船体荧光磁粉自动检测设备的设计研究

张海宽，刘 宇，石 勇，范明琦

(海军驻渤海造船厂军事代表室，辽宁葫芦岛 125004)

磁粉检测 (Magnetic Particle Testing，MT)作为一种无损检测技术是检查船体结构等铁磁性材料表面和近表面缺陷的主要手段，由于其较高的检测灵敏度、检测速度快、缺陷易于识别等优势，日益受到了机械加工领域的重视，尤其在舰艇的船体建造领域的应用要求越来越高。然而荧光磁粉检测的效率与结果的可靠性很大程度上依赖于检测设备，国内外业界十分重视磁粉检测设备的开发，因为只有检测设备的进步，才能给磁粉检测带来成功的应用［1］。现在国外磁粉检测设备从固定式、移动式到便携式，从半自动、全自动到专用设备，从单向磁化到多向磁化，设备已经系列化和商品化，而国内目前大多处于传统的手工探伤阶段，智能化设备尚处于研究阶段。手工探伤过程中，需要人工进行焊缝磁化、喷洒磁悬液、照射紫外光、质量查验、缺陷标记等操作，致使检测工作效率低、劳动强度大、人为影响大、人体防护差等缺点，而上述缺点一直以来都是该种磁粉检测方法的瓶颈。同时对检测过程和检测结果进行监控和电子化保存，方便后续复验和抽查，也是提高船体焊接质量管理、促使开发自动化、智能化磁粉探伤设备的动力。荧光磁粉检测的自动化、网络化、智能化发展已成为必然趋势，实施荧光磁粉自动检测的意义主要体现在如下几点。

1)提高检测效率。

通过集中控制系统连续完成磁轭的移动、磁化、喷液、照射等动作，减少了各动作之间的间隔，有效提高了检测效率。

2)保证检测质量。

使用交叉磁轭一次完成待检焊缝部位的全部磁化工作，并同步进行磁悬液的喷洒、紫外光的照射以及缺陷查验等操作，有效减少了操作过程的人为因素影响，保证检测质量。

3)实现检测过程的可追溯性。

通过图像采集装置实现检测全过程跟踪视频保存和定点抓拍，并同时记录探伤速度、磁场强度、光照强度等相关参数，可以根据该数据实现检测过程的重现，便于焊缝的复验、抽检，实现了检测过程的可追溯性。

4)降低劳动强度。

手工磁粉检测的操作需要不同的操持高度多次交换检测设备，使用自动检测设备进行磁粉探伤时，检测人员只需要操纵主控制台就可完成检测工作，减轻了人员日常检测工作量，减少人为因素的影响，保证船体建造质量。

1 荧光磁粉自动检测设备的功能定位

结合我国船体建造磁粉检测技术的发展情况，针对目前船体建造质量检验的新要求，首先要对荧光磁粉检测操作流程集成化、检测步骤的连贯化，实现平直焊缝或环形焊缝的过程自动检测，复杂结构空间角落部位焊缝仍由人工处理。然后在此基础上，配备相应的智能反馈控制装置，开发功能强大的缺陷识别系统，逐步实现检测机器人自动检测船体焊缝、自动识别焊缝表面缺陷，完成检测数据的采集、处理、报警、存储、回溯等磁粉检测工作。因此，现阶段荧光磁粉自动探伤的主要任务是实现焊缝磁化、磁悬液喷洒、紫光灯照射、焊缝表面查验、缺陷标记等检测动作的自动化，一次完成1条连续焊缝的上述检测工作，通过摄像装置对检测全过程进行监控，并对焊缝缺陷处定位、保存和记录，同时开发相应的控制程序和图像处理软件完成历史数据的统计和回放。产品的设计功能具体描述如下。

1)能够实现快速磁化和全面磁化操作。

人工磁化探伤方法采用的手工相互垂直磁化的方法，需要2次操作，费时费力，自动探伤设备应具备快速磁化的功能、易于操作的特点。而且还应该考虑手工方法由于漏磁或磁化强度不够等因素造成的探伤失误。

2)能够实现磁粉的自动喷洒。

人工方法在磁化完成后，采用手工喷枪进行磁悬液的喷洒，不但效率低，还会出现喷洒不均匀，甚至漏喷的情况，导致探伤不准确。因此，自动探伤设备应能实现自动、均匀喷洒磁悬液。

3)能够实现常规缺陷的自动识别功能。

人工方法的缺陷识别依靠人的眼睛，凭借经验进行判断，由于人为原因导致的误判、漏判、错判等情况时有发生。自动探伤也应具备缺陷自动识别功能，对常规缺陷应能自动评判、报警，并在缺陷处自动加以标注，以备复验和处理。

4)能够实现检测过程的可追溯性。

目前对荧光磁粉探伤无法完成探伤过程的重现或追溯，对焊接过程监控、缺陷复验等均不具有可追溯性，进一步会影响焊接质量的保证。因此，研制的自动探伤设备应采用先进的计算机图像技术实现探伤过程的采集、存储和回放功能，实现探伤过程的可追溯性。

2 软硬件的设计实现

2.1 结构组成

荧光磁粉自动检测设备主要有2个部分组成:主控机柜和爬行机构，其中主控机柜包括工控机、检测控制模块、磁化发生模块，爬行机构包括磁化装置、喷液装置、标记装置、紫光照射装置、图像采集装置及相应的爬行支撑平台等，主控机柜的检测控制模块实现对设备爬行、对中、喷液、标记、磁化开关等检测动作的控制，其结构如图1所示。

