U型數(shù)字線陣X射線輪胎檢測(cè)成套設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曲秋華，馬單冬，岳鵬志，叢智超，張 浩

丹東奧龍射線儀器集團(tuán)有限公司，遼寧丹東 118000

U型數(shù)字線陣X射線輪胎檢測(cè)成套設(shè)備是為適應(yīng)輪胎生產(chǎn)企業(yè)對(duì)輪胎質(zhì)量檢測(cè)的需求，利用X 射線數(shù)字成像技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)輪胎無(wú)損檢測(cè)成套設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)一定規(guī)格輪胎的在線質(zhì)量檢測(cè)。

通過(guò)高分辨率的圖像處理軟件能夠清晰顯示尼龍、纖維、合成橡膠等低密度材料所形成的不規(guī)則的形狀,可以通過(guò)人工輕易地分辨輪胎的側(cè)壁、胎圈、胎冠、簾線、束帶等各個(gè)部位包括金屬在內(nèi)的各種物質(zhì)、輪胎內(nèi)部脫層、氣泡、鋼絲松散和夾雜等的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)輪胎質(zhì)量的檢測(cè)，保證輪胎制造商為用戶(hù)提供安全可靠的產(chǎn)品。

1 U型數(shù)字線陣X射線輪胎檢測(cè)成套設(shè)備構(gòu)成

該成套設(shè)備主要由輪胎規(guī)格型號(hào)測(cè)量、檢測(cè)機(jī)械傳動(dòng)裝置、高頻恒壓 X 射線發(fā)生器、輪胎專(zhuān)用X 射線管、輪胎專(zhuān)用U 型射線探測(cè)器、PLC 數(shù)控系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、鉛防護(hù)室和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視裝置組成。

1.1 輪胎型號(hào)測(cè)量裝置

該裝置主要作用是測(cè)量輪胎型號(hào)，并將信息傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)置不同規(guī)格型號(hào)輪胎控制信息，將檢測(cè)到的信息自動(dòng)處理，自動(dòng)控制檢測(cè)機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)裝置采用紅外線光幕測(cè)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎尺寸測(cè)量。

1.2 檢測(cè)機(jī)械傳動(dòng)裝置

檢測(cè)機(jī)械傳動(dòng)裝置包括輪胎輸送裝置、夾胎翻轉(zhuǎn)裝置、U型探測(cè)器升降裝置、X射線管升降裝置、擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置，圖1。

1.2.1 輪胎輸送裝置

該裝置主要作用是用于在線輪胎輸送。它由兩部分組成：一部分是由光筒組成輸送滾道；另一部分與夾胎翻轉(zhuǎn)裝置配合使用，布置在夾胎翻轉(zhuǎn)裝置兩側(cè)，為實(shí)現(xiàn)夾胎動(dòng)作完成，采用萬(wàn)向輥組成輸送滾道。以上兩部分驅(qū)動(dòng)裝置采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)，速度連續(xù)可調(diào)。

圖1

1- 輪胎輸送裝置；2- 夾胎翻轉(zhuǎn)裝置；3- U型探測(cè)器升降裝置；4- X射線

管升降裝置；5- 擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置。

1.2.2 夾胎翻轉(zhuǎn)裝置

該裝置主要作用是將輸送裝置傳送到位的待檢輪胎夾住居中，翻轉(zhuǎn)90°垂直立起。夾胎機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)梯形絲杠，配合直線滑軌使夾持臂將輪胎夾住。翻胎機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)配合行星減速機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，單臂旋轉(zhuǎn)90°。

1.2.3 U型探測(cè)器升降裝置

該裝置主要作用是根據(jù)不同輪胎規(guī)格型號(hào)將U型探測(cè)器在垂直方向上升降到相應(yīng)位置，以適應(yīng)成像檢測(cè)需要。該裝置固定在鉛防護(hù)室內(nèi)側(cè)，采用伺服電機(jī)同步帶驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌升降。

1.2.4 X射線管升降裝置裝置

該裝置主要作用是根據(jù)不同輪胎規(guī)格型號(hào)將X射線管在垂直方向上升降到相應(yīng)位置，以適應(yīng)成像檢測(cè)需要。該裝置固定在鉛防護(hù)室內(nèi)側(cè)，采用伺服電機(jī)同步帶驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌升降。

