基于虛擬儀器的數(shù)控機床超聲檢測系統(tǒng)研究

陳肖芬，張吉堂

(中北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，山西太原030051)

數(shù)控機床超聲自動檢測系統(tǒng)是集數(shù)控機床、超聲檢測系統(tǒng)為一體的高度集成化系統(tǒng)，是將工件加工和超聲檢測集成在一起，可以實現(xiàn)工件數(shù)控加工過程中的在線檢測。即工件一次裝卡后既完成加工又完成超聲檢測，檢測可以安排在工件加工前、加工中、加工后進行。

數(shù)控機床有不同類型、不同型號，因此數(shù)控機床超聲自動檢測系統(tǒng)也有不同的類型和型號、如車床超聲自動檢測系統(tǒng)、銑床超聲自動檢測系統(tǒng)等，是一類相關(guān)產(chǎn)品，也是一個產(chǎn)品族。

虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化模塊硬件結(jié)合起來，充分利用計算機系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能力，在基本硬件的支持下，用計算機完成數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、顯示、存儲等整套測試工作。通過軟、硬件的配合來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，充分利用虛擬儀器性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、無縫集成等的優(yōu)點，使用戶可以方便地對儀器進行維護、擴展和升級。另外，系統(tǒng)的操作界面非常友好便于操作，用戶可以像操作真實儀器一樣來操作虛擬儀器的面板［1－3］。

LabVIEW 是基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，是一種強有力的虛擬儀器開發(fā)工具，擁有友好的用戶界面、強大的內(nèi)置函數(shù)以及出色的儀器控制等，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲及網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW 也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、單步等。LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其他語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效?？梢暂p松實現(xiàn)系統(tǒng)編程的模塊化，將系統(tǒng)的各個任務(wù)劃分成多個子VI，由各個子VI 實現(xiàn)各個模塊的劃分和開發(fā)，是較為理想的開發(fā)平臺［4－5］。

綜上所述，作者按照虛擬儀器的設(shè)計思想，把超聲檢測技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及信號處理等技術(shù)有機地結(jié)合在一起，構(gòu)建了基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)控機床超聲自動檢測系統(tǒng)，利用LabVIEW 平臺設(shè)計并開發(fā)了該系統(tǒng)軟件的各個模塊，從而實現(xiàn)了超聲信號的實時采集、分析、處理以及缺陷識別等多種功能。

1 硬件系統(tǒng)的組成

1.1 硬件簡介

數(shù)控機床超聲自動檢測系統(tǒng)的組成如圖1所示。該系統(tǒng)的硬件部分包括計算機、超聲卡、PLC 和數(shù)控機床等。計算機是工業(yè)控制計算機，用于完成系統(tǒng)的整體運作。超聲卡選用美國物理聲學(xué)公司研制的ADIPR-1210 超聲發(fā)射/接收采集卡。該卡將超聲發(fā)射/接收功能、A/D 功能集于一體，具有100MHz 的采樣頻率。AD-IPR-1210 板是與基于WINDOWS98 的計算機進行插拔使用的PCI 板子，具有12 位A/D，采用SMT(表面封裝技術(shù))生產(chǎn)的高速高密度(10 層)卡。具有非常低的噪聲和非常卓越的超聲性能。可編程控制器選用臺達DVP-40EH00T2，該控制器提供了左側(cè)并列式高速擴展接口，可擴展應(yīng)用多樣的模塊，同時它可選擇的模塊種類也比較多。另外該板還具有內(nèi)置的RS232 與RS485 的通訊端口。數(shù)控機床可以有不同的種類和型號，包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、車削中心和其他的機床，而相同種類的機床又有不同的型號，比如數(shù)控車床有立式車床、臥式車床和多刀車床等等。但是這些不同種類不同型號的數(shù)控機床都有相同的或者相似的通信接口，文中所介紹的系統(tǒng)有RS232、RS485 和RS422 等通信接口，可以實現(xiàn)大多數(shù)的數(shù)控機床與計算機的通信。

圖1 數(shù)控機床超聲自動檢測系統(tǒng)組成

1.2 檢測原理

如圖1所示，PLC、數(shù)控機床分別通過串口(例如RS232)與計算機相連，超聲卡通過PCI 總線與計算機相連，工件安裝于數(shù)控機床的刀架上，探頭安裝于機床刀具的安裝位置，傳感器安裝于機床指定位置，可檢測探頭是否開始運動，耦合系統(tǒng)的功能是在超聲波探頭和工件之間提供耦合介質(zhì)，使從探頭發(fā)射和從工件反射回來的超聲波不被大量衰減掉，實現(xiàn)聲能從探頭向工件的傳遞［6］。

在實際檢測過程中，根據(jù)被檢測工件的形狀與掃描步距，計算機軟件編制探頭檢測工件的運動路徑，得出控制探頭運動的數(shù)控G 代碼;通過計算機將生成的數(shù)控G 代碼傳輸給數(shù)控機床，開始檢測時數(shù)控機床先帶動探頭裝置到基準(zhǔn)點位置，PLC 外觸發(fā)使超聲卡和探頭發(fā)射并接收超聲波，根據(jù)要求設(shè)置PLC發(fā)射的脈沖參數(shù)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制步進電機運轉(zhuǎn)，機械裝置帶動探頭沿被檢測零件表面運動，保證在檢測過程中探頭方向始終與零件上被檢測點的法線方向重合，實現(xiàn)信號采集與運動控制同步，探頭將采集到的超聲波信號送計入算機，由計算機軟件進行信號處理、圖像顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)字判讀等。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

