煤礦坑道鉆探鉆桿斷裂智能CT 檢測研究

賈曉亮，秦 怡

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037）

0 引 言

近10 年來，煤礦井下作業(yè)自動化程度不斷提高，大數字、智能電器、智能傳感、數字信息等設備不斷涌入礦山領域，礦山老舊設備逐漸被淘汰，同時促進礦山企業(yè)往智能化、數字化發(fā)展，為企業(yè)帶來新鮮動力，使得礦山智能設備發(fā)展日益強勁，為礦業(yè)轉型升級［1］。 煤礦從傳統(tǒng)的人工作業(yè)，歷經數10 年，逐步向“機械化換人，智能化減人”發(fā)展，為企業(yè)注入新鮮血，提高企業(yè)的競爭實力。 智能、數字化、信息化設備投入使用之后，不僅削減了人工成本，同時大幅增強了礦山作業(yè)的安全性，不斷提高礦山綜采、運輸、檢測等生產的效率，保障著礦山安全生產進行，促進礦山高效率、經濟化、智能化、可持續(xù)生產進行［2-3］。

然而，在煤礦鉆具、鉆桿等方面的智能化研究仍然處于初始階段。 某些鉆桿本身在加工、制作等生產過程中，由于質量加工工藝的不可控，而導致鉆桿自身結構內部存在間隙、缺陷、氣孔、裂紋等問題。鉆桿在鉆進過程中，受到復雜外力的作用下，這些缺陷、氣孔、裂紋等問題會進一步被放大，從而導致鉆桿在鉆進過程中出現(xiàn)斷裂，阻礙了生產的正常進行，同時因為打撈困難使得人力、財力的損失巨大［2，4］。文獻［5-6］重點分析了鉆桿失效機理和壽命預測，給出了鉆桿在復雜力影響下失效的原因，具有普遍的指導意義，但不足以針對特定企業(yè)改善鉆桿制作、加工過程中的工藝以及提高加工設備質量，增強對鉆桿工藝質量的管控。 文獻［7-8］研究了鉆桿裂紋參數，主要包括尺寸、角度、深度，對裂紋表面應力分布的影響，進而造成鉆桿斷裂。

目前，國內對鉆桿斷裂的理論研究較多，但缺乏一種有效的手段來檢驗這些鉆桿自身存在的質量問題。 文獻［9］通過超聲波檢測的方式來檢測鉆桿裂紋等問題，通過吸收后的超聲波強弱來判定是否存在裂紋。 但此方法僅針對鉆桿特定部位，效率低，不能反映鉆桿內部所有的裂紋、空隙等問題。 文獻［10-11］研究了X 射線檢測工業(yè)CT 方法，利用穿透鉆桿射線的衰減強度，來判斷金屬物件內部的間隙、夾雜和裂紋等問題，通過圖像重建算法，得到金屬物件3D 模型。 通過CT 切片方法，有效辨識鉆桿內部裂紋、間隙、夾雜等問題，如實反映鉆桿生產過程中的質量問題，具有效率高、精度高等優(yōu)點。

然而，通過工業(yè)CT 技術檢測，采用人工方式檢測設備，功能單一，檢測過程為人工上下料，檢測效率低，不能適應大批量鉆桿流水線檢測過程的要求。在此基礎上，筆者研究鉆桿智能化、流水線工業(yè)CT檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備智能機械手、流水線掃描系統(tǒng)，配合設備檢測節(jié)拍，快捷、安全地實現(xiàn)被檢測工件的抓取、擺放、撤收。 配合自動上、下料功能模塊，實現(xiàn)多個鉆桿的一次性輸入，逐個檢測，檢測效率高，精度高，風險低，有助于進一步提升和增強鉆桿加工、制造工藝質量，使鉆桿質量得到進一步把控，從而降低鉆桿在鉆進過程中因斷裂而帶來的損失。

