引言

目前公司使用的鋯棒入廠復(fù)驗(yàn)超聲波檢測設(shè)備于2002年投入使用。隨著設(shè)備各部件的老化，目前該設(shè)備已進(jìn)入故障多發(fā)期，且均為人工手動(dòng)上下料。為了提高產(chǎn)品檢測效率，縮短整體生產(chǎn)周期，提高設(shè)備的整體自動(dòng)化程度，決定自行對(duì)鋯棒超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，掌握該類設(shè)備的研制開發(fā)技術(shù)。本文的目的是實(shí)現(xiàn)鋯合金棒材超聲檢測全過程的自動(dòng)化，通過設(shè)計(jì)上料裝置，給料裝置，旋轉(zhuǎn)檢測裝置及下料裝置，實(shí)現(xiàn)棒材的自動(dòng)上料、自動(dòng)給料、自動(dòng)檢測、自動(dòng)下料及合格品和不合格品的自動(dòng)分區(qū)放置，以達(dá)到減員增效、提高生產(chǎn)率、節(jié)約成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

鋯棒超聲檢測自動(dòng)控制系統(tǒng)包括有：上下料裝置、檢測主機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)。上料裝置實(shí)現(xiàn)鋯棒的存儲(chǔ)、自動(dòng)逐根給料及自動(dòng)將鋯棒送入檢測主機(jī)；下料裝置實(shí)現(xiàn)檢測后鋯棒的存儲(chǔ)，并自動(dòng)區(qū)分合格品與不合格品，分層放置；檢測主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋯棒進(jìn)行螺旋掃描，主電機(jī)帶動(dòng)探頭旋轉(zhuǎn)，兩臺(tái)進(jìn)給電機(jī)帶動(dòng)鋯棒縱向進(jìn)給，形成螺旋掃描，探頭旋轉(zhuǎn)及鋯棒進(jìn)給可進(jìn)行直流調(diào)速，以適應(yīng)不同的檢測速度[4][5]。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視與控制，另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)鋯棒超聲檢測參數(shù)及速度的調(diào)節(jié)；PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下料裝置邏輯控制、檢測轉(zhuǎn)速控制及檢測進(jìn)給速度控制、以及各分系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)總體效果圖如圖1所示。

圖1鋯棒超聲檢測系統(tǒng)圖

2、各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋯棒超聲檢測自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)較大、較復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到機(jī)械、電器、氣動(dòng)、PLC、軟件編程、超聲檢測、抗干擾等各個(gè)方面，其主要技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）整體檢測效率要符合工藝技術(shù)要求，檢測過程全自動(dòng)化；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)單棒逐根自動(dòng)上下料，并可自動(dòng)區(qū)分合格品與不合格品；

（3）旋轉(zhuǎn)頭的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r/min連續(xù)可調(diào)；

（4）鋯棒進(jìn)給速度0～4m/min連續(xù)可調(diào)；

（5）每根單棒檢驗(yàn)耗時(shí)4min～8min；

（6）伺服系統(tǒng)要采用干擾較小的直流調(diào)速伺服系統(tǒng)；

（7）采取各種手段降低外界干擾對(duì)超聲系統(tǒng)的影響，如隔離、屏蔽、接地、濾波、絕緣等，實(shí)現(xiàn)外界干擾不影響正常檢測；

2.1上料裝置

上料裝置如圖2所示，主要由待檢工件（鋯棒）、儲(chǔ)料軌道、上料機(jī)構(gòu)、送料導(dǎo)輪、送料氣缸等組成?！吧狭蠙C(jī)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地將鋯棒“逐根”地送到“送料導(dǎo)輪”上，供“送料氣缸”將鋯棒送到“檢測主機(jī)”中的“前夾驅(qū)”機(jī)構(gòu)中。

圖2上料裝置

2.2下料裝置

下料裝置如圖3所示，主要由已檢合格工件、已檢不合格工件、儲(chǔ)料軌道、下料機(jī)構(gòu)、出料導(dǎo)輪等組成?！皺z測主機(jī)”的“后夾驅(qū)”機(jī)構(gòu)將鋯棒送到“出料導(dǎo)輪”上，“下料機(jī)構(gòu)”根據(jù)超聲檢測結(jié)果自動(dòng)選擇將鋯棒送到“合格件儲(chǔ)料軌道”上或者“不合格件儲(chǔ)料軌道”上。

