基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床超聲檢測系統(tǒng)研究

陳肖芬，張吉堂

(中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西太原030051)

數(shù)控機(jī)床超聲自動檢測系統(tǒng)是集數(shù)控機(jī)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(shí)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(jìn)行。

數(shù)控機(jī)床有不同類型、不同型號，因此數(shù)控機(jī)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(gè)產(chǎn)品族。

虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化模塊硬件結(jié)合起來，充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，在基本硬件的支持下，用計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，充分利用虛擬儀器性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、無縫集成等的優(yōu)點(diǎn)，使用戶可以方便地對儀器進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)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(shí)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(qiáng)有力的虛擬儀器開發(fā)工具，擁有友好的用戶界面、強(qiáng)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(diǎn)、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。可以輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程的模塊化，將系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)劃分成多個(gè)子VI，由各個(gè)子VI 實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(jì)思想，把超聲檢測技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信號處理等技術(shù)有機(jī)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(jī)床超聲自動檢測系統(tǒng)，利用LabVIEW 平臺設(shè)計(jì)并開發(fā)了該系統(tǒng)軟件的各個(gè)模塊，從而實(shí)現(xiàn)了超聲信號的實(shí)時(shí)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(jī)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(jì)算機(jī)、超聲卡、PLC 和數(shù)控機(jī)床等。計(jì)算機(jī)是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，用于完成系統(tǒng)的整體運(yùn)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(dá)DVP-40EH00T2，該控制器提供了左側(cè)并列式高速擴(kuò)展接口，可擴(kuò)展應(yīng)用多樣的模塊，同時(shí)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(jī)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(jī)床，而相同種類的機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床與計(jì)算機(jī)的通信。

圖1 數(shù)控機(jī)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(jī)床分別通過串口(例如RS232)與計(jì)算機(jī)相連，超聲卡通過PCI 總線與計(jì)算機(jī)相連，工件安裝于數(shù)控機(jī)床的刀架上，探頭安裝于機(jī)床刀具的安裝位置，傳感器安裝于機(jī)床指定位置，可檢測探頭是否開始運(yùn)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(shí)現(xiàn)聲能從探頭向工件的傳遞［6］。

在實(shí)際檢測過程中，根據(jù)被檢測工件的形狀與掃描步距，計(jì)算機(jī)軟件編制探頭檢測工件的運(yùn)動路徑，得出控制探頭運(yùn)動的數(shù)控G 代碼;通過計(jì)算機(jī)將生成的數(shù)控G 代碼傳輸給數(shù)控機(jī)床，開始檢測時(shí)數(shù)控機(jī)床先帶動探頭裝置到基準(zhǔn)點(diǎn)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(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械裝置帶動探頭沿被檢測零件表面運(yùn)動，保證在檢測過程中探頭方向始終與零件上被檢測點(diǎn)的法線方向重合，實(shí)現(xiàn)信號采集與運(yùn)動控制同步，探頭將采集到的超聲波信號送計(jì)入算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)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(jì)

一個(gè)LabVIEW 程序主要包括3 個(gè)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(shí)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(jìn)行控制。圖標(biāo)/接線端口用于把LabVIEW 程序定義成一個(gè)子程序，以便在其它程序中調(diào)用，這使LabVIEW 得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。LabVIEW 可以輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程的模塊化，將系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)劃分成多個(gè)子VI，由各個(gè)子VI 實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(gè)獨(dú)立的硬件可控制的門。用以檢測不同類型的缺陷。每個(gè)門的設(shè)置參數(shù)包括同步方法、門初始時(shí)間和門寬度等。每個(gè)門也能由各自的實(shí)時(shí)特征提取和特征報(bào)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(shí)的衰減程度。

(8)通信接口分為兩大部分，分別是與數(shù)控機(jī)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(shí)，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(gè)特征值分別是“INT”、 “t1thres”、“t1peak”“tmthres”、“tmpeak”、“1peak”、“mpeak”。

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

圖5 波形圖

在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中，首先完成了各個(gè)子功能模塊的程序設(shè)計(jì)，每個(gè)子模塊由更小的模塊構(gòu)成，將每個(gè)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(jìn)行添加與修改，擴(kuò)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(jī)床，更利于產(chǎn)品的升級與維護(hù)，使系統(tǒng)具有較好的通用性和可擴(kuò)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(jì)思想，加上計(jì)算機(jī)部分及數(shù)控機(jī)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(jī)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(shí)定義，實(shí)現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用要求，適用于不同的機(jī)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(shí)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(bào)，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.