超声波自动探伤系统（通用7篇）
超声波自动探伤系统 篇1
摘要：介绍了可编程序控制器(PLC)在车轴超声自动探伤系统中的应用,对系统的硬件控制和软件作了详细的阐述。
关键词：可编程序控制器,超声波自动探伤系统,流程图
0 引言
可编程序控制器(programmable logic controller, PLC)是以微处理机为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,是专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制,其按钮开关、行程开关或敏感元件可以作为输入信号,输出信号可以控制开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程序的存储器,在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程实现自动化。
1 自动超探机控制系统组成
超声波自动探伤机是用来检测机车车辆上车轴中的伤损和疲劳裂纹的检测设备,它由机械、液压、电气控制、计算机控制和超声波探伤等子系统组成。它的控制部分涉及机械制造、电子技术、微机控制、超声波检测和人工智能等学科领域,是一台典型的机电一体化超声波检测设备。
超声波自动探伤机的控制系统包括机械动作控制系统和计算机控制系统两大部分。机械动作控制系统的主要作用是PLC控制机械装置按工作流程顺序依次动作,如轮对超声波探头夹持、探头与所探测轮轴的密贴、探头移动、轮对转动和供给探测过程中所需的耦合液、以及探测结束后的机械复位、轮对推出等。计算机控制系统的主要作用首先是计算机通过I/O板控制PLC保持探测轮对工作状态,同时切换探头将数字式超探仪的超声信号传送给计算机,再通过A/D转换,由计算机对超声波形信号进行分析、判断,不停地循环切换探头、采样、分析和判断,直至探测结束或发现轮对缺陷,最后打印存储波形并输出。其控制系统框图如图1所示。
2 自动超探机控制电路设计
本系统可以采用日本三菱公司生产的FX2N—64MR型PLC控制器,通过硬件连接,软件编程,参数设定来实现整机安全有效地运行。
自动超探机的输入信号包括控制按钮和接近开关到位信号,共设置有21个输入点,并且设置有手动/自动选择开关;自动超探机的输出信号直接控制着强电拖动部分和电磁阀控制部分,共有21个输出点。其部分I/O分配情况:X3～X7为手动控制按钮,X10～X13为自动控制按钮,用来控制探头的移动和轮对的正反转。X15为“启动”,当有信号输入时,PLC按设定的控制程序开始工作,机械装置开始动作;X0为“停止”,当有信号输入时,PLC按设定的控制程序停止工作,机械装置立即停止动作。判断轮对是否到位使用电感式接近开关,其输入点地址为X16～X24。Y2～Y17的输出信号控制电磁阀的动作,Y20～Y22的输出信号控制轮对的正反转和探头移动。
3 自动超探机软件设计
由于超探机的探伤过程是一个比较复杂的控制过程,所以相应PLC控制器编程也比较复杂,首先,滚轮电机的正反转,编程时充分注意逻辑互锁关系。其次,为了提高探伤的可靠性,轮对的探测位置要准确、全面,编程时必须注意各探测点的切换和探测速度。再者,编程要合理,减少程序量,缩短扫描时间。PLC控制系统的程序流程如图2所示。
4 结语
本设备采用PLC控制,维护十分方便,故障率较低,较好地满足了生产的需要,取得了较为明显的经济效益。
参考文献
[1]汪晓光,王艳丹.可编程控制器原理及应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2002.
超声波自动探伤系统 篇2
关键词：探头旋转,超声波探伤,Profinet,故障安全型
0 引言
超声波探伤是目前无缝钢管无损检测中最重要、最适合的检测手段,在无缝钢管的生产中占据着举足轻重的地位[1]。为了保证无缝钢管产品质量,超声波探伤时需要对管体进行横向、纵向缺陷的检测,同时对壁厚进行测量。通常的超声波探伤方式有探头旋转、钢管直线前进,探头不动、钢管螺旋前进,探头直线扫查、钢管原地旋转这三种方式[2]。其中探头旋转、钢管直线前进的超声波探伤(后简称探头旋转超声波探伤)方式具有探伤速度快、效率高、无磨损等优点,但是检测时旋转探头要保持稳定的转速、良好的水耦合效果以及与钢管的同轴度,同时也要保证生产的安全性,这就需要一套安全、可靠、高精度的控制系统进行控制。
在某钢管厂精整生产线中,探头旋转超声波探伤设备自动控制系统基于西门子ET200S,具有如下优点:(1)高可靠性,高稳定性,高安全性;(2)模块化设计,功能多样,柔性好;(3)更少的安装空间,更简单的接线方式;(4)更快速的故障诊断功能,支持热插拔;(5)应用Profinet工业以太网,实现PLC与变频器、编码器、工控机、HMI、现场工作站的实时数据通信。系统实现了设备旋转体主机转速、升降平台高度、供水系统以及钢管夹持定位及传送等控制功能。
1 探伤设备组成及工艺流程
如图1所示,探头旋转超声波探伤设备的机械部分包括入口夹送辊[3](夹送辊1、2)、出口夹送辊(夹送辊3、4)、旋转体主机、升降平台、供水系统、水过滤系统及喷标机构等装置。
探伤时,旋转体从检修位置运行到工作位置,升降平台整体根据输入钢管的外径规格调整到预定计算高度。供水系统检测水箱的水位,在水量充足的情况下由供水管路供水。旋转体开始旋转,当旋转体达到设定转速后,开始进行钢管的探伤。上料辊道经过手动或者自动控制,将钢管输送到入口夹送辊。入口和出口夹送辊控制钢管的直线前进,如果探伤发现钢管有缺陷,则根据缺陷类型发送喷标信息给喷标装置,同时工作台进行声光报警,并传递分选信号到下料辊道。当一支钢管探伤完成,下一支钢管紧随其后进行探伤,实现钢管的自动连续探伤。
2 电气控制系统组成
根据工艺流程以及设备的功能需求,选用ET200 S中IM151-8 F PN/DP的CPU单元作为主控单元进行硬件组态。探伤设备电气控制系统包含IM151-8F PN/DP主站,3个室内从站,4个夹送辊编码器,1个升降平台电动机编码器,3台具有安全功能的变频器,5个现场从站,工控机站以及HMI触摸面板。主站CPU基于Profinet工业以太网技术,实现与变频器、工控机、HMI、编码器、分布式I/O站点、远程站点之间的实时数据通信;该CPU具有类似于S7-300 314系列CPU的性能,同时与S7-300 CPU完全兼容,还具有故障安全型CPU的功能,完全能够满足上述探伤系统的自动控制需求。室内从站选用IM151-3 PN HF分布式接口模块,集成了2个端口的交换机,实现从站之间的网路互联;该从站不仅能够组态ET200S的标准模块,还能组态故障安全模块,具有故障报警功能;3个室内从站分别实现对控制台、信号处理柜、各个电气柜门用电子锁的I/O点的控制。编码器选用IHA60858多圈绝对式旋转编码器,其中4个编码器为4个夹送辊的口径(所夹持钢管的外径)提供定位,另一个编码器为平台高度调整提供定位。变频器采用西门子G120系列,功率模块带有内置的制动斩波器PM240,控制单元选用CU240E型;3台变频器分别对夹送辊电动机、旋转体电动机和升降平台电动机进行变频控制。现场从站选用ET200 Pro系列中的IM154-4 PN HF接口模块,该模块集成双口的以太网交换机,防护等级高达IP67,支持热插拔,永久接线功能,紧凑的模块化设计,易于安装,特别适合现场环境恶劣的场所;5个现场从站分别实现旋转体、旋转体小车平台、升降平台、供水系统以及夹送辊上的I/O点的控制。
