X射線自動(dòng)化檢測(cè)輔助裝置的設(shè)計(jì)與研究

李夢(mèng)陽，葉 超，張日升，王增勇

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

0 引 言

X射線探傷是鑄件成型后檢測(cè)質(zhì)量缺陷的重要手段[1]。針對(duì)中、小批量產(chǎn)品，當(dāng)前大部分單位仍然采用傳統(tǒng)的膠片方式進(jìn)行X射線檢測(cè)，存在檢測(cè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)大等一系列問題。雖然已經(jīng)有基于自動(dòng)化的X射線檢測(cè)裝置[2]，但需要對(duì)現(xiàn)有X射線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行全部更換，成本很高，且這種通用系統(tǒng)對(duì)特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和檢測(cè)需求的適應(yīng)性有限。為此，針對(duì)現(xiàn)有的一類檢測(cè)任務(wù)，提出了一種基于機(jī)電一體化的X射線檢測(cè)輔助裝置設(shè)計(jì)方案，結(jié)合數(shù)字成像(DR技術(shù))[3]對(duì)老舊X射線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)。應(yīng)用實(shí)踐表明：X射線檢測(cè)輔助裝置可以有效地提高檢測(cè)效率，對(duì)同類產(chǎn)品的X射線檢測(cè)效率提升具有很好的參考意義。

1 檢測(cè)需求分析

被檢產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)質(zhì)量要求，要對(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行整周的探傷檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)工藝要求，在檢測(cè)時(shí)，被檢面應(yīng)該盡量與射線入射方向垂直，因此將檢測(cè)區(qū)域分為三段，在檢測(cè)時(shí)需要調(diào)整到三個(gè)位置分別進(jìn)行檢測(cè)。在整個(gè)檢測(cè)過程中，探測(cè)器和射線槍的位置不變，而是需要通過輔助裝置調(diào)整產(chǎn)品的位姿來實(shí)現(xiàn)不同部位的檢測(cè)。

圖1 被測(cè)產(chǎn)品及檢測(cè)部位示意

綜上，輔助裝置要求能帶動(dòng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)沿回轉(zhuǎn)軸線平移、垂直回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以及繞回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)等三個(gè)動(dòng)作。此外，由于要對(duì)筒邊緣進(jìn)行整周照射檢測(cè)，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行支承和驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)避免遮擋和干涉，這對(duì)支承和驅(qū)動(dòng)提出了新的挑戰(zhàn)。

2 總體結(jié)構(gòu)方案

由上需求分析可知，整個(gè)輔助裝置至少需要3個(gè)自由度。目前實(shí)現(xiàn)多自由度調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)[4]。串聯(lián)結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的直線和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較大且復(fù)雜，但控制調(diào)節(jié)簡單，設(shè)計(jì)便捷可控；而并聯(lián)結(jié)構(gòu)通過多桿長度的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)位姿調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)特性好，但控制相對(duì)復(fù)雜，行程較小，需要嚴(yán)格的計(jì)算和設(shè)計(jì)才能保證機(jī)構(gòu)的合理性與可靠性[5]。對(duì)于要調(diào)節(jié)的自由度不多，且行程范圍較大(要實(shí)現(xiàn)整周回轉(zhuǎn))，因此優(yōu)先選用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)分析和計(jì)算，采用大力矩伺服機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)[6]實(shí)現(xiàn)筒體垂直回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)；采用線性導(dǎo)軌+滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)[7]實(shí)現(xiàn)沿回轉(zhuǎn)軸線的平移；采用摩擦滾輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品無夾持狀態(tài)下繞回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。最終設(shè)計(jì)得到的輔助裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化檢測(cè)輔助裝置整體結(jié)構(gòu)

輔助裝置主要由移動(dòng)車架、滾輪組件、轉(zhuǎn)臺(tái)組件、導(dǎo)軌組件、探測(cè)器架以及控制系統(tǒng)等6個(gè)模塊組成。其中，移動(dòng)車架可帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、導(dǎo)軌組件、滾輪組件及產(chǎn)品在地面自由運(yùn)動(dòng)，以粗調(diào)產(chǎn)品相對(duì)射線源的位置；轉(zhuǎn)臺(tái)組件可帶動(dòng)導(dǎo)軌組件、滾輪組件和產(chǎn)品沿工作臺(tái)軸線360°轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整產(chǎn)品軸線相對(duì)射線源的角度(即照射角度)；導(dǎo)軌組件用于調(diào)整滾輪組件及產(chǎn)品在轉(zhuǎn)臺(tái)上的相對(duì)位置，以調(diào)整產(chǎn)品的照射位置；滾輪組件用于支承并驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品繞自身軸線回轉(zhuǎn)；探測(cè)器架用于調(diào)整探測(cè)器相對(duì)被測(cè)面的距離，保證探測(cè)質(zhì)量；控制系統(tǒng)用于對(duì)裝置各軸進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢測(cè)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 摩擦驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

帶動(dòng)產(chǎn)品繞自身軸線回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)是整個(gè)裝置的核心部分。有別于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)無夾持驅(qū)動(dòng)，采用了基于摩擦驅(qū)動(dòng)的滾輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

