細長型零件X射線自動檢測系統研制

李曉慶，吳建龍，王飛，成群林，沈燕萍，趙賽

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

航天產品中細長型箱體鑄件空間孔位多，現有X射線檢測方法工序繁瑣、勞動強度大，檢測周期難以滿足型號生產進度要求。伴隨著現代工業的發展，對X射線檢測提出了高速度、高精度、高分辨率、高可靠性等要求。此外，檢測工作勞動強度大，效率低，成本高，特別是射線檢測對人體有害，勞動保護將成為主要問題。因此，射線檢測設備的自動化和儀器的計算機化已成為X檢測發展的方向之一［1－2］。針對航天產品特點、具體工業應用，研究實現X射線檢測自動化的原理與方法，設計一種編程簡單的控制方式和運動裝置，實現低成本的X射線自動檢測。

1 機械系統設計

1.1 設計思路

以航天產品中某型號細長型鑄造零件為例，如圖1所示，其上端面為滑軌，內部為型腔結構，兩側分布有連接支耳。為防止滑軌和連接支耳存在鑄造缺陷，檢測過程中零件在上方，X射線源位于零件正下方，檢測焦距控制在800 mm左右。通過移動射線機實現零件不同型腔部位滑軌面和連接支耳的透照檢測，如圖2所示。

圖1 某鑄造零件局部結構示意圖

圖2 X射線檢測部位示意圖

在普通工業中，細長零件X射線自動檢測要求對金屬結構件進行全方位自動掃描。因此，自動檢測系統的設計應考慮掃描速度 (指工件相對于X射線源的相對運動速度)、掃描方式、位置精度等因素。掃描速度v掃由圖像分辨率 α和降噪時間t決定(v掃=60×α/t)，其大小直接影響成像質量;掃描方式取決于工件尺寸與成像器尺寸的相對大小;位置精度可由機械結構和控制系統保證。

由于此系統通過垂直于工件的X射線檢測出工件內缺陷分布狀況，為了確定零件內部缺陷的位置，需控制X射線源沿工件長度方向運動，作單向掃描運動。且在呈像過程中對焦距有一定的要求，故將零件安裝在X射線源上方。在一般的工業自動化檢測中，常采用交流電機驅動的控制方式。按照被測工件檢測質量以及成像器的最大分辨率和成像時間，設計電機控制系統以滿足要求［3－4］。

1.2 機械結構設計

零件X射線檢測試驗裝置，如圖3、4所示，包括檢測底架、零件的安裝支架。

圖3 X射線自動檢測試驗裝置

圖4 X射線自動檢測試驗裝置原理圖

移動臺通過電機驅動齒輪齒條機構、導軌滑塊機構可在底架框上移動，支架框上裝有被檢零件鎖緊裝置，試驗時將零件固定在支架上。通過檢測底架上的移動臺機構，可將X射線檢測設備移至試驗要求位置，總設備中包括2個安裝支架，其中一個在試驗時固定，另一個通過萬向輪移動至行程范圍內的任意位置并固定，完成對不同長度零件的X射線檢測試驗。

1.3 伺服電機參數確定

伺服電機作為系統中最終運動執行元件，其輸出力矩和運轉速度的大小會直接影響檢測工藝的順利進行。

伺服電機額定輸出扭矩Tw應滿足公式 (1)要求:

式中:Tw為伺服電機額定扭矩;

i為系統傳動比;

η為傳動效率因子;

S為安全系數;

Tf為系統的負載力矩。

因為此系統的負載力矩Tf主要為導軌和滑座之間的摩擦力矩:

式中:μ為滑座導軌間摩擦因數;

m為移動平臺和射線機總質量，kg;

g為重力加速度，kg/m2;

D為齒輪節圓直徑，m。

根據設計的安全系數S=5，由式子 (1)和(2)計算可得伺服電機的額定扭矩為2.1 N·m。選擇臺達ECMAC20807伺服電機，其額定扭矩為2.39 N·m，其安全系數S可達5.3，滿足設計要求。

設在電機額定速度輸出下，移動平臺的移動速度為vn，由齒輪齒條傳動特點可知:

