一種基于工控機控制+PLC的自動化柱焊縫檢測裝置研究

張啟航，于忠海，鄭佳銘，陳厚龍，勾振寧

（上海電機學院，上海 201306）

目前，大多工件焊縫探傷X 射線拍片整個流程還處于人工操作完成階段，其操作流程是：移動調整射線機位置，放置像質計及數字標簽，把新的膠片放入工件內部透照位置處，人員全部撤離射線室，關閉防護門，開啟射線機透照，完成后再打開防護門，換取新的膠片并重復以上操作，且需要轉動工件至下一個透照位置。每次拍片結束必須將膠片帶出透照室，防止曝光。這樣生產效率低下。此次研究為提高生產效率和拍片質量設計一個自動化解決方案，實現上述操作過程自動化。國內關于X 射線拍片自動化有一定的研究，對于小口徑零件依然沒有實現自動化。因此，本項目能夠彌補在這方面的一大空缺，具有較大的科研價值。

1 控制方案以及伺服系統

此研究存在運動結構較多，大多采用步進電機控制，其主軸部分采用伺服電機。機構一共分為六大控制模塊，分別是：X 射線機組件、膠片回收盒、取放機構、主軸回轉機構、送料機構和數字標簽落放機構。由PLC 驅動控制，再由工控機調節各個模塊間協調運轉。在六大模塊中分別加入了光柵直線位移傳感器、角度編碼器、旋轉編碼器以及各種開關量，都由工業計算機監視采集信號，通過處理后下發至PLC，進而做出一系列的動作。

（1）X 射線機組件。X 射線機通過一個龍門架固定到導軌上，具有X、Y、Z 三個方向移動自由度。X 方向由步進電機驅動，光柵尺反饋實時位置，以此來確定射線機是否對準透照位置。Z 方向由步進電機+滾珠絲杠調整上下高度，以便實現自動調整片物距。Y 方向則是安裝時手動微調，以確保射線機透照射線位于工件中心線上。光柵尺直線位移傳感器，是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應速度快的特點（圖1）。

圖1 光柵直線位移傳感器

在射線機Z 方向上，采用步進電機+光柵直線位移傳感器。光柵信號處理單元完成細分與辨向，單元所處理的信號為兩路相差90°的方波,A 信號和B 信號,如圖2 所示，設一參考方向,假設相對位移方向與參考方向一致時,A 信號超前B 信號90°，圖2a 所示；相對位移方向與參考方向相反時，A 信號落后B 信號90°，圖2b 所示。辨向就是辨別光柵傳感器的相對位移方向,也就是A 信號和B 信號相位關系。

圖2

光柵位移為1 個柵距，對應輸出波形一個周期，兩路A、B 信號對應4 個前后沿變化，通過組合邏輯得到4 個脈沖。

（2）膠片回收盒。膠片回收盒的主要作用是防止未透照和已透照的照片曝光，其材料為加厚鉛板。蓋子使用推桿電機推動，每取放一次，電機推動蓋子開合一次。

由于受到X 射線機龍門架的高度限制，取放機構吸盤連接處不可過長，因此當膠片被取到最后幾張時取放機構的吸盤抵達不到膠片表面，以至不能順利吸起膠片，由此我們在膠片回收盒內部增加一個棘輪機構，蓋子每開合一次，棘輪推動回收盒底部上升一定高度，當蓋子開合20 次時，底部上升至回收盒2/3 高度處，此時通過人工拉動棘輪復原，回收盒底部復原。

（3）取放機構。取放機構是這個裝置的一大難點，要其實現自動抓取膠片比較困難，我們的設計思路是把膠片卡在一個硬質載體上，然后由吸盤來吸取，這樣有效地解決了膠片在抓取過程中變形的難題，且硬質載體是弧形的，透照的時候也能貼緊工件表面。

（4）主軸回轉機構。主軸主要驅動工件以12～16 個分度為標準轉動一圈，分別透照12～16 次，對其角度分度要求較高，故采用伺服電機驅動，外加一個角度編碼器。前段采用三抓卡盤，可以裝夾任意柱狀工件。

（5）送料機構。送料裝置主要工作是把膠片送入工件內部，且位置保證在透照位置，采用步進電機+滾珠絲杠精確定位，編碼器反饋信號。送料裝置達到指定位置后膠片端向上抬起，使膠片緊貼工件內壁，以達到較好的透照效果。在膠片端采用四連桿機構，后接推桿電機和壓縮彈簧，在非透照時間段時推桿電機拉動壓縮彈簧，連桿機構緊閉，透照時推桿電機回推，釋放壓縮彈簧，四連桿機構在彈簧力的作用下張開向上抬起，貼緊工件內壁。

該處連接步進電機和絕對式編碼器，要求實時反饋送料機構的位置，多少位（碼道）絕對值編碼器就有多少根信號電纜，每根電纜代表一位數據，以電纜輸出電平的高低代表1 或0，物理器件與增量值編碼器相似，有集電極開路NPN、PNP、差分驅動、推挽HTL 等等，分高電平有效或低電平有效來針對PNP 或NPN 的物理器件格式。推挽式輸出信號電壓較高，電壓范圍寬，器件不易損壞，與PNP 和NPN 都兼容，并行輸出的應盡量選用這種輸出。

（6）數字標簽落放機構。數字標簽落放機構用來在透照時給膠片打上標號，像質計上為鉛制零件標號，透照時把像質計卡在數字標簽上方,每透照一次，數字標簽大帶輪轉動分度，拉過一個數字，以達到給膠片標號排序功能。

2 結語

該設備與現有技術的相比較，能夠實現全自動，并能夠根據輸入零件的型號自動判斷探傷焊縫的數目、位置以及拍片數，實現了設備的智能化。而且在拍完照片后，會將所有的參數以表格的形式記錄下來，形成數據庫，為后期的檢查提供了極為有利的條件與便利，實現了設備的網絡化。

該設備操作簡單，易上手，效率高，而且在行業中暫無該設備，充分體現了設備的先進性。