摩擦驅(qū)動(dòng)模塊包括主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組兩大部件。主動(dòng)輪組用于支承產(chǎn)品大法蘭一端，滾輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在摩擦力的作用下帶動(dòng)產(chǎn)品繞自身軸線回轉(zhuǎn)。從動(dòng)輪組用于支承產(chǎn)品小法蘭一端，不提供驅(qū)動(dòng)力。為防止主動(dòng)輪與產(chǎn)品之間發(fā)生打滑，需進(jìn)行摩擦力校核。分析受力情況如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品摩擦驅(qū)動(dòng)受力示意圖

由受力關(guān)系可得：

設(shè)輪子與產(chǎn)品表面摩擦系數(shù)為μ，則輪子所能提供的最大摩擦力矩T為：

使產(chǎn)品獲得轉(zhuǎn)動(dòng)最大加速度ε所需的力矩為：

T′=J產(chǎn)品ε

小法蘭一端的滾輪采用軸承支承，其摩擦阻力可以忽略不計(jì)。則滿足產(chǎn)品不打滑的條件為：

T>T′

由以上分析可知，直徑D越大，越不容易發(fā)生滑動(dòng)，因此將主動(dòng)輪置于大法蘭端，即D取為D1。

取產(chǎn)品質(zhì)量m為120 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為8.78 kg·m2；總長L為600 mm，質(zhì)心位置l為315 mm，大法蘭直徑D1為700 mm，兩滾輪中心距為300 mm；滾輪采用聚氨酯材料，其與鋼件表面的摩擦系數(shù)為0.18[8]。為保證一定的檢測(cè)效率，檢測(cè)時(shí)產(chǎn)品轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 r/min，最大加速度設(shè)定為1 rad/s2。分別帶入公式求得T為42.47 N·m，T′為8.78 N·m。可見，摩擦力矩足夠帶動(dòng)產(chǎn)品加速轉(zhuǎn)動(dòng)。

以滾輪驅(qū)動(dòng)所帶的最大負(fù)載慣量及加速度核算電機(jī)所需功率和扭矩，選擇電機(jī)型號(hào)為安川SGM7J-02AFA，額定功率為200 W，額定轉(zhuǎn)矩為0.637 N·m；配減速機(jī)型號(hào)為APEX DYNAMICS公司的AB060，減速比為20。主動(dòng)滾輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滾輪摩擦驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

通過同步帶輪帶動(dòng)傳動(dòng)軸及兩個(gè)聚氨酯滾輪實(shí)現(xiàn)同向、同步轉(zhuǎn)動(dòng)(滾輪與傳動(dòng)軸采用銷釘連接方式)，從而對(duì)放置在滾輪上面的產(chǎn)品施加同向的摩擦力，帶動(dòng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)臺(tái)組件和導(dǎo)軌組件為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，文中不再贅述。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)輔助裝置完全可靠的控制和調(diào)整，構(gòu)建裝置基本控制架構(gòu)如圖5所示。采用選定的控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的自動(dòng)化控制，構(gòu)建合適的上位機(jī)提供友好的人機(jī)界面。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

基于防輻射要求，輔助裝置的主體部件位于操作室內(nèi)，在操作室外配置遠(yuǎn)程上位機(jī)。上位機(jī)通過串口或者網(wǎng)口同操作室的裝置相連。室內(nèi)裝置安裝有帶顯示界面的控制卡，可以顯示各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的位置、速度等信息，除此以外，控制卡配有相應(yīng)的操作手輪，方便操作者在室內(nèi)的任意位置靈動(dòng)的操作各運(yùn)動(dòng)軸。在操作者完成室內(nèi)零件位姿的調(diào)整之后，操作者可以在室外通過上位機(jī)運(yùn)行操控裝置，如圖6所示。

圖6 器件電氣線路示意圖

3.3 基于工藝設(shè)計(jì)集成的軟件設(shè)計(jì)

通過上述構(gòu)建的機(jī)電裝置，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品位姿的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。為進(jìn)一步便利X射線檢測(cè)操作人員調(diào)整檢測(cè)工藝參數(shù)，將運(yùn)動(dòng)控制界面和工藝參數(shù)界面集成為一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)檢測(cè)過程的集成與優(yōu)化。操作員只需在控制軟件上做簡單的輸入操作，即可完成工藝參數(shù)自動(dòng)計(jì)算、檢測(cè)程序生成和管理等相關(guān)操作，如圖7所示。該系統(tǒng)極大方便了操作員的使用，提升了檢測(cè)效率。在新構(gòu)建的系統(tǒng)下，檢測(cè)流程如圖8所示。

圖7 基于工藝設(shè)計(jì)集成的軟件界面

圖8 X射線檢測(cè)流程

4 結(jié) 語

采用上述研制的X射線自動(dòng)化檢測(cè)輔助裝置對(duì)傳統(tǒng)膠片式的X射線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化升級(jí)，經(jīng)實(shí)際使用后，檢測(cè)效率相比未優(yōu)化前提升了2倍。

可見，設(shè)計(jì)的輔助裝置方案合理，采用摩擦滾輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，解決了筒形部件無夾持狀態(tài)下的自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)問題。本輔助裝置的研制有效地提升了X射線檢測(cè)的效率，此類裝置及改進(jìn)思路可以廣泛應(yīng)用于類似檢測(cè)場合。