圖3下料裝置

上下料機(jī)構(gòu)均采用雙氣缸同步調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)兩氣缸完全同步工作，達(dá)到工件平穩(wěn)上下料目的；送料氣缸力的輸出大小可調(diào)，下料分區(qū)放置采用軟硬件聯(lián)合控制。

3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)工作流程

鋯棒超聲檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測過程的自動(dòng)化，自動(dòng)逐根上料、自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)探傷、自動(dòng)下料區(qū)分合格品與不合格品并分類放置。工作過程：檢測開始前先將系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱，系統(tǒng)自檢（主軸內(nèi)有堵棒，啟動(dòng)循環(huán)水泵，主軸旋轉(zhuǎn)并達(dá)到設(shè)定速度），人工將待檢鋯棒擺滿上料架，上料機(jī)構(gòu)自動(dòng)將鋯棒送入上料軌道，送料機(jī)構(gòu)將鋯棒送入檢測主機(jī)中，探傷檢測完成后，檢測主機(jī)將鋯棒送到下料架下料軌道上，下料裝置將已檢鋯棒根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行分類放置，所有鋯棒檢測完成后，主機(jī)內(nèi)被自動(dòng)送入堵棒，完成一個(gè)檢測循環(huán)。

3.2電氣系統(tǒng)

鋯棒超聲檢測系統(tǒng)主軸旋轉(zhuǎn)及鋯棒進(jìn)給速度均采用直流伺服調(diào)速控制，調(diào)速器主要用來對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速及起動(dòng)曲線的設(shè)置，在其電源輸入端加濾波器，以減小對(duì)超聲信號(hào)的干擾[3]。兩種調(diào)速器在使用前都需對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)及PID調(diào)節(jié)，使其運(yùn)行參數(shù)達(dá)到最優(yōu)[4]。鋯棒超聲檢測系統(tǒng)氣動(dòng)部分，由給料無桿滑塊氣缸、給料夾爪氣缸、上料氣缸、下料氣缸及其控制氣缸動(dòng)作的電磁閥等部件組成，配合各部位傳感器及機(jī)械部件由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)共同控制完成整個(gè)鋯棒超聲檢測系統(tǒng)自動(dòng)上料、自動(dòng)給料及自動(dòng)下料動(dòng)作。

3.3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是操作人員使用超聲檢測設(shè)備進(jìn)行鋯棒檢測的人機(jī)交互接口。其主要任務(wù)是配合超聲檢測儀及PLC控制系統(tǒng)完成檢測任務(wù)的下發(fā)、超聲數(shù)據(jù)的采集和機(jī)械設(shè)備的控制。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)操作人員錄入的信息將任務(wù)下發(fā)給超聲檢測儀和PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)接收指令后控制和調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行；同時(shí)將機(jī)械設(shè)備的傳感器信號(hào)進(jìn)行回傳，來監(jiān)視當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)。

3.4PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)由PLC控制器及其相關(guān)模塊，交流伺服電機(jī)控制器，濾波器，各類電磁閥、氣缸、傳感器、壓力表、電子元器件等組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)檢測系統(tǒng)所有邏輯動(dòng)作進(jìn)行控制，包括上下料裝置的所有動(dòng)作，電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制等，系統(tǒng)控制原理如圖4所示。

圖4PLC控制系統(tǒng)控制原理圖

4、結(jié)論

本文以設(shè)計(jì)開發(fā)一臺(tái)全自動(dòng)鋯棒超聲檢測設(shè)備為目的，經(jīng)過前期的方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型，及后期的機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)，最終成功研制出鋯棒超聲檢測自動(dòng)控制系統(tǒng)。論文主要完成以下工作并得出結(jié)論：

（1）對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括上下料裝置及檢測主機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)；

（2）完成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（電氣設(shè)計(jì)）；

（3）完善優(yōu)化了系統(tǒng)總體運(yùn)行程序，使得各個(gè)分系統(tǒng)能夠緊密配合，能夠快速高效的檢測出符合要求的產(chǎn)品。

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[5]西門子中國有限公司.西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品使用手冊(cè).2004

作者簡介：王劍平（1983—），女，研究生，工程師，現(xiàn)主要從事核燃料元件制備與科研工作。

基金項(xiàng)目：中核北方核燃料元件有限公司科研項(xiàng)目

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