钢管焊缝检测的计算机控制.docx

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钢管焊缝检测的计算机控制

教学单位电子电气工程系

学生学号

编号

本科毕业设计

题　　目　钢管焊缝检测的计算机控制

学生姓名　***　　　　

专业名称　电气工程及其自动化

指导教师　****　　　　

2010年5月30日

一、设计正文………………………………………………………

（1）

二、附录

1.设计任务书……………………………………………………（28）

2.设计中期检查报告……………………………………………（30）

3.指导教师指导记录表…………………………………………（31）

4.设计结题报告…………………………………………………（32）

5.成绩评定及答辩评议表………………………………………（34）

6.设计答辩过程记录……………………………………………（36）

钢管焊缝检测的计算机控制

摘要：

传统的螺旋焊管焊缝自动跟踪装置精度低，灵敏度差，响应时间长，对操作人员操作技能要求高，已不能满足焊接工艺的要求。

本文介绍了一种应用在螺焊管焊缝跟踪自动检测线上的计算机控制系统，该系统是在“基于图像检测的钢管焊缝研究”的基础上，对检测出存在缺焊、漏焊、虚焊等问题的焊缝，进行补焊。

本文设计了一种新型焊缝检测系统,系统能够很好地适应工作环境、条件的变化,准确识别不同特征的焊缝,同时具有较好的快速性。

在实际检测线上,系统表现了良好的跟踪特性，并很好的完成焊缝补焊。

针对焊管自动焊接系统的焊缝跟踪控制，提出了基于PCI－9118HR多功能卡的焊枪位置步进电机控制方案。

通过Delphi7.0编写的控制程序产生步进电机控制脉冲，由PCI－9118HR输出步进电机转向和转速的控制信号，完成焊枪对中控制任务。

结果表明，该方法具有较好的实时性、快速性和较强的实用性。

关键词：

计算机控制；焊缝跟踪；步进电机；驱动控制

PipeWeldInspectionofTheComputerControl

Abstract:

Traditionalweldautomatictrackingsystemcannotmeetrequirementsofweldingprocessduetolowprecision,poorsensitivity,longerresponsetimeandhighskilloperationrequirementstooperator.Thearticleintroducedacomputersystemwhichusedinweldautomatictrackingsystem，thissystemisbasedon“BasedonImageDetectionofsteelwelds’research”,Supplementweldingtheweldwhichhavelackedweld,omissionsweldorfaultysolderedweld.Thisaritlcedisiredanewsteelpipewelddetectionsystem,whichcanwelladapetedtotheenvironmentandconditionsonworkingplaces,andcanaccuratelyidentifydifferentcharacteristicsofweld,andhaveaquickspeedatthesametime.Intheactualtestline,thesystempresentusagoodperformanceontracking.andcanfinishpipeweld.Foranautomaticweldingmachinecontrolsystem,amotordrivecontrolschemebasedonPCI－9118HRdataacquisitioncardwithindustrialcomputerisputforward.AprogramwritteninDelphi7.0developmentenvironmentcreatesthecontrolsquarewavesignalswhicharesenttocontrolthesteppingmotor.ThroughPCI－9118itrealizestocontrolmotor’sdirectionandspeedsothatachieveweldinggunaligningtask.Theexperimentalresultsshowthatthismethodnotonlyhasbetterreal-timeandfastperformance,butalsohasstrongpracticability.

Keywords:

computercontrol;weldtracking;steppingmotor;drivingcontrol

1引言

根据国家整体及六大区域输油输气管网规划，我国2002-2012年的输油输气管道工程建设施工总长度将超过30,000km。

巨大的市场为制管企业提供了广阔的发展空间。

西气东输工程在一类地区选用螺旋焊管，其他地区选用直缝焊管，两者分别占工程总长度的69%和31%；但全国六大区域管网由于大部分在经济发达或人口稠密的大中城市，大部分将选用直缝焊管；而且经济技术发达的国家，如美国、日本、德国等在长输高压油气管线主干线方案选择上总体否定螺旋焊管，所以直缝焊管存在特别的优势和巨大的潜力。

