工業(yè)CT自動送樣控制系統(tǒng)設(shè)計范文

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摘要：介紹了有別于傳統(tǒng)CT和自動機器人系統(tǒng)的智能送樣系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動CT采集系統(tǒng)，自動取樣、自動樣品對中、自動檢測、自動放樣，滿足測試的任務(wù)要求。將測試人員從繁瑣的測試操作中解放出來。

關(guān)鍵詞：伺服電機；步進電機；電動夾爪；CT檢測系統(tǒng)

引言

傳統(tǒng)的CT測試操作方法測試效率比較低，需要每測試一個樣品就要開門取放樣品，每個樣品都要重新對中調(diào)試。CT掃描時間相對較短，成批量的樣品，需要測試人員長時間職守，不停地做取樣和放樣的工作，效率比較低下[1]。

1自動CT采集系統(tǒng)與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)比較

傳統(tǒng)的CT測量步驟：（1）測試準備，如設(shè)備自檢、射線源的預(yù)熱；（2）放置樣品，打開防護門，將樣品放置在樣品座上，然后關(guān)閉防護門；（3）參數(shù)設(shè)定，如探測器參數(shù)、射線源參數(shù)、運動各軸參數(shù)的設(shè)定；（4）進行CT采集；（5）完成CT采集；（6）開門取出樣品并放置新的樣品。自動CT采集系統(tǒng)，在原CT機的基礎(chǔ)上增加了取樣橫向移動Y軸、垂直移動Z軸、樣品抓取電動夾爪（電動夾爪固定在移動軸上跟隨移動Y軸和Z軸移動）和有12個樣品放置位的樣品放置進給軸。測量步驟：（1）測試的準備。（2）放置樣品，成批量編號，產(chǎn)品設(shè)定樣品座可放置12個樣品，分別編號1～12號，樣品座為0號樣品。（3）根據(jù)樣品的特點設(shè)定測試各參數(shù)。（4）從批量送料裝置按1～12的順序取出樣品。（5）開始CT測試。（6）完成CT測試，從0號樣品座取下樣品，放回樣品座上。（7）樣品進給軸自動進給到取樣位置，將待測樣品放置在取樣位。計算機在確定測試0位無測試樣品時，取樣Y軸移動到取樣位置，升降Z軸將電動夾爪移動到待測樣品同一位置，電動夾爪夾取樣品。升降Z軸和取樣Y軸移動到測試0位樣品座，電動夾爪放開樣品，將樣品放置到樣品座上。然后取樣Y軸和升降Z軸移動到原位。（8）開始測樣。（9）測試完成后重復(fù)（7）步驟。如此這樣直到放置的12個樣品均測試完畢。

2自動送樣的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1硬件

該工業(yè)ct電氣控制系統(tǒng)采用原來采用美國DEL⁃TATAU公司的PMACClipper開放式多軸控制卡。該控制卡能夠提供運動控制、離散控制、同主機的交互等功能[2]。系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示。PMAC的主要功能如下：PMAC最主要的任務(wù)是按照運動程序順序執(zhí)行運動程序[3]。執(zhí)行PLC程序，對于運動順序不同步的程序采用可編程的邏輯控制程序，類似可編程邏輯控制器的程序。在自動執(zhí)行任務(wù)中，針對每一個電機PMAC均以固定的頻率對伺服更新。對于運動的位置增量和實際反饋傳感器讀回的實際位置相比較，最后在兩這的差的基礎(chǔ)上輸出命令使差值變小，如此往復(fù)，直到此值得到滿意的結(jié)果。PMAC會定期的執(zhí)行資源管理，以確認整個系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)。這些功能包括安全檢查，如隨動誤差限制，硬件超行程限制，軟件超行程限制，放大器出錯。還包括看門狗的觸發(fā)控制，當看門狗計時器觸發(fā)后卡將關(guān)閉。該控制卡的硬件特點是:和上位機的通訊可以采用USB口、RS232口和ETHERNET口，一般采用ETHERNET口同上位機進行通訊[4]。伺服接口具有模擬量和數(shù)字量接口，能夠連接模擬的和數(shù)字的交、直流伺服驅(qū)動器來控制伺服電動機，以及連接步進驅(qū)動器控制步進電機多種的測量器件，如正弦編碼器、SSI、絕對式編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。數(shù)字I/O口，具有TTL和隔離的24V、下沉式和吸入式源兩種模式。

