適用于柵格舵焊縫檢測的超聲掃查裝置

李光保,陳惠風,孫建宇,姜 恒,齊天旭,鄭雪鵬,王 飛

(1.上海航天精密機械研究所,上海 201600;2.哈爾濱工業大學 機電工程學院,哈爾濱 150001)

柵格舵氣動控制機構是重復使用運載火箭載入返回過程的重要姿控裝置[1-2]。其中柵格舵是一種新型的控制穩定面,由多個薄柵格壁板構成[3],作為一種新型的升力面和控制面,在亞聲速和高超聲速階段具有比平板翼更優秀的氣動特性,可用作穩定翼或全動式舵翼以提高運載火箭的機動性,并且增加其穩定性和可控性[4]。其安裝在火箭芯一級或者助推器上,上升段折疊在火箭殼體上,下降段展開作為控制面或者穩定翼,以減小落點的散布范圍[5-6]。

當前,柵格舵焊縫的無損檢測常采用人工手動掃查的方式,存在可靠性低、周期長和系統成熟度低等問題。為解決此問題,筆者設計了一種自動超聲掃查檢測裝置。以PLC(可編程邏輯控制器)為控制核心,采用GSKLink通訊協議實現對機器人、伺服電機的控制,根據柵格舵焊縫結構設計自動化工藝運動流程,實現了目標的自動化檢測。

1 裝置總體設計方案

1.1 檢測對象

火箭柵格舵[7]安裝形式及結構如圖1所示,柵格舵為雙弧面柵格鈦合金焊接結構[8],包絡尺寸約為1 300 mm×1 000 mm×100 mm(長×寬×高),采用4(橫向)×4.5(縱向)格柵構型,由舵根、舵框、葉片、轉接板等零件組成,材料均為TC4 鈦合金。舵根為階梯漸變厚度結構,長度約為1 300 mm,厚度從連接軸的15 mm逐網格減少2 mm至遠端的4 mm;舵根間的舵框厚度為6 mm,遠端及兩側為4 mm;葉片厚度為4 mm和2 mm。該零件對精度要求較高,整個柵格舵由38個部件互相卡箍和榫接組合而成,形成47個網格節點,產生7種焊接厚度,焊縫數量多達526條。典型柵格舵焊縫的主要形式為角焊縫和鎖底焊(見圖2)。

圖1 火箭柵格舵的安裝形式及結構示意

圖2 典型柵格舵焊縫結構示意

1.2 檢測總體方案

根據柵格舵焊縫結構及超聲檢測工藝要求設計整體檢測裝置,其結構如圖3所示,包括框架、水箱、上下料組件[9]、機器人組件[10]等。其中水箱為超聲檢測提供水介質完成輔助檢測;機器人組件作為超聲檢測的執行機構;上下料組件為檢測平臺提供上下運動動作;檢測平臺用于放置待測柵格舵。

圖3 柵格舵焊縫檢測裝置整體設計

1.3 裝置檢測工作流程

(1) 初始狀態:檢測平臺處于底端,機器人處于收縮姿態;上下料電機驅動鏈輪,帶動檢測平臺上升;到達裝夾位置后,通過行車吊裝或人工搬運固定待測柵格舵,檢測平臺上升狀態如圖4所示。

圖4 檢測平臺上升狀態示意

(2) 上下料電機驅動鏈輪,使檢測平臺下降到檢測位置,檢測平臺下降狀態如圖5所示。

圖5 檢測平臺下降狀態示意

(3) 機器人組件根據預定軌跡運動到檢測起始點。

(4) 通過機器人夾持換能器,按照檢測路徑對柵格舵焊縫進行逐點逐條檢測。

2 裝置結構設計

2.1 主體設計

為滿足水箱和機器人組件的放置,設計的裝置框架如圖6所示,其中框架材料為Q345B,各部分先進行焊接,焊接后矯形再進行整體機加工。裝置通過調整墊鐵調平,用地腳螺栓固定。

圖6 裝置框架結構示意

檢測平臺采用鏈輪鏈條驅動,采用導向柱進行定向,上下料組件裝置如圖7所示。水箱側面安裝一根直線導軌和配重塊,鏈條一端固定在配重塊上,另一端固定在托板上。裝置通過兩臺伺服電機實現同步驅動完成上下料過程。

