陳龍現(xiàn)，葛浙東，韓發(fā)通，高龍旭，周玉成

（山東建筑大學(xué)，濟(jì)南 250101）

0 引言

我國(guó)是林業(yè)大國(guó)，森林面積廣闊，樹木種類豐富，珍貴樹種繁多。與此同時(shí)，中國(guó)人口數(shù)量龐大，居民需要的木質(zhì)用材量大，而人均用木材量少。合理利用木材資源，避免木材浪費(fèi)，變得尤為重要。如何評(píng)價(jià)木材內(nèi)部質(zhì)量狀況，如何鑒別木材種類，如何判定樹木的健康狀況等問題，一直以來(lái)都是懸而未決的難題。因此我國(guó)亟需一套無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)加工木材、監(jiān)測(cè)森林生長(zhǎng)狀況、檢驗(yàn)進(jìn)出口木材等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，CT（Computed Tomography）機(jī)，即計(jì)算機(jī)X射線斷層攝像機(jī)，也隨之興起且應(yīng)用廣泛，可用于木材無(wú)損檢測(cè)[1]。但多年以來(lái)，進(jìn)口品牌CT技術(shù)壟斷，價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)木材檢驗(yàn)部門、企事業(yè)單位和科研高校均無(wú)力承擔(dān)。另外，近年來(lái)民族CT品牌成功打破技術(shù)壟斷壁壘，民族CT品牌在國(guó)內(nèi)CT市場(chǎng)迎來(lái)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。另外，數(shù)字圖像處理技術(shù)在木材科學(xué)中的應(yīng)用廣泛，CT技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，為木材無(wú)損檢測(cè)圖像處理分析提供了新方法[2]。

但截止目前，國(guó)內(nèi)的CT設(shè)備主要針對(duì)醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域開發(fā)，還未見針對(duì)木材檢測(cè)成熟的CT檢驗(yàn)設(shè)備。為此，項(xiàng)目組研發(fā)的CT無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)可應(yīng)用于科研院所、高等院校等企事業(yè)單位的無(wú)損檢測(cè)研究，也可用于林業(yè)普查、海關(guān)進(jìn)出口木材檢驗(yàn)、木材加工制作等領(lǐng)域[3,4]。

1 無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)支撐平臺(tái)、X射線掃描系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和PC信息處理系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)支撐平臺(tái)主要起到承載X射線掃描系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的作用；X射線掃描系統(tǒng)由X射線發(fā)射器和X射線探測(cè)器組成；PLC控制系統(tǒng)安裝于系統(tǒng)支撐平臺(tái)下方，主要由西門子1200PLC控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、可升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和電氣零部件等構(gòu)成，主要控制可升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的動(dòng)作；PC信息處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、RS232通信系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)成，用于獲取X射線掃描系統(tǒng)的掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)而處理數(shù)據(jù)，重建圖像。

基于PLC的X射線無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的控制流程，如圖2所示。系統(tǒng)上電初始化，下位機(jī)采集各個(gè)傳感器狀態(tài)，載物圓盤旋轉(zhuǎn)、升降至起始原點(diǎn)；用戶在上位機(jī)界面設(shè)置載物圓盤旋轉(zhuǎn)角度和角速度，升降速度和距離；經(jīng)RS232通訊傳送給下位機(jī)控制電機(jī)動(dòng)作；同時(shí)打開X射線發(fā)射器和探測(cè)器，進(jìn)行木材掃描；當(dāng)木材到達(dá)指定位置，掃描完畢，關(guān)閉X射線發(fā)射器和探測(cè)器，載物圓盤停止動(dòng)作；將掃描數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)圖像重建。

圖1 無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)

圖2 控制流程圖

2 無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)的控制

可升降旋轉(zhuǎn)無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)采用雙伺服電機(jī)位置控制[5,6]，伺服電機(jī)a控制平臺(tái)的水平方向旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)b控制垂直方向升降，兩部伺服電機(jī)配合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)木材高精度螺旋掃描檢測(cè)。實(shí)際裝配圖如圖3所示。

圖3 可升降旋轉(zhuǎn)無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)

為滿足CT掃描過(guò)程中，載物圓盤緩慢升降、旋轉(zhuǎn)的高精度要求。伺服電機(jī)必須做到承載高負(fù)載、低轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)運(yùn)行。為此，添加減速機(jī)、絲杠、蝸輪蝸桿、齒輪、鏈帶等增大力矩的減速機(jī)構(gòu)。