式中:D為為齒輪節圓直徑，m;

n為電機額定轉速，r/min;

i為系統傳動比。

將相關數據代入式 (3)，得vn=5 m/min。因伺服電機在其額定轉速范圍內運轉時為恒扭矩輸出，故在負載扭矩一定的情況下，移動平臺的輸出扭矩在(0，vn)范圍內可調節，滿足0.5～3 m/min速度可調的工藝要求。

2 控制系統設計

控制系統主要控制移動平臺的位置移動來實現對發射筒零件不同部位的X射線的拍片檢測，同時通過工業攝像機和工業監視器將射線源隨移動平臺在導軌上的位置移動進行實時、動態的圖像顯示。控制系統主要包括:人機交互界面功能設計;電氣接口設計;控制流程設計。

2.1 控制系統硬件架構

系統主要實現的是移動平臺在導軌上的位置移動，因此可以看成一個單軸系統的定位運動控制系統。目前，運動控制系統的定位控制從控制器選擇方面主要有以下3種模式［5］:(1)可編程控制器即PLC控制模式; (2)工業計算機+運動控制板卡結合控制模式;(3)專業運動控制器PAC控制模式。此系統采用小型PLC輸出脈沖控制伺服電機的模式。整個控制系統的硬件主要包括:控制器PLC、伺服驅動器及伺服電機、接近開關、工業攝像機、工業顯示器、開關電源、空氣開關、接觸器等低壓電氣元件。系統的原理框圖如圖5所示。

圖5 系統組成原理框圖

2.2 人機交互界面功能設計

整個系統人機交互界面的示意圖如圖6所示，主要包括視頻圖像顯示、工作過程狀態指示、控制信號輸入3個部分。

(1)視頻圖像顯示

系統上電后，監視器以錄像形式實時動態顯示安裝在移動平臺上的攝像機所攝取的畫面信息，同時對錄像進行存儲、記錄。

(2)工作過程狀態指示

通過設計顏色指示燈、報警器等對工作過程的狀態進行指示。主要包括前行指示燈、后退指示燈、總電源指示燈及伺服報警指示燈。

(3)控制信號輸入

通過按鈕或開關觸發PLC的相關輸入點，PLC調用相應的程序功能塊實現控制信號的預定功能。主要包括手/自動選擇開關，擋位選擇開關，前行、后退按鈕等。

圖6 人機界面示意圖

2.3 電氣接口設計

為了直觀描述人機界面上的操作命令是如何通過PLC發送給伺服驅動器以及現場的信號如何經過PLC反饋傳送給人機界面顯示［6］，對PLC的I/O口進行了電氣設計。如圖7所示，該接口電路通過外部的開關或按鈕的通/斷來改變PLC相應輸入端子的電平信號，從而實現伺服電機的JOG運行、調速、正反轉等運行狀態。同時系統實時采集接近開關信號，對移動平臺的位置進行定位控制。

圖7 電氣接口設計

2.4 控制流程設計

根據X拍片檢測的工藝，設計了手動和自動兩種控制流程。手動控制是直接伺服電機的JOG運行方式，即預先設定好驅動器速度參數，通過導通/斷開伺服驅動器的相應控制點來實現電機的正/反轉及啟停;而自動控制則是通過編寫PLC程序進行電機速度的調節以及檢測點位置的判定，并通過系統定時觸發，自動完成所有檢測點的X拍片檢測。系統的控制流程見圖8。

圖8 系統手/自動控制流程

3 實驗驗證

基于以上檢測裝置及開發的控制系統，進行了試驗驗證，如圖9—10所示。

圖9 試驗檢測圖

圖10 試驗中實時視頻畫面

長為3 000 mm的工件檢測時間由原來的4 h減少到30 min，通過射線源的自動移動完成對工件的檢測。實驗結果表明:利用此裝置可高效、可靠地實現工藝檢測要求。

4 結論

(1)基于自動化、集成化的設計思路，設計了航天產品中某典型細長零件X射線自動檢測系統，主要包括機械裝置及控制系統兩部分。

(2)研究成果已經在工程中得到成功應用，解決了該零件檢測時復雜、繁瑣的操作問題。零件檢測時間得到了大幅縮減，生產效率得到了顯著提高。

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