探伤设备电气控制系统组成见图2,系统基于Profinet工业以太网进行通信,为提供更多的网络连接端口,选用西门子SCALANCE XB008以太网交换机,保证网络可靠稳定的运行。
3 系统功能
使用Step7进行硬件组态后,在SIMATIC Manager的程序中添加相应的功能块实现对探伤设备的控制。主要的控制功能包括:控制模式选择、钢管传送控制、旋转体进出和启停、夹送辊口径(所夹持钢管的外径)调整、供水系统控制、平台高度调整、润滑油自动供给、急停以及安全控制等。其中供水系统控制、润滑油自动供给容易实现,平台高度调整与夹送辊口径的调整方法类似,此处不再赘述;钢管传送控制、旋转体进出和启停的关键是配置好相应电动机的变频器参数。因此,后文对控制模式选择、变频器安全功能配置、夹送辊口径调整、急停功能等关键控制功能展开描述。
3.1 控制模式选择
钢管探伤控制模式分为自动、手动、半自动三种,在HMI上人工选择,三种模式在程序中处于互锁状态。HMI将模式选择信息传给PLC,PLC运行相应的控制程序。
自动模式是钢管探伤的正常生产模式,PLC接收钢管规格、旋转体速度、辊道速度等输入参数后,将输入参数转化成夹送辊口径、平台高度、变频器控制参数等信息,控制设备连续进行钢管的探伤。为有效测量钢管的长度和位置,只有PLC检测到设备中没有钢管时,才能切换到自动模式或半自动模式。在HMI上按下“自动”按钮,自动模式开启,当PLC给出准备好的信息,HMI上的绿色灯闪烁时,表示自动模式激活成功。
手动模式在对样管进行标定时使用,在此模式下钢管的运动由“双手-手持按钮盒”控制,即一只手按住按钮盒侧面的控制按钮,另一只手按压功能按钮,此时控制才有效,这样防止了误触功能按钮而出现安全事故。双手控制保证了钢管的前进后退、夹送辊的夹持动作在一个确定安全的状态下进行,该模式下钢管的传送速度处在一个低速状态。在HMI上按下“手动”按钮,手动模式开启,在任何状态下都可以切换到手动模式,即手动优先。
半自动模式在对样管自动校验时使用,在此模式下喷标装置被禁止使用,但是测长测速功能正常进行。当自动模式停止、设备空运行时,在HMI上按下“半自动”按钮,HMI上蓝灯闪烁,半自动模式激活。
3.2 变频器安全功能配置
钢管的传送由4个夹送辊通过2.2 k W的三相传送电动机驱动,传送变频器控制夹送辊电动机的速度,实现钢管直线运动0~60 m/min速度控制,控制精度在±3%以内。变频器参数使用Starter软件进行设置,控制模式为V/f方式,最大转速设置为3 600 r/min,参考电压有效值设置为1 000 V,参考电流有效值为49.8 A,转矩为84.66 N·m,参考温度为100℃,手动速度设置为150 r/min。钢管的传送需要电动机快速反应,因此将速度调节器斜坡上升时间和下降时间均设置为0.5 s。为了使电动机不出现意外的动作而产生安全事故,以及在紧急情况下安全停车,需要对变频器进行安全功能的配置,即对电动机监控功能STO、SS1、SLS、SDI进行配置。其中STO功能是防止静止的电动机出现意外加速,SS1功能是通过设定的斜坡下降时间对电动机进行安全制动,SLS功能是防止变频器出现超过速度限值的动作,SDI功能是保证电动机只能按照设定的方向转动。安全功能需要在Step7硬件配置和Starter软件里分别进行设置:在Step7硬件配置里,设置PROFIsafe数据交换类型选项为报文30[4](只有过程数据1(PZD1)有效,PZD2无效);PROFIsafe安全设备地址自动分配,这里为十六进制的C4;设置看门狗时间,注意看门狗时间要设置得比安全程序调用间隔大,这里设置为500 ms。在Starter软件里,在安全集成里选择PROFIsafe扩展功能,配置时将设备地址设置为之前的地址C4(这个地址与硬件配置的地址必须一致,否则不能建立安全通信),将STO的强制故障检查时间设置为8 000 h,通过单击拷贝参数和激活设置后,对变频器断电再上电就能对变频器进行安全功能的控制了。
旋转体变频器的参数设置方法与上述方法相同,控制模式同样为V/f控制方式,最大转速设置为3 000 r/min,参考电压有效值设置为1 000 V,参考电流有效值为93 A,转矩为190.99N·m,斜坡上升时间设置为60 s,斜坡下降时间设置为160 s。将STO的强制故障检查时间设置为9 000 h。
在编写安全功能程序时,首先建立一个FC块,设置为F-CALL;再建立一个FB块,设置为F-LAD,在FB块中进行安全功能程序的编写。然后设置安全功能程序组,编译程序后FC块将自动调用FB块。最后插入一个OB35循环中断组织块,设置循环中断时间为100 ms,在OB35中调用FC块,就此实现了对安全功能程序的周期执行。
3.3 夹送辊口径调整
夹送辊口径通过4台小功率电动机控制丝杠的转动调整,每台电动机由带安全功能的PLC软启动模块控制,位置信息由多圈绝对式编码器记录。该编码器具有25位精度,带Profinet接口,可直接在Step7中进行硬件组态。根据不同的钢管外径,PLC控制电动机正反转带动丝杆以改变夹送辊口径大小,实际位置由编码器检测。因此,夹送辊口径的调整实际上只要将口径调整量值转换成相应的编码器位置调整值即可,编码器位置调整值
式中:Emax、Emin分别为最大、最小口径对应的编码器位置值;Dmax、Dmin分别为最大、最小口径;DN为新设定口径;DO为当前口径。
当EΔ>0时,正向调整,当EΔ<0时,反向调整。实际调整控制时电动机驱动的丝杠与编码器的值存在少许的偏差,所以程序编写时,需要加入补偿参数。如果补偿参数值设置得过小,电动机就会出现来回振荡调整,如果设置得过大,又会降低调整精度,因此需要根据现场调试情况选择一个合适的补偿值。
3.4 急停功能
为了最大限度地避免设备的不安全状态,保护设备和人身安全,防止恶性事故的发生,在出现危险情况时需要启动急停按钮,控制系统立即作出反应并输出正确的信号,使设备安全停机[5]。急停输入模块采用F-DI模块,模块参数如下设置:激活状态设置为1,传感器评价模式为1 oo2模式(两重冗余信号中只要有一个触发信号被激活,就能执行预置的安全功能),互连类型为双通道对等,误差时间为300 ms。模块为急停按钮供电时必须采用模块内部传感器馈电连接。
急停按钮共3个,现场设备上2个,室内控制台上1个。当急停按钮按下时,将触发以下急停功能:设备上的24 V控制电源关闭;夹送辊停止任何动作,即使里面有钢管也要停下来;所有的气动元件泄压;平台升降停止;旋转体进出停止;转动中的旋转体在设定的安全时间之内减速并停止;供水停止;HMI界面上出现报警信息。从现场人员和设备安全的角度出发,在急停功能中还考虑了与现场上下料设备的连接,在按下急停按钮,上下料设备将切换到一个安全模式。当急停按钮恢复后,设备不能立刻恢复运行,需要安全程序确认和人工确认后再进行1 s延时急停复位才完成。急停功能可直接编写在第3.2节所述的FB块中,也可单独编写一个F-LAD功能块供其调用。
4 结束语
该钢管探伤设备自动控制系统采用基于Profinet工业以太网的故障安全型控制系统,实现了设备快速、安全、可靠的控制。三种不同的工作模式,满足设备不同控制需求。变频器的安全功能和急停功能实现对现场电动机的安全控制,减少了故障导致的设备、人员安全事故,并能在安全相关中断后快速恢复生产。该系统自生产以来,一直处于安全稳定的运行状态,故障率极低,给企业带来了良好的经济效益。
参考文献
[1]成海涛,晏如.我国无缝钢管行业发展的历程和思考[J].轧钢,2014,31(4):41.
