工业CT自动送样控制系统设计范文
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摘要：介绍了有别于传统CT和自动机器人系统的智能送样系统，可以实现自动CT采集系统，自动取样、自动样品对中、自动检测、自动放样，满足测试的任务要求。将测试人员从繁琐的测试操作中解放出来。
关键词：伺服电机；步进电机；电动夹爪；CT检测系统
引言
传统的CT测试操作方法测试效率比较低，需要每测试一个样品就要开门取放样品，每个样品都要重新对中调试。CT扫描时间相对较短，成批量的样品，需要测试人员长时间职守，不停地做取样和放样的工作，效率比较低下[1]。
1自动CT采集系统与传统测试系统比较
传统的CT测量步骤：（1）测试准备，如设备自检、射线源的预热；（2）放置样品，打开防护门，将样品放置在样品座上，然后关闭防护门；（3）参数设定，如探测器参数、射线源参数、运动各轴参数的设定；（4）进行CT采集；（5）完成CT采集；（6）开门取出样品并放置新的样品。自动CT采集系统，在原CT机的基础上增加了取样横向移动Y轴、垂直移动Z轴、样品抓取电动夹爪（电动夹爪固定在移动轴上跟随移动Y轴和Z轴移动）和有12个样品放置位的样品放置进給轴。测量步骤：（1）测试的准备。（2）放置样品，成批量编号，产品设定样品座可放置12个样品，分别编号1～12号，样品座为0号样品。（3）根据样品的特点设定测试各参数。（4）从批量送料装置按1～12的顺序取出样品。（5）开始CT测试。（6）完成CT测试，从0号样品座取下样品，放回样品座上。（7）样品进给轴自动进给到取样位置，将待测样品放置在取样位。计算机在确定测试0位无测试样品时，取样Y轴移动到取样位置，升降Z轴将电动夹爪移动到待测样品同一位置，电动夹爪夹取样品。升降Z轴和取样Y轴移动到测试0位样品座，电动夹爪放开样品，将样品放置到样品座上。然后取样Y轴和升降Z轴移动到原位。（8）开始测样。（9）测试完成后重复（7）步骤。如此这样直到放置的12个样品均测试完毕。
2自动送样的控制系统软硬件设计
2.1硬件
该工业ct电气控制系统采用原来采用美国DEL⁃TATAU公司的PMACClipper开放式多轴控制卡。该控制卡能够提供运动控制、离散控制、同主机的交互等功能[2]。系统硬件设计如图1所示。PMAC的主要功能如下：PMAC最主要的任务是按照运动程序顺序执行运动程序[3]。执行PLC程序，对于运动顺序不同步的程序采用可编程的逻辑控制程序，类似可编程逻辑控制器的程序。在自动执行任务中，针对每一个电机PMAC均以固定的频率对伺服更新。对于运动的位置增量和实际反馈传感器读回的实际位置相比较，最后在两这的差的基础上输出命令使差值变小，如此往复，直到此值得到满意的结果。PMAC会定期的执行资源管理，以确认整个系统处于正常的工作状态。这些功能包括安全检查，如随动误差限制，硬件超行程限制，软件超行程限制，放大器出错。还包括看门狗的触发控制，当看门狗计时器触发后卡将关闭。该控制卡的硬件特点是:和上位机的通讯可以采用USB口、RS232口和ETHERNET口，一般采用ETHERNET口同上位机进行通讯[4]。伺服接口具有模拟量和数字量接口，能够连接模拟的和数字的交、直流伺服驱动器来控制伺服电动机，以及连接步进驱动器控制步进电机多种的测量器件，如正弦编码器、SSI、绝对式编码器、旋转变压器等。数字I/O口，具有TTL和隔离的24V、下沉式和吸入式源两种模式。
