多功能無損檢測儀機(jī)械控制裝置的設(shè)計(jì)

任華榮，耿言隆

(上海板換機(jī)械設(shè)備有限公司，上海 201508)

1 引言

無損檢測以其不損壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品進(jìn)行檢測的優(yōu)勢一直被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而射線檢測是以X射線或γ射線穿透產(chǎn)品內(nèi)部，以膠片作為記錄載體，能直觀顯示缺陷且能長期保存，方便查閱，因此射線檢測是航天、軍工、核電、船舶等領(lǐng)域科研生產(chǎn)中不可或缺的一部分，目前射線檢測主要采用由由無損檢測人員移動射線檢測設(shè)備，人工手動對焦和布片，手動曝光操作，這種操作方式使得射線對無損檢測人員的傷害較大，個人射線防護(hù)成本增加。

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷深入和無損檢測領(lǐng)域涉及的被檢測零部件材料形狀多樣化、種類多元化，一種高效的、適合不同行業(yè)要求的直接數(shù)字成像的X射線檢測設(shè)備需求就越來越大，多功能X射線復(fù)雜零件檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)首先考慮采用半自動化的方式，即以人工上下料、手工裝夾的方式，配合各種專用裝夾工裝，以計(jì)算機(jī)和PLC的控制來實(shí)現(xiàn)檢測過程工件運(yùn)動和檢測裝置運(yùn)動的自動化，由人工進(jìn)行缺陷識別和分揀。

2 設(shè)計(jì)思想與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

工件運(yùn)動裝置由一套雙坐標(biāo)(X、Y)直線運(yùn)動系統(tǒng)和一套回轉(zhuǎn)工作臺構(gòu)成。雙坐標(biāo)(X、Y)直線運(yùn)動系統(tǒng)由鋁合金型材、直線運(yùn)動導(dǎo)軌、齒輪齒條、行星齒輪減速機(jī)、伺服電機(jī)等構(gòu)成，具有運(yùn)動平穩(wěn)，定位精確、噪聲低、安全可靠的特點(diǎn)。為了方便裝卸工件，Y向增加一套滑軌，可使回轉(zhuǎn)工作臺延伸至鉛房之外?；剞D(zhuǎn)工作臺由Φ400mm工作臺面、回轉(zhuǎn)支承、大減速比行星齒輪減速機(jī)、伺服電機(jī)等構(gòu)成，具有回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、分度精確、結(jié)構(gòu)緊湊、低噪音的特點(diǎn)。

X射線機(jī)探測器運(yùn)動裝置由兩套安裝在鉛房側(cè)壁上的安裝板、導(dǎo)軌座板、直線導(dǎo)軌、同步帶、帶輪、行星齒輪減速機(jī)、伺服電機(jī)等構(gòu)成，能夠同時進(jìn)行平行的垂直運(yùn)動，或單獨(dú)進(jìn)行垂直運(yùn)動，形成X射線機(jī)探測器安裝支架的傾斜，實(shí)現(xiàn)多角度的檢測要求。

X射線機(jī)探測器安裝支架是由兩個獨(dú)立的L型支架組成，X射線光機(jī)和X射線探測器是分別安裝在兩個L型支架之上，兩個獨(dú)立的L型支架是以導(dǎo)向桿和無油潤滑套起中間連接作用，并組成一個C形支架。導(dǎo)向桿和無油潤滑套起保持X射線機(jī)和探測器兩者在任何狀態(tài)下相對和對中，并通過伸縮來補(bǔ)償安裝在兩側(cè)的X射線光機(jī)與X射線探測器由于反向垂直升降所產(chǎn)生的距離和位置的變化。

X射線機(jī)調(diào)焦裝置是由一副輕型直線導(dǎo)軌和鎖緊手柄組成，轉(zhuǎn)動手柄可以調(diào)節(jié)X射線機(jī)在輕型直線導(dǎo)軌上的位置，從而達(dá)到調(diào)節(jié)焦距大小的目的，該裝置結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，調(diào)整方便。

電動光柵采用左右、上下對開的方式控制窗口的大小，分別由兩個微型低速電機(jī)驅(qū)動，能夠在許可的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

