探頭(tou)掃(sao)查軌(gui)(gui)跡(ji)(ji)將影響(xiang)組(zu)合檢(jian)測探頭(tou)的(de)類型(xing)、結構、數量和(he)布置(zhi)方法等(deng),下面(mian)來分析直線(xian)型(xing)掃(sao)查軌(gui)(gui)跡(ji)(ji)與(yu)螺旋線(xian)型(xing)掃(sao)查軌(gui)(gui)跡(ji)(ji)的(de)特點及其(qi)影響(xiang)因(yin)素。
1. 直線(xian)型掃查(cha)軌(gui)跡
直線型掃查軌跡的實現較為簡單,只需探頭原地不動、不銹鋼管(guan)直行穿過檢測主機即可。為了實現鋼管全覆蓋檢測,需要在鋼管軸向上布置若干圈探頭架,以彌補單圈檢測探頭的漏檢區域。這是因為單個探頭架的有效檢測范圍比其本身的軸向長度或周向長度要小,因此即使將探頭架無縫隙地首尾連接覆蓋不銹鋼管的周向一圈,在相鄰探頭架之間還是會有漏檢區域。
在直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)型掃查軌(gui)跡的(de)(de)(de)(de)(de)自動(dong)化鋼(gang)(gang)管(guan)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)設備中(zhong),通常(chang)采用瓦(wa)狀式探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia),使探(tan)(tan)(tan)靴(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)跟(gen)(gen)蹤弧面(mian)貼(tie)緊鋼(gang)(gang)管(guan)表面(mian),確保(bao)內(nei)部探(tan)(tan)(tan)頭(tou)與鋼(gang)(gang)管(guan)之間的(de)(de)(de)(de)(de)提離值保(bao)持(chi)恒定。一(yi)(yi)般軸向(xiang)(xiang)長度(du)較小,而(er)周(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)長度(du)較大。如圖(tu)6-16所(suo)示(shi),單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)沿軸向(xiang)(xiang)布(bu)置(zhi)兩排或兩排以上的(de)(de)(de)(de)(de)點(dian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou),以彌補單(dan)排檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)內(nei)部相鄰點(dian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)間的(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)盲(mang)區(qu),覆蓋范圍由周(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)有效檢(jian)(jian)測(ce)(ce)長度(du)決定。圖(tu)6-17所(suo)示(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)型掃查軌(gui)跡即(ji)由單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)沿著不銹鋼(gang)(gang)管(guan)某條母(mu)線(xian)(xian)(xian)(xian)進行(xing)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)掃查得到。沿鋼(gang)(gang)管(guan)周(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)展(zhan)開(kai)的(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)掃查區(qu)域如圖(tu)6-18所(suo)示(shi),其中(zhong)L代表單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)周(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)長度(du),L'代表單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)周(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)有效檢(jian)(jian)測(ce)(ce)長度(du),K代表單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)軸向(xiang)(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)長度(du)。