引言

目前公司使用的鋯棒入廠復驗超聲波檢測設備于2002年投入使用。隨著設備各部件的老化，目前該設備已進入故障多發(fā)期，且均為人工手動上下料。為了提高產品檢測效率，縮短整體生產周期，提高設備的整體自動化程度，決定自行對鋯棒超聲檢測系統(tǒng)進行設計、制造，掌握該類設備的研制開發(fā)技術。本文的目的是實現(xiàn)鋯合金棒材超聲檢測全過程的自動化，通過設計上料裝置，給料裝置，旋轉檢測裝置及下料裝置，實現(xiàn)棒材的自動上料、自動給料、自動檢測、自動下料及合格品和不合格品的自動分區(qū)放置，以達到減員增效、提高生產率、節(jié)約成本、降低勞動強度的目的。

1、系統(tǒng)總體方案設計

鋯棒超聲檢測自動控制系統(tǒng)包括有：上下料裝置、檢測主機系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)。上料裝置實現(xiàn)鋯棒的存儲、自動逐根給料及自動將鋯棒送入檢測主機；下料裝置實現(xiàn)檢測后鋯棒的存儲，并自動區(qū)分合格品與不合格品，分層放置；檢測主機可以實現(xiàn)對鋯棒進行螺旋掃描，主電機帶動探頭旋轉，兩臺進給電機帶動鋯棒縱向進給，形成螺旋掃描，探頭旋轉及鋯棒進給可進行直流調速，以適應不同的檢測速度[4][5]。上位機監(jiān)控系統(tǒng)一方面實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視與控制，另一方面實現(xiàn)對鋯棒超聲檢測參數(shù)及速度的調節(jié)；PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)上下料裝置邏輯控制、檢測轉速控制及檢測進給速度控制、以及各分系統(tǒng)間的協(xié)調工作。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)設計

鋯棒超聲檢測自動控制系統(tǒng)是一個相對較大、較復雜的系統(tǒng)，涉及到機械、電器、氣動、PLC、軟件編程、超聲檢測、抗干擾等各個方面，其主要技術指標及技術難點有以下幾個方面：

（1）整體檢測效率要符合工藝技術要求，檢測過程全自動化；

（2）能夠實現(xiàn)單棒逐根自動上下料，并可自動區(qū)分合格品與不合格品；

（3）旋轉頭的最高轉速可達3000r/min連續(xù)可調；

（4）鋯棒進給速度0～4m/min連續(xù)可調；

（5）每根單棒檢驗耗時4min～8min；

（6）伺服系統(tǒng)要采用干擾較小的直流調速伺服系統(tǒng)；

（7）采取各種手段降低外界干擾對超聲系統(tǒng)的影響，如隔離、屏蔽、接地、濾波、絕緣等，實現(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）、儲料軌道、上料機構、送料導輪、送料氣缸等組成。“上料機構”實現(xiàn)自動地將鋯棒“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。“檢測主機”的“后夾驅”機構將鋯棒送到“出料導輪”上，“下料機構”根據(jù)超聲檢測結果自動選擇將鋯棒送到“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(jié)方式，實現(xiàn)兩氣缸完全同步工作，達到工件平穩(wěn)上下料目的；送料氣缸力的輸出大小可調，下料分區(qū)放置采用軟硬件聯(lián)合控制。

3、控制系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)工作流程

鋯棒超聲檢測系統(tǒng)實現(xiàn)整個檢測過程的自動化，自動逐根上料、自動進給、自動探傷、自動下料區(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)啟動預熱，系統(tǒng)自檢（主軸內有堵棒，啟動循環(huán)水泵，主軸旋轉并達到設定速度），人工將待檢鋯棒擺滿上料架，上料機構自動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(jù)檢測結果進行分類放置，所有鋯棒檢測完成后，主機內被自動送入堵棒，完成一個檢測循環(huán)。

3.2電氣系統(tǒng)

鋯棒超聲檢測系統(tǒng)主軸旋轉及鋯棒進給速度均采用直流伺服調速控制，調速器主要用來對電機進行調速及起動曲線的設置，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行校準及PID調節(jié)，使其運行參數(shù)達到最優(yōu)[4]。鋯棒超聲檢測系統(tǒng)氣動部分，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(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)共同控制完成整個鋯棒超聲檢測系統(tǒng)自動上料、自動給料及自動下料動作。

3.3上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)是操作人員使用超聲檢測設備進行鋯棒檢測的人機交互接口。其主要任務是配合超聲檢測儀及PLC控制系統(tǒng)完成檢測任務的下發(fā)、超聲數(shù)據(jù)的采集和機械設備的控制。上位機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)操作人員錄入的信息將任務下發(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整設備的運行；同時將機械設備的傳感器信號進行回傳，來監(jiān)視當前設備的狀態(tài)。

3.4PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)由PLC控制器及其相關模塊，交流伺服電機控制器，濾波器，各類電磁閥、氣缸、傳感器、壓力表、電子元器件等組成。實現(xiàn)對整個檢測系統(tǒng)所有邏輯動作進行控制，包括上下料裝置的所有動作，電機的啟停、正反轉及調速控制等，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、結論

本文以設計開發(fā)一臺全自動鋯棒超聲檢測設備為目的，經過前期的方案設計、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控制系統(tǒng)。論文主要完成以下工作并得出結論：

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

（2）完成上位機監(jiān)控系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)設計（電氣設計）；

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

參考文獻：

[1]廖常初.PLC編程及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

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

[3]張邦寧.通信抗干擾技術[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[M].北京:人民郵電出版社,2012.

[5]西門子中國有限公司.西門子自動化與驅動產品使用手冊.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。

基金項目：中核北方核燃料元件有限公司科研項目

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