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[4]王建军,洪志祥.马钢热轧横切线上的急停系统[J].冶金自动化,2013,37(2):87.
超声波自动探伤系统 篇3
对普通无缝钢管的超声自动化无损检测研究工作始于90年代初[1]。但近期调研了衡阳、上海、南昌、湖州和常州等地的钢管厂,发现国产的钢管自动化超声探伤设备至今多数只采用PLC作为控制器,缺乏上位机的实时监控,探伤人员需在现场探伤设备,耗费大量精力,而且这种方式受人为因素的影响很大,不利于提高产品质量和生产效率。特别目前对钢管的质量要求也越来越高,迫切需要全自动的探伤设备。针对此问题和需求,在原来的控制系统基础上增加工控机作为上位机进行实时监控,组成一套全自动检测系统,不仅可以提高系统的稳定性、可靠性,而且实现检测过程回放,大大节约人力成本。
文中设计的控制系统是将工控机作为上位机,PLC作为下位机,还采用变频调速技术,控制钢管螺旋送进速度和方向。上位机和下位机之间采用RS-232进行串口通信。此外,采用UPS(Uninterruptible Power System)电源作为上、下位机的供电电源。最后,经过实际生产运行证明,该控制系统稳定可靠。
2 系统组成及控制过程
2.1 系统组成
根据设备和探伤工艺要求,钢管全自动超声探伤控制系统包括电气部分和机械部分,其中电气部分包含IPC工控机、PLC、传感器、按钮、继电器、电磁阀、变频器和电机等,工控机用于对整个系统的监控、PLC为控制系统的核心;机械部分包括上料台架、下料分选架、探伤主机升降台、钢管输送辊道、各种气缸、链轮(或带轮)、支架和耦合泵等。
系统硬件组成框图如图1所示。
系统控制核心部件的功能原理如下。
(1)工控机
上位机采用IPC工控机用于对整个控制系统的监控,主要用来设置运行参数、在线修改运行参数、监控系统运行、报警及故障显示和管理权限等。如接受操作员对工控机下达的控制命令,通过串口发送给PLC,并实时采集PLC的反馈信息,智能判断后通知操作人员,并将检测过程保存起来,以便过程回放。
(2)PLC
下位机的主控部分采用FX2N-64MR的PLC,它主要完成数据的采集、运算、执行用户程序和检测运行状态,实现最终的控制。PLC通过串口接收工控机的操作命令,同时还负责控制辊道电机、继电器、电磁阀、接收外部传感器和按钮信号,并实时将控制状态反馈给工控机。
2.2 控制过程
本控制系统主要实现全自动功能,使得自检、监控、探伤、复查、数据保存和报告输出一体化操作。所有的机械动作都是由气缸和电机相互配合来完成,工控机通过RS-232串口与PLC进行通信控制气缸动作、电机运转和各种检测状态的切换。机械传动、气动控制、各类电机启动/停止等都由PLC控制。总体结构控制框图如图2所示。
当调试、检修或突发事件时,可根据需要通过键盘(或鼠标)进行远程控制,或是在操作面板上分别按下相应启动或停止按钮,现场进行手动操作。
正常情况下由PLC进行自动控制。合上自动开关,系统正常启动后,由接近开关J1控制上料架的拨料杆顶升,每次只拨动一支钢管翻入上料辊道内,实现自动有序地上料;钢管进入辊道后,上料架的拨料杆回缩。钢管到位后,接近开关J2控制上料辊道上的4组压轮装置的气缸杆有序回缩,让主动压轮(由电机拖动)先后压着钢管,使钢管呈螺旋状送进;延时一段时间后,4组主动压轮装置各自有序复位,为下一次上料动作作准备。钢管进入检测区时,耦合泵喷水,超声探伤开始。钢管送进到下料辊道时,接近开关J3控制下料辊道上的4组压轮装置的气缸杆有序回缩,让主动压轮(由电机拖动)先后压着钢管,使钢管继续呈螺旋状送进;当一支钢管探伤完毕后,4组主动压轮装置的各自有序复位。然后接近开关控制下料架上的斜面拨料板升起,钢管自动滚入下料槽内。最后根据探伤结果反馈过来的信号,接近开关J4/J5控制选装置分开探伤合格和不合格的钢管,分别翻入不同的斜槽内。
3 监控系统设计
监控系统的主要任务是提供人机交互界面,实现全自动探伤系统的实时监视和控制。通过串口RS232实现上位机与PLC的通信,实时读取PLC各状态位的信息,作出分析判断并发送控制命令给PLC,实现对PLC的实时监视与自动控制。因此上位机与PLC的通信为本监控系统的关键。
系统采用C++Builder作为开发平台,并选择PComm外部控件作为串口通讯控件[2]。FX2N系列PLC配有连接器,可以通过通信程序直接与上位机通信,它与上位计算机链接通信有两种方式:一种是由上位机向PLC发送初始命令;另一种是PLC向上位机发送初始化命令。为了实现对PLC的实时监控,本系统采用第一种方式,即上位机具有先权,启动通信的方式。通过PLC与上位机的通信,系统就实现了由上位工控机直接控制各部分的动作,从而实现了真正意义上的自动化。
3.1 控制协议格式
PLC与上位机通信时,由FX通讯用户手册[3]可知,采用控制协议格式4。如图3、图4所示,A、C两部分是工控机发送数据到PLC;B部分是PLC发送数据到工控机[4]。
图3中ENQ为询问(通讯请求);站号用来确定工控机在访问哪一台PLC;PLC标识号是用于识别三菱A系列PLC的MELSECNET(Ⅱ)或MELSECNET/B网络中的CPU,FX系列PLC的标识号是FFH;命令用来指定要求的操作,例如读、写操作等,分别为BR、WWR、BW、WW;报文等待时间是工控机要求的一个延迟时间,以实现发送和接收状态的转换,可以在0~150毫秒之间设定(以10毫秒为单位);字符区域为数据传送的对象;校验和代码用来检验接收到的信息中数据是否正确,将报文的第一个控制代码与校验和代码之间所有字符的十六进制数形式的ASCⅡ码求和,把和的最低两位十六进制数作为校验和代码。
3.2 通讯程序设计
在上位监视控制系统中上位机与PLC的串口通信是独立的功能模块,为此将通讯程序封装成一个类,方便系统的各个模块调用,并在类中封装一个定时器,实现对PLC执行状态的实时监控。
在类的构造函数中打开串口并进行初始化,类的析构函数中关闭串口,并根据PLC与计算机的链接协议格式4编写公有成员函数,包括对PLC强制置位、复位、读写、状态查询和状态定时查询等,并定义一个全局状态结构变量,方便各个模块调用,也防止重复定时查询PLC状态。
