专利名称：煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接缺陷超声无损检测技术领域，具体涉及一种煤矿液压支架缸体环 焊缝缺陷超声自动检测系统。
背景技术：
煤炭是我国的第一大能源，在现阶段的能源结构中约占70%，而且在今后相当长 的时间内，煤炭资源在我国能源消费中仍然占据极其重要的地位，因此，煤炭的高产、高效 和安全生产将直接影响我国国民经济的稳步发展。随着科学技术的不断发展，煤矿机械在 实现高产、高效、综合机械化采煤中发挥了非常重要的作用。液压支架是煤矿综合机械化开采的主要设备，对现代煤矿生产具有举足轻重的意 义。液压缸是液压支架完成各种运动和承载顶板压力的关键元件，它的质量直接影响着液 压支架的可靠性，进而影响到煤矿的安全和正常生产。液压缸由外缸体、中缸体和柱体三个部分组成，其中，外缸体是无缝钢管和铸造件 的组合体，采用对接环焊缝焊接而成，由于焊接厚度大，不可避免地产生焊接缺陷，有的缺 陷隐蔽性很强，在使用过程中由于液压缸在高压交变载荷下工作，缺陷处产生应力集中，导 致缺陷逐渐扩大而渗漏或泄漏，甚至缸体开裂等情况，严重时造成煤矿的安全事故。因此， 在外缸体焊接完成后，必须对焊缝进行质量检验，以保证液压缸的制造质量。由于超声无损 检测技术可以检出工件内部的缺陷、对缺陷定位较准确和对裂纹检出较敏感，因此在焊缝 的质量检验中得到了广泛的应用。目前，企业对液压缸对接环焊缝的质量检验主要采用模 拟式A型超声探伤仪，以传统的手动方式进行检测，存在检测效率和检测精度低、重复性和 可靠性差、无记录等问题，检测结果受检测人员主观因素的影响，容易漏检，缺陷定量和定 性困难。由于目前检测方法的局限性，很难对液压缸对接环焊缝的质量进行有效地控制。 随着煤矿安全生产的加强，煤矿对液压支架的可靠性要求越来越高，生产企业急需解决液 压支架缸体环焊缝质量检验的难题。

发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，用于 解决液压支架生产企业液压缸环焊缝质量检验的难题，克服目前手动超声A扫描检测方式 存在的缺点和不足，提高超声检测的可靠性和效率，实现环焊缝检测的数字化、自动化和图 像化，确保液压支架的可靠性和设备安全运行，进而保证煤矿的安全和正常生产。为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案一种煤矿液压支架缸体环焊缝缺 陷超声自动检测系统，所述系统包括系统软件、工业控制计算机、以太网线、A型数字超声探 伤仪、自动扫描机械装置、步进电机控制器和RS-232串口线，所述系统软件包括电机运行 控制部分和上位机应用软件部分，所述自动扫描机械装置包括探头夹持机构、超声探头、工 件装夹平台、旋转步进电机和扫描步进电机，所述电机运行控制部分包括单片机运动控制程序、工业控制计算机与步进电机控制卡之间的通讯；所述步进电机控制器包括电源模块、 步进电机驱动器模块、步进电机控制卡模块和串口通信模块；其中步进电机控制器与工业控制计算机之间由RS-232总线连接；旋转步进电机 和扫描步进电机与步进电机控制器之间通过电缆连接，所述扫描步进电机安装在工件装夹 平台上；A型数字超声探伤仪与工业控制计算机通过以太网线连接，探头夹持机构安装在 工件装夹平台上；所述工业控制计算机内固化有上位机应用软件，对整个系统的控制指令进行计算 和处理，通过RS-232串口线发送控制指令给步进电机控制器，通过以太网线从A型数字超 声探伤仪读取超声回波信号，并经过处理以进行扫描曲线和扫描图像的显示；所述单片机运动控制程序固化在在步进电机控制卡模块的单片机内，单片机运动 控制程序实现旋转步进电机和扫描步进电机的正、反转运动，工业控制计算机与步进电机 控制卡之间采用串口通讯，通过RS-232串口线实现二者之间的通讯。所述探头夹持机构包括一个探头夹，探头夹内装有一个压缩弹簧，以保证超声探 头和工件表面的良好接触。所述工件装夹平台包括三爪卡盘、丝杠螺母机构和底座。所述上位机应用软件包括人机界面、网络通讯及数据采集模块、超声扫描成像模 块、数据处理模块、文件存储模块、检测报告生成和打印模块。所述人机界面可以设置扫描控制参数，并将参数经过计算和处理，控制扫描的宽 度、长度和深度以及C扫描深度定位；所述人机界面可以设置步进电机控制参数，并将参数 经过计算和处理，发送相应的控制命令给步进电机控制器，控制步进电机的步长、转速以及 B扫描时的电机旋转方向。所述网络通讯及数据采集模块，借助于A型数字超声探伤仪提供的网络接口，基 于TCP/IP协议，实现工业控制计算机和数字探伤仪之间的网络通信。所述超声扫描成像模块可以实现缺陷的超声A、B和C扫描成像。所述数据处理模块是在扫描成像之前，对实时采集的A扫描超声回波信号进行去 噪处理。所述文件存储模块可实现对A、B、C扫描数据和B、C扫描图像的保存。所述检测报告生成和打印模块，根据前几个模块保存的图像和参数信息，可自动 生成超声检测报告，并打印输出。