直缝焊管工艺流程一般是：

卷曲成型→后弯→预焊→内焊→清根→外焊→超声波检验→机械扩径→各类检验。

目前，大多数焊接工序还是靠人工完成，劳动强度大，存在许多不稳定因素，而且焊接速度无法提高，不能满足现代工业的发展。

与其它传统传感检测方法相比，视觉传感方法具有提供信息量丰富、灵敏度和测量精度高、抗电磁场干扰能力强及与工件无接触的优点，适合于各种坡口形状，可以同时进行焊缝跟踪控制和焊接质量控制。

而计算机技术和图像处理技术的不断发展，又使得其实时性容易满足，因而本系统采用机器视觉方法进行焊缝跟踪，实现补焊自动化[1]。

大型螺焊管焊接缺陷的检测，对其质量保障有重大意义，目前，生产中常采用超声波对焊接后的焊缝进行自动化无损探伤。

检测过程中，两个超声波探头紧压在焊缝两侧的钢管外壁上,钢管以螺旋方式运动,螺旋线形的焊缝连续通过两探头之间接受检测。

运用计算机控制系统对钢管焊缝检测，使系统能够很好地适应引起焊缝视觉特征变化的工作环境、条件的变化，准确识别不同特征的焊缝,同时具有较好的识别快速性。

在实际检测线上,系统表现了良好的跟踪特性，并很好的完成焊缝补焊。

2钢管焊缝检测的工艺及要求

2.1管材的分类

（1）按生产方法分类：

①无缝管——热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管、顶管;

无缝钢管（SeamlessSteelTube）是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材。

钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。

钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。

用钢管制造环形零件，可提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时，如滚动轴承套圈、千斤顶套等，目前已广泛用钢管来制造。