1)初始化
(1)变量定义
#define STX 0x02
#define ETX 0x03
#define FORCE_ON'7'
#define FORCE_OFF'8'
#define PLC_READ'0'
#define PLC_WRITE'1'
int COMM_PORT=2;
(2)串口通讯类初始化
int ret;
ret=sio_open(COMM_PORT);//选择通讯端口2
ret=sio_ioctl(COMM_PORT,B9600,P_EVEN|BIT_7|STOP_1);//串口通讯设置
ret=sio_SetReadTimeouts(COMM_PORT,600,600);
MState=new TTimer(NULL);//实例化时钟
MState->Interval=3000;//定义时钟触发时间为3秒
MState->OnTimer=MachineStateTimer;//时钟事件函数
MState->Enabled=true;
2)串口通讯类重要函数举例
(1)强制置位函数
int ret;
cook_force_addr(addr);
strcpy(cmd+2,cooked_addr);
cmd[0]=STX;
cmd[1]=FORCE_ON;
cmd[6]=ETX;
ret=sio_write(COMM_PORT,cmd,9);
ret=sio_read(COMM_PORT,cmd,1);
(2)向PLC写数据函数
int count,ret;
cook_rw_addr(addr);sscanf(data_size,“%d”,&count);
memset(cmd,0,256);
strcpy(cmd+2,cooked_addr);
strcpy(cmd+6,data_size);
strcpy(cmd+8,data);
cmd[0]=STX;
cmd[1]=PLC_WRITE;
cmd[8+count觹2]=ETX;
sum(8+count觹2+3);
memset(data,0,count觹2+4);
ret=sio_write(COMM_PORT,cmd,8+count觹2+3);
ret=sio_read(COMM_PORT,data,count觹2+4);
(3)向PLC读数据函数
(4)Timer事件
query_machine_state();//PLC状态查询函数
SendMessage(FindWindow(NULL,“main_form”),WM_MYMSG,0,0);
4 结束语
本文所设计的钢管全自动超声探伤机的控制系统,把通讯程序封装成一个类的程序设计,系统的各个模块调用方便,可移植性好;只要对所研发的控制系统稍微改动一下通信设置和通信格式,便可以与不同的厂家、不同型号的PLC通信,适应性好。系统的启动/停止,以及自动/手动的控制可由上位机直接控制,在现场也可以直接进行手动操作,调控灵活方便。在原来多通道探伤一体化仪器工控平台上增加对PLC的监控功能,即可大大提高其性价比。经过实际生产运行证明,该系统控制稳定,运行可靠。
参考文献
[1]郑杰,牟洪山.超声组合探头的扫描轨迹和设计使用原则[J].无损探伤,2007,31(2):41.
[2]范逸之,江文贤,陈立元.C++Builder与RS-232串行通信控制[M].北京:清华大学出版社,2002.
[3]FX通讯用户手册(RS-232C,RS485)[Z].三菱电机株式会社.
空心车轴用超声波自动探伤装置 篇4
300系列以后的新干线电动车轴, 为减轻簧下质量及提高车轴的超声波探伤精度, 均采用在车轴中心部镗孔⌀60 mm的空心车轴。这之前的车辆几乎均使用实心车轴。按原运输部规定, 对车轴的检查中, 务必实施衰减度检测及垂直探伤。衰减度检测是从车辆端面入射超声波, 根据超声波的透射率来判断是否异常的检测方法。此外, 垂直探伤是以较大伤痕为检测对象的探测方法, 探伤精度不高。另一方面, 斜角探伤法虽说探伤精度高于垂直探伤法, 可是, 从车轴的外圆周表面对齿轮和车轮的配合部位实施探伤时, 由于其他配合部件或尺寸上的限制, 不得不按照检测灵敏度低的角度进行探伤。空心车轴由于中心部位有镗孔, 所以是不可能按这类方式来探伤的。因此, 开发了空心车轴的自动探伤装置 (见图1) , 能以远远高于实心车轴的探伤精度, 从镗孔内表面实施自动探伤。该装置由于从镗孔内表面进行斜角探伤, 且不受尺寸上的限制, 能对车辆进行全面检查, 是自动进行探伤作业、自动判定有无伤痕并显示检查结果的探伤装置。因此, 该探伤装置可实现车轴探伤的高精度化与高效化, 也在探伤作业技术的水准化方面发挥了作用。
超声波全自动探伤电气控制与应用 篇5
在超声波探伤工艺中,为了减少检测盲区,要求钢管能头尾相接进入旋转机头,以免耦合水从管端进入钢管内部,引起超声波探伤仪器误报警;为了减少人工干预产生的误差,要求对检测出有缺陷的钢管进行自动标记和分选。宝钢精密钢管厂的探伤设备虽几经改进,以上两点仍然没能全面实施。主要原因是国产超声波探伤仪器的抗干扰能力较差。采用变频调速后产生的电磁干扰加上生产现场其他各种电磁干扰(如电磁接触器,电磁气阀等),会引起超声探伤仪出现误报警,导致无法实施自动标记和自动分选。
本次改造主要包括2方面:改造辊道传动方式,改进电气控制,实现自动追管,自动标记和自动分选等要求;杜绝各种电磁干扰对超声探伤仪的影响,真正实现超声探伤设备全自动运行。
1 控制系统的构成
主要由接近开关、管缝传感器对现场的信号进行采集,用P L C编程软件实现辊道追尾、自动分选等工艺步骤,由变频器对辊道电机传动加以速度控制。
1.1 系统概述
根据可行性、安全可靠性和节约成本相结合的原则,在6#超声探伤控制室内放置一个PLC-变频器控制柜,安装西门子S 7-2 0 0 P L C模块作为编程硬件,Micro Master430作为调速器。
1.2 硬件选择
1.2.1 编程硬件
SIMATIC S7-200系列PLC具有极高的性价比、易于操作、可靠性高,具有功能强劲的扩展模块。选用的CPU226型集成24输入/16输出共40个数字量I/O点,13K字节程序和数据存储空间,具有更快的运行速度和更强的内部集成特殊功能。根据现场点数的需要,再外接EM223数字量扩展模块,16输入/24输出。
