基于X 射线的轮胎检测系统设计

摘要：X射线检测方法具有形象直观、容易定量判定等优点，逐渐成为检测轮胎内部缺陷的首要方法，设计了一套基于X射线的轮胎检测系统，分别阐述了轮胎X射线检测基本原理，轮胎检测系统的硬件及软件设计。

关键词：X射线检测；轮胎无损检测；可编程控制器；缺陷检测

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）03-0629-04

随着汽车工业的快速发展，对汽车轮胎的需求量也在不断的增加，推动了轮胎行业的快速发展，全钢子午线轮胎具有安全、耐用、舒适和节能等优点，在轮胎市场的占有量越来越大，而轮胎质量是整车安全保障至关重要的一环，对轮胎进行检测是轮胎出厂前重要一环；X射线检测方法具有形象直观、容易定量判定等优点，逐渐成为检测轮胎内部缺陷的首要方法，被国内外厂商所广泛采用，但传统的X射线检测轮胎的方法是通过肉眼观看轮胎X射线图像人工来判断轮胎的缺陷是否存在，存在极大的弊端，目前市场现有的全自动轮胎质量检测系统价格昂贵，基于此，对基于X射线的轮胎检测系统进行设计与研究。

1 轮胎X射线检测基本原理

1.1轮胎X射线透视成像原理

X射线是一种电磁辐射， 具有的波粒二像性，属于中短波，X射线技术是现代企业对轮胎进行质量检测所使用的主要技术， 即利用X 射线源发出X射线， 利用X射线照射到位于测量位置上的以设定的速率转动的轮胎， 由于轮胎内部材料的差异，从而导致X射线的透过率及射线强度都不同，X射线透过轮胎后照射到闪烁体（采用硫化锌镐、铂氰化钡、钨酸钙等化合物）上， 闪烁体经x射线曝光后，在电离作用下发出可见光，这些可见光被非晶硅层捕捉，在其内部的光电二极管作用下产生与光强度相一致的电流信号，这些电流信号再经过再经过图像采集芯片后获得数字图像信号。

1.2轮胎x射线检测流程

1）判断测量是否有轮胎，若测量区有轮胎，则爬坡输送带停止工作，若测量区没有轮胎，则爬坡电机正转，利用爬坡输送带将轮胎输送到尺寸测量工位， 然后使用夹持装置将轮胎夹紧；

2）使用激光传感器完成对以设定速率通过的轮胎测量，测量参数包括轮胎内径、轮胎外径、轮胎最大断面宽尺寸等，测量按成后测量数据输送到上位机，同时把待测量轮胎送到铅房入口；

3）判断轮胎规格，若规格不正确，则等待上位机操作返回，若正确则升降台上升，各轴到待机位置，铅房入门开，出口门关，轮胎送到铅房定位中，升降台下降，气缸压紧；

4）各轴至目标位，轮胎旋转，PLC将准备好信号传给上位机，PLC控制X射线管发射，计圈开始，开始采图，并将图像自动传送到上位机，计圈满一周，停止采图，上位机利用图像处理软件进行检测判级；

5）轮胎检测完毕后， 关闭射线， 停止轮胎旋转，气缸退回，升降台上升，定中机构退回，出口门开，轮胎送出铅房；

6）读下一轮胎规格。

2 控制系统设计

2.1系统总体设计

设计的X射线检测控制系统用于工业现场（轮胎生产厂）的在线检测，具有工作时间长且工作环境恶劣等特点，此外，还要满足轮胎企业生产三班倒制度，因此，设计的系统应具有图像采集功能，图像输出控制信号，轮胎输送功能，轮胎规格自动识别功能，轮胎定位检测功能，图像管理功能，信息化连接功能等功能。整个控制系统采用监控管理级计算机工作站和PLC 下位机组成的2级计算机结构形式，使用工业以太网和 CC-Link 现场总线2层网络结构，其中，最下层采用CC-Link 现场总线，通过在PC机中安装CP1613通讯卡，在工业现场安装CP343-1 IT模块，并在PC机中安装SIMATIC NET软件及其授权，实现了上位机通过以太网与下位机PLC的通信，上位机中的监控软件采用WinCC 5.0，实现对现场对象进行控制，其连接现场控制器，伺服驱动器和变频器，最上层采用以太网，用于最上层的管理和监控，通过交换机连接多台设备，包括触摸屏、PLC和计算机工作站；基于X射线的轮胎检测系统由计算机工作站、触摸屏、PLC电气控制、变频器、伺服驱动系统、现场控制器、X 射线发生系统、X 射线接收及图像处理系统等部分组成，见图2所示。

1）监控管理级计算机工作站接收图像采集卡输入的轮胎 X 光图像，将采集得到的轮胎 X 光图像进行显示和存储，形成轮胎 X 射线图像并进行轮胎缺陷识别，此外，还向 PLC 发送各种运动操作命令；

2）PLC 是整个控制系统的核心，执行各种面向用户的指令，如进行定时、计数与算术操作，执行逻辑运算、顺序控制等操作，此外，还通过AI，DI，AO，DO通道接收及发送设备控制的命令，完成设备的各个工艺动作，如实现安全参数监控、X 射线管运动、探测器移动、轮胎翻转等控制功能；

