柵格舵氣動控制機構(gòu)是重復(fù)使用運載火箭載入返回過程的重要姿控裝置[1-2]。其中柵格舵是一種新型的控制穩(wěn)定面,由多個薄柵格壁板構(gòu)成[3],作為一種新型的升力面和控制面,在亞聲速和高超聲速階段具有比平板翼更優(yōu)秀的氣動特性,可用作穩(wěn)定翼或全動式舵翼以提高運載火箭的機動性,并且增加其穩(wěn)定性和可控性[4]。其安裝在火箭芯一級或者助推器上,上升段折疊在火箭殼體上,下降段展開作為控制面或者穩(wěn)定翼,以減小落點的散布范圍[5-6]。
當(dāng)前,柵格舵焊縫的無損檢測常采用人工手動掃查的方式,存在可靠性低、周期長和系統(tǒng)成熟度低等問題。為解決此問題,筆者設(shè)計了一種自動超聲掃查檢測裝置。以PLC（可編程邏輯控制器）為控制核心,采用GSKLink通訊協(xié)議實現(xiàn)對機器人、伺服電機的控制,根據(jù)柵格舵焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計自動化工藝運動流程,實現(xiàn)了目標的自動化檢測。
1. 裝置總體設(shè)計方案
1.1 檢測對象
火箭柵格舵[7]安裝形式及結(jié)構(gòu)如圖1所示,柵格舵為雙弧面柵格鈦合金焊接結(jié)構(gòu)[8],包絡(luò)尺寸約為1 300 mm×1 000 mm×100 mm（長×寬×高）,采用4（橫向）×4.5（縱向）格柵構(gòu)型,由舵根、舵框、葉片、轉(zhuǎn)接板等零件組成,材料均為TC4鈦合金。舵根為階梯漸變厚度結(jié)構(gòu),長度約為1 300 mm,厚度從連接軸的15 mm逐網(wǎng)格減少2 mm至遠端的4 mm；舵根間的舵框厚度為6 mm,遠端及兩側(cè)為4 mm；葉片厚度為4 mm和2 mm。該零件對精度要求較高,整個柵格舵由38個部件互相卡箍和榫接組合而成,形成47個網(wǎng)格節(jié)點,產(chǎn)生7種焊接厚度,焊縫數(shù)量多達526條。典型柵格舵焊縫的主要形式為角焊縫和鎖底焊（見圖2）。
1.2 檢測總體方案
根據(jù)柵格舵焊縫結(jié)構(gòu)及超聲檢測工藝要求設(shè)計整體檢測裝置,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,包括框架、水箱、上下料組件[9]、機器人組件[10]等。其中水箱為超聲檢測提供水介質(zhì)完成輔助檢測；機器人組件作為超聲檢測的執(zhí)行機構(gòu)；上下料組件為檢測平臺提供上下運動動作；檢測平臺用于放置待測柵格舵。
1.3 裝置檢測工作流程
（1）初始狀態(tài)：檢測平臺處于底端,機器人處于收縮姿態(tài)；上下料電機驅(qū)動鏈輪,帶動檢測平臺上升；到達裝夾位置后,通過行車吊裝或人工搬運固定待測柵格舵,檢測平臺上升狀態(tài)如圖4所示。
（2）上下料電機驅(qū)動鏈輪,使檢測平臺下降到檢測位置,檢測平臺下降狀態(tài)如圖5所示。
（3）機器人組件根據(jù)預(yù)定軌跡運動到檢測起始點。
（4）通過機器人夾持換能器,按照檢測路徑對柵格舵焊縫進行逐點逐條檢測。
2. 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 主體設(shè)計
為滿足水箱和機器人組件的放置,設(shè)計的裝置框架如圖6所示,其中框架材料為Q345B,各部分先進行焊接,焊接后矯形再進行整體機加工。裝置通過調(diào)整墊鐵調(diào)平,用地腳螺栓固定。
檢測平臺采用鏈輪鏈條驅(qū)動,采用導(dǎo)向柱進行定向,上下料組件裝置如圖7所示。水箱側(cè)面安裝一根直線導(dǎo)軌和配重塊,鏈條一端固定在配重塊上,另一端固定在托板上。裝置通過兩臺伺服電機實現(xiàn)同步驅(qū)動完成上下料過程。
2.2 機器人與換能器
根據(jù)被檢測產(chǎn)品尺寸（1 300 mm×1 000 mm×100 mm）和換能器質(zhì)量（<0.5 kg）,選用廣州數(shù)控GSK RB20A3型機器人夾持換能器進行檢測,并且為更大的檢測空間,在機器人基座上設(shè)計了x軸和y軸方向移動的外部軸伺服電機（見圖8）。
