张启航，于忠海，郑佳铭，陈厚龙，勾振宁

（上海电机学院，上海 201306）

目前，大多工件焊缝探伤X 射线拍片整个流程还处于人工操作完成阶段，其操作流程是：移动调整射线机位置，放置像质计及数字标签，把新的胶片放入工件内部透照位置处，人员全部撤离射线室，关闭防护门，开启射线机透照，完成后再打开防护门，换取新的胶片并重复以上操作，且需要转动工件至下一个透照位置。每次拍片结束必须将胶片带出透照室，防止曝光。这样生产效率低下。此次研究为提高生产效率和拍片质量设计一个自动化解决方案，实现上述操作过程自动化。国内关于X 射线拍片自动化有一定的研究，对于小口径零件依然没有实现自动化。因此，本项目能够弥补在这方面的一大空缺，具有较大的科研价值。

1 控制方案以及伺服系统

此研究存在运动结构较多，大多采用步进电机控制，其主轴部分采用伺服电机。机构一共分为六大控制模块，分别是：X 射线机组件、胶片回收盒、取放机构、主轴回转机构、送料机构和数字标签落放机构。由PLC 驱动控制，再由工控机调节各个模块间协调运转。在六大模块中分别加入了光栅直线位移传感器、角度编码器、旋转编码器以及各种开关量，都由工业计算机监视采集信号，通过处理后下发至PLC，进而做出一系列的动作。

（1）X 射线机组件。X 射线机通过一个龙门架固定到导轨上，具有X、Y、Z 三个方向移动自由度。X 方向由步进电机驱动，光栅尺反馈实时位置，以此来确定射线机是否对准透照位置。Z 方向由步进电机+滚珠丝杠调整上下高度，以便实现自动调整片物距。Y 方向则是安装时手动微调，以确保射线机透照射线位于工件中心线上。光栅尺直线位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大、检测精度高、响应速度快的特点（图1）。

图1 光栅直线位移传感器

在射线机Z 方向上，采用步进电机+光栅直线位移传感器。光栅信号处理单元完成细分与辨向，单元所处理的信号为两路相差90°的方波,A 信号和B 信号,如图2 所示，设一参考方向,假设相对位移方向与参考方向一致时,A 信号超前B 信号90°，图2a 所示；相对位移方向与参考方向相反时，A 信号落后B 信号90°，图2b 所示。辨向就是辨别光栅传感器的相对位移方向,也就是A 信号和B 信号相位关系。

图2

光栅位移为1 个栅距，对应输出波形一个周期，两路A、B 信号对应4 个前后沿变化，通过组合逻辑得到4 个脉冲。

（2）胶片回收盒。胶片回收盒的主要作用是防止未透照和已透照的照片曝光，其材料为加厚铅板。盖子使用推杆电机推动，每取放一次，电机推动盖子开合一次。

由于受到X 射线机龙门架的高度限制，取放机构吸盘连接处不可过长，因此当胶片被取到最后几张时取放机构的吸盘抵达不到胶片表面，以至不能顺利吸起胶片，由此我们在胶片回收盒内部增加一个棘轮机构，盖子每开合一次，棘轮推动回收盒底部上升一定高度，当盖子开合20 次时，底部上升至回收盒2/3 高度处，此时通过人工拉动棘轮复原，回收盒底部复原。

（3）取放机构。取放机构是这个装置的一大难点，要其实现自动抓取胶片比较困难，我们的设计思路是把胶片卡在一个硬质载体上，然后由吸盘来吸取，这样有效地解决了胶片在抓取过程中变形的难题，且硬质载体是弧形的，透照的时候也能贴紧工件表面。

（4）主轴回转机构。主轴主要驱动工件以12～16 个分度为标准转动一圈，分别透照12～16 次，对其角度分度要求较高，故采用伺服电机驱动，外加一个角度编码器。前段采用三抓卡盘，可以装夹任意柱状工件。

（5）送料机构。送料装置主要工作是把胶片送入工件内部，且位置保证在透照位置，采用步进电机+滚珠丝杠精确定位，编码器反馈信号。送料装置达到指定位置后胶片端向上抬起，使胶片紧贴工件内壁，以达到较好的透照效果。在胶片端采用四连杆机构，后接推杆电机和压缩弹簧，在非透照时间段时推杆电机拉动压缩弹簧，连杆机构紧闭，透照时推杆电机回推，释放压缩弹簧，四连杆机构在弹簧力的作用下张开向上抬起，贴紧工件内壁。

该处连接步进电机和绝对式编码器，要求实时反馈送料机构的位置，多少位（码道）绝对值编码器就有多少根信号电缆，每根电缆代表一位数据，以电缆输出电平的高低代表1 或0，物理器件与增量值编码器相似，有集电极开路NPN、PNP、差分驱动、推挽HTL 等等，分高电平有效或低电平有效来针对PNP 或NPN 的物理器件格式。推挽式输出信号电压较高，电压范围宽，器件不易损坏，与PNP 和NPN 都兼容，并行输出的应尽量选用这种输出。

（6）数字标签落放机构。数字标签落放机构用来在透照时给胶片打上标号，像质计上为铅制零件标号，透照时把像质计卡在数字标签上方,每透照一次，数字标签大带轮转动分度，拉过一个数字，以达到给胶片标号排序功能。

2 结语

该设备与现有技术的相比较，能够实现全自动，并能够根据输入零件的型号自动判断探伤焊缝的数目、位置以及拍片数，实现了设备的智能化。而且在拍完照片后，会将所有的参数以表格的形式记录下来，形成数据库，为后期的检查提供了极为有利的条件与便利，实现了设备的网络化。

该设备操作简单，易上手，效率高，而且在行业中暂无该设备，充分体现了设备的先进性。