多功能無損檢測儀機械控制裝置的設計

任華榮，耿言隆

(上海板換機械設備有限公司，上海 201508)

1 引言

無損檢測以其不損壞產品結構對產品進行檢測的優(yōu)勢一直被廣泛應用于工業(yè)生產中，而射線檢測是以X射線或γ射線穿透產品內部，以膠片作為記錄載體，能直觀顯示缺陷且能長期保存，方便查閱，因此射線檢測是航天、軍工、核電、船舶等領域科研生產中不可或缺的一部分，目前射線檢測主要采用由由無損檢測人員移動射線檢測設備，人工手動對焦和布片，手動曝光操作，這種操作方式使得射線對無損檢測人員的傷害較大，個人射線防護成本增加。

隨著我國工業(yè)化進程的不斷深入和無損檢測領域涉及的被檢測零部件材料形狀多樣化、種類多元化，一種高效的、適合不同行業(yè)要求的直接數字成像的X射線檢測設備需求就越來越大，多功能X射線復雜零件檢測設備的設計首先考慮采用半自動化的方式，即以人工上下料、手工裝夾的方式，配合各種專用裝夾工裝，以計算機和PLC的控制來實現檢測過程工件運動和檢測裝置運動的自動化，由人工進行缺陷識別和分揀。

2 設計思想與機械系統(tǒng)設計

2.1 設計思想

工件運動裝置由一套雙坐標(X、Y)直線運動系統(tǒng)和一套回轉工作臺構成。雙坐標(X、Y)直線運動系統(tǒng)由鋁合金型材、直線運動導軌、齒輪齒條、行星齒輪減速機、伺服電機等構成，具有運動平穩(wěn)，定位精確、噪聲低、安全可靠的特點。為了方便裝卸工件，Y向增加一套滑軌，可使回轉工作臺延伸至鉛房之外。回轉工作臺由Φ400mm工作臺面、回轉支承、大減速比行星齒輪減速機、伺服電機等構成，具有回轉平穩(wěn)、分度精確、結構緊湊、低噪音的特點。

X射線機探測器運動裝置由兩套安裝在鉛房側壁上的安裝板、導軌座板、直線導軌、同步帶、帶輪、行星齒輪減速機、伺服電機等構成，能夠同時進行平行的垂直運動，或單獨進行垂直運動，形成X射線機探測器安裝支架的傾斜，實現多角度的檢測要求。

X射線機探測器安裝支架是由兩個獨立的L型支架組成，X射線光機和X射線探測器是分別安裝在兩個L型支架之上，兩個獨立的L型支架是以導向桿和無油潤滑套起中間連接作用，并組成一個C形支架。導向桿和無油潤滑套起保持X射線機和探測器兩者在任何狀態(tài)下相對和對中，并通過伸縮來補償安裝在兩側的X射線光機與X射線探測器由于反向垂直升降所產生的距離和位置的變化。

X射線機調焦裝置是由一副輕型直線導軌和鎖緊手柄組成，轉動手柄可以調節(jié)X射線機在輕型直線導軌上的位置，從而達到調節(jié)焦距大小的目的，該裝置結構簡單實用，調整方便。

電動光柵采用左右、上下對開的方式控制窗口的大小，分別由兩個微型低速電機驅動，能夠在許可的范圍內任意調節(jié)。

單開式自動門鉛房由伺服電機、行星齒輪減速機、同步齒形帶、帶輪和安裝在直線滑軌上的鉛門構成的自動門裝置，能夠在2～3s的時間內實現門的開啟或關閉，運行平穩(wěn)，結構簡單，易于控制。鉛房射線屏蔽鉛的厚度根據射線能量的大小，選擇不同的厚度，達到國家標準規(guī)定值的20℅以下。為了有效的減少射線對操作人員及周圍環(huán)境的影響，對電纜線、冷卻水管的進出的孔洞采取迷宮式設計，即S型通道。防止射線的泄漏。

輔助工裝及輔助工器具是有效利用設備，提高檢測效率的必不可少的裝備。設備配置一個自定心三爪，作為通用標準配置。同時根據被檢測零件的形狀、大小、檢測要求等量身設計制作不同的工裝夾具，實現夾緊、定位、精度要求 ，多個工件一次裝夾，進行準確、高效的半自動化檢測的目的。

設備整體安裝在鉛房的底面和側壁之上，形成一個整體，無需特殊的基礎，只需安裝就位即可。

鉛房應按照相關標準要求建設。輻射防護應符合GB18871、GBZ117和GBZ132的有關規(guī)定。進行X射線檢測時，工作區(qū)域應按GB117的規(guī)定劃定控制區(qū)和管理區(qū)、設置警告標志。操作人員應佩戴個人劑量計，并攜帶劑量報警儀。