钢管还是各种常规武器不可缺少的材料，枪管、炮筒等都要钢管来制造。

钢管按横截面积形状的不同可分为圆管和异型管。

由于在周长相等的条件下，圆面积最大，用圆形管可以输送更多的流体。

此外，圆环截面在承受内部或外部径向压力时，受力较均匀，因此，绝大多数钢管是圆管。

但是，圆管也有一定的局限性，如在受平面弯曲的条件下，圆管就不如方、矩形管抗弯强度大，一些农机具骨架、钢木家具等就常用方、矩形管。

根据不同用途还需有其他截面形状的异型钢管。

冷拔（轧）无缝钢管较热轧（挤压无缝钢管）复杂。

程前三步基本相同。

不同之处从第四个步骤开始，圆管坯经打空后，要打头，退火。

退火后要用专门的酸性液体进行酸洗。

酸洗后，涂油。

然后紧接着是经过多道次冷坯管，专门的热处理。

热处理后，就要被矫直。

钢管经矫直后由传送带送至金属探伤机（或水压实验）进行内部探伤。

若钢管内部有裂纹，气泡等问题，将被探测出。

过严格的手工挑选。

钢管质上编号、规格、生产批号等。

并由中。

目前，全世界生产钢管的共计有110多个国家的1850多个公司下的5100多个生产厂，其中生产石油管的有44个国家的170多个公司下的260多个厂。

2000年，无缝钢管全国表观消费量为418.0万吨，其中国内供应量的382.1万吨，占国内总需求的91.4%。

进口为35.9万吨，占国内总需求的8.59%。

同年石油管消费量大约为91万吨。

进口约25.2万吨。

进口管占国内总消费量的大约70%，其中进口管占国内总消费量的27.69%，石油管进口量约占无缝钢管总进口量的大约70%。

从日本进口的石油管占总进口量一半以上。

中国最大的石油套管生产基地——天津钢管公司2000年的钢管产品出来为52.20万吨，其中石油套管产量为36.41万吨。

套管占全国石油产量的一半以上。

在产量和销售量上都占中国套管市场的第一位。

从国际和国内两个市场来看，无缝钢管（包括石油专用管）的现有生产能力均已大于需求。

所以，今后的重点应放在充分发挥现有机组的能力，开发出高强度等级、高抗击毁、高抗腐蚀的石油管、高压锅炉管和气瓶管等产品。

也是国家针对当前我国钢铁市场进行优化产品结构的内容。

这也是增加在国内外产品竞争力、扩大市场份额的关键所在。

就是说，提高国内钢管企业的市场竞争力是加和WTO以后国内企业长期的任务和成功发展的关键。

②焊管：

（a）按工艺分——电弧焊管、电阻焊管（高频、低频）、气焊管、炉焊管；

（b）按焊缝分——直缝焊管、螺旋焊管。

焊接钢管也称焊管，是用钢板或带钢经过卷曲成型后焊接制成的钢管。

焊接钢管生产工艺简单，生产效率高，品种规格多，设备资少，但一般强度低于无缝钢管。

20世纪30年代以来，随着优质带钢连轧生产的迅速发展以及焊接和检验技术的进步，焊缝质量不断提高，焊接钢管的品种规格日益增多，并在越来越多的领域代替了无缝钢管。

焊接钢管按焊缝的形式分为直缝焊管和螺旋焊管。

焊接钢管采用的坯料是钢板或带钢，因其焊接工艺不同而分为炉焊管、电焊（电阻焊）管和自动电弧焊管。

因其焊接形式的不同分为直缝焊管和螺旋焊管两种。

因其端部形状又分为圆形焊管和异型（方、扁等）焊管。

焊管因其材质和用途不同而分为如下若干品种：

GB/T3091-2001（低压流体输送用镀锌焊接钢管）。

主要用于输送水、煤气、空气、油和取暖热水或蒸汽等一般较低压力流体和其它用途管。

其代表材质为：

Q235A级钢。

GB/T14291-2006（矿用流体输送焊接钢管）。

主要用于矿山压风、排水、轴放瓦斯用直缝焊接钢管。

其代表材质Q235A、B级钢。

GB/T14980-1994（低压流体输送用大直径电焊钢管）。

主要用于输送水、污水、煤气、空气、采暖蒸汽等低压流体和其它用途。

其代表材质Q235A级钢。

GB/T12770-2002（机械结构用不锈钢焊接钢管）。

主要用于机械、汽车、自行车、家具、宾馆和饭店装饰及其他机械部件与结构件。

其代表材质0Cr13、1Cr17、00Cr19Ni11、1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Nb等。

GB/T12771-1991（流体输送用不锈钢焊接钢管）。

主要用于输送低压腐蚀性介质。

代表材质为0Cr13、0Cr19Ni9、00Cr19Ni11、00Cr17、0Cr18Ni11Nb、0017Cr17Ni14Mo2等。

另有，装饰用焊接不锈钢管（GB/T18705-2002），建筑装饰用不锈钢焊接管材（JG/T3030-1995），低压流体输送用大直径电焊钢管（GB/T3091-2001），以及换热器用焊接钢管（YB4103-2000）。

