0 引 言
近10 年来，煤矿井下作业自动化程度不断提高，大数字、智能电器、智能传感、数字信息等设备不断涌入矿山领域，矿山老旧设备逐渐被淘汰，同时促进矿山企业往智能化、数字化发展，为企业带来新鲜动力，使得矿山智能设备发展日益强劲，为矿业转型升级［1］。 煤矿从传统的人工作业，历经数10 年，逐步向“机械化换人，智能化减人”发展，为企业注入新鲜血，提高企业的竞争实力。 智能、数字化、信息化设备投入使用之后，不仅削减了人工成本，同时大幅增强了矿山作业的安全性，不断提高矿山综采、运输、检测等生产的效率，保障着矿山安全生产进行，促进矿山高效率、经济化、智能化、可持续生产进行［2-3］。
然而，在煤矿钻具、钻杆等方面的智能化研究仍然处于初始阶段。 某些钻杆本身在加工、制作等生产过程中，由于质量加工工艺的不可控，而导致钻杆自身结构内部存在间隙、缺陷、气孔、裂纹等问题。钻杆在钻进过程中，受到复杂外力的作用下，这些缺陷、气孔、裂纹等问题会进一步被放大，从而导致钻杆在钻进过程中出现断裂，阻碍了生产的正常进行，同时因为打捞困难使得人力、财力的损失巨大［2，4］。文献［5-6］重点分析了钻杆失效机理和寿命预测，给出了钻杆在复杂力影响下失效的原因，具有普遍的指导意义，但不足以针对特定企业改善钻杆制作、加工过程中的工艺以及提高加工设备质量，增强对钻杆工艺质量的管控。 文献［7-8］研究了钻杆裂纹参数，主要包括尺寸、角度、深度，对裂纹表面应力分布的影响，进而造成钻杆断裂。
目前，国内对钻杆断裂的理论研究较多，但缺乏一种有效的手段来检验这些钻杆自身存在的质量问题。 文献［9］通过超声波检测的方式来检测钻杆裂纹等问题，通过吸收后的超声波强弱来判定是否存在裂纹。 但此方法仅针对钻杆特定部位，效率低，不能反映钻杆内部所有的裂纹、空隙等问题。 文献［10-11］研究了X 射线检测工业CT 方法，利用穿透钻杆射线的衰减强度，来判断金属物件内部的间隙、夹杂和裂纹等问题，通过图像重建算法，得到金属物件3D 模型。 通过CT 切片方法，有效辨识钻杆内部裂纹、间隙、夹杂等问题，如实反映钻杆生产过程中的质量问题，具有效率高、精度高等优点。
然而，通过工业CT 技术检测，采用人工方式检测设备，功能单一，检测过程为人工上下料，检测效率低，不能适应大批量钻杆流水线检测过程的要求。在此基础上，笔者研究钻杆智能化、流水线工业CT检测系统，该系统配备智能机械手、流水线扫描系统，配合设备检测节拍，快捷、安全地实现被检测工件的抓取、摆放、撤收。 配合自动上、下料功能模块，实现多个钻杆的一次性输入，逐个检测，检测效率高，精度高，风险低，有助于进一步提升和增强钻杆加工、制造工艺质量，使钻杆质量得到进一步把控，从而降低钻杆在钻进过程中因断裂而带来的损失。
1 钻杆智能检测系统结构
钻杆智能检测系统主要由自动扫描系统、电气运动控制系统、智能机械手及其控制系统、MCP 控制盒、WMS 切换盒等组成。 机械手控制器每个手臂都配有伺服运动电机，每个电机都可以通过转矩控制来输出大转矩力，控制机械臂执行相关运动动作。通过力感应反馈器，可以有效控制机械手的误动作。MCP 手动示教盒主要用来初步调试，通过其电源控制来给手臂上电，并手动控制其运动，运动轨迹可以保存自动示教，省去编写程序的过程。 电气运动控制系统主要负责钻具工业CT 扫描系统的运行，负责和机器人系统进行联动通信运动，同时负责测量、安全防护等电气控制运动。 流水线扫描系统是配合机械手运动，将整个检测盘上的钻具送到指定抓取的位置，形成流水线作业。 机器人电气系统主要负责机器臂抓取、旋转、放置等手臂动作，同时负责控制器一些外围电路，主要为门联锁电路、急停联锁电路及其电机运动编码等。
1.1 射线源和探测系统
如图1 所示，X 射线源系统［12-13］的作用为提供射线源，该X 射线主要用于穿透钻杆，X 射线穿透过程中，一定程度上会得到衰减。 基于这个原理，探测检测系统用于接收经钻具吸收衰减后的X 射线，通过检测X 射线的强弱，来作为判断钻杆内部是否存在夹渣、空隙、裂纹等质量问题的依据，其主要由射线与电磁屏蔽箱、准直器、探测晶体、采集控制单元、稳压电源等组成。 准直器用于将透射过工件的X 射线限制在一个平面内，并将扇形射线束进行离散化，以便探测器接收信号。 同时屏蔽散射线，提高图像质量。
