筒體類實時多軸檢測系統(tǒng)的控制設(shè)計

王奎華，盛 勇，楊詩棣，齊海洋

（天津三英精密儀器股份有限公司，天津 300399）

0 引言

針對筒形機(jī)械部件的探傷設(shè)備，采用X射線透射方式檢測的大部分雙壁透射檢測?，F(xiàn)有設(shè)備只針對圓柱的臥式可雙壁、單壁，做不到圓錐和多棱錐的單壁檢測。傳統(tǒng)X光探傷模式采用雙壁測量，這種成像模式圖像模糊、分辨率低且存在定位不準(zhǔn)問題。本文研發(fā)的檢測系統(tǒng)可以檢測大型圓柱、圓錐及棱錐截面機(jī)械部件的缺陷。由于射線源既可以在筒形機(jī)械件的外部，又可以伸到筒體的內(nèi)部，因此可以做雙壁或單壁的檢測。射線源和探測器的距離可調(diào)節(jié)，具有成像的放大功能，有較高的分辨率[1]。

1 檢測系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)有2種操作模式，即手動模式和自動模式。對于復(fù)雜部件可采用手動模式。對于標(biāo)準(zhǔn)部件采用編程自動化檢測模式，且具有掉電記憶功能[2]。

該筒體檢測系統(tǒng)檢測的尺寸范圍大，可檢測的工件直徑為200～1 500 mm，檢測的高度為500～2 500 mm。檢測的部件形狀廣泛，不僅包括筒體類，還可以檢測錐體類。檢測的部件最大質(zhì)量500 kg。系統(tǒng)總圖如圖1所示。

（1）電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括電源控制系統(tǒng)（射線源電源、探測器電源、控制器電源和伺服驅(qū)動器電源）、控制器和驅(qū)動器。

（2）小車和樣品旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

小車將樣品從鉛房外運到指定位置，轉(zhuǎn)臺安裝在小車上。在探傷時小車固定不動，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動樣品。小車和轉(zhuǎn)臺均為中空結(jié)構(gòu)，在測試時，射線源從中空部分伸出，在筒體的中間軸向方向。

圖1 系統(tǒng)總圖

（3）X射線源及射線管運動系統(tǒng)

X射線源及射線管運動系統(tǒng)包括射線管系統(tǒng)、高壓電源、高壓電纜、控制模塊及冷卻系統(tǒng)。

（4）探測器及探測器運動系統(tǒng)

探測器可以上下移動、前后移動和一定角度的旋轉(zhuǎn)。在探傷時，探測器要和射線源同步運動來完成。

（5）缺陷打標(biāo)系統(tǒng)

缺陷打標(biāo)系統(tǒng)包括十字對中、光學(xué)測距儀和激光雕刻機(jī)。由于激光雕刻機(jī)在一定的距離范圍聚焦打標(biāo)。因此要安裝測距儀。

（6）鉛房系統(tǒng)

鉛房系統(tǒng)包括電動門、燈、5個攝像頭（包括24寸顯示器和監(jiān)控器，監(jiān)控器按6個攝像頭選型，使用視頻接口）及門開關(guān)。鉛房設(shè)有安全光幕，以保證人員和物件的安全。鉛房具有通風(fēng)和照明系統(tǒng)。

2 檢測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件部分主要包括運動控制部分、驅(qū)動部分的控制、射線源部分和探測器部分。

2.1.1 運動控制部分

本系統(tǒng)采用固高科技的GTN運動控制系統(tǒng)。GTN的主卡是插卡式控制卡，通過PCI-e接口與計算機(jī)相聯(lián)。與傳統(tǒng)的PCI接口的控制卡相比，傳輸?shù)乃俾矢?，功能更?qiáng)大。GTN的主卡的核心采用DSP和FPGA組成，可以實現(xiàn)高速的點位運動。DSP數(shù)字運算速度快，具有強(qiáng)大的事件管理能力。FPGA具有強(qiáng)大的并行處理的能力，可以實現(xiàn)多路的數(shù)字量輸入、輸出和模擬量輸入、輸出及編碼器輸入信號等。GTN的軸擴(kuò)展卡通過gLink-II總線實現(xiàn)主卡和擴(kuò)展卡的通訊。gLink-II總線可以支持千兆以太網(wǎng)[3]。

GTN控制系統(tǒng)最多可以支持24軸，本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計功能需要7軸。因此，本系統(tǒng)由1個主卡和2個4軸擴(kuò)展卡組成?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。

在Win7系統(tǒng)下，使用運動控制器要首先安裝驅(qū)動程序，使用編程軟件需要調(diào)用指令函數(shù)動態(tài)鏈接庫文件，還需要調(diào)用網(wǎng)絡(luò)初始化動態(tài)鏈接庫和網(wǎng)絡(luò)配置的文件。使用GTN運動控制系統(tǒng)，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行配置，使運動控制器的工作狀態(tài)和工作模式滿足設(shè)計的需求。

首先要進(jìn)行各個軸的配置，軸的配置功能主要分成三大塊：報警功能、停止功能和當(dāng)量變換功能。報警功能主要是驅(qū)動器報警和正、負(fù)限位報警功能。報警功能要與實際工況相符，即軸的實際狀態(tài)與控制系統(tǒng)的狀態(tài)一致。停止功能是設(shè)置軸的停止方式是平滑停止還是緊急停止的方式及停止的時間。配置當(dāng)量是規(guī)劃位置的脈沖數(shù)和實際輸出的脈沖數(shù)的比。

