尚寶剛,夏海濤,高 波

(丹東華日理學(xué)電氣有限公司,丹東 118001)

線掃描式X 射線實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)中,不僅需要檢測出產(chǎn)品工件是否有缺陷,而且還需要在工件上精確標(biāo)記出缺陷的位置,為缺陷的系統(tǒng)分析和工件的修補(bǔ)提供數(shù)字參數(shù)。國內(nèi)外傳統(tǒng)的打標(biāo)裝置多采用噴涂色漆等方法, 存在漆液堵塞噴頭、漆液污染、標(biāo)記點(diǎn)大和定位不精確等問題,不能滿足線掃描式X 射線實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)精確定位打標(biāo)的要求。針對這一問題,介紹了一套自動定位打標(biāo)裝置,并在該裝置的自動控制定位、彈性觸擊標(biāo)記及精確標(biāo)記筆頭等方面,進(jìn)行系統(tǒng)分析研究,以達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)定位標(biāo)記的使用要求[1-3]。

1 線掃描X 射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)簡介

線掃描式X 射線實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 X 射線成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 自動標(biāo)記裝置的整體結(jié)構(gòu)

缺陷自動標(biāo)記裝置安裝在支撐線掃描板的固定連接板上,與線掃描板同向緊靠連接。自動標(biāo)記裝置分別由標(biāo)記筆頭、氣動打標(biāo)筆、直線導(dǎo)軌及直線步進(jìn)電機(jī)組成,具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中標(biāo)記筆頭由筆帽、筆頭和顏色觸頭芯組成,并在觸頭芯內(nèi)部存儲液態(tài)顏料。標(biāo)記筆頭在氣動打標(biāo)筆的前端用螺紋旋緊安裝固定。氣動打標(biāo)筆采用可伸縮的微型氣缸,通過固定壓緊塊,用螺釘固定在移動導(dǎo)向?qū)к壣稀Ｍㄟ^調(diào)節(jié)壓緊塊,可調(diào)節(jié)氣動打標(biāo)筆的前后位置距離,以滿足工作行程需要。微型氣缸通過調(diào)速節(jié)流閥與氣管連接,氣管另一端通過電磁閥與氣源相連。直線導(dǎo)軌與掃描板平行放置,用螺釘固定在固定連接板上。直線步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接由螺旋絲桿構(gòu)成,與直線導(dǎo)軌平行,固定在固定連接板上,絲桿前端與導(dǎo)軌滑連接固定。幾部分順序組合構(gòu)成缺陷自動標(biāo)記裝置的硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 缺陷自動標(biāo)記裝置結(jié)構(gòu)圖

3 自動標(biāo)記裝置的檢測應(yīng)用

X 射線實(shí)時(shí)成像檢測開始時(shí),隨著被檢測工件線性移動,開啟的X 射線透過被檢測工件將圖像通過掃描成像器顯示在控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上。顯示的被檢測工件圖像如圖3 所示。其中X 軸為線掃描板平行方向,X 軸原點(diǎn)為線掃描板成像區(qū)域的一端頂點(diǎn),Y 軸為線掃描板的垂直方向,Y 軸原點(diǎn)為成像開始掃描移動的起點(diǎn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí),鼠標(biāo)點(diǎn)擊標(biāo)定缺陷位置,定位缺陷點(diǎn)位置相對于原點(diǎn)的X 軸和Y 軸坐標(biāo),如(103,42)?？刂葡到y(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出缺陷的實(shí)際物理位置,控制驅(qū)動器動作。驅(qū)動器發(fā)出有效脈沖,驅(qū)動直線步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,從而帶動絲桿及打標(biāo)筆沿直線導(dǎo)軌從X 軸原點(diǎn)出發(fā)移動103 mm 到指定缺陷點(diǎn)的橫向坐標(biāo)位置?？刂葡到y(tǒng)控制驅(qū)動器驅(qū)動工件移動平臺垂直縱向移動,回到距離Y 軸起始原點(diǎn)48 mm 處。經(jīng)過兩軸同步移動,完成打標(biāo)筆在檢測出的缺陷點(diǎn)上方定位。此時(shí)控制系統(tǒng)控制打標(biāo)筆氣缸的電磁閥動作,活塞桿受力彈出,帶動標(biāo)記筆頭彈起觸擊工件,并通過顏色筆芯在工件缺陷點(diǎn)位置打上標(biāo)記點(diǎn)。標(biāo)記缺陷位置后打標(biāo)筆桿受電磁閥動作迅速彈回, 并退回到X 軸原點(diǎn)處,完成整個(gè)定位打標(biāo)過程。再次檢測發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí),按照同樣步驟過程,完成各缺陷點(diǎn)的精確定位打標(biāo)。