直缝焊管生产工艺简单，生产效率高，成本低，发展较快。

螺旋焊管的强度一般比直缝焊管高，能用较窄的坯料生产管径较大的焊管，还可以用同样宽度的坯料生产管径不同的焊管。

但是与相同长度的直缝管相比，焊缝长度增加30-100%，而且生产速度较低。

因此，较小口径的焊管大都采用直缝焊，大口径焊管则大多采用螺旋焊。

（c）按用途分类——一般焊管、镀锌焊管、吹氧焊管、电线套管、公制焊管、托辊管、深井泵管、汽车用管、变压器管、电焊薄壁管、电焊异型管和螺旋焊管。

（2）按断面形状分类：

（a）简单断面钢管——圆形钢管、方形钢管、椭圆形钢管、三角形钢管、六角形钢管、菱形钢管、八角形钢管、半圆形钢圆、其他；

（b）复杂断面钢管——不等边六角形钢管、五瓣梅花形钢管、双凸形钢管、双凹形钢管、瓜子形钢管、圆锥形钢管、波纹形钢管、表壳钢管、其他；

（3）按壁厚分类——薄壁钢管、厚壁钢管。

（4）按用途分类——管道用钢管、热工设备用钢管、机械工业用钢管、石油、地质钻探用钢管、容器钢管、化学工业用钢管、特殊用途钢管、其他。

2.2钢管焊缝检测简介

对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施。

因此，工件焊完后应根据产品技术要求对焊缝进行相应的检验，凡不符合技术要求所允许的缺陷，需及时进行返修。

焊接质量的检验包括外观检查、无损探伤和机械性能试验三个方面。

这三者是互相补充的，而以无损探伤为主。

（1）外观检查

外观检查一般以肉眼观察为主，有时用5－20倍的放大镜进行观察。

通过外观检查，可发现焊缝表面缺陷，如咬边、焊瘤、表面裂纹、气孔、夹渣及焊穿等。

焊缝的外形尺寸还可采用焊口检测器或样板进行测量。

（2）无损探伤

隐藏在焊缝内部的夹渣、气孔、裂纹等缺陷的检验。

目前使用最普遍的是采用X射线检验，还有超声波探伤和磁力探伤。

X射线检验是利用X射线对焊缝照相,根据底片影像来判断内部有无缺陷、缺陷多少和类型。

再根据产品技术要求评定焊缝是否合格。

超声波束由探头发出，传到金属中，当超声波束传到金属与空气界面时，它就折射而通过焊缝。

如果焊缝中有缺陷，超声波束就反射到探头而被接受，这时荧光屏上就出现了反射波。

根据这些反射波与正常波比较、鉴别，就可以确定缺陷的大小及位置。

超声波探伤比X光照相简便得多，因而得到广泛应用。

但超声波探伤往往只能凭操作经验作出判断，而且不能留下检验根据。

对于离焊缝表面不深的内部缺陷和表面极微小的裂纹，还可采用磁力探伤。

（3）水压试验和气压试验

对于要求密封性的受压容器，须进行水压试验和（或）进行气压试验，以检查焊缝的密封性和承压能力。

其方法是向容器内注入1.25－1.5倍工作压力的清水或等于工作压力的气体（多数用空气），停留一定的时间，然后观察容器内的压力下降情况，并在外部观察有无渗漏现象，根据这些可评定焊缝是否合格。

（4）焊接试板的机械性能试验

无损探伤可以发现焊缝内在的缺陷，但不能说明焊缝热影响区的金属的机械性能如何，因此有时对焊接接头要作拉力、冲击、弯曲等试验。

这些试验由试验板完成。

所用试验板最好与圆筒纵缝一起焊成，以保证施工条件一致。

然后将试板进行机械性能试验。

实际生产中，一般只对新钢种的焊接接头进行这方面的试验。

3系统总体方案设计

3.1系统原理概述

本设计是建立计算机系统控制钢管焊缝的检测、标定及补焊。

在工厂生产线上，计算机控制焊缝检测系统对目标钢管进行检测，并对出现缺焊，漏焊，虚焊等现象的焊管的焊缝进行标定，建立坐标系，钢管流以1cm/s的速度前进，计算机将焊缝坐标换算后输出到步进电机驱动系统，步进电机驱动机械臂对缺陷焊缝进行补焊，补焊完毕后，计算机再次控制焊缝检测系统对钢管焊缝进行检测，若再次发现问题焊缝，则驱动喷枪在缺陷焊缝上用颜色标记。

总系统流程图如图1所示：

图1总系统流程图

3.2焊缝检测系统

针对螺焊钢管外焊，设计了一种基于视觉传感的焊缝自动检测系统。

以视频摄像机为传感器，在焊接点前方100mm处检测钢管外焊成形缝。

对视频信号进行放大、整形、二值化处理，获得对应于成形缝的脉冲信号，以帧中心为基准，利用计算机进行偏离方向判断及偏差值计算，并将偏差信号以脉冲方式送入步进电机驱动器，由步进电机控制焊枪滑移台移动，确保焊丝实时对准焊缝。