1 鉆桿智能檢測系統(tǒng)結構

鉆桿智能檢測系統(tǒng)主要由自動掃描系統(tǒng)、電氣運動控制系統(tǒng)、智能機械手及其控制系統(tǒng)、MCP 控制盒、WMS 切換盒等組成。 機械手控制器每個手臂都配有伺服運動電機，每個電機都可以通過轉矩控制來輸出大轉矩力，控制機械臂執(zhí)行相關運動動作。通過力感應反饋器，可以有效控制機械手的誤動作。MCP 手動示教盒主要用來初步調試，通過其電源控制來給手臂上電，并手動控制其運動，運動軌跡可以保存自動示教，省去編寫程序的過程。 電氣運動控制系統(tǒng)主要負責鉆具工業(yè)CT 掃描系統(tǒng)的運行，負責和機器人系統(tǒng)進行聯(lián)動通信運動，同時負責測量、安全防護等電氣控制運動。 流水線掃描系統(tǒng)是配合機械手運動，將整個檢測盤上的鉆具送到指定抓取的位置，形成流水線作業(yè)。 機器人電氣系統(tǒng)主要負責機器臂抓取、旋轉、放置等手臂動作，同時負責控制器一些外圍電路，主要為門聯(lián)鎖電路、急停聯(lián)鎖電路及其電機運動編碼等。

1.1 射線源和探測系統(tǒng)

如圖1 所示，X 射線源系統(tǒng)［12-13］的作用為提供射線源，該X 射線主要用于穿透鉆桿，X 射線穿透過程中，一定程度上會得到衰減。 基于這個原理，探測檢測系統(tǒng)用于接收經鉆具吸收衰減后的X 射線，通過檢測X 射線的強弱，來作為判斷鉆桿內部是否存在夾渣、空隙、裂紋等質量問題的依據，其主要由射線與電磁屏蔽箱、準直器、探測晶體、采集控制單元、穩(wěn)壓電源等組成。 準直器用于將透射過工件的X 射線限制在一個平面內，并將扇形射線束進行離散化，以便探測器接收信號。 同時屏蔽散射線，提高圖像質量。

圖1 探測檢測原理Fig.1 Principle of detection

1.2 機械手系統(tǒng)

將工業(yè)智能機器檢測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工作業(yè)檢測，通過設定程序可自動執(zhí)行特定、特種工作任務。 通過編輯程序，可實現(xiàn)產品在空間中不同位置、不同姿態(tài)、不同動作間調整。 該機械手將流水線上鉆桿抓取，基座主軸旋轉至轉臺位置時，機械手動作將鉆桿放入轉臺指定位置，回到原始home 位置，鉆臺旋轉，執(zhí)行掃描動作。 機械手抓取工裝由氣動夾爪和夾持工裝組成，氣動夾爪實現(xiàn)鉆桿夾持動作和夾持狀態(tài)反饋，工裝與被檢測工件直接接觸，實現(xiàn)工件的安全抓取和合理存放。 綜合考慮實現(xiàn)功能、運動行程、重復精度以及負載大小，最終確定機械手型號以及控制器型號。

1.3 電氣運動控制系統(tǒng)

如圖2 所示，運動控制采用雙閉環(huán)高精度伺服系統(tǒng)，具有高可靠、高精度等優(yōu)勢［2］。 電氣運動控制系統(tǒng)主要包括伺服電機及驅動系統(tǒng)、光柵尺位置檢測、I／O 模塊、觸摸屏控制以及計算機軟硬件等。底層控制結構負責掃描過程的控制與驅動、實時位置測量等功能。 整個電氣伺服系統(tǒng)，主要包括轉臺運動電機旋轉、徑向運動、探測電機與射線電機升、降掃描運動等。