設(shè)伺服電機(jī)a轉(zhuǎn)速Va，界面輸入旋轉(zhuǎn)角速度Va'，則有：

式(1)中，Kv1為減速機(jī)a的減速比，Kg為鏈帶所連接的大小齒輪比。

當(dāng)伺服電機(jī)b啟動(dòng)時(shí)，因當(dāng)前上、下工件是處于靜止?fàn)顟B(tài)的，由靜止?fàn)顟B(tài)到動(dòng)態(tài)，如果速度過(guò)高的話，會(huì)引起失步或突跳現(xiàn)像，停止時(shí)因工件處于快速運(yùn)行狀態(tài)，若突停的話，因機(jī)械慣性較大，嚴(yán)重的話會(huì)引起機(jī)械損傷，或定位不準(zhǔn)現(xiàn)像。

設(shè)伺服電機(jī)b轉(zhuǎn)速Vh，界面輸入旋轉(zhuǎn)角速度Vh'，則有：

式(2)中，Kv2為伺服電機(jī)b上的減速機(jī)b的減速比，Kw為蝸輪蝸桿的減速比，Ks為絲杠的傳動(dòng)比。

根據(jù)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，輸入及輸出量如表1所示，控制器選型為西門子S7-1200，另加RS232模塊。根據(jù)表1所示，DI0.0-DI0.7的8路用于檢測(cè)8個(gè)接近開關(guān)輸入，提供無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)的位置信息，檢測(cè)是否初始化，超出限程等操作。AI1.0-AI1.1的2路模擬量輸入用于接收無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角速度和升降位移量，實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面上，方便操作人員做出實(shí)時(shí)判斷。DQ0.0-DQ0.7的8路數(shù)字量輸出分別用于控制伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖、方向，控制X發(fā)射器和探測(cè)器上電，控制驅(qū)動(dòng)器上電以及故障報(bào)警提示。

表1 I/O對(duì)照表

采用西門子PLC1200控制器，TIA編程軟件通過(guò)梯形圖語(yǔ)言編寫控制伺服電機(jī)程序，控制雙伺服電機(jī)帶動(dòng)頂升載物平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)、升降，同步精準(zhǔn)的螺旋運(yùn)動(dòng)。編程采用博途TIA V15軟件實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 西門子PLC-1200程序編寫TIA界面

3 無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)人機(jī)交互

上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)主要是以C++語(yǔ)言為基礎(chǔ)，基于Windows系統(tǒng)的Visual Studio 2010編程環(huán)境開發(fā)[7]。采用RS232串行通訊[8]與下位機(jī)PLC1200進(jìn)行信息通訊，波特率：9600bps，校驗(yàn)位：無(wú)，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1。RS232通信初始化：報(bào)頭0xAF，報(bào)尾0xED，報(bào)文中間5個(gè)字節(jié)均為0x00。如表2所示。

表2 232通信格式

基于MFC框架類編寫人機(jī)交互界面，如圖4所示，軟件界面主要分為標(biāo)題欄，通訊控制區(qū)，參數(shù)輸入?yún)^(qū)，實(shí)時(shí)信息顯示區(qū)，操作控制區(qū)五大部分。標(biāo)題欄顯示系統(tǒng)名稱和研發(fā)單位；通訊控制區(qū)用于選擇通訊接口，設(shè)置通訊參數(shù)等；參數(shù)輸入?yún)^(qū)用于輸入X射線發(fā)射器、等距平板探測(cè)器的功能參數(shù)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、角度、線速度和運(yùn)動(dòng)距離等；實(shí)時(shí)信息顯示區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，比如電壓、電流、旋轉(zhuǎn)角速度和角度、升降速度和位移等信息；操作控制區(qū)用于操作系統(tǒng)的啟動(dòng)、暫停和停止、故障復(fù)位、數(shù)據(jù)處理等。

圖5 無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)人機(jī)交互界面

4 無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)圖像重建

X射線發(fā)射器發(fā)出的扇形X射線，穿透木材，由探測(cè)器接收，將數(shù)據(jù)以.csv格式文件上傳至PC上位機(jī)，如圖5所示，上位機(jī)中央處理器運(yùn)用反投影算法、圖像重建算法進(jìn)行圖像重建[9～11]，得到木材的橫經(jīng)弦三切面視圖，如圖7所示，再經(jīng)過(guò)線性插值算法及三維立體成像算法呈現(xiàn)木材三維立體視圖。

圖6 三維數(shù)據(jù)某層投影數(shù)據(jù)

圖7 木材三切面及立體圖

5 結(jié)語(yǔ)

本研究根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制、X射線成像原理，設(shè)計(jì)出基于PLC的X射線無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)、搭建、編程、調(diào)試等，測(cè)試驗(yàn)證了基于PLC的X射線無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性和可行性，達(dá)到預(yù)期設(shè)想目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高精度旋轉(zhuǎn)、升降掃描獲取數(shù)據(jù)，為圖像重建奠定了良好基礎(chǔ)，重建出的圖像清晰、可靠，易于下一步的圖像處理、圖像分析等工作。基于此，基于PLC的X射線無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)具有極大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，具有極高的商業(yè)價(jià)值和極其廣泛的社會(huì)效益。