隧道掘进机滚刀刀座的自动化无损检测装置

2019-04-13张凌张爱武马文超于永生何玉强孔祥权

凿岩机械气动工具 2019年4期

张凌，张爱武，马文超，于永生，何玉强，孔祥权

(1.吉林省维尔特隧道装备有限公司，吉林吉林市132011；2.吉林省盾构与掘进刀具技术重点实验室，吉林吉林市132011；3.中铁隧道局集团有限公司，广东广州511458)

0 前言

吉林省维尔特隧道装备有限公司生产的19吋滚刀刀座，外刀座材质为Q345D，内刀座材质为42CrMo，属于异种钢焊接范畴。焊缝质量直接影响刀座使用的安全性，因此必须进行100%超声波探伤。传统的刀座焊缝探伤采用接触法手工超声检测，其检测过程受人为因素影响较大，探测时间长、效率低。单片刀座两条焊缝采用单探头双面探测大约需要4 小时，而且经常无法准确控制探头移动速度，工艺要求探头与工件接触时，在探头上应施加20～30 N的压力,手工操作因人而异，施加力的大小往往取决于个人的习惯，无法保证探测过程中施力大小一致，探测面不能保证达到100%，极易出现漏检的情况，而且刀座本身重量达几百斤，双面检测需要人工用吊车翻面，存在严重的不安全因素。

1 检测装置结构及示意图

为克服上述种种问题，经过公司科研人员的共同努力，研制出一种掘进机刀座数控无损检测装置，该装置将刀座安装在数控加工中心工作台上，超声波探伤仪探头装夹在夹具上，探头安装在一个万向测杆上。工作时探头不动，通过加工中心在X轴和Z轴方向的往复运动，保持探头相对于入射面的角度和距离不变，实现刀座的自动化数控无损探伤检测。该装置详见图1。

图1 检测装置示意图

2 检测装置的操作原理

2.1 实现了数控机加工与自动超声波探伤的一体化

掘进机滚刀刀座的数控自动化超声波探伤装置，能够实现刀座的数控编程铣加工与数控自动化超声波探伤检测连续完成。整个加工-检测过程只需要在数控编程插补铣之前进行一次对刀找正操作，即可确保加工-检测的基准零点和定位坐标系统一；在数控插补铣加工完成后，只需要人工操作将铣刀更换为“超声波检测探头总成”，同时更换检测专用的数控程序，即可快速完成对零，将设备从“机加工模式”切换至“自动探伤模式”。

超声波探伤前，在同一台加工中心上，使用特定规格的铣刀与定制的专用数控程序，对待探伤焊缝及毗连母材区域进行数控插补铣，得到满足图纸尺寸和自动化超声波探伤要求的、平整而光滑的表面，为下一步实施自动化超声波检验时保证探头接触压力持续平稳和界面良好耦合提供必要的条件。该工序本身为刀箱焊后加工及检测作业的一个固有环节，将该工序与随后的超声波无损检验结合起来连续实施，能够显著减少中间过程流转等待时间。

“超声波检测探头总成” 是由一个固定于机床装刀主轴上的夹具基座、一支万向测杆、一枚连接数据线的超声波探伤仪探头组成。一套探头总成能够实现超声波检测探头的工作端面平行于待检测面，保证在主轴上固定夹持的稳定性和不超过0.5mm的空间综合定位精度（调整并通过夹具基座锁定后），且探头工作端面的中心点与上一步完成插补铣加工所用对应铣刀中心点之间的空间相对位置关系为恒定值，通过测试对刀、标定出这一相对稳定的空间位置关系（X/Y/Z坐标差值），即可保证在数控插补铣加工完成、人工操作将铣刀更换为“超声波检测探头总成”后，通过程序内置的上述补偿坐标差值，即可快速完成超声波检测探头端部的粗对零，减少检测程序设定零点的操作时间，提高了连续作业的标准化程度和效率。

先开启超声波探伤仪电源，设定初始参数、校准仪器、声速、前沿长度和K 值参数，从仪器内存中调取预设定好的探伤工艺数据，然后在执行检测专用数控程序开始空间插补路径检测之前，先手动对探头位置进行精对零校准，随后即可开始执行检测程序，按程序设定的路径自动进行连续探伤检测。

2.2 超声波检验探头上集成有接触压力传感器，直接显示压力数值

超声波检验探头上集成有接触压力传感器，该传感器采用市面上常见的、基于压敏电阻和信号电路原理的精密级数字压力传感器，能够在超声波检测探头开始与检验表面接触时即自动检测界面接触压力并直接显示压力值。

按探头与检验面的一般接触耦合要求，压力值在20～30 N范围是较为理想的状态。在实际调节时，压力值仅作为一个辅助快速调节的参考变量，精对零状态的最终判断依据为超声波探伤仪的回波显示效果，由无损检验专业人员校准。