夾持換能器的工裝采用彈性機構(gòu)[11],避免與檢測產(chǎn)品硬接觸,防止檢測過程中損傷裝置元器件和檢測產(chǎn)品。換能器及其夾持工裝結(jié)構(gòu)如圖9所示。
2.3 水循環(huán)過濾系統(tǒng)
超聲檢測的介質(zhì)為水,為保證檢測的準確性,水箱中的水需進行凈化和過濾,筆者設(shè)計的水循環(huán)過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示,水循環(huán)過濾系統(tǒng)安裝在水箱側(cè)面,由一臺立式離心泵和管道過濾器組成。
3. 裝置控制系統(tǒng)設(shè)計
超聲掃查裝置的控制系統(tǒng)[12]包含3個層次,即操作層、控制層和設(shè)備層,具體分工如下：① 操作層主要由觸摸屏、上位機操作軟件和示教器組成,觸摸屏用于操作上下料平臺,設(shè)置兩臺伺服同步電機的運行速度、運行位置、故障提示及報警等,示教器用于控制機器人和兩個外部軸電機的運行及路徑編程,上位機操作軟件用于處理采集的焊縫信息；② 控制層主要由機器人控制器和總控制器PLC（可編程邏輯控制器）構(gòu)成,基于機器人控制器和總控制器PLC對控制信息進行處理后反饋至示教器及觸摸屏上；③ 設(shè)備層主要包括機器人和兩個外部軸電機、兩臺伺服同步電機、超聲換能器以及開關(guān)傳感器等。控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖11所示。
3.1 設(shè)備層：現(xiàn)場底層末端設(shè)備
（1）超聲換能器主要獲取焊縫檢測信息并上傳至操作軟件進行處理分析。
（2）機器人的控制器系統(tǒng)選擇RB系列,在原有的6軸機器人基礎(chǔ)上增添2個外部軸電機,外部軸電機型號為150-SJTR,在機器人控制器上開通外部啟動軟件控制模塊及安全控制模塊,方便遠程控制及選擇機器人運行路徑。
（3）檢測平臺的兩個同步電機選用廣州數(shù)控130-SJT型伺服電機。
（4）設(shè)備層還包括傳感器、限位開關(guān)、指示燈等電氣元件。
3.2 控制層：對設(shè)備層進行協(xié)調(diào)控制的可編程設(shè)備
（1）機器人控制器與總控制器PLC組成系統(tǒng)的控制層。
（2）總控制器PLC通過GSKLink進行物理層連接,總控制器PLC作為Server（服務(wù)端）,機器人控制器作為Client（客戶端）,兩者進行數(shù)據(jù)交互,使得檢測分系統(tǒng)和運動控制分系統(tǒng)進行耦合,最終實現(xiàn)柵格舵的自動檢測。
（3）通過實時工業(yè)以太網(wǎng)與數(shù)控機器人控制器的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)交互,并由觸摸屏遠程觸發(fā)機器人程序啟動運行指令；通過運動模塊驅(qū)動伺服系統(tǒng),進行高精度位置控制,實現(xiàn)與機器人運動的邏輯耦合；通過I/O（輸入/輸出）接口進行開關(guān)傳感器指示燈的狀態(tài)采集及控制；作為整套系統(tǒng)控制核心,總控制器PLC負責(zé)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度,通過指令協(xié)同控制機器人單元、外部軸電機以及同步伺服單元等各系統(tǒng)的邏輯時序。
3.3 操作層：實現(xiàn)人機交互的單元
（1）基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)操作軟件,用于處理超聲檢測采集的焊縫信息。
（2）觸摸屏（HMI）作為輔助人機交互界面,可以便捷穩(wěn)定地與總控制器PLC進行數(shù)據(jù)交互,可進行輔助性的參數(shù)設(shè)定、手工操作、過程狀態(tài)顯示等。
（3）機器人示教器作為機器人單元的組成部分,用于機器人檢測點手動示教、自動檢測程序編輯（含運動指令、邏輯控制指令等）。
