基于PLC控制的航空碳-碳复合材料X射线数字成像检测装置的设计与研发.pdf

． j 奠 式识另 IL P a r t e r n Id e n t if ic a t io n s 电气自动化 2 0 1 3年第 3 5卷 第 1 期 基于 P L C控制的航空碳 一碳复合材料 X射线 数字成像检测装置的设计与研发 蔡建刚，赵肖东 ，陈兆兴 ，陈明 1 ． 兰州石化职业技术学院 机械工程系， 甘肃兰州7 3 0 0 6 0 ； 2 ．兰州三磊电子有限公司， 甘肃兰州7 3 0 0 0 0 ； 3 ．山东特种设备检验研究院。 山东济南2 5 0 1 0 1 摘要航空碳一碳复合材料 x射线数字成像检测装置是供航空制造业 中小型关键复合材料零部件 x射线检测的设备。依据被检测 产品的特点， 该装置设计有前后、 左右、 上下六个自由度， 可实现旋转、 倾斜等运动形式。其传动系统采用步进电机和伺服电机 驱动； 谐波减速机、 蜗杆减速机减速 ； 滚动轴承支承、 滚动直线导轨导向； 滚珠丝杠、 齿轮传动的方式。控制系统采用模块化结 构的P L C控制， 完成具体的运动执行控制。速度调节范围为 0 ． 1 ～ 3 ． 0 m ／ m i n ， 定位误差≤0 ． 2 m m， 电机联动误差≤1 m s 一个 P L C程序扫描周期 ， 根据被检工件的检测要求实现了实时多角度、 全位置 x射线数字成像检测。 关键词X射线数字成像； 检测装置； 运动控制系统； P L C控制 ； 航空碳一碳复合材料 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0- 3 8 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 3 6 [ 中图分类号]T H1 3 4 ； T P 2 3 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 3 0 1 0 1 0 1 0 3 De v e l o p me n t a n d De s i g n o n一 Ra y Dig it a l I ma g i n g De t e c t i o n Eq u i p me n t o f Ae r o n a u t i c Ca r b o n - c a r b o n Co mp o s it e Ba s e d O n PL C Co n t r o I C AI J i a n - g a n g ， Z HAO Xi a o d o n g ， CHEN Z h a o x i n g ， C HE N Mi n 1 ．D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u P e t r o c h e m i c a l V o c a t i o n a l C o l l e g e o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 6 0， C h i n a ； 2 ．L a n z h o u S a n l e i E l e c t r o n i c s C o mp a n y L t d ．，L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 6 0，C h i n a ； 3 ．S h a n d o n g S p e c i a l E q u ip m e n t I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t X r a y d i g i t a l i ma g i n g d e t e c t i o n d e v i c e o f a e r o n a u t i c c a r b o n - c a r b o n c o mp o s i t e i s X r a y i n s p e c t i o n e q u i p me n t f o r t h e s ma l l a n d me d i u m s i z e d p i v o t a l c o mp o s i t e ma t e ri al p a r t s i n t h e a e r o n a u t i c ma n u f a c t u r i n g i n d u s t r y ．I n a c c o r d a n c e wi t h t h e c h ara c t e r i s t i c s o f t h e d e t e c t e d p r o d u c t ，s i x d e g r e e s o f f r e e d o m o f t h e f r o n t a n d b a c k，l e ft a n d rig h t ，u p a n d d o w n i s d e s i g n e d，i t c a n r e ali z e f o r ms o f mo v e me n t o f r o t a t i o n a n d i n c l i n a t i o n ．T h e t r a n s mi s s i o n s y s t e m a d o p t s s t e p p e r mo t o r a n d s e r v o mo t o r t o d ri v e ，h a rm o n i c r e d u c e r a n d W O rm r e d u c e r t o d e c e l e r a t e ，r o l l i n g b e a ri n g s t o s u p p o a n d r o l l i n g l i n e a r g u i d e wa y t o g u i d e ，b a l l s c r e w a n d g e a r t o t r a n s mi t ． T h e c o n t r o l s y s t e m u s e s a mo d u l a r s t r u c t u r e P L C c o n t r o l t o c o mp l e t e t h e i mp l e me n t a t i o n o f t h e s p e c i fi c mo t i o n c o n t r o 1 ． I n t h e d e v i c e，t h e s p e e d r e g u l a t i n g r a n g e i s 0 ． 1 t o 3 ． 0 m ／ m i n ， t h e p o s i t i o n i n g e r r o r i s l e s s t h an 0 ． 