1.2.2 调速组件
MicroMaster430系列是广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术,提供低速高转矩输出和良好的动态特性,同时具备超强的过载能力,在现场使用过程中具有易于安装、参数设置和调试,满足多段调速等性能特点。
1.3 控制理念
1.3.1 系统流程总图
系统流程如图1所示。
1.3.2 钢管追尾控制
在机头前的辊道上,指定一段钢管追尾辊道,安装6只接近开关用于判断前后钢管是否追尾成功。当任意相邻2个接近开关,前一个有料信号不断,后一个无头部信号,说明两管脱开,此时前辊道加速运行。直到信号满足条件,前辊道慢速运行。当最靠近机头的接近开关6没信号,说明在指定的辊道段追尾失败,则自动停止后辊道及匀速辊道,直到这个接近开关再得到信号,两段辊道继续运行。
为确保流程有效,防止接近开关的信号丢失造成不良影响,设计一段用于检测的程序段。开始工作时,当检测到钢管头部信号在1~6个信号当中有丢失,则停止辊道的运行。在工作过程中,当1~6个信号在一定的时间内出现丢失(超过正常追管所需的时间),同样停止辊道的运行。后辊道部分,管缝传感器有信号,延时时间,辊道加速,下料信号复位恢复慢速。信号源布置图和调速辊道追尾流程图分别如图2、图3所示。
辊道的加减速通过变频器设置多段转速加以控制。变频器控制如图4所示。分别用一台变频器控制前后两段调速辊道。设置二进制编码选择+ON命令(P0701-P0704)=17,在P1001-P1008中根据二进制编码设定相应频率。
1.3.3“盲区段”控制
前后2支钢管头尾的相交段不作为检验报警的工作段。在控制系统当中称之为“盲区”,在盲区中屏蔽仪器的报警信号,不出现分选、喷标等对于报警管的相关动作步骤。盲区示意图见图5。
采用管缝传感器来作为信号的来源,管缝传感器出现上升沿信号,说明检测到管缝信号,定时器K T 3和K T 4同时开始工作,定时器K T 3时间到,此时前一根钢管尾部进入机头,控制探伤仪器停止工作,盲区开始,定时器K T 4继续计时,时间到,此时后一根管子的头部离开仪器,探伤仪器开始工作,盲区结束。2个定时器的时间差即盲区的工作时间。盲区控制流程图见图6。
2 抗干扰
超声探伤仪器经多年运行后,其本身的抗干扰性能变得极差,且工作现场周围存在着电网电压波动和周围空间的高频干扰等大量的干扰因素,这些干扰导致仪器工作不正常,输出失真,难以判断钢管质量的好坏。解决这些干扰问题要从分析干扰的来源和传播途径入手。
2.1 干扰的来源
超声仪器的干扰主要来自3个方面:
(1)来自电源的干扰:供给超声仪器使用的电源直接引至电网,电网发生变化,如开关操作浪涌、接触器开合、电机运转、各种整流设备、变频器引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都可通过输电线路传至超声仪器使用的电源处。
(2)来自信号线的干扰:与超声仪器连接的各类传输回路中有感应元件,信号线上存在噪声干扰;信号在传输过程中由于绝缘性能不好,没有采取有效的屏蔽、接地措施,信号传输就会受到干扰。
(3)来自接地线混乱的干扰:超声仪器接地、设备接地、系统接地、保护接地混乱,各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。
2.2 抗干扰措施
2.2.1 屏蔽
变频器在运行时会产生高次谐波,造成电压波形畸变,严重影响附近的仪电设备动作。屏蔽干扰源是抗干扰最有效的方法:
(1)在变频器的进线侧安装进线电抗器及进线滤波器,抑制干扰信号对电源的干扰。
(2)信号线全部采用屏蔽线,屏蔽层可靠接地,布线时尽量远离变频器的进、出线。
(3)电机电缆也采用屏蔽电缆,屏蔽层可靠接地。
原匀速段的电机控制采用交流接触器控制,接触器线圈断、合瞬间产生电磁干扰。针对这种情况,将交流接触器改换成无噪声固态接触器,其控制电源改用24V直流稳压电源。
2.2.2 接地、滤波、阻容吸收保护
针对供给超声仪器使用的电源直接引至电网的问题,将仪器电源和系统电源分开,采用图7所示的解决方案。
该控制系统中还存在交流3 6 V的上、下料电磁阀,也会产生电磁干扰。针对此情况,在3 6 V电源进线处加装带扼流圈的滤波器,电磁阀线圈处并联R C阻容吸收装置,抑制干扰。
超声仪器接地采用单独接地方式,不与系统接地、保护接地混用,避免地环流。
3 结语
本次改造采用P L C编程软件实现了自动追管、标记和分选等功能。通过分析干扰的来源和传播途径,采取了一系列有针对性的抗干扰措施,杜绝了各种电磁干扰对超声探伤仪的影响,真正实现了超声探伤设备全自动运行。
参考文献
[1]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].北京:机械工业出版社,2002
超声波自动探伤系统 篇6
近年来, 我国核电、水电工业高速发展, 所需压力容器的体积和数量均与日俱增。作为国家重大工程装备的核心构件, 核电加氢用大型回转件外径为3~6m, 壁厚在200mm左右, 长度为1.33~5.4m, 最大质量可达250t。
在大型压力容器生产中, 运用超声波技术检测工件的内部缺陷至关重要, 面对日渐增长的市场需求, 如仍以传统的手工方式来进行缺陷检测, 不仅工人劳动强度大, 检测周期长, 而且人为因素对检测结果的影响较大[1], 这已经成为某些企业整个生产工艺链的瓶颈, 严重影响生产进度和生产效率。因此, 针对核电加氢用大型回转件的自动化超声波探伤的技术研究及装备研制对整个核电、水电工业的发展变得尤为重要。
