基于线扫描式X 射线检测系统的缺陷自动标记装置

2010-12-04尚宝刚夏海涛

无损检测 2010年10期

尚宝刚,夏海涛,高波

(丹东华日理学电气有限公司,丹东 118001)

线扫描式X 射线实时成像检测系统中,不仅需要检测出产品工件是否有缺陷,而且还需要在工件上精确标记出缺陷的位置,为缺陷的系统分析和工件的修补提供数字参数。国内外传统的打标装置多采用喷涂色漆等方法, 存在漆液堵塞喷头、漆液污染、标记点大和定位不精确等问题,不能满足线扫描式X 射线实时成像检测系统精确定位打标的要求。针对这一问题,介绍了一套自动定位打标装置,并在该装置的自动控制定位、弹性触击标记及精确标记笔头等方面,进行系统分析研究,以达到高标准定位标记的使用要求[1-3]。

1 线扫描X 射线实时成像系统简介

线扫描式X 射线实时成像检测系统结构如图1所示。

图1 X 射线成像系统结构图

2 自动标记装置的整体结构

缺陷自动标记装置安装在支撑线扫描板的固定连接板上,与线扫描板同向紧靠连接。自动标记装置分别由标记笔头、气动打标笔、直线导轨及直线步进电机组成,具体结构如图2 所示。其中标记笔头由笔帽、笔头和颜色触头芯组成,并在触头芯内部存储液态颜料。标记笔头在气动打标笔的前端用螺纹旋紧安装固定。气动打标笔采用可伸缩的微型气缸,通过固定压紧块,用螺钉固定在移动导向导轨上。通过调节压紧块,可调节气动打标笔的前后位置距离,以满足工作行程需要。微型气缸通过调速节流阀与气管连接,气管另一端通过电磁阀与气源相连。直线导轨与扫描板平行放置,用螺钉固定在固定连接板上。直线步进电机的转子直接由螺旋丝杆构成,与直线导轨平行,固定在固定连接板上,丝杆前端与导轨滑连接固定。几部分顺序组合构成缺陷自动标记装置的硬件结构。

图2 缺陷自动标记装置结构图

3 自动标记装置的检测应用

X 射线实时成像检测开始时,随着被检测工件线性移动,开启的X 射线透过被检测工件将图像通过扫描成像器显示在控制系统的计算机上。显示的被检测工件图像如图3 所示。其中X 轴为线扫描板平行方向,X 轴原点为线扫描板成像区域的一端顶点,Y 轴为线扫描板的垂直方向,Y 轴原点为成像开始扫描移动的起点。当发现缺陷时,鼠标点击标定缺陷位置,定位缺陷点位置相对于原点的X 轴和Y 轴坐标,如(103,42)。控制系统通过计算机软件计算出缺陷的实际物理位置,控制驱动器动作。驱动器发出有效脉冲,驱动直线步进电机转动,从而带动丝杆及打标笔沿直线导轨从X 轴原点出发移动103 mm 到指定缺陷点的横向坐标位置。控制系统控制驱动器驱动工件移动平台垂直纵向移动,回到距离Y 轴起始原点48 mm 处。经过两轴同步移动,完成打标笔在检测出的缺陷点上方定位。此时控制系统控制打标笔气缸的电磁阀动作,活塞杆受力弹出,带动标记笔头弹起触击工件,并通过颜色笔芯在工件缺陷点位置打上标记点。标记缺陷位置后打标笔杆受电磁阀动作迅速弹回, 并退回到X 轴原点处,完成整个定位打标过程。再次检测发现缺陷时,按照同样步骤过程,完成各缺陷点的精确定位打标。

图3 缺陷成像位置示意图

4 气动弹性打标笔的结构性能分析

在检测中,被检测工件的外形尺寸很不规则,其被检测表面总是凹凸不平,高低差值很大。这就要求打标笔具有弹性伸缩功能,满足不同深度的打标要求。同时又不能划伤被检工件表面,不能采用硬性大力矩伸缩机械结构。微型气缸是采用气压为动力的简单伸缩机构。通过调整输入气压的大小,可调整伸缩的输出力矩值大小。气缸触到工件后,当触到阻力的反作用力等于输入气压的压力值时,便会停止运动。这种柔性的伸缩性能满足了不同深度的检测要求。

