基于PLC的裂纹检测台研制.pdf

数控技术 三N C丁 e t h n o l o g y 基 于P L C 的 裂 纹 检 测 台 研 制 王建国， 吕 原君 浙江工业大学 机电学院， 杭州3 1 0 0 1 4 摘要 分析了 涡流检测裂纹的原理， 介绍了 裂纹检测台的 结构、 控制系 统及气动系 统设计。该检测台有效地将机、 电、 气 结 合 起 来 ， 在 汽 车 轮“x 等 转 轴 零 件 的 检 测 中 取 得 了 良 好 效 果 ， 有 助 于 其 它 同 类 检 测 台 的 研 制 开 发 。 关键词护L C ; 气动系 统; 检测台 中图分类号 T H 1 2 2文献标识码 B文章编号 1 0 0 2 - 2 3 3 3 2 0 0 6 0 9 - 0 0 7 0 - 0 3 1 引言 裂纹探伤检查已越来越受到重视。 目 前， 在探伤检查 中常用的方法有超声波法和电涡流法。超声波法探伤技 术比较成熟， 但测试时要加祸合剂且对轴向裂纹分辨力 差 如在距表面1 0 m m左右深的部位是超声波的盲区， 难 以探测存在裂纹 ， 影响工效和测试效果。电涡流法属于 非接触式， 不需要祸合剂， 能探测表面或近表面的裂纹。 因此， 它在检测裂纹中应用广泛。 对转轴裂纹检测技术的研究是当前设备监测诊断技 术发展的一个重要领域。检测的关键是采集旋转件在运 行中的各种有用信息， 输人计算机进行处理， 得到可用于 判断轴裂纹的现状。轴裂纹的类型主要有横向裂纹和纵 向裂纹， 其中横向裂纹是出现频率最高、 对轴影响最为严 重的裂纹。 大量的疲劳失效事件和试验研究表明， 发生疲 劳断裂时的疲劳源点往往出现在零件截面、形状急剧变 化而引起的应力集中处，对这些部位需重点实施表面疲 劳裂纹的检测。为此， 本文以涡流探伤原理为基础， 根据 转轴件结构研制了一种安全可靠且检测性能理想的裂纹 检测台， 并在汽车轮毅裂纹检测中得到了实际应用。 2 检测原理 涡流检测框图如图1 所示， 探头读取标准件的 参数并保存在处理器中， 当待测件检测后， 探头将 信号前置放大， 并与标准 参数比较来判断工件是 否合格。 图1 涡流检测框图 该检测系统采用差动式检测探头， 探头线圈是涡流 检测系统的关键， 它由激励线圈和测量线圈组成， 线圈可 以用一个由电感、 电容和电阻串联的电路表示， 如图2 0 U 衷 二 j U o“R - w 2L C R j L W 1 其中 U o 为激励源电压， U 为测量线圈输出电压。 激励线圈在工件中感应出涡流，当工件中没有裂纹 时， 由于两个线圈反向连接， 感应电压相互抵消， 没有电 压信号输出。 一旦被检工件中出现裂纹， 测量线圈中的感 应电压便发生变化， 有信号输出。 探头线圈的磁场变化引起检测线圈的阻抗变化。在 综合考虑， 查表选用9 0 B F 0 0 3 型步进电机。 9 0 B F 0 0 3 型反应式步进电机采用三相六拍工作方式。 2 . 3 横向减速齿轮的选用 根据前面确定的步距角8 6 1 . 5 / s t e p ，脉冲当量 凡 0 .0 1 m m / s t e p ， 以 及滚珠丝杠螺距t 5 m m ， 得到X向 减 速 齿 轮 的 传 动 炸臀 架黔‘ 0 .4 8 。 选 择 齿 数 z i 2 4 , 2 2 5 0 ， 根据强度计算得齿轮模数。 1 。 小齿轮材料 选用4 0 C r 调质处理， 大齿轮采用4 5 钢调质处理。 2 . 4 齿轮错齿消隙设计 根据传动用途及精度要求， 数控机床进给由于经常 处于自 动变向状态， 反向进给时若驱动链中的齿轮存在 间隙， 就会使反向进给运动滞后于指令信号， 从而影响驱 动精度， 因此必须采用措施消除齿轮传动系统中的间隙， 提高加工精度。 