图1 设备结构组成图

荧光磁粉自动检测设备通过应用硬件、软件和优化控制算法设计，突破了传统检测方式的种种弊端。具有可靠性好、检测效率高、劳动强度低、数据采集准确等特点，有效提高了船体焊接荧光磁粉探伤的准确性和过程可追溯性。

2.2 硬件设计与实现

1)主控机柜。

主控机柜作为自动检测设备的控制中枢完成对磁化装置支撑平台的上/下行、左右对中调整等机械动作进行开关控制，触发磁悬液喷洒、缺陷标记装置工作，并且提供人机交互的工控机模块。整个框架采用一体化设计思想，将检测控制与磁化发生装置、爬行移动信号发生端等各硬件部分有机融合到一体。通过对上述硬件部分的有机合成，提高了各部分之间的联合操作，检测人员在主控台前只需要点击不同的按钮即可完成焊缝检测的全过程。

为满足现场生产环境要求，使用工业控制计算机，作为人机交互的窗口，工控机主要完成焊缝检测实时影像显示、操作按钮、缺陷图片显示与处理、打印输出机与其他控制端接口等功能。并且在显示焊缝检测过程的同时，以avi格式保存视频文件，以bmp格式保存抓拍的缺陷图片，以备对检测数据进行查询，追溯检测过程，复验焊缝质量。

(1)单片机控制单元。整个控制采用工控机与单片机单元串口通讯实现。单片机控制过程中，上位机发送命令，控制继电器的线圈通断电，继电器的常开触点与相应的控制端相接，实现了通过计算机来控制相应设备的触发动作。

(2)磁化发生装置。针对人工方式检测需要两次磁化的问题，本设备采用伸缩型交叉磁轭设备，应用连续法对工件进行复合磁化，同时周向和纵向磁化时，由于2个磁场相位差为120°，它们合成的磁场为椭圆形磁场，该磁场能检测工件上全方位的缺陷。磁化发生装置主回路配有开关电源，交流接触器通电后，开关电源向外部提供24 V电压，当由通讯总线传递磁化信号时，磁化变压器磁轭通电可对工件磁化，实现对焊缝的磁化。

2)爬行机构。

自动检测设备中的爬行机构首先作为磁轭、喷液、标记及摄像头等子设备的支撑平台，能够提供上/下行、左右对中、前后距离调整等活动衔接。同时又作为一个整体可以方便拆卸作为便携式探头使用。因此需要进行优化设计，兼顾各方面需求，尽量缩小体积，采用分体式设计、插入式安装技术实现各功能子设备的有机组合，实现自动检测爬行机构。整个支撑平台通过齿条与支撑框架衔接，前后和左右对中调整采用滑竿衔接，2种驱动均使用直流电机驱动，电机的动作由单片机控制单元触发。

2.3 软件设计

荧光磁粉自动检测设备配套系统软件由以下3个程序模块组成。

1)数据采集模块。

数据采集模块通过高频度CCD摄像头获取荧光照射下磁化后的焊缝视频信号，实现视频信号的采集、处理、存储，突出显示荧光磁粉介质在焊缝表面的分布形式，另外通过不同的传感器获取磁化电流和电压信号，经转换处理后存储。

2)数据管理模块。

用于保存产品、焊缝、分/总段、检测时间、检验人员、肋骨位及备注等信息字段，采用MS ACCESS数据库对数据结构进行定义和描述，建立便捷的索引接口，可依据产品编码、焊缝编号、检测日期、分/总段编号等信息进行查询、编辑和回溯等重复检查等操作。

3)焊缝缺陷识别与处理模块。

提供用户操作子窗口，实现焊缝检测数据的离线分析功能，主要包括焊接过程视频文件的回放，缺陷图片的平滑、锐化、边界提取等图像处理操作，同时提供焊接缺陷形式分析及标定、缺陷图片标注，进一步确定缺陷种类和尺寸等要素信息。

3 结束语

针对传统的人工方式进行船体焊缝荧光磁粉检测造成的效率低、劳动强度大、不可回溯等问题，本文提出船体焊缝荧光磁粉自动探伤设备的设计方案，采用优化设计思想集成了荧光磁粉检测的子设备，对环形焊缝及平直焊缝可实现磁化、喷液、标记等探伤动作的连续作业，提高了检测效率、改善了劳动条件，并成功实现了检测过程的可追溯性，为船体焊接质量管理提供了帮助。本设备已在国内某船厂的船体焊缝荧光磁粉检测生产实际中成功应用，实现了焊缝荧光磁粉的自动探伤、探伤过程的可追溯性以及探伤结果的分析、复验自动评判等功能，有效降低了探伤人员的劳动强度，提高了探伤过程的质量控制。

［1］彭沛欣，周军，鲍志强.荧光磁粉无损检测自动化系统的实现 ［J］.河海大学常州分校学报，2003，17(1):7-10.

［2］中国机械工程学会无损检测分会.磁粉检测 (第2版)［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［3］刘磊，刘秀兰，俞库.全自动荧光磁粉检测系统的研究［J］.机械工程与自动化，2004(6):26-32.

［4］钱其林.荧光磁粉探伤法应用技术探讨［J］.无损探伤，2002(6):16-18.