通过碰撞压力试验计算, 打标输出力矩应＞0.5 N。选择满足相应条件的且体积最小的标准气缸ESNU-8-50-P-A。调整控制阀来调整输出压力和流量,达到使用要求。其具体系统参数如下:缸径φ8 mm;行程50 mm;最大工作压力1 MPa;温度范围-20 ～80 ℃;0.6 MPa 的推进力30 N;0.6 M Pa的返回力23 N;连接尺寸M 5。

配备连接气动附属配件如单向节流阀、气管、电磁阀、连接阀和过滤阀等。最后安装到导轨安装基座上即可。可根据被检测工件的具体几何尺寸,选用不同行程的气缸,调整气缸的安装位置等。

5 标记笔头的结构性能分析

标记笔头的结构性能直接影响到标记点的大小和清晰度等关键性打标指标。其构成结构如图4所示。

(1)笔帽用来罩住颜色笔芯,防止笔芯颜色过分蒸发,避免笔芯干涩标记不清。在检测时要取下来,当设备长时间不使用时需将笔帽盖在笔头上。

图4 标记笔头结构图

(2)笔头缺陷打标时笔头会经常与工件表面碰撞,为了防止划伤工件和碰坏笔头,笔头采用非金属材料尼龙或橡胶制成,以保证其具有一定的柔软性和弹性。笔头下部为M4 的螺纹,以旋紧连接在气缸杆的顶端。上端为锥形结构,用来固定笔芯,防止笔芯从上面脱落。在笔头的侧面需要钻一个圆孔,用来透气和灌注液体颜色油使用。

(3)颜色触头芯触头芯的大小直接决定着缺陷定位标记的大小,可根据实际检测需要确定加工。但其直径不能过小,否则不利于用肉眼观察缺陷的位置,造成错检或漏检。一般应在φ2 ～6 mm 之间。可选择大小为φ2.5 mm 的触头芯。

对于标记核心的触头芯的材料的选择,进行了反复多次的试验。选用了多种不同的芯头材料来做标记性能的比较。第一种为硬质纤维即记号笔油芯,虽然可以进行标记,但时间稍微长后油芯就会被空气风干,颜色油挥发,不能再次标记使用。第二种为钙质粉末材料即粉笔,其容易折断和标记不清的缺点也不能被使用。最后选择确定EVA 海绵(即原子印章垫绵)为芯材料,芯头直径φ2.5 mm,成锥形嵌入笔头,注入印油后便可使用。其性能特点为材质柔软吸附性好,不易折断,标记点清晰醒目,不易风干,可长时间使用。

6 驱动电机的选择和控制分析

6.1 直线步进电机的选择及功能参数

根据计算机集成自动控制的需要,需要选择能够用计算机输出控制的步进电机或者是伺服电机。由于打标笔固定在直线导轨上行走,所受的行走阻力非常小,经计算约为0.1 N。故选择的驱动电机输出力矩＞0.1 N 即可。综合考虑经济成本及匹配适中的外形尺寸,选择43F4R-05-039 型贯通轴式混合式直线步进电机。其系统性能参数如下:功耗7 W;转子惯量3.7×10-6kg·m;温升75 ℃;重量241 g ;绝缘电阻20 MΩ;输出推力1000 转时为300 N;外形尺寸为43 mm×43 mm×20 mm,均达到了使用要求。

6.2 驱动器的运转驱动

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构,其功能的实现需要控制系统和驱动器相配合。系统框图如图5 所示。

图5 控制驱动框图

控制系统发生的脉冲个数控制电机的位置(每步步长X 脉冲数),脉冲频率控制电机速度。控制系统以1 k PPS(pulse/s)的频率发2 000 个脉冲给驱动器, 驱动器以整步方式驱动步进长为0.050 8 mm的电机,直线位移量为2 000×0.050 8 mm =101.6 mm, 移动速度为1 000×0.050 8 mm=50.8mm/s。