引言

目前公司使用的鋯棒入廠(chǎng)復驗超聲波檢測設備于2002年投入使用。隨著(zhù)設備各部件的老化，目前該設備已進(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，提高設備的整體自動(dòng)化程度，決定自行對鋯棒超聲檢測系統進(jìn)行設計、制造，掌握該類(lèi)設備的研制開(kāi)發(fā)技術(shù)。本文的目的是實(shí)現鋯合金棒材超聲檢測全過(guò)程的自動(dòng)化，通過(guò)設計上料裝置，給料裝置，旋轉檢測裝置及下料裝置，實(shí)現棒材的自動(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)分區放置，以達到減員增效、提高生產(chǎn)率、節約成本、降低勞動(dòng)強度的目的。

1、系統總體方案設計

鋯棒超聲檢測自動(dòng)控制系統包括有：上下料裝置、檢測主機系統、上位機監控系統及PLC控制系統。上料裝置實(shí)現鋯棒的存儲、自動(dòng)逐根給料及自動(dòng)將鋯棒送入檢測主機；下料裝置實(shí)現檢測后鋯棒的存儲，并自動(dòng)區分合格品與不合格品，分層放置；檢測主機可以實(shí)現對鋯棒進(jìn)行螺旋掃描，主電機帶動(dòng)探頭旋轉，兩臺進(jìn)給電機帶動(dòng)鋯棒縱向進(jìn)給，形成螺旋掃描，探頭旋轉及鋯棒進(jìn)給可進(jìn)行直流調速，以適應不同的檢測速度[4][5]。上位機監控系統一方面實(shí)現對控制系統的狀態(tài)監視與控制，另一方面實(shí)現對鋯棒超聲檢測參數及速度的調節；PLC控制系統實(shí)現上下料裝置邏輯控制、檢測轉速控制及檢測進(jìn)給速度控制、以及各分系統間的協(xié)調工作。系統總體效果圖如圖1所示。

圖1鋯棒超聲檢測系統圖

2、各分系統設計

鋯棒超聲檢測自動(dòng)控制系統是一個(gè)相對較大、較復雜的系統，涉及到機械、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(guò)程全自動(dòng)化；

（2）能夠實(shí)現單棒逐根自動(dòng)上下料，并可自動(dòng)區分合格品與不合格品；

（3）旋轉頭的最高轉速可達3000r/min連續可調；

（4）鋯棒進(jìn)給速度0～4m/min連續可調；

（5）每根單棒檢驗耗時(shí)4min～8min；

（6）伺服系統要采用干擾較小的直流調速伺服系統；

（7）采取各種手段降低外界干擾對超聲系統的影響，如隔離、屏蔽、接地、濾波、絕緣等，實(shí)現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）、儲料軌道、上料機構、送料導輪、送料氣缸等組成?！吧狭蠙C構”實(shí)現自動(dòng)地將鋯棒“逐根”地送到“送料導輪”上，供“送料氣缸”將鋯棒送到“檢測主機”中的“前夾驅”機構中。

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、儲料軌道、下料機構、出料導輪等組成?！皺z測主機”的“后夾驅”機構將鋯棒送到“出料導輪”上，“下料機構”根據超聲檢測結果自動(dòng)選擇將鋯棒送到“合格件儲料軌道”上或者“不合格件儲料軌道”上。

圖3下料裝置

上下料機構均采用雙氣缸同步調節方式，實(shí)現兩氣缸完全同步工作，達到工件平穩上下料目的；送料氣缸力的輸出大小可調，下料分區放置采用軟硬件聯(lián)合控制。

3、控制系統設計

3.1系統工作流程

鋯棒超聲檢測系統實(shí)現整個(gè)檢測過(guò)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)下料區分合格品與不合格品并分類(lèi)放置。工作過(guò)程：檢測開(kāi)始前先將系統啟動(dòng)預熱，系統自檢（主軸內有堵棒，啟動(dòng)循環(huán)水泵，主軸旋轉并達到設定速度），人工將待檢鋯棒擺滿(mǎn)上料架，上料機構自動(dòng)將鋯棒送入上料軌道，送料機構將鋯棒送入檢測主機中，探傷檢測完成后，檢測主機將鋯棒送到下料架下料軌道上，下料裝置將已檢鋯棒根據檢測結果進(jìn)行分類(lèi)放置，所有鋯棒檢測完成后，主機內被自動(dòng)送入堵棒，完成一個(gè)檢測循環(huán)。

3.2電氣系統

鋯棒超聲檢測系統主軸旋轉及鋯棒進(jìn)給速度均采用直流伺服調速控制，調速器主要用來(lái)對電機進(jìn)行調速及起動(dòng)曲線(xiàn)的設置，在其電源輸入端加濾波器，以減小對超聲信號的干擾[3]。兩種調速器在使用前都需對其進(jìn)行校準及PID調節，使其運行參數達到最優(yōu)[4]。鋯棒超聲檢測系統氣動(dòng)部分，由給料無(wú)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械部件由上位機監控系統與PLC控制系統共同控制完成整個(gè)鋯棒超聲檢測系統自動(dòng)上料、自動(dòng)給料及自動(dòng)下料動(dòng)作。

3.3上位機監控系統

上位機監控系統是操作人員使用超聲檢測設備進(jìn)行鋯棒檢測的人機交互接口。其主要任務(wù)是配合超聲檢測儀及PLC控制系統完成檢測任務(wù)的下發(fā)、超聲數據的采集和機械設備的控制。上位機監控系統根據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，PLC控制系統接收指令后控制和調整設備的運行；同時(shí)將機械設備的傳感器信號進(jìn)行回傳，來(lái)監視當前設備的狀態(tài)。

3.4PLC控制系統

PLC控制系統由PLC控制器及其相關(guān)模塊，交流伺服電機控制器，濾波器，各類(lèi)電磁閥、氣缸、傳感器、壓力表、電子元器件等組成。實(shí)現對整個(gè)檢測系統所有邏輯動(dòng)作進(jìn)行控制，包括上下料裝置的所有動(dòng)作，電機的啟停、正反轉及調速控制等，系統控制原理如圖4所示。

圖4PLC控制系統控制原理圖

4、結論

本文以設計開(kāi)發(fā)一臺全自動(dòng)鋯棒超聲檢測設備為目的，經(jīng)過(guò)前期的方案設計、設備選型，及后期的機械、電氣設計，最終成功研制出鋯棒超聲檢測自動(dòng)控制系統。論文主要完成以下工作并得出結論：

（1）對系統中各個(gè)分系統進(jìn)行詳細設計，包括上下料裝置及檢測主機的機械設計；

（2）完成上位機監控系統及PLC控制系統設計（電氣設計）；

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

參考文獻：

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[2]程子華,詹永瑞.西門(mén)子S7-200PLC應用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[3]張邦寧.通信抗干擾技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[4]范國偉.電機原理與電力拖動(dòng)[M].北京:人民郵電出版社,2012.

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

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

基金項目：中核北方核燃料元件有限公司科研項目

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