2 m m， t h e m o t o r l i n k a g e e rr o r i s l e s s t h a n 1 ms a P L C p r o g r a m s c a n c y c l e ．A c c o r d i n g t o d e t e c t i o n r e q u i r e m e n t s o f d e t e c t e d w o r k p i e c e ， r e a l t i m e m u l t i ang l e and all p o s i t i o n X r a y d i g i t a l i ma g i n g d e t e c t i o n i s a c h i e v e d ． Ke y wo r d s X r a y d i g i t a l i ma g i n g；d e t e c t i o n e q u i p me n t ；mo t i o n c o n t r o l s y s t e m ；P L C c o n t r o l ；a e r o n a u t i c c a r b o n - c a r b o n c o mp o s i t e 0 引 言 航空碳一碳复合材料是一种新型的航空制动材料， 由它制成 的刹车制动装置属于极端重要的航空部件 J 。目前国内尚无可 以对此类材料进行 x射线检测的设备。应国内某航空机轮制造厂 的要求， 经与使用厂家多次探讨， 决定设计研制一套可以自动完成 对此类材料产品的轴向和径向 x射线直接数字成像的检测装置， 以先进的检测手段保证航空器件的安全运行， 预防不测事故的发 生， 使我国产的此类材料能运用到国产航空制造业和替代进 口。 1 整体结构设计 1 ． 1 设计方案 碳一碳复合材料， 密度小 ， 重量轻 ， 人工取放容易， 故可以采用 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 基金项目科学技术部科技型 中小企业技术创新基金项 目 0 8 C 2 6 2 2 6 2 0 1 5 6 4 人工放取被检测工件的方式。由于要有效的屏蔽 x射线， 故将全 套设备装在铅房中。为使各 自由度的运动准确可靠， 易于实现自 动控制， 需采用步进电动机驱动。转动自由度通过减速机传动， 直 线运动自由度用滚珠丝杠传动， 以提高各 自由度运动的准确性。 从而实现一次装夹工件， 就可以完成对工件的全方位检测。 结合碳一碳复合材料特点， 决定采用两个旋转运动自由度和 两个直线运动 自由度的传动方式 一个旋转运动 自由度用于 X 光机与成像器的 9 0 。 旋转， 另一个旋转运动 自由度用 于工件的 3 6 0 。 旋转； 一个直线运动 自由度用于工件的 X向运动， 另一个直 线运动自由度用于工件的z向升降运动。 1 ． 2实施方案 根据企业的具体使用要求及 x射线实时成像检测设备的特 点， 为保证设计方案的实施 ， 首先要确定旋转工作台的传动方 式。经研究对 比各种形式的传动方式的优劣， 决定该装置采用直 E le c t r i c a I Au t o ma t i o n 1 0 1 电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第1 期 _j 奠式识别 一 P a tt e r n Ide n t if i c a t io n s 齿轮副形式， 由一步进电机经谐波减速机减速后驱动小齿轮， 再 带动一大齿轮传至转台。工件放在转台中心的一支承板上， 由于 检测成像工艺的需要， 工件支承板安装在一内径 6 0 0 m m的球轴 承上， 以便 x射线在轴向检测时能照透工件。 x光机与成像器分别在兀形架两端相对安装 兀形架的旋转 由步进电动机带动减速机来驱动 由于检测工艺需要， 兀形架只 需要旋转 9 0 。 ， 此角度由步进电动机控制。工作台在 x方向的直 线运动由步进电动机传动滚珠丝杠副直接驱动， 工作台在 z方向 的直线运动也由步进电动机传动滚珠丝杠驱动。 由于整体结构比较轻巧， 机架可用矩形管 6 0 m m8 0 m m x 4 mm 制造。检测装置总体结构如图 1 所示。 图 1 航空碳 一碳复合材料x射线直接数字成像检测装置结构图 2 运动控制系统的设计 2 ． 1 传动路线 针对航空碳一碳复合材料的结构特点， 确保 X射线直接数 字成像检测的顺利实施， 该检测装置的动力传递路线为 步进电 动机驱动涡轮蜗杆减速机， 涡轮蜗杆减速机带动 x光机和成像 器转动； 步进电机谐波减速机， 谐波减速机带动直齿轮副及工作 台旋转； 步进电机驱动滚珠丝杠副， 滚珠丝杠副带动工作台作 x 向运动 ； 步进电机驱动滚珠丝杠副， 滚珠丝杠副带动 x光机机架 悬臂 作 z向升降运动。 2 ． 2 控制系统设计 本检测装置的驱动力矩、 转速要求和负载的惯量都比较小， 工作时定位精度要求高， 所 以控制电机选用精度高 、 惯性小的步 进电机 或交流伺服电机 ， 特别适合于数字控制系统 。故本 检测装置采用基于 P L C的自动控制系统。 2 ． 2 ． 1 控制原理与结构 本检测装置采用日本松下的 F P X P L C 。F P X P L C机身内置 了4轴高速脉冲同时输出， 其高速脉冲输出与伺服电机的接 口如 图2 所示。2 轴直线插补时， 2 组传动可同时进行， 在保证系统运 行可靠性、 稳定性的前提下， 各驱动轴的插补与联动提供灵活的 1 0 2 E le c t r i c a I Au t o ma t i o n P P X 脉 冲 Y O 方向 Y l 脉 冲 T 2 方向 Y 3 脉 冲 Y 4 方向 l 5 脉 冲 Y 6 方向 Y T n 门 n n n n 门 门 八 几几 n 伺服 驱动器 l 伺服 驱动器 2 步进 驱动器 3 步进 驱动器 4 2 电 司 服 电 3 硼＆ 电 l 图 2 P L C的高速脉冲输 出与伺服 电机接 口图 可编程保证 。 2 ． 2 ． 2 控制软件设计 P L C软件开发采用 日本松下公司的 F P WI N G R 2 ． 0一V E R ． 2 ． 8 1 1 作为开发工具。应用程序采用模块化、 结构化编程， 将用户 应用软件分为数据文件、 功能文件和程序文件三类 。程序文件 由主程序、 子程序和中断程序组成。主程序是成整个控制程序的 框架， 各个子程序实现过程控制、 故障处理和报警、 通讯、 中断处理 等功能的实现， 供主程序与其他子程序调用。系统控制软件根据 不同的控制模式要求， 当特定的控制条件满足时， 执行相应的控制 功能 ’ 。该检测装置的P L C控制程序运行的流程如图3 所示。 图 3 P L C控制程序运行流程框 图 2 ． 2 ． 3 控制软件实现 为了实现检测装置传动控制， 其控制软件包含 A u t o R u n ． d l l 、 P V 4 3 ． d Ⅱ两个动态库及一个可执行 的控制设置程序 A u t o C f g ． e x e ， 同时需要主程序的 M y B a s e ． d l l 动态库支撑。控制软件通常