国外研究和生产相关产品的公司主要有美国的泛美 (PANAMETRICS) 公司、加拿大的R/D TECH公司, 德国的K-K公司[2]等。德国Nukem Nutronik[3,4]公司研制的MAUS超声自动检测系统 (mufti aix ultrasonic system) 允许操作人员通过编程使超声探头能够检测具有复杂三维几何轮廓的工件。三维检测系统UltraSIM[5]采用软件实现型面跟踪, 该系统包括仿真模块 (simulation module) 和路径规划模块 (path planning module) , 仿真模块生成检测对象的三维NURBS曲面模型, 路径规划模块生成检测时的控制路径。上述公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高, 处于国际领先水平, 但是有关超声波自动检测大型回转类工件的技术还处于保密阶段。国内少数大学和科研机构最近几年相继开展了超声波自动检测的研究, 数字式超声波检测仪器的发展速度很快, 但尚未见针对核电加氢用大型回转件的超声波自动化探伤技术与装备的研究报道[6]。
本文以核电加氢用大型回转件为研究对象, 首先介绍了自动化探伤工艺模拟手工探伤工艺的基本原理, 分析了探伤系统运动规律和轨迹规划方法, 然后介绍了自动化探伤轨迹实现的控制算法, 并将此控制算法应用于一实际工程算例, 最后开展了自动化探伤轨迹运动仿真, 仿真结果验证了轨迹规划方法的正确性。
1 自动化探伤模拟手工探伤工艺原理
核电加氢用大型回转件如图1所示。实现大型回转件的自动化探伤的关键在于取得的探伤检测信号是否准确可信。由于目前我国尚没有一套完善的相关核电产品超声波自动化探伤的标准[7], 故自动化探伤检测信号的获取仍需遵循手工探伤标准。根据手工探伤工艺要求, 自动化探伤主要需满足以下要求:探头与工件表面的耦合保持良好[8];探头与工件探伤表面的接触压力保持为20N;每个区域必须扫查两次, 且这两次扫查时探头中心在工件表面所留轨迹线夹角为90° (偏差不超过±5°) ;相邻两次扫查时探头的扫查宽度至少保留20%探头直径的重叠量;探头扫查速度不得大于150mm/s。
1.1 手工探伤轨迹
传统的核电大型回转件手工探伤工艺为:将工件分为若干小区, 手工持探头依次在每个小区域内进行水平、垂直逐步扫描, 直至覆盖整个工件表面区域。用此方法时探头中心在工件表面所留的扫查轨迹展开后为一系列水平与竖直方向夹角为90°的相交线 (图2) 。
1.2 自动化探伤工作过程
自动化探伤机功能实现的基本思想如下:由滚轮架的四托辊支撑并驱动工件旋转, 工件轴向两端分别设置内外探头, 两端分段实现工件超声波自动检测。
自动化探伤机工作时状态如图3所示, 将工件放置于滚轮架上的合适位置, 并将内外探头通过自适应定位以一定压力压在工件的内外表面;准备工作就绪, 启动滚轮架, 使其带动工件匀速旋转, 同时开动内外探伤单元驱动机构, 使探头沿着工件轴向方向匀速往复移动, 完成预设轨迹的自动化探伤。
1.3 自动化探伤轨迹与工艺原理
用自动化探伤代替传统手工探伤的基本原理是:工件通过滚轮架驱动实现匀速连续转动, 左右内外探头无间歇沿轴向往返平动, 探头中心实际轨迹为一系列正反螺旋线。
为满足手工探伤要求, 采用探头的轴向运动线速度与筒节周向转动线速度大小基本相等的原则, 使正反螺旋线与水平线的夹角均为45°, 采用图4所示的自动化探伤扫查轨迹代替图2中的人工探伤轨迹。
要实现图4中的自动化探伤轨迹, 需通过调节工件的旋转速度、探头的轴向运动速度和探测长度等参数, 使探头每次在工件旋转一周后, 回到与原始位置向前或向后相差一个步距 (探头直径与重叠扫描区域宽度之和) 的地方, 然后继续下一周期扫描, 直至探头扫查轨迹覆盖整个工件表面, 完成整个工件的自动化扫描过程。
2 自动化探伤运动规律与扫查轨迹规划
超声波探头与工件运动规律的设定和扫查轨迹的规划是进行核电加氢用大型回转件自动化探伤运动仿真的前提。
从自动化探伤原理可以看出, 探头相对工件表面的速度应该为探头轴向直线运动速度v1与工件圆周速度v2的合成, 合成速度根据手工探伤工艺要求, 探伤速度不得大于150mm/s;又根据探头的轴向运动线速度与筒节周向转动线速度大小基本相等的原则, 在尽量提高扫查速度的前提下, 可确定v1与v2均在93~109mm/s之间。
2.1 工件运动规律
待检测工件由滚轮架系统支撑驱动, 从开始转动缓慢加速至所需速度v2, 之后在整个探伤过程中工件均保持匀速转动。
2.2 探头轴向运动规律
工件轴向两端分别设置有探头机构, 将长度较大筒节分为等长的两段探测区, 由两端左右探头机构分别扫查。
探伤过程中, 待工件达到稳定匀速转动状态后, 探头机构开始运动, 由于探头做往复直线运动, 必须保持探头在探测区轴向两端换向 (包含启动或停止) 时, 运动轨迹无拐点、抖动、冲击, 耦合与摩擦状态良好, 特性平稳, 这样才能保证检测信号饱满、连续稳定、不丢失。因此, 将探头轴向运动分为过渡段与匀速段。过渡段遵循正弦加减速运动规律, 匀速段遵循匀速运动规律。设过渡段运动时间为t0, 其中正弦加速、减速时间均为t0/2, 匀速阶段运动时间为T, 常数记为A。
(1) 正弦加速段 (0≤t
(2) 匀速段 (t0/2≤t≤T) 的加速度a、速度v、位移s的表达式为
(3) 正弦减速段 (T+t0/2
由探头轴向运动方程可得探头在一个升程运动中各个阶段的位移s、速度v、加速度a随时间的变化, 如图5所示。
在探伤过程中, 探头的回程与升程运动规律相同, 运动方向正好相反。探头往复运动一次为一个周期, 则在一个周期内, 探头的位移、速度、加速度随时间的变化如图6所示。
2.3 探头扫查轨迹规划
在合成运动规律下, 工件旋转一周, 探头扫过的周向弧长为B, 且探头回到原始位置并前移或后移一个步距δ。现取工件旋转5圈, 同时探头在圆周方向依次向前步进5个步距 (5δ) , 将扫查区域沿回转件母线展开, 如图7所示, 升程螺旋线与回程螺旋线彼此正交。
为保证相邻两次扫描宽度至少保留20%探头直径的重叠探测区域, 设探头直径为d, 根据图7, 可确定出步距δ的表达式:
若重叠探测区域过大, 会使探伤效率降低, 由此可确定δ的取值范围:
需要说明的是, 在图7中上下两端 (对应工件轴向两端) 相邻两次扫查区间, 存在微小的三角形盲区, 即探头扫查不到的区域, 该区域非常小, 需进行手工探伤复查。
3 轨迹规划实施方案
根据探伤工艺, 探头轴向匀速运动段速度为v1, 轴向两端过渡段为正弦加减速运动, 加减速时间取t0=2s, 当t=2s时, 探头速度v=v1, 由此可确定式 (1) 中得出探头实际的运动规律:
3.1 扫查轨迹实现方法
设筒节长度为L, 分为轴向左右两区探测, 则每个探头计划探测长度为L/2, 左右探头检测装置重叠探测区域长度为L1, 实际探测长度为L1+L/2。探头匀速运动段时间为
则探头完成升程、回程一个周期的运动时间为
当探头移动一个周期时, 筒节圆周转过的弧长为
设筒节直径为D, 则其周长为πD, 工件转动一周探头轴向往返运动周期数为K, 有
其中, K必须是整数, 根据筒节规格的不同可取整数2, 3, …;K1为验证系数, 只能取-1或1。当K1为-1时, 筒节旋转一周后, 探头相对初始位置后移一个步距δ;当K为整数, K1为1时, 筒节旋转一周后, 探头相对初始位置前移一个步距δ, 实现轨迹连续并覆盖工件表面。
轨迹中单螺旋线与水平线的夹角为
通过调节探头的轴向运动速度v1、工件的旋转速度v2、重叠探测区域长度L1、周期数K和验证系数K1, 可调节步距δ符合式 (4) 中的要求值, 并且能够保证满足85°<2α0<95°。
3.2 自动化探伤实例计算
完成一个工件的扫查, 工件需要转过的周数为
式中, int () 为取整函数。
则探头完全扫查工件一次耗时为
按工艺要求, 每个工件需用三种规格不同的探头分别扫查一遍, 则总耗时为
以某规格工件 (L=5.4m, D=5.9m) 为例, 取探头直径d=20mm, 利用Visual Basic语言编程试算。取v1=101 mm/s, v2=105.4mm/s, L1=128mm, K=3, K1=-1, 此时δ=22.95mm, 探头中心所留轨迹正反螺旋线夹角为87.6°, 按式 (14) 计算总扫查时间T0=39.6h, 而传统手工探伤需256h, 由此可以看出, 应用自动化探伤效率比手工探伤效率提高了5.46倍。
4 自动化探伤轨迹仿真
根据前述自动化探伤原理和运动规律, 运用MATLAB和ADAMS软件对探头自动化探伤轨迹进行联合仿真[9]。
首先根据自动化探伤方案用PRO/E建立其简化三维模型;其次将模型导入ADAMS中, 添加约束和驱动, 并创建ADAMS控制系统模型, 在MATLAB中根据运动规律编制控制算法;再次实现MATLAB和ADAMS信息接口对接, 驱动该探伤模型进行运动仿真, 仿真过程中, 将ADAMS模型中的探头、工件的当前位置、速度等信息输送给MATLAB, 后者根据控制算法计算出电机的转动角度并反馈给ADAMS模型;最后完成自动化探伤轨迹规划仿真, 如图8所示。
将轨迹运动仿真图沿工件周向方向展开, 工件轴向两端区域即探头在正弦加速段所扫查过的区域轨迹如图9所示, 由于此段探头速度未达到匀速段速度大小, 所以此部分区域的正反螺旋线夹角小于90°, 是需进行手工复查的区域。
除探头运动的过渡段区域以外, 其余区域为正交区域, 扫查轨迹如图10所示, 所有正反螺旋线夹角均为90° (偏差不超过±5°) 。
在重叠扫查区域中心处 (也是工件轴向中心段) 存在左右探头重复扫查覆盖区域, 如图11所示。此区域包含探头在正弦减速段所扫查过的区域, 同探头在正弦加速段扫查过的区域一样, 也为需人手工复查的区域。
对仿真结果进行分析发现, 除工件轴向两端和中心微小区域 (约占整个工件区域面积的1.2%~2.0%) 的正反螺旋线交角在40°~90°范围以外, 其余区域均能保证轨迹夹角在允许误差范围之内, 符合人工探伤标准。
5 结论
(1) 本文所提出的自动化探伤工艺原理克服了传统人工探伤费时费力、精度难以保持等缺点, 为大型回转件以自动化探伤模拟手工探伤的实现提供了思路。
(2) 自动化探伤运动规律与扫查轨迹规划实施方案的确立为大型回转件自动化探伤扫查轨迹的实现指明了方法, 所规划的轨迹在符合国家无损检测工艺标准的基础上, 成倍地提高了探伤效率。轨迹仿真结果验证了该轨迹规划方法的可行性。
(3) 针对核电加氢用大型回转件自动化超声波探伤轨迹规划及仿真所进行的研究, 不仅证明了用自动化探伤代替手工探伤的工艺方法, 可大大缩短大型回转件的自动化探伤周期和减小探伤过程中人工因素带来的误差, 并且为类似自动化探伤需求提供了有益的技术参考。
参考文献
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超声波自动探伤系统 篇7
荧光磁粉探伤是检验工件表面缺陷的一种常规无损检测方法[1]。工件经探伤机磁化后,表面缺陷处可形成漏磁场吸附磁粉,在紫外线照射下荧光磁粉产生510nm~550nm波长段的黄绿色可见荧光,即荧光效应。 一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在380nm~780nm之间,我们称其为可见光。探伤检测员正是通过荧光效应提供的极大对比度和亮度完成缺陷检测工作。荧光磁痕检测必须在暗室进行,作业空间相对密闭、劳动强度大和重复性强等问题将导致人眼疲劳造成缺陷漏检,且紫外线辐射会对眼晶体产生一定的职业伤害。为解决以上问题,提高检测质量和效率,研究高效可靠的全自动磁痕探伤设备已成为国内外相关专家学者关注的热点[2]。
目前,基于荧光磁粉图像的自动识别方法多为基于传统图像分割算法的改进及应用。文献[3]提出了以目标信息与伪信息的灰度梯度为主要特征判据并结合阀值法提取图像裂纹。文献[4]结合了Wiener滤波器的模糊信息滤波与动态阀值法实现图像分割。文献[5]提出了基于形态学的裂纹提取与还原分割以及基于区域生长理论的单连通区域判定。文献[6]针对特定的裂纹识别,提出通过计算图像连通区域的大小和圆形度对可疑图像进行分割的方法。上述文章中均提到在实际应用中存在一定的局限性,例如:有些图像的目标和背景灰度很接近;一些工件的裂纹轮廓和纹理特征不具备统计性,随机性极强。在线检测系统要实际应用还需要较高的实时性和精确性。
本文针对工件表面裂纹的智能自主识别,利用磁痕图像荧光效应这一鲜明物理现象,通过建立计算机的物理荧光效应映射矩阵,实现产生荧光效应区域提取。通过创建推理机,建立人工判定知识库,模拟人眼判定, 实现真伪裂纹的智能辨识,算法思想示意如图1所示。
1荧光效应模型推导
1.1预备知识