图1 探测检测原理
Fig.1 Principle of detection
1.2 机械手系统
将工业智能机器检测系统代替传统的人工作业检测，通过设定程序可自动执行特定、特种工作任务。 通过编辑程序，可实现产品在空间中不同位置、不同姿态、不同动作间调整。 该机械手将流水线上钻杆抓取，基座主轴旋转至转台位置时，机械手动作将钻杆放入转台指定位置，回到原始home 位置，钻台旋转，执行扫描动作。 机械手抓取工装由气动夹爪和夹持工装组成，气动夹爪实现钻杆夹持动作和夹持状态反馈，工装与被检测工件直接接触，实现工件的安全抓取和合理存放。 综合考虑实现功能、运动行程、重复精度以及负载大小，最终确定机械手型号以及控制器型号。
1.3 电气运动控制系统
如图2 所示，运动控制采用双闭环高精度伺服系统，具有高可靠、高精度等优势［2］。 电气运动控制系统主要包括伺服电机及驱动系统、光栅尺位置检测、I／O 模块、触摸屏控制以及计算机软硬件等。底层控制结构负责扫描过程的控制与驱动、实时位置测量等功能。 整个电气伺服系统，主要包括转台运动电机旋转、径向运动、探测电机与射线电机升、降扫描运动等。
图2 电气运动控制系统
Fig.2 Electrical motion control system
电机与位置测量装置［14-15］主要实现射线、探测及转台、自动流水线等电机的运动控制，同时通过测量光栅尺来测量检测，并精确反映电机实时运动位置，通过测量模块SMC30，将测量数据反馈至控制系统，具有精度高、速度快等特点。 触摸屏控制主要实现系统装、卸、调试等控制，人机界面简单可靠。安全联锁主要是防止突发紧急情况下，拍下急停装置，此时射线系统停止工作，不能出束，避免对操作人员的辐射伤害。 电气系统通过网络通信，在远程控制射线源出束、停束、系统自动扫描等功能。 同时实时获取采集的探测数据，便于后期图像计算用。图像计算机用于对来自采集系统的数据进行整理、校正、处理，重建钻杆CT 图像，并通过软件自带测量工具，协助检测人员完成钻杆内部质量特征的测量与分析。
1.4 自动扫描系统
如图3 所示，将钻杆置于检测盘中，电机转动带动机械传动，输送带运动。 当要被抓取的钻杆流水线运动到装有光电开关的位置时，电感式光电开关被遮挡，输出低电平信号给机器人系统，此时电机停止转动，机器手动作，抓取钻杆放于转台位置，此时转台位置下方检测光电开关被遮挡。 传动电机开始运动，机器手回到抓取位置，执行下一个钻具的抓取、放置等步骤。 钻杆存料区能一次性存储多个被检测工件，确保一次性上料，同时为检测工件提供存储中转的区域。
图3 自动扫描技术步骤
Fig.3 Steps of auto scan technical
1.5 通信连接
机器人控制器［16-18］通过加装Molex 通信板卡PCU-ETHIO 以支持Profinet 通信协议，通过配置软件将机器人控制器配置为从站，使得机器人更多的是作为一个灵活的运动机构而存在，而电气运动控制系统则作为整个系统的控制核心。 为了方便配置Profinet 板卡和监视PLC，可以把所有设备设置在同一网段，利用交换机连接起来。
1.6 安全防护措施
外部安全防护措施如下：
1）在抓取工装上设计防滑止口，防止抓取钻杆过程中工件滑落。
2）在机器人运动区域铺设防跌落安装网，保证工件在意外情况下滑落时不接触地面及其他设备。
3）在工业机器人运动区域的边界做物理隔离，如光幕等，防止机器人运动过程与其他物体干涉或运动失控。
4）在抓取工装上安装接触式力感应装置，保证每次抓取工件稳固，不漏抓或滑落。
5）急停按钮和连锁结构。
机器人运动区域限位如图4 所示，为了使智能系统，更加安全、可靠地运行，根据不同的轴可设计软件、电气限位器、或内部机械限位器3 种限位来限制轴的幅度。
图4 机器人运动区域限位
Fig.4 Robot motion zone limit