焊缝检测系统由3个子系统组成如图2所示：

（1）视觉跟踪子系统，包括机架、丝杠螺母副、步进电机及其驱动器等；

（2）视觉反馈子系统，包括CCD摄像机，卤钨照明灯、计算机（CPU-80386DX40，无协处理器）、图像卡等；

（3）控制子系统，包括计算机、脉冲卡等。

系统的固定机架与吊架紧固，CCD摄像机、照明灯和超声波探头一同安装在移动机架上。

图2焊缝检测系统原理图[2]

1.吊架；2.丝杠螺母副；3.固定机架；4.移动机架；5.CCD摄像机；6.照明灯；7.探头；8.焊缝；9.计算机；10.图像卡；11.脉冲卡；12.监视器；13.步进电机驱动器；14.步进电机

工作过程中,摄像机采集运动焊缝的图象,输出的视频信号传送至图象卡做实时A/D变换,由计算机软件对数字化的图象进行处理和识别,确定焊缝的位置软件控制器根据视觉位置反馈信号和理想位置信号做运算,输出的控制信号经脉冲卡转化为步进电机驱动脉冲;步进电机功率驱动器在上述脉冲的控制下驱动步进机旋转,带动移动机架及其上的摄像机、探头跟踪焊缝的横向偏移。

3.3焊缝跟踪系统

在焊缝跟踪系统中,跟踪精度在很大程度上是由执行机构的性能和响应速度决定的。

一般来说,焊枪小车机构的行走控制都是通过电机驱动来实现的,属于小型电动伺服控制系统。

工程中,驱动电机一般采用普通的直流伺服电动机或步进电机,其功能是将外加直流信号或脉冲信号变成相应的角位移或直线位移,它是控制系统中应用广泛的一种执行元件。

步进电机的动作与控制脉冲有关,通过控制脉冲信号控制相绕组的开通与关断,从而使电机步进动作。

无论是采用市售步进电机驱动器,还是自制相绕组开通/关断主电路,或是采用软件脉冲分配器的方案,都必须通过适当的运算提供步进电机的脉冲控制信号[3]。

本设计提出直接由计算机通过Delphi软件中的定时器产生焊枪驱动脉冲方波信号,通过主要控制参数调整方波脉冲频率,使焊枪小车以期望的速度向指定的方向和位置移动。

4系统硬件和软件的设计

4.1步进电机驱动系统设计

4.1.1步进电机选型

步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%），所以广泛应用于各种开环控制。

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

有关选型原则介绍如下：

（1）首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。

最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。

或者根据负载特性从理论上计算出来。

由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过45Nm，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。

（2）确定步进电机的最高运行转速。

转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如:

驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：

驱动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢。

在设计方案时，应使电机的转速控制在1500转/分或1000转/分。

（3）根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考〈矩-频特性〉，就可以选择出适合自己的步进电机。

如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。

要选择好合适的减速比，要综合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。

（4）最后还要考虑留有一定的（如30%）力矩余量和转速余量。

（5）尽量选择混合式步进电机，它的性能高于反映式步进电机。

（6）尽量选取细分驱动器，且使驱动器工作在细分状态。

（7）选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区，也就是说并非电机的扭矩越大越好，要和速度指标一起考虑。

（8）在转速要求较高的情况下可以选择驱动电压高一点的驱动器。

（9）在选购时是采用两相的还是三相的，这并没有什么具体的要求，只要步距角能满足使用要求就行。

4.1.2步进电机分类

步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。

（1）反应式步进电动机：

也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。

其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。

一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10’）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。

（2）永磁式步进电动机：

通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。

一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。

（3）混合式步进电动机：

也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。

其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。

一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。

4.1.3步进电机驱动系统组成及工作原理

步进电机驱动系统主要由主机、步进电机驱动单元和步进电机三部分组成。

（1）主机部分:

以工控机为核心,包括驱动控制软件。

考虑到焊接控制系统中还包括焊接电流、电弧电压等检测和控制量的输入输出任务,故采用PCI-9118HR多功能卡来实现控制脉冲的输出。

（2）步进电机驱动单元:

选用与步进电机匹配的驱动器WZM-2H057MK。

其主要性能如下：

WZM-2H057MK驱动器驱动二相混合式步进电机，该驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小，带动3A以下所有的42BYG、57BYG系