引言

目前公司使用的锆棒入厂复验超声波检测设备于2002年投入使用。随着设备各部件的老化，目前该设备已进入故障多发期，且均为人工手动上下料。为了提高产品检测效率，缩短整体生产周期，提高设备的整体自动化程度，决定自行对锆棒超声检测系统进行设计、制造，掌握该类设备的研制开发技术。本文的目的是实现锆合金棒材超声检测全过程的自动化，通过设计上料装置，给料装置，旋转检测装置及下料装置，实现棒材的自动上料、自动给料、自动检测、自动下料及合格品和不合格品的自动分区放置，以达到减员增效、提高生产率、节约成本、降低劳动强度的目的。

1、系统总体方案设计

锆棒超声检测自动控制系统包括有：上下料装置、检测主机系统、上位机监控系统及PLC控制系统。上料装置实现锆棒的存储、自动逐根给料及自动将锆棒送入检测主机；下料装置实现检测后锆棒的存储，并自动区分合格品与不合格品，分层放置；检测主机可以实现对锆棒进行螺旋扫描，主电机带动探头旋转，两台进给电机带动锆棒纵向进给，形成螺旋扫描，探头旋转及锆棒进给可进行直流调速，以适应不同的检测速度[4][5]。上位机监控系统一方面实现对控制系统的状态监视与控制，另一方面实现对锆棒超声检测参数及速度的调节；PLC控制系统实现上下料装置逻辑控制、检测转速控制及检测进给速度控制、以及各分系统间的协调工作。系统总体效果图如图1所示。

图1锆棒超声检测系统图

2、各分系统设计

锆棒超声检测自动控制系统是一个相对较大、较复杂的系统，涉及到机械、电器、气动、PLC、软件编程、超声检测、抗干扰等各个方面，其主要技术指标及技术难点有以下几个方面：

（1）整体检测效率要符合工艺技术要求，检测过程全自动化；

（2）能够实现单棒逐根自动上下料，并可自动区分合格品与不合格品；

（3）旋转头的最高转速可达3000r/min连续可调；

（4）锆棒进给速度0～4m/min连续可调；

（5）每根单棒检验耗时4min～8min；

（6）伺服系统要采用干扰较小的直流调速伺服系统；

（7）采取各种手段降低外界干扰对超声系统的影响，如隔离、屏蔽、接地、滤波、绝缘等，实现外界干扰不影响正常检测；

2.1上料装置

上料装置如图2所示，主要由待检工件（锆棒）、储料轨道、上料机构、送料导轮、送料气缸等组成。“上料机构”实现自动地将锆棒“逐根”地送到“送料导轮”上，供“送料气缸”将锆棒送到“检测主机”中的“前夹驱”机构中。

图2上料装置

2.2下料装置

下料装置如图3所示，主要由已检合格工件、已检不合格工件、储料轨道、下料机构、出料导轮等组成。“检测主机”的“后夹驱”机构将锆棒送到“出料导轮”上，“下料机构”根据超声检测结果自动选择将锆棒送到“合格件储料轨道”上或者“不合格件储料轨道”上。

图3下料装置

上下料机构均采用双气缸同步调节方式，实现两气缸完全同步工作，达到工件平稳上下料目的；送料气缸力的输出大小可调，下料分区放置采用软硬件联合控制。

3、控制系统设计

3.1系统工作流程

锆棒超声检测系统实现整个检测过程的自动化，自动逐根上料、自动进给、自动探伤、自动下料区分合格品与不合格品并分类放置。工作过程：检测开始前先将系统启动预热，系统自检（主轴内有堵棒，启动循环水泵，主轴旋转并达到设定速度），人工将待检锆棒摆满上料架，上料机构自动将锆棒送入上料轨道，送料机构将锆棒送入检测主机中，探伤检测完成后，检测主机将锆棒送到下料架下料轨道上，下料装置将已检锆棒根据检测结果进行分类放置，所有锆棒检测完成后，主机内被自动送入堵棒，完成一个检测循环。

3.2电气系统

锆棒超声检测系统主轴旋转及锆棒进给速度均采用直流伺服调速控制，调速器主要用来对电机进行调速及起动曲线的设置，在其电源输入端加滤波器，以减小对超声信号的干扰[3]。两种调速器在使用前都需对其进行校准及PID调节，使其运行参数达到最优[4]。锆棒超声检测系统气动部分，由给料无杆滑块气缸、给料夹爪气缸、上料气缸、下料气缸及其控制气缸动作的电磁阀等部件组成，配合各部位传感器及机械部件由上位机监控系统与PLC控制系统共同控制完成整个锆棒超声检测系统自动上料、自动给料及自动下料动作。

3.3上位机监控系统

上位机监控系统是操作人员使用超声检测设备进行锆棒检测的人机交互接口。其主要任务是配合超声检测仪及PLC控制系统完成检测任务的下发、超声数据的采集和机械设备的控制。上位机监控系统根据操作人员录入的信息将任务下发给超声检测仪和PLC控制系统，PLC控制系统接收指令后控制和调整设备的运行；同时将机械设备的传感器信号进行回传，来监视当前设备的状态。

3.4PLC控制系统

PLC控制系统由PLC控制器及其相关模块，交流伺服电机控制器，滤波器，各类电磁阀、气缸、传感器、压力表、电子元器件等组成。实现对整个检测系统所有逻辑动作进行控制，包括上下料装置的所有动作，电机的启停、正反转及调速控制等，系统控制原理如图4所示。

图4PLC控制系统控制原理图

4、结论

本文以设计开发一台全自动锆棒超声检测设备为目的，经过前期的方案设计、设备选型，及后期的机械、电气设计，最终成功研制出锆棒超声检测自动控制系统。论文主要完成以下工作并得出结论：

（1）对系统中各个分系统进行详细设计，包括上下料装置及检测主机的机械设计；

（2）完成上位机监控系统及PLC控制系统设计（电气设计）；

（3）完善优化了系统总体运行程序，使得各个分系统能够紧密配合，能够快速高效的检测出符合要求的产品。

参考文献：

[1]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]程子华,詹永瑞.西门子S7-200PLC应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[3]张邦宁.通信抗干扰技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]范国伟.电机原理与电力拖动[M].北京:人民邮电出版社,2012.

[5]西门子中国有限公司.西门子自动化与驱动产品使用手册.2004

作者简介：王剑平（1983—），女，研究生，工程师，现主要从事核燃料元件制备与科研工作。

基金项目：中核北方核燃料元件有限公司科研项目

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