配置各個軸還要配置脈沖輸出，脈沖輸出方式分為“脈沖+方向”和“CCW/CW”方式，本系統(tǒng)選用“脈沖+方向”。

系統(tǒng)的控制方式配置可分為開環(huán)方式和閉環(huán)方式。進(jìn)行完系統(tǒng)配置可以生成配置文件，并寫入到控制器中。每次系統(tǒng)斷電后，上電時都要加載配置文件。

系統(tǒng)的運動模式有點位運動模式、JOG運動模式、電子齒輪運動模式和插補(bǔ)運動模式。在本系統(tǒng)中采用了點位模式，各個軸獨立設(shè)定目標(biāo)位置、運行速度、加速度、啟停時間等。

2.1.2 驅(qū)動部分的控制

軸驅(qū)動系統(tǒng)采用安川Σ7伺服電機(jī)和驅(qū)動單元，可以支持24 bit高分辨率編碼器，可以滿足機(jī)臺高精度的定位要求。伺服單元的速度頻率響應(yīng)達(dá)到3.1 kHz，可以有效地提高速度增益環(huán)的控制，抑制速度脈動，使設(shè)備平穩(wěn)運行。為了增強(qiáng)抑制振動的能力，陷波器濾波器由以前的2段增加到5段，濾波范圍從幾百赫茲到1 kHz[4]。

使用位置跟隨模式設(shè)定電子齒輪，電機(jī)按照設(shè)定的比例準(zhǔn)確運行。位置增益的調(diào)整，位置環(huán)增益的可以提高位置環(huán)的響應(yīng)寬度。前饋增益可以降低相位的落后誤差。

2.1.3 射線源部分的控制

射線源必須具有安全門和急停功能，安裝的安全繼電器要滿足相關(guān)的國家規(guī)范。安全回路要連接到高壓供電模塊，在安全門打開或急停功能被觸發(fā)時，切斷高壓供電以起到安全防護(hù)作用。

供電部分由主回路供電和控制回路供電。供電順序要先接通控制回路再接通主回路，斷電時先斷掉主回路再斷掉控制回路。射線源需要良好的接地，不良的接地可能會導(dǎo)致模塊的損壞。

射線管和高壓發(fā)生器是通過高壓電纜進(jìn)行連接的。高壓電纜和高壓發(fā)生器的連接，以及和射線管的連接要按照安裝指導(dǎo)書進(jìn)行。不規(guī)范的安裝，可能導(dǎo)致電纜爬電，損壞高壓電纜[5]。射線源通過網(wǎng)口控制方式，采用TCP/IP協(xié)議。射線源部分控制如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件圖

圖3 射線源部分控制圖

2.1.4 探測器部分的控制

非晶硅平板探測器能夠進(jìn)行熒光和射線數(shù)字成像。它將照射表面的X射線轉(zhuǎn)換成光，然后將光轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)，計算機(jī)可以將其顯示為高質(zhì)量的數(shù)字圖像。低噪聲、模數(shù)轉(zhuǎn)換速度快。像素尺寸100 μm。采集速率最快達(dá)20幀/s，16位ADC，超高的靈敏度[6]。為了保障網(wǎng)絡(luò)的通暢，需要使用點對點的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，且網(wǎng)絡(luò)通訊必須是千兆網(wǎng)以上。平板探測器和電源適配器的外殼必須可靠接地。探測器控制如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)軟件

筒體檢測首先要設(shè)定樣品的物理參數(shù)，如樣品的直徑和高度等。然后按照設(shè)定的流程開始測量，檢測完成后生成測試報告。測試部分的流程如圖5所示。

圖4 探測器控制圖

圖5 筒體測試流程圖

3 控制系統(tǒng)的調(diào)試

（1）筒體檢測系統(tǒng)涉及到土建施工、鉛房施工、機(jī)械安裝等大量工作，電氣控制系統(tǒng)要與其他系統(tǒng)統(tǒng)籌安排，協(xié)同設(shè)計，并按序施工。電氣系統(tǒng)的安裝重點是射線源的安裝、調(diào)試、運行在出束前要檢查安全門鎖的可靠性。射線出束后，要檢查鉛房劑量的泄漏量，必須滿足國家的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

（2）各個軸精確定位問題。在調(diào)試的過程中要保證運動各軸的定位精度，減小運動軸的震動，以滿足測試系統(tǒng)對于運動精度的要求。特別是樣品轉(zhuǎn)臺的啟停位置，位置越精確探傷拼接的圖像質(zhì)量越高；運動的精度高，檢測正確率才能達(dá)到100%的要求；同時要避免相關(guān)軸的位置沖突。

（3）系統(tǒng)設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試中，要充分考慮各子系統(tǒng)的兼容性問題[8]。特別是射線源電源系統(tǒng)和運動控制伺服系統(tǒng)之間的隔離與干擾問題。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)為行業(yè)內(nèi)開發(fā)的首套多功能立式筒體檢測系統(tǒng)，因此技術(shù)開發(fā)的難度比較大。系統(tǒng)融合了工業(yè)CT各硬件要素，要合理布局各個分系統(tǒng)，如小車和轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)、射線源系統(tǒng)和探測器系統(tǒng)。在系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試中要充分考慮各子系統(tǒng)的特點。由于工件的尺寸越大，檢測的精度越高，計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)量就越大。因此提高軟件對探測圖像的處理能力可以保證探傷的質(zhì)量和效率。

綜上所述，該套筒式檢測系統(tǒng)具有創(chuàng)新性，同時具有自動檢測功能，提高了檢測效率，檢測精度高于0.1 mm。對于鑄件、焊件及其他類似筒體成型件均可檢測。