圖7 上下料組件裝置示意

2.2 機器人與換能器

根據被檢測產品尺寸(1 300 mm×1 000 mm×100 mm)和換能器質量(<0.5 kg),選用廣州數控GSK RB20A3型機器人夾持換能器進行檢測,并且為更大的檢測空間,在機器人基座上設計了x軸和y軸方向移動的外部軸伺服電機(見圖8)。

圖8 機器人x,y軸伺服電機結構示意

夾持換能器的工裝采用彈性機構[11],避免與檢測產品硬接觸,防止檢測過程中損傷裝置元器件和檢測產品。換能器及其夾持工裝結構如圖9所示。

圖9 換能器及其夾持工裝結構示意

2.3 水循環過濾系統

超聲檢測的介質為水,為保證檢測的準確性,水箱中的水需進行凈化和過濾,筆者設計的水循環過濾系統結構如圖10所示,水循環過濾系統安裝在水箱側面,由一臺立式離心泵和管道過濾器組成。

圖10 水循環過濾系統結構示意

3 裝置控制系統設計

超聲掃查裝置的控制系統[12]包含3個層次,即操作層、控制層和設備層,具體分工如下:① 操作層主要由觸摸屏、上位機操作軟件和示教器組成,觸摸屏用于操作上下料平臺,設置兩臺伺服同步電機的運行速度、運行位置、故障提示及報警等,示教器用于控制機器人和兩個外部軸電機的運行及路徑編程,上位機操作軟件用于處理采集的焊縫信息;② 控制層主要由機器人控制器和總控制器PLC(可編程邏輯控制器)構成,基于機器人控制器和總控制器PLC對控制信息進行處理后反饋至示教器及觸摸屏上;③ 設備層主要包括機器人和兩個外部軸電機、兩臺伺服同步電機、超聲換能器以及開關傳感器等?？刂葡到y總體架構如圖11所示。

圖11 控制系統總體架構

3.1 設備層:現場底層末端設備

(1) 超聲換能器主要獲取焊縫檢測信息并上傳至操作軟件進行處理分析。

(2) 機器人的控制器系統選擇RB系列,在原有的6軸機器人基礎上增添2個外部軸電機,外部軸電機型號為150-SJTR,在機器人控制器上開通外部啟動軟件控制模塊及安全控制模塊,方便遠程控制及選擇機器人運行路徑。

(3) 檢測平臺的兩個同步電機選用廣州數控130-SJT型伺服電機。

(4) 設備層還包括傳感器、限位開關、指示燈等電氣元件。

3.2 控制層:對設備層進行協調控制的可編程設備

(1) 機器人控制器與總控制器PLC組成系統的控制層。

(2) 總控制器PLC通過GSKLink進行物理層連接,總控制器PLC作為Server(服務端),機器人控制器作為Client(客戶端),兩者進行數據交互,使得檢測分系統和運動控制分系統進行耦合,最終實現柵格舵的自動檢測。

(3) 通過實時工業以太網與數控機器人控制器的連接實現數據狀態交互,并由觸摸屏遠程觸發機器人程序啟動運行指令;通過運動模塊驅動伺服系統,進行高精度位置控制,實現與機器人運動的邏輯耦合;通過I/O(輸入/輸出)接口進行開關傳感器指示燈的狀態采集及控制;作為整套系統控制核心,總控制器PLC負責系統任務調度,通過指令協同控制機器人單元、外部軸電機以及同步伺服單元等各系統的邏輯時序。

3.3 操作層:實現人機交互的單元

(1) 基于Windows操作系統開發操作軟件,用于處理超聲檢測采集的焊縫信息。

(2) 觸摸屏(HMI)作為輔助人機交互界面,可以便捷穩定地與總控制器PLC進行數據交互,可進行輔助性的參數設定、手工操作、過程狀態顯示等。

(3) 機器人示教器作為機器人單元的組成部分,用于機器人檢測點手動示教、自動檢測程序編輯(含運動指令、邏輯控制指令等)。

3.4 其他

該裝置控制系統還包括控制柜和操作臺,控制柜用于安裝各種電氣元器件及控制器等,操作臺安裝顯示器、工控機以及觸摸屏(HMI),操作人員通過操作臺來控制整套系統。且控制系統支持OPC UA協議,通過以太網接口,可與信息系統進行數據交互,滿足連接、數據傳遞的要求。