这里采用薄片齿轮错齿消隙法。 齿轮侧隙 消除采用弹簧， 每根弹簧的拉力为 1 0 5 - 1 6 0 N ， 取力臂值 为2 0 m m . 3 结语 对机床进行了机械部分的改造以后， 再配以J WK - 1 5 T 数控系统， 该系统是一种开环数控系统 ， 用它控制步 进电动机来执行机床在加工中所需的进给运动， 使其按 照预先编制好的程序进行铣削加工， 可以获得高质量、 高 精度的零件。 〔 参考文献l 川赵中 敏机 床 数 控改 造 探 讨〔 J l . 中 国 储 备工 程， 2 0 0 5 1 0 1 4 - 1 5 . [ 2 1余英良.机床数控改造设计与实例[ M I -i t 京 机械工业出版社， 1 9 9 7 . 编辑 黄获 作者简介 收稿 日期 戴向云 1 9 7 7 - ， 女， 助教， 硕士， 主要从事机电一体化、 C A D / C A M等领域的教学与科研工作。 2 0 0 6 - 0 3 - 2 2 7 0 t 机 械 工 程 师 2 0 0 6 年 第9 期 N C丁 e c h n o l o g y 鑫数控技术 对检测线圈阻抗进行分析时， 首先需要分析和计算工件 放入检测线圈后磁场的变化情况，然后得到检测线圈阻 抗的变化 或线圈感应电压的变化 ， 才能对工件的各种 影响因素进行分析。 如图3 所示， 空气域中有一时谐因子 为e i- 的激励源J a ， 激励源附近有一导体 工件 ， 导体内 有一缺陷 如裂纹 。 通常让激励线圈沿导体表面移动， 通 过线圈阻抗增量的变化检测缺陷。 设导体电导率为， ， 缺 陷内充满空气; 空气磁导率和介电常数分别为“ 。 和E O o 乙 卜c 士 a 空气域 一图 2电 涡 流 探 头 检 测 电 路 图 3电 涡 流 检 测 原 理 分 析 一 空气域中的电磁场为 0 x B e M o J 0 x E a 一 w B a 2 导体域中的电磁场为 0 x B , -poo- E 0 x E , 二 一 w B , 3 缺陷 域中电 磁场为 0 x B f 0 0 x E f 一 w B f 4 若导体中没有缺陷时， 在空气域中B 0 , E o 代替B e , E , ; 导 体域中买、 斌代替B , E } 。 此时 无缺陷 域电 磁场， 这 种场就是完好场。 如果导体中存在缺陷， 则用B k , E k k 包括a , c ,f 表 示缺陷场与无缺陷场的差场。 即E k E k - E k 厌 B k - B k 5 这个差场称为扰动场。涡流探伤的基本问题就是分 析扰动场和完好场。涡流的深度主要由线圈的固有特性 和工作频率决定， 线圈固有特性基本不变， 需选取一个合 适的频率来满足测量的需要。 3 裂纹检测台设计 国内外一些学者经过多年努力， 通过对轴裂纹的理 论研究和模拟实验， 研制出了各类用于轴裂纹检测的仪 器及系统， 用以早期发现轴裂纹的存在并监视其扩展情 况， 但目 前对涡流检测技术的研究主要集中在涡流检测 理论的研究、 高性能探头的设计和缺陷识别与成像方法 的研究等几个方面。 在实际应用， 特别是对大规模产品自 动化检测的检测台开发还有待于进一步的提高。 为此，本文提出了基于P L C 控制的裂纹检测台的研 制， 并将其应用到汽车轮毅等转轴的裂纹检测中， 取得了 很好的效果。其中， 使用了美国Z E T E C 公司的信号处理 器， 便于安装其它探头来检测其它缺陷， 提高检测台多功 能测试。 如图4 所示， 本检测台以 转轴裂纹检测为设计目 标， 主要由控制系统、 打标装置、 工件抓取和夹紧装置、 检测 装置和信号处理器组成。