單開式自動門鉛房由伺服電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)、同步齒形帶、帶輪和安裝在直線滑軌上的鉛門構(gòu)成的自動門裝置，能夠在2～3s的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)門的開啟或關(guān)閉，運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。鉛房射線屏蔽鉛的厚度根據(jù)射線能量的大小，選擇不同的厚度，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的20℅以下。為了有效的減少射線對操作人員及周圍環(huán)境的影響，對電纜線、冷卻水管的進(jìn)出的孔洞采取迷宮式設(shè)計(jì)，即S型通道。防止射線的泄漏。

輔助工裝及輔助工器具是有效利用設(shè)備，提高檢測效率的必不可少的裝備。設(shè)備配置一個自定心三爪，作為通用標(biāo)準(zhǔn)配置。同時根據(jù)被檢測零件的形狀、大小、檢測要求等量身設(shè)計(jì)制作不同的工裝夾具，實(shí)現(xiàn)夾緊、定位、精度要求 ，多個工件一次裝夾，進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的半自動化檢測的目的。

設(shè)備整體安裝在鉛房的底面和側(cè)壁之上，形成一個整體，無需特殊的基礎(chǔ)，只需安裝就位即可。

鉛房應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求建設(shè)。輻射防護(hù)應(yīng)符合GB18871、GBZ117和GBZ132的有關(guān)規(guī)定。進(jìn)行X射線檢測時，工作區(qū)域應(yīng)按GB117的規(guī)定劃定控制區(qū)和管理區(qū)、設(shè)置警告標(biāo)志。操作人員應(yīng)佩戴個人劑量計(jì)，并攜帶劑量報(bào)警儀。

從事X射線檢測的人員在上崗前應(yīng)進(jìn)行輻射安全知識的培訓(xùn)，并按有關(guān)法規(guī)的要求取得相應(yīng)證書。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述設(shè)計(jì)思想，我們設(shè)計(jì)的多功能無損檢測儀機(jī)械控制裝置的機(jī)械部分由工件運(yùn)動裝置、X射線機(jī)探測器運(yùn)動裝置、X射線機(jī)探測器安裝支架、X射線機(jī)調(diào)焦裝置、電動光柵、單開自動門鉛房、輔助工裝及輔助工器具等七部分組成。工件運(yùn)動裝置的主要作用是將工件由鉛房外送至檢測位置；調(diào)整所需要的放大倍數(shù)；調(diào)整Y軸方向的檢測位置。X射線機(jī)探測器運(yùn)動裝置的主要作用是：調(diào)整Z軸方向的檢測位置實(shí)現(xiàn)全長檢測；盡可能實(shí)現(xiàn)檢測部位全覆蓋，即實(shí)現(xiàn)水平位置或傾斜一定角度方向的檢測方式。X射線機(jī)探測器安裝支架的主要作用是：分別安裝X射線機(jī)和探測器并保持兩者在任何狀態(tài)下位置相對和居中。X射線機(jī)調(diào)焦裝置的主要作用是：能夠調(diào)整焦距800～1000mm，適應(yīng)更大的檢測范圍，調(diào)整方式為手動調(diào)節(jié)。電動光柵的主要作用是：遮擋部分射線對成像器造成不必要的損傷；防止過多的散射線對檢測結(jié)果的干擾。單開自動門鉛房的主要作用是：屏蔽射線，保證射線檢測人員及周圍環(huán)境的安全；鉛房的側(cè)壁作為機(jī)架便于安裝X射線機(jī)探測器運(yùn)動裝置；由伺服電機(jī)驅(qū)動的單開式鉛門能減小工人的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。輔助工裝及輔助工器具的主要作用是：針對不同的工件實(shí)現(xiàn)裝夾、定位、一次裝夾檢測多個小型工件，進(jìn)行半自動化檢測，提高檢測效率。