2.3 创造了适用于自动化连续操作的“标准固定程序全面通扫+调用子程序局部精扫”结合的高效率工作模式

通过与相关方合作，运用商业化的成熟技术，对全数字式超声波探伤仪进行二次开发，将探伤仪检测到的波形信号以数据形式经标准通讯协议及串口方式调制输出至PC终端，原始连续波形信号经数字滤波及合并算法等处理，形成与探头检测位置坐标映射对应的完整连续波形，做一次全面扫描（以下称“通扫”）即可获知目标区域内部各种缺陷所在的最大缺陷波位置及深度，最大缺陷波信号显示的位置信息在工件坐标系中以三维坐标形式显示。“通扫”过程目的是快速识别缺陷的大致所在位置，但难以确定缺陷的准确信息。对缺陷的精确定位和性质判别，则在下一步依靠专门设置的子程序“精扫”环节完成。通过“通扫+精扫”的结合，使超声波探伤过程标准化、程序化，提高了效率和准确性、降低人为失误概率。

3 检测装置的操作步骤（参阅图1）

（1）开启立式加工中心1，在主轴12上安装铣刀，对刀座8进行坐标系对零，完成对零的坐标系即为加工-检测统一的坐标系基准；调用加工中心存储中的数控铣削加工焊缝13 专用数控程序，对刀座8进行焊缝区域13的数控铣加工（属于常规机加工）。

（2）加工完毕，将铣刀从机床主轴12上拆下，然后将超声波检测探头总成9与万向测杆3、夹具基座10组装为一体，再通过夹具基座10固定到机床主轴12上；通过预先标定刻线等方式，确保每次安装超声波检测探头总成9+万向测杆3+夹具基座10之后，探头端面中心点的空间定位精度和重复定位误差不超过0.5 mm。

（3）通过加工中心显示屏11，将程序坐标系零点从加工程序零点切换为检测程序的零点；启动立式加工中心1，将超声波检测探头9移动到零点，观察其位置是否准确。如有偏差，人工介入检查校正。

（4）开启超声波探伤仪4电源，设置仪器初始参数、声速及前沿长度、K值等参数，然后进行对零：调取加工中心系统内预存储好的“通扫”数控程序，以手轮控制步进方式试运行，观察在“通扫”程序控制下，超声波检测探头总成9与目标焊缝13的表面相接触的接触压力是否满足20～30 N的理想范围，同时操作人员注意超声波探伤仪4显示的底波波形，判断接触耦合情况是否满足要求。在对零步骤中，根据需要对焊缝13表面涂刷耦合剂（机油等）。

（5）确认对零状况满足探伤要求后，开始实施对目标焊缝13区域的“通扫”程序。在“通扫”过程中，探头9扫查获取的信号，通过与超声波探伤仪4联接的通用串口输入PC终端，经过调制处理形成连续的波形曲线，该波形曲线与探头9扫查的路径各点坐标形成一对一的映射记录关系，通过二次开发的软件处理，得到“通扫”波形曲线报告。在该报告中，能够初步判断出存在缺陷的疑似嫌疑点坐标，但由于“通扫”程序驱动扫查动作的特点，缺陷所在坐标的定位精度和深度信息判定并不准确，只能实现较粗略的位置示踪标定，但这已经达到了自动化实施“通扫”的既定目标。检验人员对“通扫”报告进行判读，筛选出所有波形信号幅度超出标定阈值的坐标，其数量记为N个，这N个坐标将作为下一步执行自动化“精扫”前的程序装订依据。

（6）根据“通扫”波形曲线报告筛选出的N个存在缺陷的嫌疑点的坐标值，操作人员调取出加工中心1系统存储中预存的“精扫”主程序，在线修改该主程序，将N个上述坐标依次装订到主程序语句里对应位置中，并保存修改。完整的“精扫”程序由一段主程序和反复多次调用的子程序组成，二者均要预存于加工中心系统存储器里，“精扫”子程序为固定格式内容，与每次变化的缺陷嫌疑点坐标完全无关，因此子程序不需要修改。对于每个被检焊缝，只需对“精扫”主程序在线装订好与之相应的N个缺陷嫌疑点坐标，就能够实现“精扫”子程序在N个缺陷嫌疑点位置周围的精确定点细致扫查，从而使原本需要人工进行的超声波探伤精细扫查缺陷动作得到了最大程度的自动化改进。

（7）开始执行“精扫”程序，当主程序语句执行至含有某个缺陷嫌疑点坐标的语句行，子程序就被该对应语句调用、激活，开始按子程序所定义的规范标准语句进行该嫌疑点周围区域的往复细致扫查动作，同时超声波探伤仪4记录下对应的详细波形信号。由于扫查速度慢、动作精细，该信号相比“通扫”的波形信号更为精确，能够准确判断疑似缺陷的真实位置信息和深度信息。在完成该焊缝所有N个缺陷嫌疑点坐标的局部“精扫”动作后，“精扫”主程序结束，与探伤仪4联接的PC 端自动生成报告。

（8）以同样的方式，完成被检刀座8 全部焊缝的自动化“通扫”与“精扫”程序，从而完成一个刀座的所有焊缝的完整探伤。