筒体类实时多轴检测系统的控制设计

王奎华，盛 勇，杨诗棣，齐海洋

（天津三英精密仪器股份有限公司，天津 300399）

0 引言

针对筒形机械部件的探伤设备，采用X射线透射方式检测的大部分双壁透射检测。现有设备只针对圆柱的卧式可双壁、单壁，做不到圆锥和多棱锥的单壁检测。传统X光探伤模式采用双壁测量，这种成像模式图像模糊、分辨率低且存在定位不准问题。本文研发的检测系统可以检测大型圆柱、圆锥及棱锥截面机械部件的缺陷。由于射线源既可以在筒形机械件的外部，又可以伸到筒体的内部，因此可以做双壁或单壁的检测。射线源和探测器的距离可调节，具有成像的放大功能，有较高的分辨率[1]。

1 检测系统组成

本系统有2种操作模式，即手动模式和自动模式。对于复杂部件可采用手动模式。对于标准部件采用编程自动化检测模式，且具有掉电记忆功能[2]。

该筒体检测系统检测的尺寸范围大，可检测的工件直径为200～1 500 mm，检测的高度为500～2 500 mm。检测的部件形状广泛，不仅包括筒体类，还可以检测锥体类。检测的部件最大质量500 kg。系统总图如图1所示。

（1）电气控制系统

电气控制系统包括电源控制系统（射线源电源、探测器电源、控制器电源和伺服驱动器电源）、控制器和驱动器。

（2）小车和样品旋转系统

小车将样品从铅房外运到指定位置，转台安装在小车上。在探伤时小车固定不动，转台转动样品。小车和转台均为中空结构，在测试时，射线源从中空部分伸出，在筒体的中间轴向方向。

图1 系统总图

（3）X射线源及射线管运动系统

X射线源及射线管运动系统包括射线管系统、高压电源、高压电缆、控制模块及冷却系统。

（4）探测器及探测器运动系统

探测器可以上下移动、前后移动和一定角度的旋转。在探伤时，探测器要和射线源同步运动来完成。

（5）缺陷打标系统

缺陷打标系统包括十字对中、光学测距仪和激光雕刻机。由于激光雕刻机在一定的距离范围聚焦打标。因此要安装测距仪。

（6）铅房系统

铅房系统包括电动门、灯、5个摄像头（包括24寸显示器和监控器，监控器按6个摄像头选型，使用视频接口）及门开关。铅房设有安全光幕，以保证人员和物件的安全。铅房具有通风和照明系统。

2 检测系统的设计

2.1 系统硬件

系统硬件部分主要包括运动控制部分、驱动部分的控制、射线源部分和探测器部分。

2.1.1 运动控制部分

本系统采用固高科技的GTN运动控制系统。GTN的主卡是插卡式控制卡，通过PCI-e接口与计算机相联。与传统的PCI接口的控制卡相比，传输的速率更高，功能更强大。GTN的主卡的核心采用DSP和FPGA组成，可以实现高速的点位运动。DSP数字运算速度快，具有强大的事件管理能力。FPGA具有强大的并行处理的能力，可以实现多路的数字量输入、输出和模拟量输入、输出及编码器输入信号等。GTN的轴扩展卡通过gLink-II总线实现主卡和扩展卡的通讯。gLink-II总线可以支持千兆以太网[3]。

GTN控制系统最多可以支持24轴，本系统根据设计功能需要7轴。因此，本系统由1个主卡和2个4轴扩展卡组成。控制系统硬件设计如图2所示。

在Win7系统下，使用运动控制器要首先安装驱动程序，使用编程软件需要调用指令函数动态链接库文件，还需要调用网络初始化动态链接库和网络配置的文件。使用GTN运动控制系统，首先要对系统进行配置，使运动控制器的工作状态和工作模式满足设计的需求。

首先要进行各个轴的配置，轴的配置功能主要分成三大块：报警功能、停止功能和当量变换功能。报警功能主要是驱动器报警和正、负限位报警功能。报警功能要与实际工况相符，即轴的实际状态与控制系统的状态一致。停止功能是设置轴的停止方式是平滑停止还是紧急停止的方式及停止的时间。配置当量是规划位置的脉冲数和实际输出的脉冲数的比。