理想情(qing)況下,只要不銹鋼(gang)(gang)管(guan)前(qian)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)度(du)和(he)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)跟(gen)(gen)蹤效果能夠得到保(bao)證,沿鋼(gang)(gang)管(guan)周(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)展(zhan)開(kai)的(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)掃查區(qu)域就是一(yi)(yi)個(ge)簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)矩(ju)形,矩(ju)形的(de)(de)(de)(de)(de)長等于鋼(gang)(gang)管(guan)長度(du),矩(ju)形的(de)(de)(de)(de)(de)寬(kuan)等于單(dan)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)架(jia)(jia)(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)周(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)有效檢(jian)(jian)測(ce)(ce)長度(du)。

自動化檢測過程中(zhong)(zhong),一(yi)般(ban)通過在鋼管軸向(xiang)(xiang)上布置(zhi)多圈探(tan)(tan)頭(tou)(tou)架,以實現全覆蓋檢測。以雙圈探(tan)(tan)頭(tou)(tou)架為(wei)例,圖6-19所示為(wei)沿不(bu)銹鋼管周向(xiang)(xiang)展開的(de)6探(tan)(tan)頭(tou)(tou)架掃查區域。其中(zhong)(zhong),L代表單探(tan)(tan)頭(tou)(tou)架周向(xiang)(xiang)長度,L'代表單探(tan)(tan)頭(tou)(tou)架周向(xiang)(xiang)有(you)效(xiao)檢測長度,πd,代表鋼管周長,N2、N3、N4、Ns、No、、···為(wei)檢測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)架編號。

多探(tan)頭架的有(you)(you)效(xiao)掃查(cha)范圍總(zong)和須(xu)比鋼(gang)管周長大(da),并且具有(you)(you)相應(ying)的重疊(die)覆蓋區(qu),通常要(yao)求保證有(you)(you)不低于20%的檢測(ce)(ce)重疊(die)率。因(yin)此探(tan)頭架數量N、單探(tan)頭架周向有(you)(you)效(xiao)檢測(ce)(ce)長度L'、鋼(gang)管外(wai)徑d1之間需(xu)滿足(zu)以下(xia)關系式(shi):NL'>120% (6-1)
由(you)式(6-1)可看出(chu),當待檢鋼管外(wai)徑d1確定(ding)后,檢測探(tan)頭架(jia)數(shu)量(liang)(liang)N和單探(tan)頭架(jia)周向有(you)效檢測長度L'成反比。若(ruo)(ruo)要減小(xiao)探(tan)頭架(jia)的(de)(de)外(wai)形(xing)尺寸,以增加探(tan)頭跟(gen)(gen)(gen)蹤機(ji)構(gou)的(de)(de)靈活(huo)性,可增加探(tan)頭架(jia)的(de)(de)數(shu)量(liang)(liang),但(dan)又勢必會造(zao)成探(tan)頭跟(gen)(gen)(gen)蹤機(ji)構(gou)數(shu)量(liang)(liang)的(de)(de)增加,整個檢測主機(ji)的(de)(de)機(ji)械(xie)結(jie)(jie)構(gou)將會變得(de)龐大,機(ji)械(xie)動作的(de)(de)控制(zhi)也會變得(de)更復雜。若(ruo)(ruo)要減少(shao)探(tan)頭架(jia)的(de)(de)數(shu)量(liang)(liang),可增大探(tan)頭架(jia)的(de)(de)外(wai)形(xing)尺寸即增加探(tan)頭架(jia)的(de)(de)有(you)效檢測范(fan)圍(wei),尤其是周向,但(dan)這樣對探(tan)頭跟(gen)(gen)(gen)蹤機(ji)構(gou)的(de)(de)靈活(huo)性也提(ti)出(chu)了(le)挑(tiao)戰。因(yin)此,在實際應(ying)(ying)用過程中,應(ying)(ying)綜合考慮,選取合適的(de)(de)探(tan)頭架(jia)數(shu)量(liang)(liang)并優化設計探(tan)頭架(jia)結(jie)(jie)構(gou)及其機(ji)械(xie)跟(gen)(gen)(gen)蹤裝置。
綜上,影響直線(xian)型掃查軌跡(ji)的(de)(de)參(can)數(shu)為單探(tan)頭架周(zhou)向(xiang)有效檢測長度、探(tan)頭架數(shu)量、圈(quan)數(shu)與(yu)排列方式等。理論(lun)上,各參(can)數(shu)的(de)(de)關系只要滿(man)足式(6-1)即可(ke),但(dan)對信號處理、控制系統、機械(xie)結構等而言,應重點考慮并(bing)優化(hua)設計。