2.1.1樣品進給軸的控制樣品進給軸采用步進電機驅(qū)動的電動位移直線臺。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機[5]。步進電機具有動態(tài)轉(zhuǎn)矩大，抗干擾能力強，定位精度高等特點。該系統(tǒng)采用東方馬達的CVD型驅(qū)動器。脈沖輸入模式可以設(shè)定為單脈沖和雙脈沖方式，該驅(qū)動器可以根據(jù)負載需要的轉(zhuǎn)矩設(shè)定運行電流。驅(qū)動器具有過熱、過電壓、過電流等報警保護功能。為了提高系統(tǒng)的運行精度，可以調(diào)整設(shè)定的步級角。普通步進電機的步級角是1.8°/步，該驅(qū)動器可以實現(xiàn)625倍細分即最高步級角0.00288°。該驅(qū)動器和步進電機組成的線性位移臺，可以滿足系統(tǒng)的精度要求[6]。

2.1.2運動Y軸和Z軸的控制運動Y軸和Z軸采用精密滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺。軸驅(qū)動采用交流伺服電機，伺服驅(qū)動器采用臺達ASDA-B2伺服驅(qū)動器。該驅(qū)動器可以支持增量型17bit和20bit高分辨率編碼器，可以滿足機臺高精度的定位要求[7]。伺服驅(qū)動器具有內(nèi)置位置、速度模式和扭矩模式控制模式。速度模式主要應(yīng)用精密控速的場合，速度的設(shè)定可以通過模擬量和內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定。扭矩控制模式主要針對繞線機等對轉(zhuǎn)矩要求控制的場合。由于該系統(tǒng)不需要精確的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，因此系統(tǒng)伺服驅(qū)動器采用的是位置控制模式。伺服位置環(huán)控制原理如圖2所示。位置輸入采用外部位置脈沖的差動輸入方式，低速差動脈沖最高頻率可以達到500kP/s，而采用高速脈沖最高可達到4MP/s。使用位置跟隨模式設(shè)定電子齒輪，電機按照設(shè)定的比例準確運行。位置增益的調(diào)整可以提高位置環(huán)的響應(yīng)寬度，前饋增益可以降低相位的落后誤差。

2.1.3電動夾爪電動夾爪可以根據(jù)樣品座的大小調(diào)節(jié)夾持的位置和打開位置。夾持的力量可以調(diào)節(jié)。夾持的控制方式可以采用RS232、RS485和開關(guān)量控制方式。電爪的控制如圖3所示。2.1.4在0位樣品檢測和進給軸1～12位樣品檢測位置信號通過開關(guān)量的輸入作為檢測樣品在位或不在位信號，傳送到PMAC控制系統(tǒng)。作為系統(tǒng)動作的邏輯判斷和狀態(tài)輸入。采用開關(guān)量信號可以克服外部信號干擾，增加信號的可信度。樣品的位置檢測如圖4所示。

2.2軟件

取樣部分的流程如圖5所示。

3自動送樣控制系統(tǒng)的調(diào)試

3.1軸精確定位

在設(shè)定位置環(huán)控制單元時，因為位置環(huán)的內(nèi)環(huán)包含速度環(huán)，要考慮進給各軸的速度要滿足精確定位的要求[8]。要首先解決運動各軸在CT掃描時，不能影響CT的成像空間。抓取樣品和放置樣品，必須在運動各軸到位的前提下進行。電動夾爪必須能牢固夾住樣品又不能損傷樣品。

3.2自動進樣系統(tǒng)和CT測試系統(tǒng)的融合

在取樣結(jié)束后發(fā)給上位機，系統(tǒng)自動開始CT掃描。在CT掃描結(jié)束時，要將掃描過的樣品放回原處，將待掃樣品放置在掃描0位。即實現(xiàn)全自動CT掃描。

4結(jié)束語

工業(yè)CT自動送樣控制系統(tǒng)與CT的其他運動系統(tǒng)相融合，增加了相關(guān)的硬件和軟件。適合于批量CT測試任務(wù)，有利于CT標準化檢測。將工業(yè)自動化系統(tǒng)融入到傳統(tǒng)CT的改造中可提高檢測效率，減少人員工作量和工作復(fù)雜度，具有良好的推廣前景。

參考文獻：

［1］魏彪，馮鵬.X光工業(yè)用CT成像二代掃描運動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.光學(xué)精密工程，2003（6）：586-590.

［2］郝剛，韓秋實，孫志永.基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)性能的研究［J］.北京機械工業(yè)學(xué)報2003（2）：24-28.

［5］張明.步進電機的基本原理［J］.科技信息，2007（9）：83.

［6］2相•5相步進電動機CVD使用說明書［Z］.日本東方馬達株式會社，2015.

［7］ASDA-B2系列標準泛用型伺服驅(qū)動器應(yīng)用技術(shù)手冊［Z］.DELTA中達電通股份有限公司，2014.11.

［8］韓佩彤，李新國，劉蕓.基于PMAC的伺服系統(tǒng)誤差補償方法研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（8）：12-14.

作者：王奎華 未永 張馳宇 張園成 白建國 單位：天津三英精密儀器股份有限公司