2.1.1样品进给轴的控制样品进给轴采用步进电机驱动的电动位移直线台。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机[5]。步进电机具有动态转矩大，抗干扰能力强，定位精度高等特点。该系统采用东方马达的CVD型驱动器。脉冲输入模式可以设定为单脉冲和双脉冲方式，该驱动器可以根据负载需要的转矩设定运行电流。驱动器具有过热、过电压、过电流等报警保护功能。为了提高系统的运行精度，可以调整设定的步级角。普通步进电机的步级角是1.8°/步，该驱动器可以实现625倍细分即最高步级角0.00288°。该驱动器和步进电机组成的线性位移台，可以满足系统的精度要求[6]。
2.1.2运动Y轴和Z轴的控制运动Y轴和Z轴采用精密滚珠丝杠导轨滑台。轴驱动采用交流伺服电机，伺服驱动器采用台达ASDA-B2伺服驱动器。该驱动器可以支持增量型17bit和20bit高分辨率编码器，可以满足机台高精度的定位要求[7]。伺服驱动器具有内置位置、速度模式和扭矩模式控制模式。速度模式主要应用精密控速的场合，速度的设定可以通过模拟量和内部参数的设定。扭矩控制模式主要针对绕线机等对转矩要求控制的场合。由于该系统不需要精确的速度控制和转矩控制，因此系统伺服驱动器采用的是位置控制模式。伺服位置环控制原理如图2所示。位置输入采用外部位置脉冲的差动输入方式，低速差动脉冲最高频率可以达到500kP/s，而采用高速脉冲最高可达到4MP/s。使用位置跟随模式设定电子齿轮，电机按照设定的比例准确运行。位置增益的调整可以提高位置环的响应宽度，前馈增益可以降低相位的落后误差。
2.1.3电动夹爪电动夹爪可以根据样品座的大小调节夹持的位置和打开位置。夹持的力量可以调节。夹持的控制方式可以采用RS232、RS485和开关量控制方式。电爪的控制如图3所示。2.1.4在0位样品检测和进给轴1～12位样品检测位置信号通过开关量的输入作为检测样品在位或不在位信号，传送到PMAC控制系统。作为系统动作的逻辑判断和状态输入。采用开关量信号可以克服外部信号干扰，增加信号的可信度。样品的位置检测如图4所示。
2.2软件
取样部分的流程如图5所示。
3自动送样控制系统的调试
3.1轴精确定位
在设定位置环控制单元时，因为位置环的内环包含速度环，要考虑进给各轴的速度要满足精确定位的要求[8]。要首先解决运动各轴在CT扫描时，不能影响CT的成像空间。抓取样品和放置样品，必须在运动各轴到位的前提下进行。电动夹爪必须能牢固夹住样品又不能损伤样品。
3.2自动进样系统和CT测试系统的融合
在取样结束后发给上位机，系统自动开始CT扫描。在CT扫描结束时，要将扫描过的样品放回原处，将待扫样品放置在扫描0位。即实现全自动CT扫描。
4结束语
工业CT自动送样控制系统与CT的其他运动系统相融合，增加了相关的硬件和软件。适合于批量CT测试任务，有利于CT标准化检测。将工业自动化系统融入到传统CT的改造中可提高检测效率，减少人员工作量和工作复杂度，具有良好的推广前景。
参考文献：
［1］魏彪，冯鹏.X光工业用CT成像二代扫描运动控制系统设计［J］.光学精密工程，2003（6）：586-590.
［2］郝刚，韩秋实，孙志永.基于PMAC的开放式数控系统性能的研究［J］.北京机械工业学报2003（2）：24-28.
［5］张明.步进电机的基本原理［J］.科技信息，2007（9）：83.
［6］2相•5相步进电动机CVD使用说明书［Z］.日本东方马达株式会社，2015.
［7］ASDA-B2系列标准泛用型伺服驱动器应用技术手册［Z］.DELTA中达电通股份有限公司，2014.11.
［8］韩佩彤，李新国，刘芸.基于PMAC的伺服系统误差补偿方法研究［J］.传感器与微系统，2012，31（8）：12-14.
作者：王奎华 未永 张驰宇 张园成 白建国 单位：天津三英精密仪器股份有限公司