2. 螺旋(xuan)線型掃查(cha)軌跡
螺(luo)(luo)旋線型掃查軌跡(ji)的設計和實(shi)現要比直(zhi)線型復(fu)雜,下面(mian)從檢測機理、探(tan)頭布(bu)置等方面(mian)進行(xing)分析。三(san)種(zhong)比較典(dian)型的實(shi)現方式(shi)(shi)中(zhong),以(yi)“探(tan)頭原地不動、鋼管螺(luo)(luo)旋前進式(shi)(shi)”為(wei)例進行(xing)分析。為(wei)了實(shi)現全覆蓋檢測,該方式(shi)(shi)并不需(xu)要在周向(xiang)布(bu)置大量探(tan)頭架(jia),因此可(ke)減少探(tan)頭數(shu)量,降(jiang)低信號處理的難度,同時也可(ke)降(jiang)低設備成本。
此(ci)種方式(shi)中的(de)(de)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)為(wei)瓦(wa)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)或(huo)條狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)。瓦(wa)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)的(de)(de)外形需根據被檢鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)外徑而定(ding),即(ji)一種瓦(wa)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)只(zhi)適用(yong)于一種規格的(de)(de)鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)。相反(fan),條狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)具有通用(yong)性,但其機械(xie)跟(gen)蹤性能卻不如瓦(wa)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia),唯(wei)有依靠良(liang)好、穩定(ding)的(de)(de)機械(xie)跟(gen)蹤輔(fu)助裝置(zhi)。條狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)沿鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)軸(zhou)向(xiang)長(chang)度較(jiao)長(chang),而周向(xiang)長(chang)度較(jiao)短(duan)。內(nei)部點探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)布(bu)置(zhi)工藝與(yu)瓦(wa)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)式(shi)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)類似,沿鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)周向(xiang)布(bu)置(zhi)兩排或(huo)兩排以上的(de)(de)點探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou),互(hu)相彌補相鄰點探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)間的(de)(de)漏檢區(qu)域(yu)(yu),因(yin)此(ci)只(zhi)存在探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)兩端的(de)(de)邊(bian)緣(yuan)漏檢區(qu)域(yu)(yu)。故單(dan)(dan)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)有效檢測(ce)(ce)區(qu)域(yu)(yu)與(yu)其沿鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)軸(zhou)向(xiang)的(de)(de)長(chang)度相關。單(dan)(dan)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)螺旋線(xian)型掃(sao)查軌(gui)跡如圖(tu)6-20所示,沿鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)周向(xiang)展(zhan)開的(de)(de)單(dan)(dan)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)螺旋掃(sao)查區(qu)域(yu)(yu)如圖(tu)6-21所示。