COLLMANN2824轮胎检测X光机U形探测器及硬件升级

孟烁，马强，姜波

(桦林佳通轮胎有限公司，黑龙江 牡丹江 157400)

X光检测机主要用于检测轮胎的内部缺陷。包括金属在内的各种杂质、轮胎内部气泡、钢丝松散以及合成橡胶等低密度材料所形成的不规则的形状，例如轮胎的侧壁、胎圈、胎冠、帘线、带束层等各个部位的缺陷。本次改造是针对此问题在原COLLMANN2824轮胎X光检测设备基础上，更换U形探测器及其相关机械安装部件，更换工控机、数据采集卡等硬件；另对COLLMANN2824原PLC程序进行解析，解析PLC与工控机的OPC通讯内容，再通过上位机软件对必要的参数进行读写操作，实现新成像系统与原控制系统的兼容；通过改造可显著的提高图像的检测效果，延长设备的使用寿命。

2个改造后设备成像系统的优异性能：

（1）图像自动学习模式，对于胎冠和子口根据不同轮胎进行对比度和亮度提升，提高整幅图像的检测质量。

（2）系统可以本地保存所有轮胎的X射线图像，并预留上传图像到工厂信息化系统的接口，为产品质量的可追溯性提供了保证。

（3）探测器模拟轮胎外形设计，保证最大程度地契合轮胎，使得图像无盲区扫描，比例更均匀。

（4）模块化的传感器前端单元设计，只需更换相应单个故障模块单元，大大降低维护成本。

（5）用户通过图像调整工具，可以在屏幕上分别调整不同区域的明暗度和对比度，使整个图像更加清晰，易于观察。

1 成像系统电气改造：成像系统硬件构成

1.1 成像系统主要构成部件

（1）1套U形探测器（即U形成像板，美亚自主研发）

（2）1块串口卡PCI-1601A

（3）1套工业计算机系统组件

（4）1块数据采集卡PIXCI CL1

（5）1块开关电源TX-1020G

（6）1套系统连接电缆

U形探测器由组装盒体、内部电路板、X光传感器和相应接口组成，主要完成图像的采集、处理及传输功能。U形探测器外观及接口如图1所示。

图1 U形探测器外观

J3-COM：串行通讯接口；J1-PWR：电源接口；J2-Camerlink：图像数据传输接口

1.2 U形探测器参数

3456像素分辨率、栅距0.4 mm、A/D转换速率16bit、扫描速度为4～36 m/min；串口卡PCI-1601A主要完成通讯方式的转换（PCI转RS-422），以适合控制命令的远距离传输。工业计算机系统主要完成图像数据的接收、成像显示、打印、图像保存管理、参数设置等功能，且工控机通过以太网的方式完成与PLC间的通信。（配置：工业级主板： AIMB-501，CPU；I32130， 硬盘：1T，内存：2G，工业级机箱：IPC-510，DVD-RW和正版XP Pro ）

数据采集卡PIXCI CL1为图像数据的Camerlink接口处理板卡。

开关电源TX1020G主要为U形探测器提供+6V、+8V和+12V的电源。

2 成像系统与PLC通信相关程序改造

依据原工控机的PC站组态数据，在替换的工控机上建立相同配置的OPC服务器，这样可建立与原配置相同的以太网通讯硬件连接；其次，通过分析工控机与PLC通讯内容，提取新成像系统所要用到的通讯数据，对影响PLC控制流程的通讯数据，按照原方式对这些数据进行读写操作，这样可建立与原通讯方式兼容的以太网通讯连接。通过以上处理，可使新的成像系统与原PLC系统融为一体，实现新成像系统的完全兼容替换。表1列出了部分通讯数据。

表1 以下列出部分通讯数据：

字数据传输中，DB*.DBW0、DB*.DBW2、DB*.DBW4、DB*.DBW6、DB*.DBW8、DB*.DBW66为与原成像系统使用的相关数据，因此成像系统的使用是无需获取这些数据信息的。同时，PLC在对这些数据进行操作时，只对数据进行写操作，因此在更换美亚U形成像系统后，这些数据可以保留不做任何更改，它们既不影响流程的正常运行，也不影响成像系统的使用。而DB*.DBW60（Inspection Result）存储的是检测结果，它是通过判定按钮输入数据值的，因此这一数据是需保留使用的。其中合格判定DB*.DBW60=1，次品（保留）判定DB*.DBW60=2，不合格判定DB*.DBW60=3。

位数据的传输中，DB*.DBX11.0、DB*.DBX13.0为成像系统扫描图像时使用，PLC程序仅对其进行写操作，本身并不影响PLC的流程运行，因此更换成像系统后，可保留DB*.DBX11原使用不做更改，保留DB*.DBX13. 0为美亚成像系统开始扫描的标识位。DB*.DBX123.0为PLC结束扫描标识位，可为成像系统扫描结束标识位使用。