1.1.1CIE1931-RGB标准
CIE1931-RGB标准则实现了计算机对波长的数字表征。该标准是由317位正常视觉者用CIE规定的红、绿、 蓝三原色光,对等能光谱色从380nm~780nm所进行的专门颜色混合匹配实验得到。图2显示了510~560波长段的光谱三刺激值分布。
1.1.2HSV颜色空间
HSV是A. R. Smith在1978年根据颜色的直观特性创建的一种颜色空间,这个模型中颜色的参数分别是:色调H、饱和度S和亮度V。作为一个非线性的颜色表示系统, HSV顔色空间具有两个重要特点:1)该空间将色度H和亮度V分离,使得亮度信息与颜色信息无关;2)该颜色空间使人对色差的感知比较均匀,和人对颜色的感知相一致,符合人的视觉特性。所以,本文选择基于HSV颜色空间建立模拟人眼感知荧光效应的计算机模型[7]。
1.2模型推导
HSV在数学定义上可认为是在RGB颜色空间R, G和B参量的坐标变换,是对RGB色彩空间中点的关系表示,设r、 g、 b分别是一个颜色的红、绿和蓝坐标,它们的值是在0到1之间的实数,设max等价于r、g和b中的最大者,设min等于这些值中的最小者,可得空间转换公式如下[8,9]:
又有,CIE1931-RGB标准的颜色混合匹配实验原理为色度学的三基色原理。三种基色是相互独立的,任何一种基色都不能由其他两种颜色合成,以红绿蓝为三基色的颜色合成应用最为广泛。如果C为待匹配的目标色R 、 G 、 B为三原色,对应目标色及三原色的量 , 当用三原 色混合实 现与颜色C的匹配有C=R(R)+G(G)+B(B)。匹配该颜色所需要三原色的数量即为颜色的三刺激值。因此,将光谱三刺激值进行归一化计算后即可等价于r、g b值。归一化如式(2)所示。
将CIE1931-RGB标准中510nm~560nm波长段的归一化光谱三刺激值迭代入式 (1) ,获得光谱三刺激值转换为HSV空间坐标系中波长与相应的H 、 S 、 V参量对应关系(如图3中的离散点)。
根据离散点分布特点,进行多项式函数拟合(如图3中的曲线),我们用x表示波长值,结果如下:
其中:
我们称M为荧光效应矩阵,具体值如式(4)所示。 即当图像的任意像素点通过M的映射计算后结果在510nm~550nm波长段内,则当前点为发生荧光效应点。
1.3模型提取结果分析
程序实现过程中,基于图像像素点是否符合荧光效应映射矩阵成功提取得到了荧光效应区域,结果如图4,符合的像素点在图中为白色。分析提取效果图发现,白色区域包含真正的裂纹区,却不绝对包含。如何在荧光效应区域中判定出真正的裂纹区,本文在下一节进行了详细阐述。
2辨识模型建立
由磁粉探伤原理可知,因工件截面变化、材料性质差异等其他很多原因同样可形成较大的漏磁场吸附磁粉从而形成非缺陷磁痕(如图4所示A区域)。这些散落分布的非缺陷磁痕具有出现区域随机、形态无规律以及数量无概率性等特点。通过调研发现,专业检测人员检测过程是通过观测产生荧光效应区域的亮度、饱和度等特征以及自身的经验和规定的规则完成裂纹判别的检测工作。因此,专业人员的观测经验以及人眼观测的准确性变得不可替代。传统的图像分割、特征提取分类等方法在该应用中出现了一定的局限性[10]。
针对上述问题,本文引入了专家系统的设计思想。 通过熵和信息增益率的迭代计算形成推理机,并结合人工判定经验对推理机进行训练。文中,我们把图像的每一个像素点看作训练数据集中的一个样本,一张图像便构成一个子训练集。
描述属性Ak( k = 1 , 2 , … , m ) 有6个不同的取值 {FH,FS,FV,H,V,S}。Tj(j=1,2,…,6)中的样本在属性Ak上具有相同的取值ajk。|Tj|为子集Tj中的样本数,|Cij|为子集Tj中属于类别Ci的样本数。其中满足荧光效应矩阵点标记为1,否则标记为0。H、S和V表示每一像素点在HSV空间的各参量。类标签分为两类:真和假。生成数据集如表1所示。
属性Ak的信息熵为:
信息增益率的计算:
本系统采用了30张磁痕图像作为训练集。第1张图像是由人工直接标定像素点是否为裂纹点的真假(即标签值),生成正样本。从第2张图像开始便开始推理机的训练。首先,由推理机得到图像判定的结果图。 然后,通过人工标定结果图中的错误判定从而生成负样本,统计推理机每条规则分支的错误率(如图5所示),用P表示。正样本和负样本构成推理机的专家知识库。得到专家知识库以后,依次将规则分枝中信息增益率*(1-P)最大的子节点进行递归,直到叶节点中所有样本属性取值相同为止。实验生成的推理机形象表示如图5所示。
3实验总结与验证
3.1实时性分析
为了验证算法的实时性,利用在MATLAB实验平台将三种常规分辨率下的共60张磁痕图片进行实验处理,统计获得算法平均耗时数据分析表(如表2所示)。其中,实验计算机的CPU频率为2.13GHz,算法耗时的单位为毫秒(ms)。
通过资料查询得知制造业输送带运行速度一般不宜大于2.5m/s,并且块度大和磨损性大的物料和使用固定的卸料装置应尽量采用更低速。假定工件被运送的速度取为0.0025m/ms,选取最高分辩率的图像的最大处理时间16.237ms(如表2所示)。通过计算可知,执行图像处理的耗时过程工件被传送了0.0405m。因此,只要在生产线上两工件的摆放距离大于0.0405m,当前工件图像判定并不会滞后下一工件图像的判定识别。而工业制造中,工件在传送带的摆放距离显然是大于0.0405m的。
另外,相机主流帧率制式有60fps、30fps和25fps。 假定应用该在线检测系统的生产线选取60帧/秒制式相机以无间断的视频流的方式拍摄工件图片,则摄像机捕捉每一帧图像的时间间隔为16.67ms。由表2可知,最高分辩率图像最长耗时为16.237ms,平均时间为15.597ms。因此,在摄像机捕捉下一帧图片信息时,当前图片已经处理完毕,算法实现了图像的即时捕捉和即时处理。
3.2鲁棒性分析
针对算法的鲁棒性验证,实验进行了不同种类的工件出现的图像信息捕捉形成黄绿色反光现象(如图6(a))、工件裂纹不规则且有伪荧光效应点(如图6(b))现象和黄绿色干扰背景下的算法验证。通过实验结果图(如图6(c))可知,本文提出的算法具有一定的通用性和很好的移植性,能适用于多种类较复杂环境下的工件探伤。
4结束语