圖(tu)中,乙為(wei)單(dan)(dan)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)軸(zhou)向(xiang)長(chang)度,以為(wei)單(dan)(dan)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)軸(zhou)向(xiang)有效檢測(ce)(ce)長(chang)度,K為(wei)單(dan)(dan)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)架(jia)(jia)(jia)周向(xiang)長(chang)度,P為(wei)掃(sao)查螺距(ju)。

為了實現全覆(fu)蓋檢測,可(ke)在鋼(gang)管截面周(zhou)向(xiang)(xiang)上布置若(ruo)干(gan)個條狀探頭(tou)(tou)架(jia)(jia),互相彌補各自的檢測盲區。圖6-22所示為均勻布置方式沿不銹(xiu)鋼(gang)管周(zhou)向(xiang)(xiang)展開的多探頭(tou)(tou)架(jia)(jia)螺旋掃(sao)查區域。圖中(zhong),L為單探頭(tou)(tou)架(jia)(jia)軸向(xiang)(xiang)長度,L/為單探頭(tou)(tou)架(jia)(jia)軸向(xiang)(xiang)有效檢測長度,、N2、N3、N4為檢測探頭(tou)(tou)架(jia)(jia)編號,P為掃(sao)查螺距(ju)。為了保證有不低于(yu)20%的檢測重疊覆(fu)蓋率,L、P、探頭(tou)(tou)架(jia)(jia)數量N應滿足關系(xi)式:
NL'>120%P (6-2)
由式(6-2)可得(de),N和L/的(de)選取和設計與(yu)被檢鋼管外徑沒(mei)有直(zhi)接關(guan)系。螺距恒定時,兩者成(cheng)反比,在實際設計和生產制造中(zhong),應綜(zong)合(he)考(kao)慮,選取合(he)適的(de)探(tan)(tan)頭架數(shu)量(liang)并優化設計探(tan)(tan)頭架結構及其機械跟(gen)蹤裝置。值得(de)注意的(de)是,螺旋線(xian)型掃(sao)查軌跡存在著(zhu)端部檢測盲區(qu),應利用其他方(fang)法(如(ru)磁粉法、渦流法)進行(xing)補(bu)充(chong)檢測。若掃(sao)查螺距減小或探(tan)(tan)頭架數(shu)量(liang)增多(duo),則(ze)部檢測盲區(qu)的(de)面積將會減小。

除了探頭架軸向有(you)效檢測長度外,影響螺(luo)旋線(xian)型掃查軌跡(ji)的(de)(de)另(ling)一(yi)個關鍵參數(shu)為掃查螺(luo)距(ju)(ju)(ju)。螺(luo)距(ju)(ju)(ju)由對(dui)輥輪(lun)直徑(jing)或V形(xing)輪(lun)斜(xie)面傾斜(xie)角(jiao)度、鋼(gang)管外徑(jing)、對(dui)輥輪(lun)或V形(xing)輪(lun)偏轉角(jiao)度、對(dui)輥輪(lun)中心距(ju)(ju)(ju)等(deng)參數(shu)共(gong)同(tong)決定。螺(luo)距(ju)(ju)(ju)、探頭架長度等(deng)參數(shu)影響檢測覆蓋率(lv)和檢測效率(lv);鋼(gang)管前進速(su)(su)度v決定檢測速(su)(su)度的(de)(de)快慢;不(bu)銹(xiu)鋼(gang)管轉速(su)(su)n則(ze)影響鋼(gang)管運(yun)動的(de)(de)平穩(wen)性(xing)。因此,對(dui)掃查螺(luo)距(ju)(ju)(ju)進行(xing)數(shu)學建模并得(de)到(dao)計算公式(shi)是十分有(you)意義的(de)(de)。這里,對(dui)V形(xing)輪(lun)上的(de)(de)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)管螺(luo)旋運(yun)動進行(xing)數(shu)學分析,得(de)出(chu)掃查螺(luo)距(ju)(ju)(ju)的(de)(de)數(shu)學計算公式(shi)。
假設V形輪與不銹鋼(gang)管之間的(de)摩擦搓(cuo)動(dong)為(wei)(wei)剛性作(zuo)用(yong),則V形輪搓(cuo)動(dong)鋼(gang)管時是以點(dian)接觸相互(hu)作(zuo)用(yong)的(de)。以其(qi)(qi)中的(de)某一接觸點(dian)A為(wei)(wei)坐(zuo)標(biao)原點(dian)建(jian)立笛卡兒直角坐(zuo)標(biao)系,以過A點(dian)且垂(chui)直于鋼(gang)管軸向的(de)截(jie)面為(wei)(wei)xy平面,以鋼(gang)管軸向為(wei)(wei)z軸方向。V形輪驅動(dong)不銹鋼(gang)管模型可簡化為(wei)(wei)如圖(tu)6-23所示(shi)(shi),其(qi)(qi)俯(fu)視圖(tu)如圖(tu)6-24所示(shi)(shi)。

