細(xì)長(zhǎng)型零件X射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研制

李曉慶，吳建龍，王飛，成群林，沈燕萍，趙賽

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

航天產(chǎn)品中細(xì)長(zhǎng)型箱體鑄件空間孔位多，現(xiàn)有X射線(xiàn)檢測(cè)方法工序繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)周期難以滿(mǎn)足型號(hào)生產(chǎn)進(jìn)度要求。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)X射線(xiàn)檢測(cè)提出了高速度、高精度、高分辨率、高可靠性等要求。此外，檢測(cè)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，成本高，特別是射線(xiàn)檢測(cè)對(duì)人體有害，勞動(dòng)保護(hù)將成為主要問(wèn)題。因此，射線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化和儀器的計(jì)算機(jī)化已成為X檢測(cè)發(fā)展的方向之一［1－2］。針對(duì)航天產(chǎn)品特點(diǎn)、具體工業(yè)應(yīng)用，研究實(shí)現(xiàn)X射線(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化的原理與方法，設(shè)計(jì)一種編程簡(jiǎn)單的控制方式和運(yùn)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)低成本的X射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

以航天產(chǎn)品中某型號(hào)細(xì)長(zhǎng)型鑄造零件為例，如圖1所示，其上端面為滑軌，內(nèi)部為型腔結(jié)構(gòu)，兩側(cè)分布有連接支耳。為防止滑軌和連接支耳存在鑄造缺陷，檢測(cè)過(guò)程中零件在上方，X射線(xiàn)源位于零件正下方，檢測(cè)焦距控制在800 mm左右。通過(guò)移動(dòng)射線(xiàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)零件不同型腔部位滑軌面和連接支耳的透照檢測(cè)，如圖2所示。

圖1 某鑄造零件局部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 X射線(xiàn)檢測(cè)部位示意圖

在普通工業(yè)中，細(xì)長(zhǎng)零件X射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)要求對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行全方位自動(dòng)掃描。因此，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮掃描速度 (指工件相對(duì)于X射線(xiàn)源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度)、掃描方式、位置精度等因素。掃描速度v掃由圖像分辨率 α和降噪時(shí)間t決定(v掃=60×α/t)，其大小直接影響成像質(zhì)量;掃描方式取決于工件尺寸與成像器尺寸的相對(duì)大小;位置精度可由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)保證。

由于此系統(tǒng)通過(guò)垂直于工件的X射線(xiàn)檢測(cè)出工件內(nèi)缺陷分布狀況，為了確定零件內(nèi)部缺陷的位置，需控制X射線(xiàn)源沿工件長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，作單向掃描運(yùn)動(dòng)。且在呈像過(guò)程中對(duì)焦距有一定的要求，故將零件安裝在X射線(xiàn)源上方。在一般的工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)中，常采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制方式。按照被測(cè)工件檢測(cè)質(zhì)量以及成像器的最大分辨率和成像時(shí)間，設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)以滿(mǎn)足要求［3－4］。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

零件X射線(xiàn)檢測(cè)試驗(yàn)裝置，如圖3、4所示，包括檢測(cè)底架、零件的安裝支架。

圖3 X射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)裝置

圖4 X射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)裝置原理圖

移動(dòng)臺(tái)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)可在底架框上移動(dòng)，支架框上裝有被檢零件鎖緊裝置，試驗(yàn)時(shí)將零件固定在支架上。通過(guò)檢測(cè)底架上的移動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)，可將X射線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備移至試驗(yàn)要求位置，總設(shè)備中包括2個(gè)安裝支架，其中一個(gè)在試驗(yàn)時(shí)固定，另一個(gè)通過(guò)萬(wàn)向輪移動(dòng)至行程范圍內(nèi)的任意位置并固定，完成對(duì)不同長(zhǎng)度零件的X射線(xiàn)檢測(cè)試驗(yàn)。

1.3 伺服電機(jī)參數(shù)確定

伺服電機(jī)作為系統(tǒng)中最終運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件，其輸出力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的大小會(huì)直接影響檢測(cè)工藝的順利進(jìn)行。

伺服電機(jī)額定輸出扭矩Tw應(yīng)滿(mǎn)足公式 (1)要求:

式中:Tw為伺服電機(jī)額定扭矩;

i為系統(tǒng)傳動(dòng)比;

η為傳動(dòng)效率因子;

S為安全系數(shù);

Tf為系統(tǒng)的負(fù)載力矩。

因?yàn)榇讼到y(tǒng)的負(fù)載力矩Tf主要為導(dǎo)軌和滑座之間的摩擦力矩:

式中:μ為滑座導(dǎo)軌間摩擦因數(shù);

m為移動(dòng)平臺(tái)和射線(xiàn)機(jī)總質(zhì)量，kg;

g為重力加速度，kg/m2;

D為齒輪節(jié)圓直徑，m。

根據(jù)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)S=5，由式子 (1)和(2)計(jì)算可得伺服電機(jī)的額定扭矩為2.1 N·m。選擇臺(tái)達(dá)ECMAC20807伺服電機(jī)，其額定扭矩為2.39 N·m，其安全系數(shù)S可達(dá)5.3，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

設(shè)在電機(jī)額定速度輸出下，移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度為vn，由齒輪齒條傳動(dòng)特點(diǎn)可知:

式中:D為為齒輪節(jié)圓直徑，m;

n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min;

i為系統(tǒng)傳動(dòng)比。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式 (3)，得vn=5 m/min。因伺服電機(jī)在其額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為恒扭矩輸出，故在負(fù)載扭矩一定的情況下，移動(dòng)平臺(tái)的輸出扭矩在(0，vn)范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足0.5～3 m/min速度可調(diào)的工藝要求。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要控制移動(dòng)平臺(tái)的位置移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射筒零件不同部位的X射線(xiàn)的拍片檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)工業(yè)攝像機(jī)和工業(yè)監(jiān)視器將射線(xiàn)源隨移動(dòng)平臺(tái)在導(dǎo)軌上的位置移動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的圖像顯示。控制系統(tǒng)主要包括:人機(jī)交互界面功能設(shè)計(jì);電氣接口設(shè)計(jì);控制流程設(shè)計(jì)。

2.1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是移動(dòng)平臺(tái)在導(dǎo)軌上的位置移動(dòng)，因此可以看成一個(gè)單軸系統(tǒng)的定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。目前，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的定位控制從控制器選擇方面主要有以下3種模式［5］:(1)可編程控制器即PLC控制模式; (2)工業(yè)計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制板卡結(jié)合控制模式;(3)專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制器PAC控制模式。此系統(tǒng)采用小型PLC輸出脈沖控制伺服電機(jī)的模式。整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件主要包括:控制器PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、接近開(kāi)關(guān)、工業(yè)攝像機(jī)、工業(yè)顯示器、開(kāi)關(guān)電源、空氣開(kāi)關(guān)、接觸器等低壓電氣元件。系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)組成原理框圖

2.2 人機(jī)交互界面功能設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面的示意圖如圖6所示，主要包括視頻圖像顯示、工作過(guò)程狀態(tài)指示、控制信號(hào)輸入3個(gè)部分。

(1)視頻圖像顯示

系統(tǒng)上電后，監(jiān)視器以錄像形式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的攝像機(jī)所攝取的畫(huà)面信息，同時(shí)對(duì)錄像進(jìn)行存儲(chǔ)、記錄。

(2)工作過(guò)程狀態(tài)指示

通過(guò)設(shè)計(jì)顏色指示燈、報(bào)警器等對(duì)工作過(guò)程的狀態(tài)進(jìn)行指示。主要包括前行指示燈、后退指示燈、總電源指示燈及伺服報(bào)警指示燈。

(3)控制信號(hào)輸入

通過(guò)按鈕或開(kāi)關(guān)觸發(fā)PLC的相關(guān)輸入點(diǎn)，PLC調(diào)用相應(yīng)的程序功能塊實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的預(yù)定功能。主要包括手/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)，擋位選擇開(kāi)關(guān)，前行、后退按鈕等。

圖6 人機(jī)界面示意圖

2.3 電氣接口設(shè)計(jì)

為了直觀描述人機(jī)界面上的操作命令是如何通過(guò)PLC發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器以及現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)如何經(jīng)過(guò)PLC反饋傳送給人機(jī)界面顯示［6］，對(duì)PLC的I/O口進(jìn)行了電氣設(shè)計(jì)。如圖7所示，該接口電路通過(guò)外部的開(kāi)關(guān)或按鈕的通/斷來(lái)改變PLC相應(yīng)輸入端子的電平信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的JOG運(yùn)行、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)等運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集接近開(kāi)關(guān)信號(hào)，對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的位置進(jìn)行定位控制。

圖7 電氣接口設(shè)計(jì)

2.4 控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)X拍片檢測(cè)的工藝，設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制流程。手動(dòng)控制是直接伺服電機(jī)的JOG運(yùn)行方式，即預(yù)先設(shè)定好驅(qū)動(dòng)器速度參數(shù)，通過(guò)導(dǎo)通/斷開(kāi)伺服驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)控制點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)及啟停;而自動(dòng)控制則是通過(guò)編寫(xiě)PLC程序進(jìn)行電機(jī)速度的調(diào)節(jié)以及檢測(cè)點(diǎn)位置的判定，并通過(guò)系統(tǒng)定時(shí)觸發(fā)，自動(dòng)完成所有檢測(cè)點(diǎn)的X拍片檢測(cè)。系統(tǒng)的控制流程見(jiàn)圖8。

圖8 系統(tǒng)手/自動(dòng)控制流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上檢測(cè)裝置及開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖9—10所示。

圖9 試驗(yàn)檢測(cè)圖

圖10 試驗(yàn)中實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面

長(zhǎng)為3 000 mm的工件檢測(cè)時(shí)間由原來(lái)的4 h減少到30 min，通過(guò)射線(xiàn)源的自動(dòng)移動(dòng)完成對(duì)工件的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用此裝置可高效、可靠地實(shí)現(xiàn)工藝檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

(1)基于自動(dòng)化、集成化的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了航天產(chǎn)品中某典型細(xì)長(zhǎng)零件X射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括機(jī)械裝置及控制系統(tǒng)兩部分。

(2)研究成果已經(jīng)在工程中得到成功應(yīng)用，解決了該零件檢測(cè)時(shí)復(fù)雜、繁瑣的操作問(wèn)題。零件檢測(cè)時(shí)間得到了大幅縮減，生產(chǎn)效率得到了顯著提高。

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