4 程序設計

4.1 PLC程序設計

總控制器PLC是控制系統的核心部件,操作員通過觸摸屏、按鈕的控制信息經過PLC傳遞給伺服驅動器、機器人、水循環系統、傳感器等元件,完成操作者對裝置的控制。這些控制動作是通過寫好的PLC程序實現的,PLC程序包括主程序和子程序,主程序可以調用子程序,PLC程序框架如圖12所示。

圖12 PLC程序框架

PLC程序采用梯形圖與ST語言聯合編程,程序編寫時首先根據各個獨立的子程序建立FB程序塊,在主程序中根據工藝流程實現各個程序塊的調用,柵格舵檢測工藝控制流程圖如圖13所示。

圖13 柵格舵檢測工藝控制流程圖

4.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏主要分為伺服電機和機器人的手動與自動控制界面,手動控制頁面上顯示了伺服電機及機器人的運動狀態、啟動、急停、運動速度、運動位置、運動方向等信息;自動控制界面可以實現一鍵操作,完成待測柵格舵的自動檢測流程。

5 試驗驗證

5.1 試驗方案

對某型柵格舵產品進行焊縫檢測,首先通過射線檢測底片對焊縫內的常規缺陷進行定性,然后再采用該設計裝置按照圖13的工藝流程對其進行超聲檢測,并對兩者結果進行對比,從而驗證該裝置檢測結果的準確性與可靠性。

5.2 檢測結果

試驗采用相控陣模式下的扇掃方式對柵格舵進行檢測,焊縫常規缺陷檢測結果如下。

(1) 氣孔

焊縫氣孔的超聲檢測結果如圖14所示,其形狀上近似為圓球狀或橢圓狀,圖像輪廓邊緣比較清晰,氣孔中部具有較高亮度。

圖14 焊縫中氣孔的檢測結果

(2) 裂紋

焊縫裂紋的超聲檢測結果如圖15所示,其形狀為線條狀,大多數情況下呈一定的彎曲狀,并與焊道方向呈一定夾角,圖像輪廓邊緣較為明顯,亮度較高。

圖15 焊縫中裂紋的檢測結果

(3) 未焊透

焊縫未焊透的超聲檢測結果如圖16所示,其形狀比較平直,為斷斷續續的線條狀,與焊道方向平行,邊緣清晰明顯。

圖16 焊縫中未焊透的檢測結果

(4) 未熔合

焊縫未熔合的超聲檢測結果如圖17所示,其形狀為扁橢圓狀或條狀,比較平直,輪廓較為清晰,缺陷中部亮度較高。

圖17 焊縫中未熔合的檢測結果

(5) 夾渣

焊縫夾渣的超聲檢測結果如圖18所示,其為體積型缺陷,形狀不確定,因此圖像沒有典型形狀,缺陷中部亮度較高。

圖18 焊縫中夾渣的檢測結果

5.3 結果分析

對比射線檢測與該裝置的檢測結果,發現結果顯示完全一致。即該裝置對柵格舵焊縫中的氣孔、裂紋、未焊透、未熔合和夾渣等缺陷識別能力強,無需考慮其方向性;且超聲檢測結果直觀,可實現實時顯示,在掃查的同時能對焊縫進行分析、評判。

6 結語

為解決當前人工手動掃查檢測及缺陷評定中的可靠性低、周期長和系統成熟度低等問題,在陣列超聲主機、換能器及成像軟件的開發基礎上研制了一種適用于柵格舵焊縫超聲檢測的裝置,滿足了柵格舵焊縫的自動檢測需求。該超聲掃查裝置是以總控制器PLC和機器人為核心的自動化檢測裝置,可用于檢測柵格舵的多種焊縫結構,其各個模塊設計合理,自動化程度較高。經過試驗驗證,該裝置的各項功能都比較穩定,能較為準確地檢出柵格舵焊縫的各種常見缺陷,亦大幅提高了生產效率。