從事X射線檢測的人員在上崗前應進行輻射安全知識的培訓，并按有關法規(guī)的要求取得相應證書。

2.2 機械系統(tǒng)設計

基于上述設計思想，我們設計的多功能無損檢測儀機械控制裝置的機械部分由工件運動裝置、X射線機探測器運動裝置、X射線機探測器安裝支架、X射線機調焦裝置、電動光柵、單開自動門鉛房、輔助工裝及輔助工器具等七部分組成。工件運動裝置的主要作用是將工件由鉛房外送至檢測位置；調整所需要的放大倍數；調整Y軸方向的檢測位置。X射線機探測器運動裝置的主要作用是：調整Z軸方向的檢測位置實現全長檢測；盡可能實現檢測部位全覆蓋，即實現水平位置或傾斜一定角度方向的檢測方式。X射線機探測器安裝支架的主要作用是：分別安裝X射線機和探測器并保持兩者在任何狀態(tài)下位置相對和居中。X射線機調焦裝置的主要作用是：能夠調整焦距800～1000mm，適應更大的檢測范圍，調整方式為手動調節(jié)。電動光柵的主要作用是：遮擋部分射線對成像器造成不必要的損傷；防止過多的散射線對檢測結果的干擾。單開自動門鉛房的主要作用是：屏蔽射線，保證射線檢測人員及周圍環(huán)境的安全；鉛房的側壁作為機架便于安裝X射線機探測器運動裝置；由伺服電機驅動的單開式鉛門能減小工人的勞動強度，提高工作效率。輔助工裝及輔助工器具的主要作用是：針對不同的工件實現裝夾、定位、一次裝夾檢測多個小型工件，進行半自動化檢測，提高檢測效率。

3 控制原理及控制結構

系統(tǒng)所有的機械控制采用可靠性極高的PLC集中數字控制方式，整機控制系統(tǒng)自成一體，提高了系統(tǒng)的可操作性和可維護性，即使出現部分的故障，不至于造成整個系統(tǒng)的癱瘓。同時控制系統(tǒng)又通過現場總線的方式與外部通訊聯系，本設計以三菱FX3GA系列PLC作為控制中心，結合伺服電機驅動等控制元件。可以實現工作臺在X軸和Y軸這二軸向運動。實現功能如表1所示，主要有：(1)XY軸具有點動、微點動；(2)各軸安裝有極限限位，防止運動過極限；(3)緊急停止按鈕斷開進線接觸器同時斷開PLC控制。

表1 無損檢測儀實現的功能

圖像數據的接收工業(yè)控制計算機，除了作為系統(tǒng)的圖像的數據中心進行正常的圖像數據接收、處理、顯示和管理數據等工作外，通過現場總線可遠程控制PLC和X射線機的工作方式、設置有關的工作參數和完成遠程監(jiān)控的功能，同時可方便地接入企業(yè)局域網或Internet網，具有檢測結果和控制過程的遠程管理和監(jiān)控能力；圖像處理系統(tǒng)的質量主要控制指標為對比靈敏度，采用階梯試塊進行測定，圖像不清晰度，采用雙絲像質計進行測量，圖像分辨率，采用線對測試卡進行測量。

由于檢測要求運行速度平穩(wěn)，調速范圍寬，速度、位置控制精度高，所以采用交流伺服電機和步進電機，由PLC控制，速度根據檢測工藝的要求，速度范圍為0.1～3m/min，其速度由成像計算機通過現場總線遠端設定。

4 控制軟件設計

應用程序采用模塊、結構化編程，將用戶軟件分為數據文件，功能文件和程序文件三類。在編程開始時，先定義各種數據文件，如在I/O文件中配置輸入輸出模塊，并在程序開發(fā)過程中，按需要定義計時器/計數器文件、位文件、各軸運動的參數表文件等，定義這些變量時，可以指定其助記符和簡要說明，在編程時，引用了記助符(即符號地址，而不必去查變量表)。程序文件由主程序文件、子程序和中斷程序文件組成，主程序文件是程序框架，而完成過程控制、故障處理和報警、通訊、中斷處理等功能的程序段，全部組織在各個子文件程序里，供主程序或其它子程序調用。這樣的結構化方式開發(fā)，能使程序變得簡潔，易于維護，并提高程序的執(zhí)行效率，因為只有特定條件滿足時，子程序才會被調用執(zhí)行，而不是每個掃描周期都執(zhí)行所有的命令。系統(tǒng)控制軟件就是根據不同的控制模式的要求，按照模塊化結構化的方式編寫的。程序的運行功能框圖如圖1所示。

圖1 X射線多功能無損檢測機械控制程序邏輯圖

5 結論

在對國外同類設備的分析研究基礎之上，對多功能X射線復雜零件檢測設備的機械進行設計，應用程序采用模塊、結構化編程，將用戶軟件分為數據文件，功能文件和程序文件三類。實現了以PLC控制的，以工件運動為主、以X射線機探測器運動為輔的檢測運動形式，速度范圍為0.1～3m/min，達到了對工件多方位、多角度、全位置綜合檢測的目。通過檢測和現場的使用證明，該控制裝置各項技術性能指標完全達到了設計要求，具有適用范圍廣，安裝使用方便，運行平穩(wěn)，檢測效率高，安全可靠，一次裝卡就可以完成檢測，不需要射線膠片，無需暗室處理，檢測結果方便儲存，傳閱調用方便，成本價格低等特點，為我國的制造裝備業(yè)進一步提高提供了可靠的保障。