U型數(shù)字線陣X射線輪胎檢測成套設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用

曲秋華，馬單冬，岳鵬志，叢智超，張 浩

丹東奧龍射線儀器集團有限公司，遼寧丹東 118000

U型數(shù)字線陣X射線輪胎檢測成套設(shè)備是為適應(yīng)輪胎生產(chǎn)企業(yè)對輪胎質(zhì)量檢測的需求，利用X 射線數(shù)字成像技術(shù)開發(fā)設(shè)計的全自動輪胎無損檢測成套設(shè)備，可實現(xiàn)一定規(guī)格輪胎的在線質(zhì)量檢測。

通過高分辨率的圖像處理軟件能夠清晰顯示尼龍、纖維、合成橡膠等低密度材料所形成的不規(guī)則的形狀,可以通過人工輕易地分辨輪胎的側(cè)壁、胎圈、胎冠、簾線、束帶等各個部位包括金屬在內(nèi)的各種物質(zhì)、輪胎內(nèi)部脫層、氣泡、鋼絲松散和夾雜等的缺陷，從而實現(xiàn)輪胎質(zhì)量的檢測，保證輪胎制造商為用戶提供安全可靠的產(chǎn)品。

1 U型數(shù)字線陣X射線輪胎檢測成套設(shè)備構(gòu)成

該成套設(shè)備主要由輪胎規(guī)格型號測量、檢測機械傳動裝置、高頻恒壓 X 射線發(fā)生器、輪胎專用X 射線管、輪胎專用U 型射線探測器、PLC 數(shù)控系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、鉛防護室和現(xiàn)場監(jiān)視裝置組成。

1.1 輪胎型號測量裝置

該裝置主要作用是測量輪胎型號，并將信息傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)置不同規(guī)格型號輪胎控制信息，將檢測到的信息自動處理，自動控制檢測機械傳動裝置的運動。檢測裝置采用紅外線光幕測控技術(shù)，實現(xiàn)對輪胎尺寸測量。

1.2 檢測機械傳動裝置

檢測機械傳動裝置包括輪胎輸送裝置、夾胎翻轉(zhuǎn)裝置、U型探測器升降裝置、X射線管升降裝置、擴胎旋轉(zhuǎn)檢測裝置，圖1。

1.2.1 輪胎輸送裝置

該裝置主要作用是用于在線輪胎輸送。它由兩部分組成：一部分是由光筒組成輸送滾道；另一部分與夾胎翻轉(zhuǎn)裝置配合使用，布置在夾胎翻轉(zhuǎn)裝置兩側(cè)，為實現(xiàn)夾胎動作完成，采用萬向輥組成輸送滾道。以上兩部分驅(qū)動裝置采用變頻電機驅(qū)動鏈傳動，速度連續(xù)可調(diào)。

圖1

1- 輪胎輸送裝置；2- 夾胎翻轉(zhuǎn)裝置；3- U型探測器升降裝置；4- X射線

管升降裝置；5- 擴胎旋轉(zhuǎn)檢測裝置。

1.2.2 夾胎翻轉(zhuǎn)裝置

該裝置主要作用是將輸送裝置傳送到位的待檢輪胎夾住居中，翻轉(zhuǎn)90°垂直立起。夾胎機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動梯形絲杠，配合直線滑軌使夾持臂將輪胎夾住。翻胎機構(gòu)采用伺服電機配合行星減速機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸，單臂旋轉(zhuǎn)90°。

1.2.3 U型探測器升降裝置

該裝置主要作用是根據(jù)不同輪胎規(guī)格型號將U型探測器在垂直方向上升降到相應(yīng)位置，以適應(yīng)成像檢測需要。該裝置固定在鉛防護室內(nèi)側(cè)，采用伺服電機同步帶驅(qū)動直線導(dǎo)軌升降。

1.2.4 X射線管升降裝置裝置

該裝置主要作用是根據(jù)不同輪胎規(guī)格型號將X射線管在垂直方向上升降到相應(yīng)位置，以適應(yīng)成像檢測需要。該裝置固定在鉛防護室內(nèi)側(cè)，采用伺服電機同步帶驅(qū)動直線導(dǎo)軌升降。

