李曉慶，吳建龍，王飛，成群林，沈燕萍，趙賽

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

航天產(chǎn)品中細長型箱體鑄件空間孔位多，現(xiàn)有X射線檢測方法工序繁瑣、勞動強度大，檢測周期難以滿足型號生產(chǎn)進度要求。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對X射線檢測提出了高速度、高精度、高分辨率、高可靠性等要求。此外，檢測工作勞動強度大，效率低，成本高，特別是射線檢測對人體有害，勞動保護將成為主要問題。因此，射線檢測設備的自動化和儀器的計算機化已成為X檢測發(fā)展的方向之一［1－2］。針對航天產(chǎn)品特點、具體工業(yè)應用，研究實現(xiàn)X射線檢測自動化的原理與方法，設計一種編程簡單的控制方式和運動裝置，實現(xiàn)低成本的X射線自動檢測。

1 機械系統(tǒng)設計

1.1 設計思路

以航天產(chǎn)品中某型號細長型鑄造零件為例，如圖1所示，其上端面為滑軌，內(nèi)部為型腔結構，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，檢測過程中零件在上方，X射線源位于零件正下方，檢測焦距控制在800 mm左右。通過移動射線機實現(xiàn)零件不同型腔部位滑軌面和連接支耳的透照檢測，如圖2所示。

圖1 某鑄造零件局部結構示意圖

圖2 X射線檢測部位示意圖

在普通工業(yè)中，細長零件X射線自動檢測要求對金屬結構件進行全方位自動掃描。因此，自動檢測系統(tǒng)的設計應考慮掃描速度 (指工件相對于X射線源的相對運動速度)、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大小;位置精度可由機械結構和控制系統(tǒng)保證。

由于此系統(tǒng)通過垂直于工件的X射線檢測出工件內(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射線源沿工件長度方向運動，作單向掃描運動。且在呈像過程中對焦距有一定的要求，故將零件安裝在X射線源上方。在一般的工業(yè)自動化檢測中，常采用交流電機驅(qū)動的控制方式。按照被測工件檢測質(zhì)量以及成像器的最大分辨率和成像時間，設計電機控制系統(tǒng)以滿足要求［3－4］。

1.2 機械結構設計

零件X射線檢測試驗裝置，如圖3、4所示，包括檢測底架、零件的安裝支架。

圖3 X射線自動檢測試驗裝置

圖4 X射線自動檢測試驗裝置原理圖

移動臺通過電機驅(qū)動齒輪齒條機構、導軌滑塊機構可在底架框上移動，支架框上裝有被檢零件鎖緊裝置，試驗時將零件固定在支架上。通過檢測底架上的移動臺機構，可將X射線檢測設備移至試驗要求位置，總設備中包括2個安裝支架，其中一個在試驗時固定，另一個通過萬向輪移動至行程范圍內(nèi)的任意位置并固定，完成對不同長度零件的X射線檢測試驗。

1.3 伺服電機參數(shù)確定

伺服電機作為系統(tǒng)中最終運動執(zhí)行元件，其輸出力矩和運轉(zhuǎn)速度的大小會直接影響檢測工藝的順利進行。

伺服電機額定輸出扭矩Tw應滿足公式 (1)要求:

式中:Tw為伺服電機額定扭矩;

i為系統(tǒng)傳動比;

η為傳動效率因子;

S為安全系數(shù);

Tf為系統(tǒng)的負載力矩。

因為此系統(tǒng)的負載力矩Tf主要為導軌和滑座之間的摩擦力矩:

式中:μ為滑座導軌間摩擦因數(shù);

m為移動平臺和射線機總質(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)設計的安全系數(shù)S=5，由式子 (1)和(2)計算可得伺服電機的額定扭矩為2.1 N·m。選擇臺達ECMAC20807伺服電機，其額定扭矩為2.39 N·m，其安全系數(shù)S可達5.3，滿足設計要求。

設在電機額定速度輸出下，移動平臺的移動速度為vn，由齒輪齒條傳動特點可知:

式中:D為為齒輪節(jié)圓直徑，m;

n為電機額定轉(zhuǎn)速，r/min;

i為系統(tǒng)傳動比。

將相關數(shù)據(jù)代入式 (3)，得vn=5 m/min。因伺服電機在其額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)時為恒扭矩輸出，故在負載扭矩一定的情況下，移動平臺的輸出扭矩在(0，vn)范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，滿足0.5～3 m/min速度可調(diào)的工藝要求。

2 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)主要控制移動平臺的位置移動來實現(xiàn)對發(fā)射筒零件不同部位的X射線的拍片檢測，同時通過工業(yè)攝像機和工業(yè)監(jiān)視器將射線源隨移動平臺在導軌上的位置移動進行實時、動態(tài)的圖像顯示。控制系統(tǒng)主要包括:人機交互界面功能設計;電氣接口設計;控制流程設計。