3）X 射线发生系统产生轮胎检测所需要的X 射线， 是整个检测系统的 X 光源，是系统的关键部分；

4）X射线接收及图像处理系统将采集到的 X 射线转换为数字信号，然后进行变换及重新组合，形成一幅完整的轮胎 X 光图；

5）变频器在 PLC 逻辑控制下，完成轮胎输送，定位功能；

6）触摸屏用于监控系统运行状态，设置参数，调节各运动机构位置，进行开始测量启动、对中位置设定、轮胎翻转速度的设定、轮胎型号设定等操作；

7）伺服驱动器由电动机带动机械机构按照设计的动作运动，完成整个轮胎检测过程的伺服驱动功能。

2.2主要硬件设计

1）PLC

整套轮胎检测系统的控制系统核心为 PLC，其负责接收并执行上位机和触摸屏发来的命令信号，实现X 射线管、被测轮胎和 U 型探测器的高精度定位，指示伺服驱动器和变频调速器以设定参数运转，控制轮胎对中机构、X 射线管、升降台升降、对边机构、爬坡输送工作、轮胎旋转运动等，在运行过程中PLC 实时监控各元件的运行状况，并及时做出警告及报警等动作；选择SIMATIC的新一代产品S7-300系列可编程控制器S7-300PLC（CPU315-2DP）， SIMATIC S7系列PLC都采用了模块化设计，各种单独模块（中央处理单元模块、电源模块、功能模块、导轨、信号模块、接口模块等之间可进行广泛组合和扩展，系统容易增减且易于用户操作，此外，SIMATIC S7-300具有高速的指令处理，诊断功能，人机界面（HMI）和口令保护等功能，使得S7系列PLC成为各种从小规模到中等性能要求以及大规模应用的首选方案，因此本文选用S7-300PLC（CPU315-2DP）作为控制器。

2）X 射线发生系统

由X 射线管、X 射线控制器、高压控制器、高压发生器、水冷却器系统组成，X 射线管选择发射角达33°×280°的德国 RTW 公司的插入式全景射线管（MCT120 6FⅡ），其最高电压达120kV，聚焦尺寸为4.5×0.5mm，最大功率达480W；高压发生器选择了英国 GULMAY 生产的高压发生器（FC160 型），其产生最高电压为160kV的高频高压，最大功率达1800W，负载调节率

3）X 光接收与成像系统

由工控机、PCI 图像数据采集卡和X 光线阵探测器三部分组成，考虑到轮胎外形特征及配合X 射线发射角度（33°×280°），X 光线阵探测器采用 SEZ U-64-16-80 型（德国 NTB 公司生产） X 射线接收器，其像素最小分辨率达0.25mm，扫描速度为80m/min，最小曝光时间/线为1ms，有效像素数达28224，辐射敏感范围大（20kV～160kV），可以获得轮胎从胎圈到胎圈的完整图像，实现无盲区检测；在工控机中安装 PCI 高速图像采集卡其负责将传感器采集获得X射线模拟电信号转换为数字信号，形成数字矩阵，再通过安装在工控机中的图像采集处理软件，实现轮胎缺陷检测。

3 X射线检测控制系统的软件设计

3.1软件开发平台

软件设计分为上位机程序和 PLC 程序两部分，采用两个不同的开发平台，上位计算机软件采用Microsoft公司的VC作为开发平台，VC是C++语言的集成开发环境，是Windows中一个功能强大的Windows下最主要的开发工具之一，其集成了微软基础类库MFC，使得用户使用VC可以轻松快速地开发Windows的应用程序和动态库，有很多第三方开发的SDK，尤其支持图像处理。

PLC 程序采用STEP7进行组态和编程，PLC软件设计步骤为：根据本课题的需要设计基于X射线的轮胎检测系统的自动化解决方案，在STEP中创建一个项目，接着进行组态硬件及编写PLC控制程序，通过电缆将组态信息和程序下载到PLC中，然后进行在线调试并测试程序。

3.2 X射线检测软件整体流程

上位计算机程序和 PLC 程序相互配合，2者通过以太网实现数据通信，实现整个自动检测过程，其中PLC 控制电气系统带动机械结构运动，上位机软件负责 X 光图像的采集和缺陷识别，软件整体流程如下：

1）当测量区有轮胎，PC通知PLC进行准备工作，PLC准备完毕后，想上位机发送一个 “PLC准备就绪”信号；

2）当PC 端接收“PLC准备就绪” 信号，且完成自身准备工作后，开始等待用户开始信号的到来；

3）当用户给出“开始检测命令”信号，PC 端把该信号传递给 PLC；

4）PLC 接收来自PC端的“开始检测命令”信号，指挥 X 光发生系统、变频器和伺服驱动系统，记录一个“初始轮胎图像信息”信息，开始使用激光传感器对正在翻滚的轮胎进行扫描；

5）X接收系统及图像处理系统将采集到的连续轮胎图像数据发送到PC 端，PC 端把当前数据与“初始轮胎图像信息”数据进行比较，若当前数据与初始轮胎图像信息数据相同，则代表已经完成了轮胎一周的扫描，若数据不同则代表还未把轮胎扫描一周，则继续扫描动作；

6）当PC 端完成扫描图像的重构后，向PLC发出 “完成图像采集” 信号，PLC 接收“完成图像采集”信号后，立即停止 X 光发生系统和伺服驱动系统，与此同时，PC使用图像处理程序对进行轮胎进行识别并判级；

7）当PC 端完成对轮胎进行识别并判级后，根据识别结果给出信号：“合格动作“或“不合格动作“信号；

8）PLC 根据接收到的 “合格动作“或“不合格动作“信号，分别做出轮胎合格和轮胎不合格两套 PLC 动作；

9）完成整个检测过程，等待下一次检测的开始。

4 结束语

根据轮胎在线检测的要求，设计了X射线检测系统方案，完成了控制系统各模块的选型和控制系统软件设计，基于面向对象的编程方法，上位机采用VC进行编程，PLC采用Step7 _V5.4软件包进行开发，完成了图像采集显示功能，图像输出控制信号，轮胎输送功能，轮胎定位检测功能，轮胎规格自动识别功能，图像管理功能，信息化连接功能等功能。

参考文献：

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