1.2.5 擴胎旋轉(zhuǎn)檢測裝置

該裝置主要作用是接收夾胎翻轉(zhuǎn)裝置上的輪胎，并固定在相應(yīng)位置上，同時運動至檢測區(qū)進行旋轉(zhuǎn)檢測。其由底座機構(gòu)、擴胎旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、撐胎機構(gòu)構(gòu)成。

底座機構(gòu)由直線滑軌、一臺伺服電機減速機、一根滾珠絲杠絲母組成，可前后直線運動，驅(qū)動擴胎旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和撐胎機構(gòu)到夾胎翻轉(zhuǎn)裝置接胎，接胎后運行至檢測位置。

擴胎旋轉(zhuǎn)機構(gòu)具有擴胎和旋轉(zhuǎn)兩項功能，該機構(gòu)主要由4根伸縮支撐桿（含內(nèi)桿）、連桿機構(gòu)、4根伸縮撐桿旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、2臺伺服電機減速機、齒形帶、帶輪、滾珠絲杠絲母等組成。擴胎功能實現(xiàn)是由一臺伺服電機減速機驅(qū)動帶輪齒形帶，再驅(qū)動滾珠絲杠絲母，再驅(qū)動連桿機構(gòu)，完成4根伸縮支撐桿開合，垂直方向撐住不同規(guī)格輪胎內(nèi)口并增加旋轉(zhuǎn)摩擦力。旋轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)是由另一臺伺服電機減速機驅(qū)動一組帶輪齒形帶，實現(xiàn)4根伸縮支撐桿同時旋轉(zhuǎn)，通過摩擦力使輪胎旋轉(zhuǎn)運動，滿足輪胎全方位檢測要求。

撐胎機構(gòu)是通過一臺伺服電機減速機驅(qū)動絲杠絲母配合直線滑軌運動，實現(xiàn)擴胎旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的4根伸縮支撐桿內(nèi)桿前后伸縮運動，在水平方向?qū)⑤喬?nèi)口撐開，增加輪胎摩擦力和支撐點，保證輪胎平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。

1.3 高頻高壓 X 射線發(fā)生器

采用美國斯派曼產(chǎn)高頻高壓發(fā)生器 1臺，其主要參數(shù)為：輸出電壓范圍：25kV-160kV ；輸出電流范圍：0mA-10mA；最大輸出功率：2.0kW。

1.4 X 射線管

采用輪胎專用 300°周向 X射線管，其體積小（183mm*716mm）、高穩(wěn)定性、壽命長、可持續(xù)工作。可與120kV負高壓發(fā)生器連接，通用高壓電纜接口符合歐洲標準。其采用水循環(huán)冷卻器（如圖7），具有溫度設(shè)定、高溫報警、壓縮機強制制冷、設(shè)有流量和壓力雙重保護等功能，可大大地提高X 射線管可靠性，有效的保證了射線管的使用壽命。

1.5 輪胎專用 U 型射線探測器

U型X射線探測器是專門為對輪胎進行 X 射線數(shù)字掃描檢查而設(shè)計和開發(fā)的。開口寬是 702mm，開口深度是 447mm。這些成像元件呈 U 型排列，實現(xiàn)了對整個輪胎的全面檢查。高達 15m/min-30m/min 的掃描速度使 U-形成像器保證了輪胎檢測的高效率和高產(chǎn)量。該探測器具有使用壽命長，無老化現(xiàn)象，單獨電源，可承受高達 160kV能量的 X 射線直接照射特點，如圖2。

圖2

1.5 PLC 數(shù)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于控制各機構(gòu)伺服電機的驅(qū)動，保證設(shè)備各機構(gòu)的運動要求。設(shè)備采用 PLC 數(shù)字控制程序?qū)崿F(xiàn)機械運行控制，保證機械各部分協(xié)調(diào)運動，運行平穩(wěn)、精度高。觸摸屏人機界面采用人性化設(shè)計，具有自我診斷功能，便于操作。

1.6 動態(tài)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有滿足輪胎連續(xù)檢測需要的完備功能。主要包括：圖像采集、圖像動態(tài)降噪及動態(tài)顯示、圖像亮度/對比度調(diào)節(jié)、圖像正/負片顯示，圖像合成、圖像放大及放大鏡功能、分區(qū)域調(diào)整及顯示圖像，圖像存儲、查閱，工藝文件建立及選擇、使用，掃描控制等。在對輪胎進行檢測時，X 射線圖像可在線全屏上下滾動顯示。