圖2 電氣運動控制系統(tǒng)Fig.2 Electrical motion control system

電機與位置測量裝置［14-15］主要實現(xiàn)射線、探測及轉臺、自動流水線等電機的運動控制，同時通過測量光柵尺來測量檢測，并精確反映電機實時運動位置，通過測量模塊SMC30，將測量數據反饋至控制系統(tǒng)，具有精度高、速度快等特點。 觸摸屏控制主要實現(xiàn)系統(tǒng)裝、卸、調試等控制，人機界面簡單可靠。安全聯(lián)鎖主要是防止突發(fā)緊急情況下，拍下急停裝置，此時射線系統(tǒng)停止工作，不能出束，避免對操作人員的輻射傷害。 電氣系統(tǒng)通過網絡通信，在遠程控制射線源出束、停束、系統(tǒng)自動掃描等功能。 同時實時獲取采集的探測數據，便于后期圖像計算用。圖像計算機用于對來自采集系統(tǒng)的數據進行整理、校正、處理，重建鉆桿CT 圖像，并通過軟件自帶測量工具，協(xié)助檢測人員完成鉆桿內部質量特征的測量與分析。

1.4 自動掃描系統(tǒng)

如圖3 所示，將鉆桿置于檢測盤中，電機轉動帶動機械傳動，輸送帶運動。 當要被抓取的鉆桿流水線運動到裝有光電開關的位置時，電感式光電開關被遮擋，輸出低電平信號給機器人系統(tǒng)，此時電機停止轉動，機器手動作，抓取鉆桿放于轉臺位置，此時轉臺位置下方檢測光電開關被遮擋。 傳動電機開始運動，機器手回到抓取位置，執(zhí)行下一個鉆具的抓取、放置等步驟。 鉆桿存料區(qū)能一次性存儲多個被檢測工件，確保一次性上料，同時為檢測工件提供存儲中轉的區(qū)域。

圖3 自動掃描技術步驟Fig.3 Steps of auto scan technical

1.5 通信連接

機器人控制器［16-18］通過加裝Molex 通信板卡PCU-ETHIO 以支持Profinet 通信協(xié)議，通過配置軟件將機器人控制器配置為從站，使得機器人更多的是作為一個靈活的運動機構而存在，而電氣運動控制系統(tǒng)則作為整個系統(tǒng)的控制核心。 為了方便配置Profinet 板卡和監(jiān)視PLC，可以把所有設備設置在同一網段，利用交換機連接起來。

1.6 安全防護措施

外部安全防護措施如下：

1）在抓取工裝上設計防滑止口，防止抓取鉆桿過程中工件滑落。

2）在機器人運動區(qū)域鋪設防跌落安裝網，保證工件在意外情況下滑落時不接觸地面及其他設備。

3）在工業(yè)機器人運動區(qū)域的邊界做物理隔離，如光幕等，防止機器人運動過程與其他物體干涉或運動失控。

4）在抓取工裝上安裝接觸式力感應裝置，保證每次抓取工件穩(wěn)固，不漏抓或滑落。

5）急停按鈕和連鎖結構。

機器人運動區(qū)域限位如圖4 所示，為了使智能系統(tǒng)，更加安全、可靠地運行，根據不同的軸可設計軟件、電氣限位器、或內部機械限位器3 種限位來限制軸的幅度。

圖4 機器人運動區(qū)域限位Fig.4 Robot motion zone limit

在正常運行期間機器人運動的角度范圍，使用軟件及可調機械限位可以特意限制關節(jié)的范圍，在機器人的正常使用期間，都不應該到達機械限位器。

2 系統(tǒng)硬件拓撲

1）如圖5 所示，電氣運動控制系統(tǒng)［2，11-12］是選用西門子S120 系列，該系統(tǒng)技術成熟、產品穩(wěn)定性和可靠性比較強，能夠實現(xiàn)復雜的運動控制，其中測量模塊、I／O 模塊、驅動模塊和控制器之間、模塊之間，都是通過網線連接，這種方式易于擴展，簡單便捷。

圖5 電氣運動控制系統(tǒng)架構示意Fig.5 Architecture schematic of electrical electrical motion control system

2）機械臂。 本方案選擇史陶比爾成熟的6 軸工業(yè)機器人，將機械手放置于工業(yè)CT 設備機械床身附近，機器人距離轉臺較近。 選用TX90XL 機器人，最大工作半徑為1 450 mm，重復定位精度為±0.04 mm。 該機器手可搭配2 個電磁閥，為抓取和下放鉆桿提供動力控制，該機械手采用全封閉走線，所有線纜均走機械手臂內部，可靠性更強。