2.1 控制系統(tǒng)硬件架構

系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是移動平臺在導軌上的位置移動，因此可以看成一個單軸系統(tǒng)的定位運動控制系統(tǒng)。目前，運動控制系統(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)計算機+運動控制板卡結合控制模式;(3)專業(yè)運動控制器PAC控制模式。此系統(tǒng)采用小型PLC輸出脈沖控制伺服電機的模式。整個控制系統(tǒng)的硬件主要包括:控制器PLC、伺服驅(qū)動器及伺服電機、接近開關、工業(yè)攝像機、工業(yè)顯示器、開關電源、空氣開關、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 人機交互界面功能設計

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

(1)視頻圖像顯示

系統(tǒng)上電后，監(jiān)視器以錄像形式實時動態(tài)顯示安裝在移動平臺上的攝像機所攝取的畫面信息，同時對錄像進行存儲、記錄。

(2)工作過程狀態(tài)指示

通過設計顏色指示燈、報警器等對工作過程的狀態(tài)進行指示。主要包括前行指示燈、后退指示燈、總電源指示燈及伺服報警指示燈。

(3)控制信號輸入

通過按鈕或開關觸發(fā)PLC的相關輸入點，PLC調(diào)用相應的程序功能塊實現(xiàn)控制信號的預定功能。主要包括手/自動選擇開關，擋位選擇開關，前行、后退按鈕等。

圖6 人機界面示意圖

2.3 電氣接口設計

為了直觀描述人機界面上的操作命令是如何通過PLC發(fā)送給伺服驅(qū)動器以及現(xiàn)場的信號如何經(jīng)過PLC反饋傳送給人機界面顯示［6］，對PLC的I/O口進行了電氣設計。如圖7所示，該接口電路通過外部的開關或按鈕的通/斷來改變PLC相應輸入端子的電平信號，從而實現(xiàn)伺服電機的JOG運行、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)等運行狀態(tài)。同時系統(tǒng)實時采集接近開關信號，對移動平臺的位置進行定位控制。

圖7 電氣接口設計

2.4 控制流程設計

根據(jù)X拍片檢測的工藝，設計了手動和自動兩種控制流程。手動控制是直接伺服電機的JOG運行方式，即預先設定好驅(qū)動器速度參數(shù)，通過導通/斷開伺服驅(qū)動器的相應控制點來實現(xiàn)電機的正/反轉(zhuǎn)及啟停;而自動控制則是通過編寫PLC程序進行電機速度的調(diào)節(jié)以及檢測點位置的判定，并通過系統(tǒng)定時觸發(fā)，自動完成所有檢測點的X拍片檢測。系統(tǒng)的控制流程見圖8。

圖8 系統(tǒng)手/自動控制流程

3 實驗驗證

基于以上檢測裝置及開發(fā)的控制系統(tǒng)，進行了試驗驗證，如圖9—10所示。

圖9 試驗檢測圖

圖10 試驗中實時視頻畫面

長為3 000 mm的工件檢測時間由原來的4 h減少到30 min，通過射線源的自動移動完成對工件的檢測。實驗結果表明:利用此裝置可高效、可靠地實現(xiàn)工藝檢測要求。

4 結論

(1)基于自動化、集成化的設計思路，設計了航天產(chǎn)品中某典型細長零件X射線自動檢測系統(tǒng)，主要包括機械裝置及控制系統(tǒng)兩部分。

(2)研究成果已經(jīng)在工程中得到成功應用，解決了該零件檢測時復雜、繁瑣的操作問題。零件檢測時間得到了大幅縮減，生產(chǎn)效率得到了顯著提高。

［1］耿榮生.無損檢測技術的發(fā)展方向［J］.無損檢測，2012，23(1):1－5.

［2］LIAO T W，NI J.An Automated Radiographic NDT System for Weld Inspection:Part I:Weld Extraction［J］.NDT ＆ E International，2009，29(3):157 －162.

［3］馬宏偉，陳富，杜功儒.長輸管道無損檢測自動化技術的研究進展［J］.中國機械工程，2003，14(23):2066 －2069.

［4］蔡吉飛，趙鴻賓，張祖明.光電檢測技術在機械設計制造中的應用［J］.機械設計與制造，1999(1):56－57.

［5］ TU Xuyue.Design of Air Compressor Monitoring System Based on Modbus Protoco［C］//Proceedings of International Conference on Electrical and Control Engineering，2010:710－713.

［6］周祖德，魏仁選，陳幼平.開放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、趨勢及對策［J］.中國機械工程，1999(10):1090－1093.