)備的無損檢測(cè)和探傷,利用特殊材料和超聲波技術(shù)結(jié)合可以用于高溫測(cè)量和探傷[9]。

目前,在美國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)家的核燃料元件廠均采用超聲波探傷方法在線檢測(cè)焊縫質(zhì)量,運(yùn)用超聲波成像技術(shù),結(jié)合數(shù)字化處理手段,將焊縫缺陷,如裂紋、未熔合、夾渣等用二維平面展開成像,記錄缺陷的形狀和尺寸,自動(dòng)測(cè)量記錄,用不同的顏色標(biāo)示缺陷的類型和性質(zhì),智能繪制圖像,可以全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化,并將檢測(cè)信息迅速反饋給技術(shù)人員,優(yōu)化焊接工藝過程,進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量,減少?gòu)U品率,且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠[10-14]。經(jīng)過大量的研究和試驗(yàn)工作,目前,無損檢測(cè)人員對(duì)9Ni鋼焊縫的超聲檢測(cè)難點(diǎn)和盲點(diǎn)已有一定的解決方法,為了將經(jīng)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的壓力容器制造中,經(jīng)過幾年的研究,國(guó)內(nèi)初步形成了關(guān)于奧氏體不銹鋼焊縫的推薦性標(biāo)準(zhǔn)JB/T4730.3-2005[15]。

1 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

研究發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量檢測(cè)時(shí)常使用人工手持檢測(cè)儀檢測(cè),人工檢測(cè)時(shí)需要手持儀器不斷變換位置,較為消耗體力,所需檢測(cè)空間要求高,且檢測(cè)效率低,當(dāng)被檢測(cè)的焊接板厚較大時(shí),翻轉(zhuǎn)麻煩,針對(duì)以上問題,本文設(shè)計(jì)研發(fā)一種全自動(dòng)焊縫焊接質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)不需要人工翻轉(zhuǎn),檢測(cè)效率能達(dá)到目前傳統(tǒng)檢測(cè)儀器的3倍以上,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣,尤其適合海底管道的檢測(cè)和故障診斷。

本文根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)所,提出的總體技術(shù)方案為:首先解決超聲波檢測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用中的情況和存在問題的整理分析,其次完成檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)滑座,并在上面設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu),將大數(shù)據(jù)技術(shù)手段應(yīng)用于系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和檢測(cè)調(diào)整,最后結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際優(yōu)化并完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和分析,以保證檢測(cè)的精確性和數(shù)據(jù)的可追溯性(見圖1)。