本发明的工作原理(过程)为首先，根据检测对象确定探伤条件，选择扫描方式、 确定扫描参数及路径；其次，计算机发送控制命令，经单片机处理后产生步进脉冲信号，驱 动器接收到脉冲信号后进行功率放大，以控制步进电机驱动工件旋转和超声探头沿轴向作 往复直线运动，从而实现对环焊缝的全面自动扫描，同时，计算机通过以太网读取超声探伤 仪所采集到的超声回波信号，并进行后续处理、显示和生成缺陷图像；最后，对缺陷信号和 图像进行分析，生成检测报告并打印。本发明与目前液压支架生产企业采用模拟式A型超声探伤仪、以手动方式检测液 压缸环焊缝质量的方法相比，实现了检测的数字化、自动化和图像化，提高了超声检测的可 靠性和效率，克服了传统手动超声检测方式检测效率和检测精度低、重复性和可靠性差、无 记录等缺点和不足，减少了检测结果对于检测人员经验和专业技术水平的依赖。本发明可广泛应用于液压支架缸体环焊缝的质量检验，对液压缸环焊缝的质量控制，进而保证液压 支架的可靠性，进而保证煤矿的安全和正常生产意义重大，具有广阔的应用前景。


图1是本发明总体结构框图。图2是本发明探头夹持机构和工件装夹平台结构示意图。
具体实施例方式请参阅图1和图2，本发明煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统包括 系统软件1、工业控制计算机2、以太网线3、A型数字超声探伤仪4、自动扫描机械装置5、步 进电机控制器6和RS-232串口线7，其中，所述自动扫描机械装置5包括工件装夹平台59、旋转步进电机51和扫描步进电机 阳，扫描步进电机阳带动丝杠旋转驱动探头夹持机构57移动，旋转步进电机51通过连轴 器驱动工件M旋转。所述工件装夹平台59主要包括三爪卡盘52、探头夹持机构57、丝杠螺母机构56 和底座，超声探头53安装在探头夹内，探头夹内装有一个压缩弹簧，以保证探头和工件表 面的良好接触。所述步进电机控制器6与工业控制计算机2通过RS-232串口线7相连，A型数字 超声探伤仪4与工业控制计算机2通过以太网线3相连，探头夹持机构57和旋转步进电机 51和扫描步进电机55安装在工件装夹平台59上。所述步进电机控制器6包括电源模块，步进电机驱动器模块，步进电机控制卡模 块和串口通信模块，单片机运动控制程序固化在在步进电机控制卡模块的单片机内，接收 工业控制计算机2发送的控制指令，控制指令包括扫描长度、宽度以及旋转步进电机51和 扫描步进电机阳的运动速度、方向和步长，单片机运动控制程序自动对控制指令进行计算 和处理后，经步进电机驱动器模块功率放大后驱动旋转步进电机51和扫描步进电机55转 动以带动工件M做旋转运动、超声探头53沿导轨58做纵向直线往复运动，步进电机每走 完一个步长，步进电机控制卡发送指令给工业控制计算机2，工业控制计算机2就从A型数 字超声探伤仪4中读取超声回波信号。所述A型数字超声探伤仪4和超声探头53为成品件，其性能指标为8位数据采样精度，240MHz采样频率，可设置探测范围、材料声速、脉冲移位、探头 零点，可调节增益，支持TCP/IP通信协议。所述工业控制计算机2内固化有上位机应用软件，对整个系统的控制指令进行计 算和处理，通过RS-232串口线7发送控制指令给步进电机控制器6，通过以太网线3从A型 数字超声探伤仪4读取超声回波信号，并经过处理以进行扫描曲线和扫描图像的显示。所述系统软件1包括电机运行控制部分和上位机应用软件部分，其中电机运行控 制部分包括单片机运动控制程序、工业控制计算机2与步进电机控制卡之间的通讯。所述单片机运动控制程序实现旋转步进电机51和扫描步进电机55的正、反转运 动，工业控制计算机2与步进电机控制卡之间采用串口通讯，通过RS-232串口线7实现二 者之间的通讯。
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所述上位机应用软件包括人机界面、网络通讯及数据采集模块、超声扫描成像模 块、数据处理模块、文件存储模块、检测报告生成和打印模块。所述人机界面可以设置扫描控制参数，并将参数经过计算和处理，发送相应的控 制命令给步进电机控制器，控制扫描的宽度、长度和深度；所述人机界面可以设置旋转步进电机51和扫描步进电机55运动控制参数，并将 参数经过计算和处理，发送相应的控制命令给步进电机控制器，控制步进电机的步长、速度 和运动方向。所述网络通讯及数据采集模块，借助于A型数字超声探伤仪4提供的网络接口，基 于TCP/IP协议，实现计算机和探伤仪之间的网络通信。所述超声扫描成像模块可以实现缺陷的超声A、B和C扫描成像。所述数据处理模块是在扫描成像之前，对实时采集的超声回波信号进行去噪处理。所述文件存储模块可以实现对扫描数据和扫描图像的保存。所述检测报告生成和打印模块，根据前几个模块保存的图像和参数信息，可自动 生成超声检测报告，并打印输出。本发明实现了液压支架缸体环焊缝缺陷检测的数字化、自动化和图像化，提高了 超声检测的可靠性和效率，对液压缸环焊缝的质量控制，进而保证液压支架的整体性能意 义重大。
权利要求