1.2.5 擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置

該裝置主要作用是接收夾胎翻轉(zhuǎn)裝置上的輪胎，并固定在相應(yīng)位置上，同時(shí)運(yùn)動(dòng)至檢測(cè)區(qū)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)檢測(cè)。其由底座機(jī)構(gòu)、擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、撐胎機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

底座機(jī)構(gòu)由直線滑軌、一臺(tái)伺服電機(jī)減速機(jī)、一根滾珠絲杠絲母組成，可前后直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和撐胎機(jī)構(gòu)到夾胎翻轉(zhuǎn)裝置接胎，接胎后運(yùn)行至檢測(cè)位置。

擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有擴(kuò)胎和旋轉(zhuǎn)兩項(xiàng)功能，該機(jī)構(gòu)主要由4根伸縮支撐桿（含內(nèi)桿）、連桿機(jī)構(gòu)、4根伸縮撐桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、2臺(tái)伺服電機(jī)減速機(jī)、齒形帶、帶輪、滾珠絲杠絲母等組成。擴(kuò)胎功能實(shí)現(xiàn)是由一臺(tái)伺服電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪齒形帶，再驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠絲母，再驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，完成4根伸縮支撐桿開(kāi)合，垂直方向撐住不同規(guī)格輪胎內(nèi)口并增加旋轉(zhuǎn)摩擦力。旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)是由另一臺(tái)伺服電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)一組帶輪齒形帶，實(shí)現(xiàn)4根伸縮支撐桿同時(shí)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦力使輪胎旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足輪胎全方位檢測(cè)要求。

撐胎機(jī)構(gòu)是通過(guò)一臺(tái)伺服電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠絲母配合直線滑軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的4根伸縮支撐桿內(nèi)桿前后伸縮運(yùn)動(dòng)，在水平方向?qū)⑤喬?nèi)口撐開(kāi)，增加輪胎摩擦力和支撐點(diǎn)，保證輪胎平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。

1.3 高頻高壓 X 射線發(fā)生器

采用美國(guó)斯派曼產(chǎn)高頻高壓發(fā)生器 1臺(tái)，其主要參數(shù)為：輸出電壓范圍：25kV-160kV ；輸出電流范圍：0mA-10mA；最大輸出功率：2.0kW。

1.4 X 射線管

采用輪胎專(zhuān)用 300°周向 X射線管，其體積?。?83mm*716mm）、高穩(wěn)定性、壽命長(zhǎng)、可持續(xù)工作?？膳c120kV負(fù)高壓發(fā)生器連接，通用高壓電纜接口符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)。其采用水循環(huán)冷卻器（如圖7），具有溫度設(shè)定、高溫報(bào)警、壓縮機(jī)強(qiáng)制制冷、設(shè)有流量和壓力雙重保護(hù)等功能，可大大地提高X 射線管可靠性，有效的保證了射線管的使用壽命。

1.5 輪胎專(zhuān)用 U 型射線探測(cè)器

U型X射線探測(cè)器是專(zhuān)門(mén)為對(duì)輪胎進(jìn)行 X 射線數(shù)字掃描檢查而設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的。開(kāi)口寬是 702mm，開(kāi)口深度是 447mm。這些成像元件呈 U 型排列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)輪胎的全面檢查。高達(dá) 15m/min-30m/min 的掃描速度使 U-形成像器保證了輪胎檢測(cè)的高效率和高產(chǎn)量。該探測(cè)器具有使用壽命長(zhǎng)，無(wú)老化現(xiàn)象，單獨(dú)電源，可承受高達(dá) 160kV能量的 X 射線直接照射特點(diǎn)，如圖2。

圖2

1.5 PLC 數(shù)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于控制各機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，保證設(shè)備各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求。設(shè)備采用 PLC 數(shù)字控制程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械運(yùn)行控制，保證機(jī)械各部分協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)、精度高。觸摸屏人機(jī)界面采用人性化設(shè)計(jì)，具有自我診斷功能，便于操作。

1.6 動(dòng)態(tài)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有滿(mǎn)足輪胎連續(xù)檢測(cè)需要的完備功能。主要包括：圖像采集、圖像動(dòng)態(tài)降噪及動(dòng)態(tài)顯示、圖像亮度/對(duì)比度調(diào)節(jié)、圖像正/負(fù)片顯示，圖像合成、圖像放大及放大鏡功能、分區(qū)域調(diào)整及顯示圖像，圖像存儲(chǔ)、查閱，工藝文件建立及選擇、使用，掃描控制等。在對(duì)輪胎進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，X 射線圖像可在線全屏上下滾動(dòng)顯示。