圖1 超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)關(guān)系圖

2 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)的超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,包含滑座,滑座上設(shè)有:調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由支撐塊、L型滑塊、第一連接塊、第二連接塊組成,支撐塊固定連接在滑座頂部左側(cè),L型滑塊與滑座滑動(dòng)連接,第一連接塊與第二連接塊分別固定連接在支撐塊與L型滑塊頂部。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由螺紋桿、限位支撐塊、電機(jī)組成,螺紋桿螺紋連接在第二連接塊右側(cè),螺紋桿遠(yuǎn)離第二連接塊的一端貫穿限位支撐塊且與電機(jī)轉(zhuǎn)軸固定連接,電機(jī)與限位支撐塊固定連接,限位支撐塊固定連接在滑座頂部右側(cè)。第一連接塊與第二連接塊之間配合設(shè)有用于進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢測(cè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu),檢測(cè)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)件、矩形滑桿、矩形滑筒、伸縮桿、檢測(cè)儀組成,轉(zhuǎn)動(dòng)件由圓形板塊,轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)塊、U型夾塊、螺紋栓組成,轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)塊內(nèi)壁上設(shè)有環(huán)形凸起,圓形板塊配合環(huán)形凸起設(shè)有環(huán)形槽,轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)塊通過環(huán)形凸起與環(huán)形槽配合轉(zhuǎn)動(dòng)連接在圓形板塊上,U型夾塊固定連接在圓形板塊中心,螺紋栓貫穿U型夾塊一端且與U型夾塊螺紋連接,兩組轉(zhuǎn)動(dòng)件的圓形板塊分別與第一連接塊與第二連接塊固定連接,矩形滑桿一端與靠近第一連接塊的一組圓形板塊固定連接,矩形滑桿遠(yuǎn)離第一連接塊的一端貫穿另一組圓形板塊,矩形滑筒與矩形滑桿滑動(dòng)連接且位于兩組轉(zhuǎn)動(dòng)件之間,伸縮桿兩端分別與檢測(cè)儀和矩形滑筒固定連接。支撐塊與靠近支撐塊的一組轉(zhuǎn)動(dòng)件配合設(shè)有用于限制轉(zhuǎn)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)的限位機(jī)構(gòu),限位機(jī)構(gòu)由限位銷和復(fù)位彈簧組成,轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)塊配合限位銷設(shè)有兩組對(duì)稱的限位槽,限位銷貫穿支撐塊延伸至限位槽中,復(fù)位彈簧兩端分別與支撐塊和限位銷固定連接,限位機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖2 超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 限位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí),啟動(dòng)電機(jī),電機(jī)帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng),螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接在滑座上的帶動(dòng)L型滑塊滑動(dòng),使兩組轉(zhuǎn)動(dòng)件的間距改變,當(dāng)間距合適時(shí),停止電機(jī),使待測(cè)焊接板焊縫與檢測(cè)儀對(duì)正后將焊接板兩端卡在兩組U型夾塊間并轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋栓,將焊接板固定,通過伸縮桿調(diào)節(jié)檢測(cè)儀高度至合適位置,通過矩形滑筒使檢測(cè)儀在矩形滑桿上滑動(dòng),對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)焊接塊另一側(cè)時(shí),拔動(dòng)限位銷,使限位銷遠(yuǎn)離限位槽,可轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)塊,將檢測(cè)儀位置倒轉(zhuǎn)至焊接板下方,松開限位銷,復(fù)位彈簧使限位銷再次卡入限位槽,系統(tǒng)固定,可對(duì)焊接板反面進(jìn)行檢測(cè)。

3 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

啟動(dòng)電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)開始工作,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng),螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)又帶動(dòng)連接在滑座上的L型滑塊滑動(dòng),這樣兩組轉(zhuǎn)動(dòng)件的間距改變,根據(jù)檢測(cè)工件的實(shí)際尺寸,當(dāng)間距合適時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),使待測(cè)工件焊縫與檢測(cè)儀對(duì)正后將焊接板兩端卡在兩組U型夾塊間并轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋栓,將焊接管道固定,通過伸縮桿調(diào)節(jié)檢測(cè)儀的高度至合適位置,轉(zhuǎn)動(dòng)矩形滑筒使檢測(cè)儀在矩形滑桿上滑動(dòng)一定距離,對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果通過控制系統(tǒng)顯示在電腦上,結(jié)果如表1所示。檢測(cè)管道另一側(cè)時(shí),拔動(dòng)限位銷,使限位銷遠(yuǎn)離限位槽,再轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)塊,將檢測(cè)儀的位置倒轉(zhuǎn)至焊接板下方,限位銷松開,復(fù)位彈簧可以使限位銷再次卡入限位槽,工件被重新固定,可對(duì)焊接板反面進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)后的數(shù)據(jù)與前面數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行匯總,檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,還可以檢測(cè)不同厚度的管道焊縫情況。

表1 不同厚度的管道檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

與現(xiàn)有在線檢測(cè)系統(tǒng)相比,本文設(shè)計(jì)的超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)通過設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè),節(jié)省人力,提高檢測(cè)效率,改變了人工檢測(cè)時(shí)需要手持檢測(cè)儀不斷變換位置,較為消耗體力,使檢測(cè)效率不高的問題。

(2)通過固定板轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)儀的方式對(duì)焊接板兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)方便,節(jié)省時(shí)間,檢測(cè)效率可以達(dá)到傳統(tǒng)檢測(cè)儀器的3倍以上。

(3)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)在線檢測(cè),并且能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,還可以準(zhǔn)確定位缺欠位置。

(4)從測(cè)試結(jié)果可以看到,檢測(cè)準(zhǔn)確且耗時(shí)少,可檢測(cè)不同厚度的管道。