筒體類實時多軸檢測系統的控制設計

王奎華，盛 勇，楊詩棣，齊海洋

（天津三英精密儀器股份有限公司，天津 300399）

0 引言

針對筒形機械部件的探傷設備，采用X射線透射方式檢測的大部分雙壁透射檢測。現有設備只針對圓柱的臥式可雙壁、單壁，做不到圓錐和多棱錐的單壁檢測。傳統X光探傷模式采用雙壁測量，這種成像模式圖像模糊、分辨率低且存在定位不準問題。本文研發的檢測系統可以檢測大型圓柱、圓錐及棱錐截面機械部件的缺陷。由于射線源既可以在筒形機械件的外部，又可以伸到筒體的內部，因此可以做雙壁或單壁的檢測。射線源和探測器的距離可調節，具有成像的放大功能，有較高的分辨率[1]。

1 檢測系統組成

本系統有2種操作模式，即手動模式和自動模式。對于復雜部件可采用手動模式。對于標準部件采用編程自動化檢測模式，且具有掉電記憶功能[2]。

該筒體檢測系統檢測的尺寸范圍大，可檢測的工件直徑為200～1 500 mm，檢測的高度為500～2 500 mm。檢測的部件形狀廣泛，不僅包括筒體類，還可以檢測錐體類。檢測的部件最大質量500 kg。系統總圖如圖1所示。

（1）電氣控制系統

電氣控制系統包括電源控制系統（射線源電源、探測器電源、控制器電源和伺服驅動器電源）、控制器和驅動器。

（2）小車和樣品旋轉系統

小車將樣品從鉛房外運到指定位置，轉臺安裝在小車上。在探傷時小車固定不動，轉臺轉動樣品。小車和轉臺均為中空結構，在測試時，射線源從中空部分伸出，在筒體的中間軸向方向。

圖1 系統總圖

（3）X射線源及射線管運動系統

X射線源及射線管運動系統包括射線管系統、高壓電源、高壓電纜、控制模塊及冷卻系統。

（4）探測器及探測器運動系統

探測器可以上下移動、前后移動和一定角度的旋轉。在探傷時，探測器要和射線源同步運動來完成。

（5）缺陷打標系統

缺陷打標系統包括十字對中、光學測距儀和激光雕刻機。由于激光雕刻機在一定的距離范圍聚焦打標。因此要安裝測距儀。

（6）鉛房系統

鉛房系統包括電動門、燈、5個攝像頭（包括24寸顯示器和監控器，監控器按6個攝像頭選型，使用視頻接口）及門開關。鉛房設有安全光幕，以保證人員和物件的安全。鉛房具有通風和照明系統。

2 檢測系統的設計

2.1 系統硬件

系統硬件部分主要包括運動控制部分、驅動部分的控制、射線源部分和探測器部分。

2.1.1 運動控制部分

本系統采用固高科技的GTN運動控制系統。GTN的主卡是插卡式控制卡，通過PCI-e接口與計算機相聯。與傳統的PCI接口的控制卡相比，傳輸的速率更高，功能更強大。GTN的主卡的核心采用DSP和FPGA組成，可以實現高速的點位運動。DSP數字運算速度快，具有強大的事件管理能力。FPGA具有強大的并行處理的能力，可以實現多路的數字量輸入、輸出和模擬量輸入、輸出及編碼器輸入信號等。GTN的軸擴展卡通過gLink-II總線實現主卡和擴展卡的通訊。gLink-II總線可以支持千兆以太網[3]。

GTN控制系統最多可以支持24軸，本系統根據設計功能需要7軸。因此，本系統由1個主卡和2個4軸擴展卡組成?？刂葡到y硬件設計如圖2所示。

在Win7系統下，使用運動控制器要首先安裝驅動程序，使用編程軟件需要調用指令函數動態鏈接庫文件，還需要調用網絡初始化動態鏈接庫和網絡配置的文件。使用GTN運動控制系統，首先要對系統進行配置，使運動控制器的工作狀態和工作模式滿足設計的需求。

首先要進行各個軸的配置，軸的配置功能主要分成三大塊：報警功能、停止功能和當量變換功能。報警功能主要是驅動器報警和正、負限位報警功能。報警功能要與實際工況相符，即軸的實際狀態與控制系統的狀態一致。停止功能是設置軸的停止方式是平滑停止還是緊急停止的方式及停止的時間。配置當量是規劃位置的脈沖數和實際輸出的脈沖數的比。