1.7 鉛防護(hù)室

鉛防護(hù)室主要為防止X射線輻射，在檢測(cè)時(shí)提供封閉的檢測(cè)場(chǎng)所。

防護(hù)室是由鉛板、鋼板、方管焊接而成。鉛防護(hù)室安裝直線導(dǎo)軌、伺服電機(jī)減速機(jī)、同步齒形帶、帶輪，驅(qū)動(dòng)兩扇對(duì)開(kāi)鉛門(mén)快速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

1.8 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視裝置

其系采用視頻監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)工況進(jìn)行監(jiān)控的裝置。

2 成套設(shè)備主要性能參數(shù)

1）檢測(cè)靈敏度：0.8～2.0%

2）分辨率：0.25mm～1.3mm

3）動(dòng)態(tài)圖象處理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)降噪、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、回放、各種變換、邊緣增強(qiáng)、勾邊處理、缺陷位置和大小測(cè)量、圖像放大及放大鏡功能、分區(qū)域調(diào)整及顯示等。

2.4 檢測(cè)速度：2個(gè)/分鐘(7.5m/min～80m/min)

2.5 適用于內(nèi)徑15-25寸，外徑700mm－1370mm，斷面寬145mm－470mm，重量小于160kg的各種輪胎生產(chǎn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域

3 檢測(cè)工作原理及流程

1）輪胎由輸送裝置送到鉛防護(hù)室鉛門(mén)前，經(jīng)輪胎型號(hào)測(cè)量裝置檢測(cè)后，鉛門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，輪胎經(jīng)夾胎翻轉(zhuǎn)裝置將輪胎由水平位置翻轉(zhuǎn)90°成垂直位置，擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置接入鉛防護(hù)室檢測(cè)位置，鉛門(mén)關(guān)閉。

2）擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置將輪胎放入檢測(cè)區(qū)域后同時(shí)使輪胎旋轉(zhuǎn)，U型探測(cè)器升降裝置、X射線管升降裝置裝置同時(shí)運(yùn)行到預(yù)定檢測(cè)工位，X射線系統(tǒng)自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行檢測(cè)。

3）當(dāng)檢測(cè)全部結(jié)束時(shí)，X射線自動(dòng)停止。

4）鉛門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，擴(kuò)胎旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置將輪胎送出鉛房防護(hù)室，放置到夾胎翻轉(zhuǎn)裝置將輪胎由垂直位置翻轉(zhuǎn)90°成水平位置，放到輸送裝置，運(yùn)離待檢區(qū)。

5）檢測(cè)過(guò)程結(jié)束，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

4 應(yīng)用

該套設(shè)備在山東風(fēng)輪輪胎有限公司應(yīng)用，每天檢測(cè)400條胎，已運(yùn)行半年多，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流水線在線檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)顯示各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)的輪胎質(zhì)量符合國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

1）該設(shè)備通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，呈現(xiàn)了操作簡(jiǎn)單，安全性高、造價(jià)、維護(hù)成本低，檢測(cè)全面、無(wú)死角特點(diǎn)。

2）該設(shè)備檢測(cè)圖像清晰，靈敏度高，性能可靠，可以清晰、準(zhǔn)確地顯示出巨型輪胎的結(jié)構(gòu)缺陷及雜質(zhì)，如輪胎內(nèi)部脫層、胎體簾線間距、胎圈鋼輪鋼絲同心度以及輪胎的側(cè)壁、胎圈、胎冠、簾布、束帶等各個(gè)部位的缺陷，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的要求。

3）該設(shè)備工作運(yùn)行穩(wěn)定可靠，工藝簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，大幅降低了檢測(cè)成本。

4）X射線防護(hù)室符合GB18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》，有效防止X射線輻射污染。

5）該設(shè)備還有不足之處需要不斷優(yōu)化和完善

（1）電氣控制系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制方面存在兩方面缺陷，一方面缺乏必要的運(yùn)行保護(hù)程序，二是運(yùn)行速度不柔和，產(chǎn)生沖擊和噪聲。

（2）機(jī)械設(shè)計(jì)方面結(jié)構(gòu)上未充分考慮潤(rùn)滑點(diǎn)設(shè)計(jì)，給維護(hù)保養(yǎng)帶來(lái)不便。

（3）機(jī)械零部件加工質(zhì)量還需要進(jìn)一步改進(jìn)，更好地保證整機(jī)質(zhì)量。