3.4 其他
該裝置控制系統(tǒng)還包括控制柜和操作臺,控制柜用于安裝各種電氣元器件及控制器等,操作臺安裝顯示器、工控機以及觸摸屏（HMI）,操作人員通過操作臺來控制整套系統(tǒng)。且控制系統(tǒng)支持OPC UA協(xié)議,通過以太網(wǎng)接口,可與信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互,滿足連接、數(shù)據(jù)傳遞的要求。
4. 程序設(shè)計
4.1 PLC程序設(shè)計
總控制器PLC是控制系統(tǒng)的核心部件,操作員通過觸摸屏、按鈕的控制信息經(jīng)過PLC傳遞給伺服驅(qū)動器、機器人、水循環(huán)系統(tǒng)、傳感器等元件,完成操作者對裝置的控制。這些控制動作是通過寫好的PLC程序?qū)崿F(xiàn)的,PLC程序包括主程序和子程序,主程序可以調(diào)用子程序,PLC程序框架如圖12所示。
PLC程序采用梯形圖與ST語言聯(lián)合編程,程序編寫時首先根據(jù)各個獨立的子程序建立FB程序塊,在主程序中根據(jù)工藝流程實現(xiàn)各個程序塊的調(diào)用,柵格舵檢測工藝控制流程圖如圖13所示。
4.2 觸摸屏界面設(shè)計
觸摸屏主要分為伺服電機和機器人的手動與自動控制界面,手動控制頁面上顯示了伺服電機及機器人的運動狀態(tài)、啟動、急停、運動速度、運動位置、運動方向等信息；自動控制界面可以實現(xiàn)一鍵操作,完成待測柵格舵的自動檢測流程。
5. 試驗驗證
5.1 試驗方案
對某型柵格舵產(chǎn)品進行焊縫檢測,首先通過射線檢測底片對焊縫內(nèi)的常規(guī)缺陷進行定性,然后再采用該設(shè)計裝置按照圖13的工藝流程對其進行超聲檢測,并對兩者結(jié)果進行對比,從而驗證該裝置檢測結(jié)果的準確性與可靠性。
5.2 檢測結(jié)果
試驗采用相控陣模式下的扇掃方式對柵格舵進行檢測,焊縫常規(guī)缺陷檢測結(jié)果如下。
(1) 氣孔
焊縫氣孔的超聲檢測結(jié)果如圖14所示,其形狀上近似為圓球狀或橢圓狀,圖像輪廓邊緣比較清晰,氣孔中部具有較高亮度。
(2) 裂紋
焊縫裂紋的超聲檢測結(jié)果如圖15所示,其形狀為線條狀,大多數(shù)情況下呈一定的彎曲狀,并與焊道方向呈一定夾角,圖像輪廓邊緣較為明顯,亮度較高。
(3) 未焊透
焊縫未焊透的超聲檢測結(jié)果如圖16所示,其形狀比較平直,為斷斷續(xù)續(xù)的線條狀,與焊道方向平行,邊緣清晰明顯。
(4) 未熔合
焊縫未熔合的超聲檢測結(jié)果如圖17所示,其形狀為扁橢圓狀或條狀,比較平直,輪廓較為清晰,缺陷中部亮度較高。
(5) 夾渣
焊縫夾渣的超聲檢測結(jié)果如圖18所示,其為體積型缺陷,形狀不確定,因此圖像沒有典型形狀,缺陷中部亮度較高。
5.3 結(jié)果分析
對比射線檢測與該裝置的檢測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)結(jié)果顯示完全一致。即該裝置對柵格舵焊縫中的氣孔、裂紋、未焊透、未熔合和夾渣等缺陷識別能力強,無需考慮其方向性；且超聲檢測結(jié)果直觀,可實現(xiàn)實時顯示,在掃查的同時能對焊縫進行分析、評判。
6. 無損檢測掛證結(jié)語
為解決當(dāng)前人工手動掃查檢測及缺陷評定中的可靠性低、周期長和系統(tǒng)成熟度低等問題,在陣列超聲主機、換能器及成像軟件的開發(fā)基礎(chǔ)上研制了一種適用于柵格舵焊縫超聲檢測的裝置,滿足了柵格舵焊縫的自動檢測需求。該超聲掃查裝置是以總控制器PLC和機器人為核心的自動化檢測裝置,可用于檢測柵格舵的多種焊縫結(jié)構(gòu),其各個模塊設(shè)計合理,自動化程度較高。經(jīng)過試驗驗證,該裝置的各項功能都比較穩(wěn)定,能較為準確地檢出柵格舵焊縫的各種常見缺陷,亦大幅提高了生產(chǎn)效率。
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