该裂纹检测台流程图如图5 所 示 在保证电源和气源的前提下， 标准工件正确装载， 调 整开关至参数设置状态。 手动启动按钮后气爪手 指夹住标准件。 旋转机构 中的步进电机通过传动 装置带动工件转动并保 持其恒定转速。 检测调节 装置中的探头推至工件 表面并保持检测距离。 检 测完毕后主机读取数据 和保存初始化设置。 探头 返回初始位置， 电机停止 转动。 待标准工件完全停 止转动后气爪手指松开， 取出标准工件和准备工 件测试阶段。 调整开关至测试状 123/ 4/I 5I 6II }7L 8I 9 I} 图 4 1 .信号处理器 2 .检测调节装置 3 . 打标装置4 .工件 5 .工件夹紧固定装置 6 .旋转机构7 .按钮操控面板 8 .旋转分气块 9 .控制系统 尹z 甘门尸口 二止 态。 手动启动按钮， 气爪夹住工件， 旋转机构带动工件恒 速转动。 探头推出开始测量工件。 经过处理器的判断后 将检测结果反馈给P L C 。若工件合格，合格指示灯亮， P L C 控制步进电机停止工作。待工件停止旋转时， 打标 系统的打标喷头快速在工件特定位置打上合格标记。 气 爪手指松开工件， 进人下一个工件检测。 若工件不合格， 不合格指示灯亮和发出蜂鸣报警， 探头返回初始位置后 再推至工件表面重新检测， 有效防止因工件表面有杂质 而误判。 检测完毕后若工件合格， 合格灯亮， 蜂鸣停止报 警， 打标系统打标， 其中注墨装置在打标几次后自动工 作， 保证喷头有源源不断的墨水供应; 若不合格， 不合格 灯和蜂鸣报警继续工作， 打标系统不工作。气爪手指松 开工件。若取出工件是合格品， 人工将其取下安放到合 格品指定位置， 否则将其放到不合格品通道。不合格品 通道安装有传感器， 当有工件通过后， 不合格灯和蜂鸣 报警停止工作，此时不合格品已经进人不合格品安放 处， 否则不能进人下一次检测， 这将有效防止不合格品 安放到合格品安放处。 气爪固定工件 电机工作 工件恒速旋转 气缸工作 探头伸出测试 调试状态 处理器读取并 保存标准参数 r-一-一一一 陪 ， 格 一 ‘ 缚一一。 探头返回 裂纹检测台流程图 机 械 工 程 师 2 0 0 6 年 第9 期篡7 1 数控技术 .N G下 e c h n e l o c y 3 . 1 控制系统 传统的电器控制是采用继电器控制， 继电器硬件接 线电路是逻辑、 顺序控制， 体积大， 连线复杂， 当更改执行 程序时修改困难， 有触点系统， 寿命短， 可靠性和可维护 性都差。基于继电器控制的这些缺点，目 前有被P L C取 代的趋势。 P L C 的优点是其硬件的可靠性高， 编程和使用方便， 接线简单， 通用性好， 网络通讯功能强， 易于安装和维护， 在自 动化生产中得到极其广泛的应用。在该检测台中， O M R O N 公司的微型P L C 作为控制的核心， 完成对步进 电机驱动器、 各种电磁阀及其信号接收等控制。 P L C 控制 气爪抓住或松开工件， 控制气缸将传感器推到指定位置 和返回初始位置， 控制步进电机以一定速度旋转和停止， 能给处理器一个测试使能信号， 接收处理器的反馈信号 合格或不合格信号 ， 根据所得的信号控制信号灯亮， 根 据检测结果控制打标系统和蜂鸣器报警。 该检测台使用步进电机作为工件转动动力源，它具 备快速启停功能， 能在大批量产品检测中提高工作效率。 步进电机是一种将输人脉冲信号转换成相应角位移 或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下， 电机的转 速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不 受负载变换的影响， 即给电机加一个脉冲信号， 电机转过 一个步距角。 