配置各个轴还要配置脉冲输出，脉冲输出方式分为“脉冲+方向”和“CCW/CW”方式，本系统选用“脉冲+方向”。

系统的控制方式配置可分为开环方式和闭环方式。进行完系统配置可以生成配置文件，并写入到控制器中。每次系统断电后，上电时都要加载配置文件。

系统的运动模式有点位运动模式、JOG运动模式、电子齿轮运动模式和插补运动模式。在本系统中采用了点位模式，各个轴独立设定目标位置、运行速度、加速度、启停时间等。

2.1.2 驱动部分的控制

轴驱动系统采用安川Σ7伺服电机和驱动单元，可以支持24 bit高分辨率编码器，可以满足机台高精度的定位要求。伺服单元的速度频率响应达到3.1 kHz，可以有效地提高速度增益环的控制，抑制速度脉动，使设备平稳运行。为了增强抑制振动的能力，陷波器滤波器由以前的2段增加到5段，滤波范围从几百赫兹到1 kHz[4]。

使用位置跟随模式设定电子齿轮，电机按照设定的比例准确运行。位置增益的调整，位置环增益的可以提高位置环的响应宽度。前馈增益可以降低相位的落后误差。

2.1.3 射线源部分的控制

射线源必须具有安全门和急停功能，安装的安全继电器要满足相关的国家规范。安全回路要连接到高压供电模块，在安全门打开或急停功能被触发时，切断高压供电以起到安全防护作用。

供电部分由主回路供电和控制回路供电。供电顺序要先接通控制回路再接通主回路，断电时先断掉主回路再断掉控制回路。射线源需要良好的接地，不良的接地可能会导致模块的损坏。

射线管和高压发生器是通过高压电缆进行连接的。高压电缆和高压发生器的连接，以及和射线管的连接要按照安装指导书进行。不规范的安装，可能导致电缆爬电，损坏高压电缆[5]。射线源通过网口控制方式，采用TCP/IP协议。射线源部分控制如图3所示。

图2 控制系统硬件图

图3 射线源部分控制图

2.1.4 探测器部分的控制

非晶硅平板探测器能够进行荧光和射线数字成像。它将照射表面的X射线转换成光，然后将光转换成电子数据，计算机可以将其显示为高质量的数字图像。低噪声、模数转换速度快。像素尺寸100 μm。采集速率最快达20帧/s，16位ADC，超高的灵敏度[6]。为了保障网络的通畅，需要使用点对点的网络通讯方式，且网络通讯必须是千兆网以上。平板探测器和电源适配器的外壳必须可靠接地。探测器控制如图4所示。

2.2 系统软件

筒体检测首先要设定样品的物理参数，如样品的直径和高度等。然后按照设定的流程开始测量，检测完成后生成测试报告。测试部分的流程如图5所示。

图4 探测器控制图

图5 筒体测试流程图

3 控制系统的调试

（1）筒体检测系统涉及到土建施工、铅房施工、机械安装等大量工作，电气控制系统要与其他系统统筹安排，协同设计，并按序施工。电气系统的安装重点是射线源的安装、调试、运行在出束前要检查安全门锁的可靠性。射线出束后，要检查铅房剂量的泄漏量，必须满足国家的标准[7]。

（2）各个轴精确定位问题。在调试的过程中要保证运动各轴的定位精度，减小运动轴的震动，以满足测试系统对于运动精度的要求。特别是样品转台的启停位置，位置越精确探伤拼接的图像质量越高；运动的精度高，检测正确率才能达到100%的要求；同时要避免相关轴的位置冲突。

（3）系统设计、制造、安装和调试中，要充分考虑各子系统的兼容性问题[8]。特别是射线源电源系统和运动控制伺服系统之间的隔离与干扰问题。

4 结束语

本文设计的检测系统为行业内开发的首套多功能立式筒体检测系统，因此技术开发的难度比较大。系统融合了工业CT各硬件要素，要合理布局各个分系统，如小车和转台系统、射线源系统和探测器系统。在系统的设计、安装、调试中要充分考虑各子系统的特点。由于工件的尺寸越大，检测的精度越高，计算机处理的数据量就越大。因此提高软件对探测图像的处理能力可以保证探伤的质量和效率。

综上所述，该套筒式检测系统具有创新性，同时具有自动检测功能，提高了检测效率，检测精度高于0.1 mm。对于铸件、焊件及其他类似筒体成型件均可检测。