3 成像系统机械改造

3.1 U形探测器机械安装位置改造

为了使安装方便，尽可能减少安装结构的改动，保留原COLLMANN2824设备的探测器安装支架，去除原设备的U形探测器和探测器安装板。根据原设备的U形尺寸，定制一款U形探测器，其宽度尺寸接近原设备，高度尺寸略高于原设备，并根据原设备安装支架开孔位置重新设计探测器安装板。

安装板设计如图2所示，其安装板槽型孔的相对位置保持与原设备内侧4个孔一致。

图2 探测器安装示意图

由于替换前后探测器的厚度尺寸并不一致，而且替换前后探测器的射线接收窗口位置也有所改变，因此需要通过螺帽、螺栓调节方式（图3），并借助校准工装在垂直方向上调节探测器前后位置，以确保射线发射扇面与射线接收窗口可以保持在同一平面。

图3 螺帽、螺栓调节示意图

3.2 U形探测器本体机械尺寸改造

由于U形探测器更换前后宽度基本保持一致，但高度略有差异，因此改造后的U形探测器上下运动定位问题需要考虑。假设COLLMANN2824使用的探测器高度为X，美亚自主研发的探测器高度为Y，探测器下端面与射线管相对位置为Z，同时由于美亚探测器高度高于COLLMANN2824使用的探测器，则其高度差为Y-X。通过更改探测器的机械安装高度，把美亚探测器的安装高度上移Y-X的值，则更换前后探测器的下端面实际高度没有发生变化，即与射线管的相对位置Z值是保持不变的（图4）。同时，U形探测器的定位主要是参考它与射线管的相对位置，因此通过更改机械安装高度的方式，使得探测器的定位可以与原设备保持一致（图5）。

图4 探测器与射线管相对位置示意图

图5 探测器上移安装示意图

上述定位方式，使得U形探测器中每个子传感器相对射线管的垂直位置发生改变，因此各通道的实际成像比例发生改变，但是在成像系统的软件中，完全可以根据需求更改成像比例，以达到成像效果。

4 成像系统软件说明

4.1 概述

利用研华标准工业计算机采集U形探测器图像数据，经过各类图像处理算法，将轮胎的左右胎侧、胎冠实时显示在一台24寸液晶显示器上，显示完毕后保存图像。操作系统为Windows 7 专业版。

4.2 界面总体布局说明

软件分为两种显示界面，窗口显示模式（图6）及DirectX全屏图像显示模式（图7）。全屏模式用于工作时正常检测用，在参数设置、系统性能测试等方面则需要在窗口显示模式下进行，窗口模式下可以对图像效果进行实时设置，可以查看传感器实时波形显示。

图6 窗口显示模式

图7 DirectX全屏图像显示模式

4.3 多种图像清晰度增强功能

针对轮胎图像特征，美亚轮胎检测系统软件提供智能化图像清晰度自动调整功能（图8和图9），充分满足轮胎检测需求。

图8 全钢轮胎原图像

图9 全钢轮胎处理图像

4.4 轮胎缺陷尺寸在线测量

软件支持在线图像测量功能（图10），能够在图像上通过两点距离，直接测量各个缺陷实际尺寸（需对不同规格的轮胎进行标定，以确定放大比例），在胎冠部位测量精度达到1 mm以内。

图10 在线测量

4.5 标尺

软件提供标尺检测功能（图11），通过一组标尺直观测量轮胎对称性以及各个部位实际尺寸。

4.6 多方位图像打印

该软件设计了轮胎图像的打印功能，此功能分为整体打印和局部打印。通过整体打印功能，可以直观的了解整个轮胎的信息，通过局部打印主要是对轮胎各部位的缺陷进行提取打印分析。

图11 标尺校对

4.7 人工检测工作量统计功能

如前图11左侧部位所示，绿色字体标示了班次具体情况，分别为早班、中班和晚班不同班次下的轮胎检测的数量情况，从而可以直观的统计出不同班次中检测流程情况。其中早班、中班和晚班的班次起始时间可以根据工厂规定自动设定时段，有助于工厂在生产流程中执行夏季工作时间和冬季工作时间，实现更便利和人性化的管理。

4.8 图像缺陷追溯功能

为了满足用户检测质量控制，提高轮胎缺陷的可追溯能力，软件提供了全方位图像管理功能。不仅在本机可以保存1年以上的所有检测轮胎图像，还可以通过局域网络进行远程图像实时备份，方便管理人员进行远程实时管理和后续分析。

4.9 检测数据上传

工控机通过以太网接口与前端自动运输线进行通讯，上传检测条码信息及每个品号检测条数统计等。实现了检测数据与条码匹配，检测数据实时上工厂ERP数据库。上位机作为设备与服务器的接口，接口点是计算机的以太网口，传送方式：计算机做文件传输协议（FTP）服务器或共享。

5 改造项目硬件配置要求

改造项目硬件配置参照表2。

6 实施效果

设备经过改造后， X光检测机实现了图像缺陷追溯功能、轮胎缺陷尺寸在线测量、数据上传、标尺、人工检测工作量统计功能等。

表2 相关备配置表