3）機械手控制器。 如圖6 所示，機器手控制器型號為CS8C，該控制器可用于控制機器手的動作。機器人進線主回路供電電壓為230 VAC±10%／（50／60 Hz），由控制器直接提供電源給機器臂。 控制器本身自帶3 個快速I／O，門連鎖24 VDC 信號、冗余急停連鎖24 VDC 信號等。 如果I／O 點信號不能滿足要求，可通過控制器擴展2 塊BIO 板，2 塊IO 板配置，每塊IO 板可選配16 路輸入和輸出，該IO 板采用光電隔離輸入／輸出，帶過流保護。 CS8C 控制器的CPT 單元一共有3 個PCI 卡槽，將總線通信板卡安裝在運動控制卡右側的PCI 卡槽。 通常運動控制卡（STARC Board）插在左側第1 個槽，Profinet卡插在左側第2 個槽。

圖6 機器人控制器Fig.6 Robot Controller

3 鉆桿智能掃描系統(tǒng)軟件流程

鉆桿智能掃描系統(tǒng)軟件流程如圖7 所示［19-20］。設備開機實現(xiàn)對射線／探測系統(tǒng)、電氣、機器人等系統(tǒng)的供電，此時鉛門自動打開。 將裝有N 個鉆桿的檢測盤放入鉛房內指定位置，延時一段時間后，鉛門自動關閉。 電氣運動控制系統(tǒng)自檢無誤后，流水線電機運動將第1 個要抓取的鉆桿傳動到光電開關位置，光電開關熄滅，表明鉆桿已到位。 此時機器人抓取鉆桿放入轉臺指定位置，轉臺檢測開關熄滅。 機器人回到home 位置，該位置作為機械手初始位置（抓取過程結束或者故障掉電后再上電，回到此位置），此時工業(yè)CT 系統(tǒng)啟動對鉆桿的掃描程序。 掃描過程結束后，機械手抓取轉臺上的鉆桿放入指定的托盤中。 然后依次抓取第2 個鉆桿，直至托盤上的N 個鉆桿全部掃描完成，取出第1 個檢測盤。 依次放入第2 個檢測盤，執(zhí)行下一批檢測盤上的鉆桿檢測。

圖7 鉆桿智能掃描系統(tǒng)軟件流程Fig.7 Software flow of drill pipe intelligent scanning system

4 結 論

1）通過工業(yè)CT 檢測技術，可以有效檢測出鉆桿在加工、制作、焊接和成型過程中，內部存在的裂紋、氣孔、夾渣和缺陷等質量問題，從而提高鉆桿的加工質量與工藝，減少鉆桿斷裂的風險。

2）將電氣運動控制系統(tǒng)與機械臂系統(tǒng)，引入鉆桿CT 檢測中，來代替人工上、下鉆桿，增強了檢測系統(tǒng)的安全性和效率，符合煤礦智能化的發(fā)展戰(zhàn)略。

3）在流水線自動掃描系統(tǒng)中，采用1 個伺服電機和1 個到位檢測開關并配合機械傳動系統(tǒng)，可實現(xiàn)鉆桿流水線運動的到位檢測，同時便于機械手的精確抓取，大幅提高了自動檢測效率，適用于大規(guī)模、自動化鉆桿智能檢測。

4）融合西門子S120 運動伺服系統(tǒng)，可以實現(xiàn)鉆桿旋轉、射線與探測器升降等運動的精確測量、控制、定位，具有可靠性強、精度高等特點。

5）將智能機械手控制系統(tǒng)、運動控制器、觸摸屏等系統(tǒng)配置為同一網段，便于集中控制。 將智能機械手控制器配置為從站，運動控制器配置為主站，通過主站來調用從站，同時通過現(xiàn)場觸摸屏可控制伺服電機和機械手。