配置各個軸還要配置脈沖輸出，脈沖輸出方式分為“脈沖+方向”和“CCW/CW”方式，本系統選用“脈沖+方向”。

系統的控制方式配置可分為開環方式和閉環方式。進行完系統配置可以生成配置文件，并寫入到控制器中。每次系統斷電后，上電時都要加載配置文件。

系統的運動模式有點位運動模式、JOG運動模式、電子齒輪運動模式和插補運動模式。在本系統中采用了點位模式，各個軸獨立設定目標位置、運行速度、加速度、啟停時間等。

2.1.2 驅動部分的控制

軸驅動系統采用安川Σ7伺服電機和驅動單元，可以支持24 bit高分辨率編碼器，可以滿足機臺高精度的定位要求。伺服單元的速度頻率響應達到3.1 kHz，可以有效地提高速度增益環的控制，抑制速度脈動，使設備平穩運行。為了增強抑制振動的能力，陷波器濾波器由以前的2段增加到5段，濾波范圍從幾百赫茲到1 kHz[4]。

使用位置跟隨模式設定電子齒輪，電機按照設定的比例準確運行。位置增益的調整，位置環增益的可以提高位置環的響應寬度。前饋增益可以降低相位的落后誤差。

2.1.3 射線源部分的控制

射線源必須具有安全門和急停功能，安裝的安全繼電器要滿足相關的國家規范。安全回路要連接到高壓供電模塊，在安全門打開或急停功能被觸發時，切斷高壓供電以起到安全防護作用。

供電部分由主回路供電和控制回路供電。供電順序要先接通控制回路再接通主回路，斷電時先斷掉主回路再斷掉控制回路。射線源需要良好的接地，不良的接地可能會導致模塊的損壞。

射線管和高壓發生器是通過高壓電纜進行連接的。高壓電纜和高壓發生器的連接，以及和射線管的連接要按照安裝指導書進行。不規范的安裝，可能導致電纜爬電，損壞高壓電纜[5]。射線源通過網口控制方式，采用TCP/IP協議。射線源部分控制如圖3所示。

圖2 控制系統硬件圖

圖3 射線源部分控制圖

2.1.4 探測器部分的控制

非晶硅平板探測器能夠進行熒光和射線數字成像。它將照射表面的X射線轉換成光，然后將光轉換成電子數據，計算機可以將其顯示為高質量的數字圖像。低噪聲、模數轉換速度快。像素尺寸100 μm。采集速率最快達20幀/s，16位ADC，超高的靈敏度[6]。為了保障網絡的通暢，需要使用點對點的網絡通訊方式，且網絡通訊必須是千兆網以上。平板探測器和電源適配器的外殼必須可靠接地。探測器控制如圖4所示。

2.2 系統軟件

筒體檢測首先要設定樣品的物理參數，如樣品的直徑和高度等。然后按照設定的流程開始測量，檢測完成后生成測試報告。測試部分的流程如圖5所示。

圖4 探測器控制圖

圖5 筒體測試流程圖

3 控制系統的調試

（1）筒體檢測系統涉及到土建施工、鉛房施工、機械安裝等大量工作，電氣控制系統要與其他系統統籌安排，協同設計，并按序施工。電氣系統的安裝重點是射線源的安裝、調試、運行在出束前要檢查安全門鎖的可靠性。射線出束后，要檢查鉛房劑量的泄漏量，必須滿足國家的標準[7]。

（2）各個軸精確定位問題。在調試的過程中要保證運動各軸的定位精度，減小運動軸的震動，以滿足測試系統對于運動精度的要求。特別是樣品轉臺的啟停位置，位置越精確探傷拼接的圖像質量越高；運動的精度高，檢測正確率才能達到100%的要求；同時要避免相關軸的位置沖突。

（3）系統設計、制造、安裝和調試中，要充分考慮各子系統的兼容性問題[8]。特別是射線源電源系統和運動控制伺服系統之間的隔離與干擾問題。

4 結束語

本文設計的檢測系統為行業內開發的首套多功能立式筒體檢測系統，因此技術開發的難度比較大。系統融合了工業CT各硬件要素，要合理布局各個分系統，如小車和轉臺系統、射線源系統和探測器系統。在系統的設計、安裝、調試中要充分考慮各子系統的特點。由于工件的尺寸越大，檢測的精度越高，計算機處理的數據量就越大。因此提高軟件對探測圖像的處理能力可以保證探傷的質量和效率。

綜上所述，該套筒式檢測系統具有創新性，同時具有自動檢測功能，提高了檢測效率，檢測精度高于0.1 mm。對于鑄件、焊件及其他類似筒體成型件均可檢測。