圖3 缺陷成像位置示意圖

4 氣動彈性打標(biāo)筆的結(jié)構(gòu)性能分析

在檢測中,被檢測工件的外形尺寸很不規(guī)則,其被檢測表面總是凹凸不平,高低差值很大。這就要求打標(biāo)筆具有彈性伸縮功能,滿足不同深度的打標(biāo)要求。同時(shí)又不能劃傷被檢工件表面,不能采用硬性大力矩伸縮機(jī)械結(jié)構(gòu)。微型氣缸是采用氣壓為動力的簡單伸縮機(jī)構(gòu)。通過調(diào)整輸入氣壓的大小,可調(diào)整伸縮的輸出力矩值大小。氣缸觸到工件后,當(dāng)觸到阻力的反作用力等于輸入氣壓的壓力值時(shí),便會停止運(yùn)動。這種柔性的伸縮性能滿足了不同深度的檢測要求。

通過碰撞壓力試驗(yàn)計(jì)算, 打標(biāo)輸出力矩應(yīng)＞0.5 N。選擇滿足相應(yīng)條件的且體積最小的標(biāo)準(zhǔn)氣缸ESNU-8-50-P-A。調(diào)整控制閥來調(diào)整輸出壓力和流量,達(dá)到使用要求。其具體系統(tǒng)參數(shù)如下:缸徑φ8 mm;行程50 mm;最大工作壓力1 MPa;溫度范圍-20 ～80 ℃;0.6 MPa 的推進(jìn)力30 N;0.6 M Pa的返回力23 N;連接尺寸M 5。

配備連接氣動附屬配件如單向節(jié)流閥、氣管、電磁閥、連接閥和過濾閥等。最后安裝到導(dǎo)軌安裝基座上即可?？筛鶕?jù)被檢測工件的具體幾何尺寸,選用不同行程的氣缸,調(diào)整氣缸的安裝位置等。

5 標(biāo)記筆頭的結(jié)構(gòu)性能分析

標(biāo)記筆頭的結(jié)構(gòu)性能直接影響到標(biāo)記點(diǎn)的大小和清晰度等關(guān)鍵性打標(biāo)指標(biāo)。其構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(1)筆帽 用來罩住顏色筆芯,防止筆芯顏色過分蒸發(fā),避免筆芯干澀標(biāo)記不清。在檢測時(shí)要取下來,當(dāng)設(shè)備長時(shí)間不使用時(shí)需將筆帽蓋在筆頭上。

圖4 標(biāo)記筆頭結(jié)構(gòu)圖

(2)筆頭 缺陷打標(biāo)時(shí)筆頭會經(jīng)常與工件表面碰撞,為了防止劃傷工件和碰壞筆頭,筆頭采用非金屬材料尼龍或橡膠制成,以保證其具有一定的柔軟性和彈性。筆頭下部為M4 的螺紋,以旋緊連接在氣缸桿的頂端。上端為錐形結(jié)構(gòu),用來固定筆芯,防止筆芯從上面脫落。在筆頭的側(cè)面需要鉆一個(gè)圓孔,用來透氣和灌注液體顏色油使用。