在正常运行期间机器人运动的角度范围，使用软件及可调机械限位可以特意限制关节的范围，在机器人的正常使用期间，都不应该到达机械限位器。
2 系统硬件拓扑
1）如图5 所示，电气运动控制系统［2，11-12］是选用西门子S120 系列，该系统技术成熟、产品稳定性和可靠性比较强，能够实现复杂的运动控制，其中测量模块、I／O 模块、驱动模块和控制器之间、模块之间，都是通过网线连接，这种方式易于扩展，简单便捷。
图5 电气运动控制系统架构示意
Fig.5 Architecture schematic of electrical electrical motion control system
2）机械臂。 本方案选择史陶比尔成熟的6 轴工业机器人，将机械手放置于工业CT 设备机械床身附近，机器人距离转台较近。 选用TX90XL 机器人，最大工作半径为1 450 mm，重复定位精度为±0.04 mm。 该机器手可搭配2 个电磁阀，为抓取和下放钻杆提供动力控制，该机械手采用全封闭走线，所有线缆均走机械手臂内部，可靠性更强。
3）机械手控制器。 如图6 所示，机器手控制器型号为CS8C，该控制器可用于控制机器手的动作。机器人进线主回路供电电压为230 VAC±10%／（50／60 Hz），由控制器直接提供电源给机器臂。 控制器本身自带3 个快速I／O，门连锁24 VDC 信号、冗余急停连锁24 VDC 信号等。 如果I／O 点信号不能满足要求，可通过控制器扩展2 块BIO 板，2 块IO 板配置，每块IO 板可选配16 路输入和输出，该IO 板采用光电隔离输入／输出，带过流保护。 CS8C 控制器的CPT 单元一共有3 个PCI 卡槽，将总线通信板卡安装在运动控制卡右侧的PCI 卡槽。 通常运动控制卡（STARC Board）插在左侧第1 个槽，Profinet卡插在左侧第2 个槽。
图6 机器人控制器
Fig.6 Robot Controller
3 钻杆智能扫描系统软件流程
钻杆智能扫描系统软件流程如图7 所示［19-20］。设备开机实现对射线／探测系统、电气、机器人等系统的供电，此时铅门自动打开。 将装有N 个钻杆的检测盘放入铅房内指定位置，延时一段时间后，铅门自动关闭。 电气运动控制系统自检无误后，流水线电机运动将第1 个要抓取的钻杆传动到光电开关位置，光电开关熄灭，表明钻杆已到位。 此时机器人抓取钻杆放入转台指定位置，转台检测开关熄灭。 机器人回到home 位置，该位置作为机械手初始位置（抓取过程结束或者故障掉电后再上电，回到此位置），此时工业CT 系统启动对钻杆的扫描程序。 扫描过程结束后，机械手抓取转台上的钻杆放入指定的托盘中。 然后依次抓取第2 个钻杆，直至托盘上的N 个钻杆全部扫描完成，取出第1 个检测盘。 依次放入第2 个检测盘，执行下一批检测盘上的钻杆检测。
图7 钻杆智能扫描系统软件流程
Fig.7 Software flow of drill pipe intelligent scanning system
4 结 论
1）通过工业CT 检测技术，可以有效检测出钻杆在加工、制作、焊接和成型过程中，内部存在的裂纹、气孔、夹渣和缺陷等质量问题，从而提高钻杆的加工质量与工艺，减少钻杆断裂的风险。
2）将电气运动控制系统与机械臂系统，引入钻杆CT 检测中，来代替人工上、下钻杆，增强了检测系统的安全性和效率，符合煤矿智能化的发展战略。
3）在流水线自动扫描系统中，采用1 个伺服电机和1 个到位检测开关并配合机械传动系统，可实现钻杆流水线运动的到位检测，同时便于机械手的精确抓取，大幅提高了自动检测效率，适用于大规模、自动化钻杆智能检测。
4）融合西门子S120 运动伺服系统，可以实现钻杆旋转、射线与探测器升降等运动的精确测量、控制、定位，具有可靠性强、精度高等特点。
5）将智能机械手控制系统、运动控制器、触摸屏等系统配置为同一网段，便于集中控制。 将智能机械手控制器配置为从站，运动控制器配置为主站，通过主站来调用从站，同时通过现场触摸屏可控制伺服电机和机械手。
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