一個LabVIEW 程序主要包括3 個部分:前面板、程序框圖、圖標(biāo)/接線端口。前面板是LabVIEW 程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是模擬真實的儀器。程序框圖則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。圖標(biāo)/接線端口用于把LabVIEW 程序定義成一個子程序，以便在其它程序中調(diào)用，這使LabVIEW 得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。LabVIEW 可以輕松實現(xiàn)系統(tǒng)編程的模塊化，將系統(tǒng)的各個任務(wù)劃分成多個子VI，由各個子VI 實現(xiàn)各個模塊的劃分和開發(fā)，是較為理想的開發(fā)平臺。

系統(tǒng)的前面板和程序框圖如圖2 和3所示，主要包括顯示、A/D 控制、觸發(fā)模式、脈沖發(fā)生器、濾波器、門設(shè)置、距離幅度修正、通信接口、特征值和波形顯示等。

圖2 系統(tǒng)前面板

圖3 系統(tǒng)程序框圖

(1)顯示設(shè)置包括延遲、寬度、波形信號顯示、標(biāo)度、平均波形和采樣頻率。

(2)AD 信號控制區(qū)域包括接收和發(fā)射兩部分。

(3)觸發(fā)控制區(qū)域主要是觸發(fā)器模式的選擇。

(4)P/R 控制包括脈沖發(fā)射和接收模式設(shè)置、脈沖發(fā)射電壓、阻抗、能級和脈沖寬度。

(5)濾波器控制包含帶寬和濾波值。

(6)門設(shè)置菜單包含4 個獨立的硬件可控制的門。用以檢測不同類型的缺陷。每個門的設(shè)置參數(shù)包括同步方法、門初始時間和門寬度等。每個門也能由各自的實時特征提取和特征報告的監(jiān)測門限控制。

(7)距離幅度修正部分允許修改接收的超聲信號在材料中傳播時的衰減程度。

(8)通信接口分為兩大部分，分別是與數(shù)控機床的通信、與PLC 的串口通信。通信接口設(shè)置了RS232、RS485 和RS422 3 種，如圖4所示，包括不同的接口選擇、接口地址、波特率、數(shù)據(jù)比特、停止位、奇偶性和流控制等通信參數(shù)。另外，PLC 通信時，對其設(shè)置脈沖頻率和數(shù)量。

圖4 通信部分程序框圖

(9)7 個特征值分別是“INT”、 “t1thres”、“t1peak”“tmthres”、“tmpeak”、“1peak”、“mpeak”。

(10)波形顯示是以時域信號為橫坐標(biāo)，以幅度信號為縱坐標(biāo)的實時A 掃描波形圖。如圖5所示。

圖5 波形圖

在整個程序設(shè)計中，首先完成了各個子功能模塊的程序設(shè)計，每個子模塊由更小的模塊構(gòu)成，將每個子模塊都做成子VI。每一級的模塊都以圖表的形式放置在程序流程圖中，可以根據(jù)不同的需求對模塊進行添加與修改，擴充和增加新的功能。生產(chǎn)出一系列產(chǎn)品族管理軟件，使得新程序適應(yīng)不同類型、不同種類的數(shù)控機床，更利于產(chǎn)品的升級與維護，使系統(tǒng)具有較好的通用性和可擴展性以及廣泛的適應(yīng)性。

3 結(jié)束語

利用虛擬儀器的設(shè)計思想，加上計算機部分及數(shù)控機床超聲檢測系統(tǒng)硬件部分，構(gòu)成了基于Lab-VIEW 的數(shù)控機床超聲自動檢測系統(tǒng)，使其既具有傳統(tǒng)儀器的基本功能，又能根據(jù)需求的變化隨時定義，實現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用要求，適用于不同的機床，簡化了軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程，節(jié)省了程序開發(fā)的時間，提高了開發(fā)效率。

【1】路林吉，饒家明.虛擬儀器講座——第三講面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺——LabVIEW.電子技術(shù)，2006(3):46－49.

【2】VESTH Lars，HANSEN Peder B，DAMGAARD KRISTENSEN Willy.Robot System for Ultrasonic Examination of Complex Geometries［C］//Proceedings of the 7th European conference on NDT，1998，3(7):3128－3133.

【4】鄧振杰，齊建玲.基于LabVIEW 的虛擬儀器構(gòu)建技術(shù)［J］.國外電子測量技術(shù)，2002(5):24－28.

【5】郝利華，薛英娟，宋文愛.VXI 總線系統(tǒng)控制方式的選擇［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2002，16(4):290－292.

【6】宋崇民，李玉軍.鍋爐壓力容器無損檢測［M］.鄭州:黃河水利出版社，2000.