1.一种煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在于所述系统包括 系统软件(1)、工业控制计算机O)、以太网线(3)、A型数字超声探伤仪G)、自动扫描机械 装置(5)、步进电机控制器(6)和RS-232串口线(7)，所述系统软件包括电机运行控制部 分和上位机应用软件部分，所述自动扫描机械装置( 包括探头夹持机构(57)、超声探头 (53)、工件装夹平台(59)、旋转步进电机(51)和扫描步进电机(55)，所述电机运行控制部 分包括单片机运动控制程序、工业控制计算机与步进电机控制卡之间的通讯；所述步进电 机控制器(6)包括电源模块、步进电机驱动器模块、步进电机控制卡模块和串口通信模块；其中步进电机控制器(6)与工业控制计算机( 之间由RS-232总线(7)连接；旋转步 进电机(51)和扫描步进电机(5 与步进电机控制器(6)之间通过电缆连接，所述扫描步 进电机(5 安装在工件装夹平台(59)上；A型数字超声探伤仪(4)与工业控制计算机(5) 通过以太网线(3)连接，探头夹持机构(57)安装在工件装夹平台(59)上；所述工业控制计算机O)内固化有上位机应用软件，对整个系统的控制指令进行计算 和处理，通过RS-232串口线(7)发送控制指令给步进电机控制器(6)，通过以太网线(3)从 A型数字超声探伤仪(4)读取超声回波信号，并经过处理以进行扫描曲线和扫描图像的显 示；所述单片机运动控制程序固化在在步进电机控制卡模块的单片机内，单片机运动控制 程序实现旋转步进电机(51)和扫描步进电机(55)的正、反转运动，工业控制计算机(2)与 步进电机控制卡之间采用串口通讯，通过RS-232串口线(7)实现二者之间的通讯。
2.如权利要求1所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述探头夹持机构(57)包括一个探头夹，探头夹内装有一个压缩弹簧，以保证超声探 头(53)和工件(54)表面的良好接触。
3.如权利要求1所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述工件装夹平台(59)包括三爪卡盘(52)、丝杠螺母机构(56)和底座。
4.如权利要求1所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述上位机应用软件包括人机界面、网络通讯及数据采集模块、超声扫描成像模块、数 据处理模块、文件存储模块、检测报告生成和打印模块。
5.如权利要求4所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述人机界面可以设置扫描控制参数，并将参数经过计算和处理，控制扫描的宽度、长 度和深度以及C扫描深度定位；所述人机界面可以设置步进电机控制参数，并将参数经过 计算和处理，发送相应的控制命令给步进电机控制器，控制步进电机的步长、转速以及B扫 描时的电机旋转方向。
6.如权利要求4所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述网络通讯及数据采集模块，借助于A型数字超声探伤仪提供的网络接口，基于TCP/ IP协议，实现工业控制计算机和数字探伤仪之间的网络通信。
7.如权利要求4所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述超声扫描成像模块可以实现缺陷的超声A、B和C扫描成像。
8.如权利要求4所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述数据处理模块是在扫描成像之前，对实时采集的A扫描超声回波信号进行去噪处 理。
9.如权利要求4所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，其特征在 于所述文件存储模块可实现对A、B、C扫描数据和B、C扫描图像的保存。
10.如权利要求4所述的煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，特征在于 所述检测报告生成和打印模块，根据前几个模块保存的图像和参数信息，可自动生成超声 检测报告，并打印输出。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿液压支架缸体环焊缝缺陷超声自动检测系统，由探头夹持机构、超声探头、工件装夹平台、步进电机控制器、步进电机、A型数字超声探伤仪、RS-232串口线、以太网线、工业控制计算机和系统软件组成。本发明具有超声A、B、C扫描成像功能，实现了液压支架缸体环焊缝检测的数字化、自动化和图像化，提高了超声检测的可靠性和效率，克服了传统手动超声检测方式的缺点和不足，减少了检测结果对于检测人员经验和专业技术水平的依赖。可广泛应用于液压支架缸体环焊缝的质量检验，对液压缸环焊缝的质量控制，进而保证液压支架的整体性能具有重大意义。
文档编号G01N29/22GK102062757SQ201010583849
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者张旭辉, 杜功儒, 毛清华, 董明, 陈渊, 马宏伟 申请人:西安科技大学