(3)顏色觸頭芯 觸頭芯的大小直接決定著缺陷定位標(biāo)記的大小,可根據(jù)實(shí)際檢測需要確定加工。但其直徑不能過小,否則不利于用肉眼觀察缺陷的位置,造成錯(cuò)檢或漏檢。一般應(yīng)在φ2 ～6 mm 之間?？蛇x擇大小為φ2.5 mm 的觸頭芯。

對于標(biāo)記核心的觸頭芯的材料的選擇,進(jìn)行了反復(fù)多次的試驗(yàn)。選用了多種不同的芯頭材料來做標(biāo)記性能的比較。第一種為硬質(zhì)纖維即記號筆油芯,雖然可以進(jìn)行標(biāo)記,但時(shí)間稍微長后油芯就會被空氣風(fēng)干,顏色油揮發(fā),不能再次標(biāo)記使用。第二種為鈣質(zhì)粉末材料即粉筆,其容易折斷和標(biāo)記不清的缺點(diǎn)也不能被使用。最后選擇確定EVA 海綿(即原子印章墊綿)為芯材料,芯頭直徑φ2.5 mm,成錐形嵌入筆頭,注入印油后便可使用。其性能特點(diǎn)為材質(zhì)柔軟吸附性好,不易折斷,標(biāo)記點(diǎn)清晰醒目,不易風(fēng)干,可長時(shí)間使用。

6 驅(qū)動電機(jī)的選擇和控制分析

6.1 直線步進(jìn)電機(jī)的選擇及功能參數(shù)

根據(jù)計(jì)算機(jī)集成自動控制的需要,需要選擇能夠用計(jì)算機(jī)輸出控制的步進(jìn)電機(jī)或者是伺服電機(jī)。由于打標(biāo)筆固定在直線導(dǎo)軌上行走,所受的行走阻力非常小,經(jīng)計(jì)算約為0.1 N。故選擇的驅(qū)動電機(jī)輸出力矩＞0.1 N 即可。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及匹配適中的外形尺寸,選擇43F4R-05-039 型貫通軸式混合式直線步進(jìn)電機(jī)。其系統(tǒng)性能參數(shù)如下:功耗7 W;轉(zhuǎn)子慣量3.7×10-6kg·m;溫升75 ℃;重量241 g ;絕緣電阻20 MΩ;輸出推力1000 轉(zhuǎn)時(shí)為300 N;外形尺寸為43 mm×43 mm×20 mm,均達(dá)到了使用要求。

6.2 驅(qū)動器的運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其功能的實(shí)現(xiàn)需要控制系統(tǒng)和驅(qū)動器相配合。系統(tǒng)框圖如圖5 所示。

圖5 控制驅(qū)動框圖

控制系統(tǒng)發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)控制電機(jī)的位置(每步步長X 脈沖數(shù)),脈沖頻率控制電機(jī)速度?？刂葡到y(tǒng)以1 k PPS(pulse/s)的頻率發(fā)2 000 個(gè)脈沖給驅(qū)動器, 驅(qū)動器以整步方式驅(qū)動步進(jìn)長為0.050 8 mm的電機(jī),直線位移量為2 000×0.050 8 mm =101.6 mm, 移動速度為1 000×0.050 8 mm=50.8mm/s。

7 結(jié)論

通過以上結(jié)構(gòu)性能分析和大量試驗(yàn)比較證明,缺陷自動標(biāo)記裝置能夠很好地完成X 射線檢測系統(tǒng)中工件缺陷自動精確定位的要求,且具有體積小、運(yùn)動簡潔靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、操作快捷方便等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足各種不同形狀工件的無損檢測缺陷自動標(biāo)記需要。

[1] 余長江.射線探傷裝置[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[2] 鄭世才.射線檢測[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.

[3] 丹東華日理學(xué)電氣有限公司.線掃描式X 射線實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)缺陷打標(biāo)器[P] .中國.200720012998.2.2008 年4 月23 日.