这一线性关系的存在， 加上步进电机只有周 期性的误差而无累积误差等特点， 保证了该检测台工件 在测试时转速保持恒定。它还有一个优点是容易由P L C 控制。 本检测台中， P L C 通过步进电机驱动器输出脉冲信 号C P , C P 的频率和步进电机的转速成正比， C P 的个数决 定了步进电机旋转的角度。驱动器输人输出信号全部光 电隔离， 需要满足以下公式。 V o u t l o u tx R o u t R ,o V F 6 其中， V a 。 t D l u u t 为外部输人电 压与电流; R o 为外部电阻; R ;。 为内部电阻。 由式 6 可知外部需串连的电阻值为 TI M0 01 加速控制 脉冲 输出端口0 列/ 位指定符 b c d 连续模式， 增/ 减脉冲， C W 模式指定符 加减速频率 3 0 H z / 1 0 m s 第一个控制字 方式控制 脉冲输出端口0 端口指定符 停止脉冲输出 控制数据 脉冲 输出 端口。 第一个 P V字 图7 P L C脉冲控制电机梯形图 逐渐增大后， 可以较大 加速度升频。 降频时为 反指数曲线。 在梯形图 中升频使用了积分， 降 频使用了微分。 3 . 2 气动系统 本检测台有 4个 频率.f 少飞 升频降频 R - 二 V a.t- V 〕 一 尺 7 则在外面串连一个电阻R - t ， 如图6 所示， P L C与步进电 机有效地完成控制。 步进电机 A C 2 2 0 V 图6 P L C与电机连接关系 两位五通的电磁阀， 分别连接气爪A 、 探头用气缸B 、 注墨 用气缸C 和打标用气缸D ，同时气缸B 具有磁性开关和 减压阀， 便于P L C控制与气压调节， 气爪A与电磁阀之 间连接有旋转分气块， 保证与气爪相连的气管始终保持 相对静止状态。气动系统的工作顺序关系为A - B - C - D o P L C 通过电磁阀控制它们的工作顺序。 4 结论 该检测台的特点在于 1 基于P L C的控制系统能稳 定地实现检测台所需各种功能， 完成智能化检测; 2 通 过旋转分气块实现保证气管在工作中无缠绕现象， 适合 在许多类似旋转设备中使用; 3 设置打标装置、 蜂鸣器 和废品通道， 达到防错到位; 4 使用了通用性信号处理 器， 可连接多种传感器探头， 实现检测台测试多样性。 该检测台集合了电气控制、 气动技术、 机械制造于一 体， 提高了工件检测功能和自 动化程度。 基于P L C 控制的 检测台已经得到了实际应用， 并取得了很好的检测效果。 同时它操作方便、 安全可靠、 成本低， 具有一定实用和推 广价值。 [ 参考文献〕 汇 1 1 乔永明， 白 华宇. 电涡流传感器多频检测工作电路参数的选择 [ J l . 工 业 仪表 与自 动 化装 置， 2 0 0 3 4 4 0 - 4 2 . [ 2 」 徐章遂， 张政保， 王瑾一种新型轧辊裂纹检测装置「 1 l . 无损检 测， 1 9 9 9 3 1 2 1 一 1 2 5 . [ 3 」汪家 铭.旋转机械转轴裂纹的 检测[ J ] . 中国 设备工程， 1 9 9 4 4 3 2 - 3 4 . 编辑 黄获 步进电机脉冲控制梯形图如图7 所示。 图7 a 表示图8 中的升频梯形， 图7 b 表示降频。 在启动时， 静态惯性很大， 以较小加速度升频， 运动惯量 作者简介 王建国 1 9 8 1 - ， 男， 在读研究生， 主要从事电主轴的有限 元分析建模及工程检测技术研究。 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 4 - 0 3 7 2 t 机 械 工 程 师 2 0 0 6 年 第9 期