3 控制原理及控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)所有的機(jī)械控制采用可靠性極高的PLC集中數(shù)字控制方式，整機(jī)控制系統(tǒng)自成一體，提高了系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性，即使出現(xiàn)部分的故障，不至于造成整個系統(tǒng)的癱瘓。同時控制系統(tǒng)又通過現(xiàn)場總線的方式與外部通訊聯(lián)系，本設(shè)計(jì)以三菱FX3GA系列PLC作為控制中心，結(jié)合伺服電機(jī)驅(qū)動等控制元件?？梢詫?shí)現(xiàn)工作臺在X軸和Y軸這二軸向運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)功能如表1所示，主要有：(1)XY軸具有點(diǎn)動、微點(diǎn)動；(2)各軸安裝有極限限位，防止運(yùn)動過極限；(3)緊急停止按鈕斷開進(jìn)線接觸器同時斷開PLC控制。

表1 無損檢測儀實(shí)現(xiàn)的功能

圖像數(shù)據(jù)的接收工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，除了作為系統(tǒng)的圖像的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行正常的圖像數(shù)據(jù)接收、處理、顯示和管理數(shù)據(jù)等工作外，通過現(xiàn)場總線可遠(yuǎn)程控制PLC和X射線機(jī)的工作方式、設(shè)置有關(guān)的工作參數(shù)和完成遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，同時可方便地接入企業(yè)局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)，具有檢測結(jié)果和控制過程的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控能力；圖像處理系統(tǒng)的質(zhì)量主要控制指標(biāo)為對比靈敏度，采用階梯試塊進(jìn)行測定，圖像不清晰度，采用雙絲像質(zhì)計(jì)進(jìn)行測量，圖像分辨率，采用線對測試卡進(jìn)行測量。

由于檢測要求運(yùn)行速度平穩(wěn)，調(diào)速范圍寬，速度、位置控制精度高，所以采用交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，由PLC控制，速度根據(jù)檢測工藝的要求，速度范圍為0.1～3m/min，其速度由成像計(jì)算機(jī)通過現(xiàn)場總線遠(yuǎn)端設(shè)定。

4 控制軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序采用模塊、結(jié)構(gòu)化編程，將用戶軟件分為數(shù)據(jù)文件，功能文件和程序文件三類。在編程開始時，先定義各種數(shù)據(jù)文件，如在I/O文件中配置輸入輸出模塊，并在程序開發(fā)過程中，按需要定義計(jì)時器/計(jì)數(shù)器文件、位文件、各軸運(yùn)動的參數(shù)表文件等，定義這些變量時，可以指定其助記符和簡要說明，在編程時，引用了記助符(即符號地址，而不必去查變量表)。程序文件由主程序文件、子程序和中斷程序文件組成，主程序文件是程序框架，而完成過程控制、故障處理和報(bào)警、通訊、中斷處理等功能的程序段，全部組織在各個子文件程序里，供主程序或其它子程序調(diào)用。這樣的結(jié)構(gòu)化方式開發(fā)，能使程序變得簡潔，易于維護(hù)，并提高程序的執(zhí)行效率，因?yàn)橹挥刑囟l件滿足時，子程序才會被調(diào)用執(zhí)行，而不是每個掃描周期都執(zhí)行所有的命令。系統(tǒng)控制軟件就是根據(jù)不同的控制模式的要求，按照模塊化結(jié)構(gòu)化的方式編寫的。程序的運(yùn)行功能框圖如圖1所示。

圖1 X射線多功能無損檢測機(jī)械控制程序邏輯圖

5 結(jié)論

在對國外同類設(shè)備的分析研究基礎(chǔ)之上，對多功能X射線復(fù)雜零件檢測設(shè)備的機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序采用模塊、結(jié)構(gòu)化編程，將用戶軟件分為數(shù)據(jù)文件，功能文件和程序文件三類。實(shí)現(xiàn)了以PLC控制的，以工件運(yùn)動為主、以X射線機(jī)探測器運(yùn)動為輔的檢測運(yùn)動形式，速度范圍為0.1～3m/min，達(dá)到了對工件多方位、多角度、全位置綜合檢測的目。通過檢測和現(xiàn)場的使用證明，該控制裝置各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有適用范圍廣，安裝使用方便，運(yùn)行平穩(wěn)，檢測效率高，安全可靠，一次裝卡就可以完成檢測，不需要射線膠片，無需暗室處理，檢測結(jié)果方便儲存，傳閱調(diào)用方便，成本價(jià)格低等特點(diǎn)，為我國的制造裝備業(yè)進(jìn)一步提高提供了可靠的保障。