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進行設計、制造，掌握該類設備的研制開發技術。本文的目的是實現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放置，以達到減員增效、提高生產率、節約成本、降低勞動強度的目的。

1、系統總體方案設計

鋯棒超聲檢測自動控制系統包括有：上下料裝置、檢測主機系統、上位機監控系統及PLC控制系統。上料裝置實現鋯棒的存儲、自動逐根給料及自動將鋯棒送入檢測主機；下料裝置實現檢測后鋯棒的存儲，并自動區分合格品與不合格品，分層放置；檢測主機可以實現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]。上位機監控系統一方面實現對控制系統的狀態監視與控制，另一方面實現對鋯棒超聲檢測參數及速度的調節；PLC控制系統實現上下料裝置邏輯控制、檢測轉速控制及檢測進給速度控制、以及各分系統間的協調工作。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

鋯棒超聲檢測自動控制系統是一個相對較大、較復雜的系統，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）能夠實現單棒逐根自動上下料，并可自動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）鋯棒進給速度0～4m/min連續可調；

（5）每根單棒檢驗耗時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。“上料機構”實現自動地將鋯棒“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方式，實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現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啟動預熱，系統自檢（主軸內有堵棒，啟動循環水泵，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。

3.2電氣系統

鋯棒超聲檢測系統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，使其運行參數達到最優[4]。鋯棒超聲檢測系統氣動部分，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控系統與PLC控制系統共同控制完成整個鋯棒超聲檢測系統自動上料、自動給料及自動下料動作。

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控制系統完成檢測任務的下發、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下發給超聲檢測儀和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；同時將機械設備的傳感器信號進行回傳，來監視當前設備的狀態。

3.4PLC控制系統

PLC控制系統由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。實現對整個檢測系統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

本文以設計開發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。論文主要完成以下工作并得出結論：

（1）對系統中各個分系統進行詳細設計，包括上下料裝置及檢測主機的機械設計；

（2）完成上位機監控系統及PLC控制系統設計（電氣設計）；

（3）完善優化了系統總體運行程序，使得各個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品。

參考文獻：

[1]廖常初.PLC編程及應用[M].北京:機械工業出版社,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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