由式(6-9)與(yu)式(6-10)可以看出,鋼(gang)管(guan)旋轉速(su)(su)度(du)v,和前進(jin)速(su)(su)度(du)v,均與(yu)v有關,即與(yu)接(jie)觸點所處的(de)(de)位(wei)置相(xiang)關,而與(yu)鋼(gang)管(guan)外(wai)徑無(wu)直(zhi)接(jie)關系,但鋼(gang)管(guan)外(wai)徑會(hui)影響(xiang)接(jie)觸點的(de)(de)位(wei)置。螺(luo)距與(yu)接(jie)觸點位(wei)置、鋼(gang)管(guan)外(wai)徑等都有關系。通常,隨(sui)著鋼(gang)管(guan)外(wai)徑的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da),γ角和鋼(gang)管(guan)前進(jin)速(su)(su)度(du)v2會(hui)增(zeng)(zeng)大(da),但在實際應用中,由于鋼(gang)管(guan)直(zhi)徑增(zeng)(zeng)大(da),旋轉速(su)(su)度(du)變(bian)慢,不(bu)銹鋼(gang)管(guan)前進(jin)速(su)(su)度(du)變(bian)化并不(bu)明顯。另外(wai),管(guan)徑增(zeng)(zeng)大(da),螺(luo)距P會(hui)增(zeng)(zeng)大(da),這也影響(xiang)著探頭架軸向有效長度(du)的(de)(de)設計和探頭架數量的(de)(de)選取。
在螺距(ju)P的(de)計算公式中,0角和鋼管外徑d,是已知的(de),因此求解的(de)關鍵在于γ角。由(you)圖6-23易(yi)得到關系式:
tany =sinθtanδ' (6-12)
因此可以將求解(jie)(jie)(jie)y角的(de)(de)問題,轉化為(wei)求解(jie)(jie)(jie)δ'角。由于采(cai)用解(jie)(jie)(jie)析幾(ji)何的(de)(de)方法求解(jie)(jie)(jie)y角會使計算(suan)變得很復雜,下面介紹一種(zhong)較為(wei)簡(jian)單(dan)的(de)(de)方法來求解(jie)(jie)(jie)y角,只要螺距計算(suan)值(zhi)與(yu)實測值(zhi)的(de)(de)誤差在允許范圍之內,不會影(ying)響到(dao)檢測探頭架的(de)(de)設(she)計即可。
當V形輪的(de)(de)θ角和δ角確(que)(que)定時,V形輪在(zai)傳送機(ji)構上的(de)(de)位姿也就唯一(yi)確(que)(que)定了。建立不銹(xiu)鋼管(guan)在(zai)V形輪上傳送的(de)(de)運(yun)動(dong)模型,確(que)(que)定V形輪與鋼管(guan)軸線的(de)(de)傾斜角度,將鋼管(guan)相切于V形輪斜面,如圖6-25所示(shi)。

以不(bu)銹(xiu)鋼管橫截(jie)(jie)面(mian)為投影(ying)(ying)面(mian),將傳送(song)模(mo)型(xing)投影(ying)(ying)至該面(mian),得到傳送(song)模(mo)型(xing)鋼管橫截(jie)(jie)面(mian)投影(ying)(ying)圖,如(ru)圖6-26所示。從而可(ke)知(zhi),不(bu)同規(gui)格(ge)鋼管在V形(xing)輪(lun)(lun)上的(de)接觸(chu)點所組成的(de)線為圖中所示切(qie)線,也即(ji)V形(xing)輪(lun)(lun)斜面(mian)在投射面(mian)內的(de)投射線。其(qi)與(yu)鋼管旋(xuan)轉速度v方(fang)向相同,與(yu)水平面(mian)的(de)夾(jia)角即(ji)為8'角。由(you)于(yu)V形(xing)輪(lun)(lun)的(de)位姿已定,故切(qie)線是一定的(de),因此切(qie)線與(yu)水平面(mian)的(de)夾(jia)角8'可(ke)通過(guo)作圖法得到,精度可(ke)控(kong)制到小數點后(hou)一位。通過(guo)作圖法得到的(de)角8'和(he)V形(xing)輪(lun)(lun)傾斜角0即(ji)可(ke)算(suan)出不(bu)同規(gui)格(ge)鋼管的(de)掃查螺距。
表(biao)6-3為(wei)(wei)(wei)(wei)不同規格(ge)不銹鋼管掃(sao)查螺距的計(ji)(ji)算值(zhi)(zhi)和實測值(zhi)(zhi)對比。所選的V形輪斜(xie)(xie)面傾(qing)(qing)角8為(wei)(wei)(wei)(wei)30°,外形尺寸(cun)為(wei)(wei)(wei)(wei)φ2250mm,傾(qing)(qing)斜(xie)(xie)角0為(wei)(wei)(wei)(wei)32°,電動機(ji)轉速(su)為(wei)(wei)(wei)(wei)1400r/min,減速(su)機(ji)速(su)比為(wei)(wei)(wei)(wei)15:1。由表(biao)6-3中的數據可知,計(ji)(ji)算值(zhi)(zhi)與實測值(zhi)(zhi)相差不超(chao)過20mm。因此該計(ji)(ji)算方法(fa)簡單、準(zhun)確、有效(xiao)、可行,在誤差允許的范圍之內。故此方法(fa)可視為(wei)(wei)(wei)(wei)一種方便快捷的鋼管掃(sao)查螺距計(ji)(ji)算方法(fa)。