1.7 鉛防護室

鉛防護室主要為防止X射線輻射，在檢測時提供封閉的檢測場所。

防護室是由鉛板、鋼板、方管焊接而成。鉛防護室安裝直線導(dǎo)軌、伺服電機減速機、同步齒形帶、帶輪，驅(qū)動兩扇對開鉛門快速平穩(wěn)運動。

1.8 現(xiàn)場監(jiān)視裝置

其系采用視頻監(jiān)視系統(tǒng)對檢測工況進行監(jiān)控的裝置。

2 成套設(shè)備主要性能參數(shù)

1）檢測靈敏度：0.8～2.0%

2）分辨率：0.25mm～1.3mm

3）動態(tài)圖象處理

實時動態(tài)降噪、動態(tài)存儲、回放、各種變換、邊緣增強、勾邊處理、缺陷位置和大小測量、圖像放大及放大鏡功能、分區(qū)域調(diào)整及顯示等。

2.4 檢測速度：2個/分鐘(7.5m/min～80m/min)

2.5 適用于內(nèi)徑15-25寸，外徑700mm－1370mm，斷面寬145mm－470mm，重量小于160kg的各種輪胎生產(chǎn)在線實時檢測領(lǐng)域

3 檢測工作原理及流程

1）輪胎由輸送裝置送到鉛防護室鉛門前，經(jīng)輪胎型號測量裝置檢測后，鉛門自動打開，輪胎經(jīng)夾胎翻轉(zhuǎn)裝置將輪胎由水平位置翻轉(zhuǎn)90°成垂直位置，擴胎旋轉(zhuǎn)檢測裝置接入鉛防護室檢測位置，鉛門關(guān)閉。

2）擴胎旋轉(zhuǎn)檢測裝置將輪胎放入檢測區(qū)域后同時使輪胎旋轉(zhuǎn)，U型探測器升降裝置、X射線管升降裝置裝置同時運行到預(yù)定檢測工位，X射線系統(tǒng)自動按照預(yù)先設(shè)定的程序進行檢測。

3）當檢測全部結(jié)束時，X射線自動停止。

4）鉛門自動打開，擴胎旋轉(zhuǎn)檢測裝置將輪胎送出鉛房防護室，放置到夾胎翻轉(zhuǎn)裝置將輪胎由垂直位置翻轉(zhuǎn)90°成水平位置，放到輸送裝置，運離待檢區(qū)。

5）檢測過程結(jié)束，再進行下一個循環(huán)。

4 應(yīng)用

該套設(shè)備在山東風輪輪胎有限公司應(yīng)用，每天檢測400條胎，已運行半年多，實現(xiàn)生產(chǎn)流水線在線檢測，現(xiàn)場檢測顯示各項主要技術(shù)指標達到設(shè)計要求，檢測的輪胎質(zhì)量符合國家質(zhì)量標準要求。

5 結(jié)論

1）該設(shè)備通過實際應(yīng)用，呈現(xiàn)了操作簡單，安全性高、造價、維護成本低，檢測全面、無死角特點。

2）該設(shè)備檢測圖像清晰，靈敏度高，性能可靠，可以清晰、準確地顯示出巨型輪胎的結(jié)構(gòu)缺陷及雜質(zhì)，如輪胎內(nèi)部脫層、胎體簾線間距、胎圈鋼輪鋼絲同心度以及輪胎的側(cè)壁、胎圈、胎冠、簾布、束帶等各個部位的缺陷，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量檢測的要求。

3）該設(shè)備工作運行穩(wěn)定可靠，工藝簡單，檢測效率高，大幅降低了檢測成本。

4）X射線防護室符合GB18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》，有效防止X射線輻射污染。

5）該設(shè)備還有不足之處需要不斷優(yōu)化和完善

（1）電氣控制系統(tǒng)在運動控制方面存在兩方面缺陷，一方面缺乏必要的運行保護程序，二是運行速度不柔和，產(chǎn)生沖擊和噪聲。

（2）機械設(shè)計方面結(jié)構(gòu)上未充分考慮潤滑點設(shè)計，給維護保養(yǎng)帶來不便。

（3）機械零部件加工質(zhì)量還需要進一步改進，更好地保證整機質(zhì)量。