一种新型烟标印刷缺陷在线检测系统
1.一种新型烟标印刷缺陷在线检测系统 篇一
随着城镇化进程的深入,城市地下管网的规模也不断扩大,但大批的排水管道已经接近使用年限,很多管道没有达到使用年限就因老化而发生泄漏、破爆等事故。我国排水管道的现状并不乐观,修建于20世纪50年代左右的排水管道已使用了大约60年,它们在污水长年累月的侵蚀以及其他外界因素的作用下,容易破损而引起污水泄漏[1],造成环境污染和社会经济损失,危害不容小觑[2]。
城市地下管道一般具有以下一些特点:可接近性有限(Limited Accessibility);空间的局限性(Constrained Volumes);水(Water)的存在;气体(Gases)的存在,一些排水管道里面有甲醛、H2S,需要格外注意;允许(Permission),进管检查需要相关部门的许可;地势(Terrain) ;缺乏光亮(Absence of illumination);与机器人的联通是通过系绳或无线电(Communication with robot by tether or radio)等[3]。这些问题的存在使得协助和代替人类进行排水管道检测、维修的检测设备成为发展的必然趋势[2]。
从80年代第一台排水管道检测机器设备开始,国外已有技术较成熟的产品上市,例如,英国雷迪(Radiodetection),德国伊伯克(IBAK),美国确视(CUES),加拿大因克吐恩(INUKTUN)[4,5]等,这些管道检测设备构造精良,成像清晰,自动化程度较高;互换性好,适应性强,均配有图像刻录装置;但与此同时,其价格昂贵,维护费用高。因此,自主研发国产设备成为趋势。
国内排水管道检测设备的研究起步较晚,从90年代末开始研制。上海交通大学,哈尔滨工程大学等早期都对管道检测设备进行了研制:上海交通大学的履带式管道机器设备仿造履带式车辆行走原理,采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动,设备上部装有CCD图像传感器,由另一个直流伺服电机控制CCD图像传感器作俯仰运动,以扩大检测范围,此外设备上还装有角度传感器[6];哈尔滨工程大学研究的城市主排水管道穿缆、检测设备通过自主设计的结构构造,双履带式的行进方式能够适应排水管里面的坡度和恶劣工作环境[7,8]。北京信息科技大学针对排水管道内壁漏损、变形、淤积等问题,将多波束声纳相控检测技术应用于管道内壁检测,提出采用Mills换能器交叉布阵技术通过相控旋转扫描实现对管道内壁水下部分的二维探测扫描,基于梯度搜索法和小波变换对数据进行处理,得到良好三维成像效果[9]。
国内很多大学和研究所都对管道机器设备进行了研发,并制造出实验样机,但很少达到实际应用的水平。并且现有的排水管道机器设备缺少管道淤泥厚度测量模块以及管道清洗模块,距离方便可靠的实际应用还有一定差距。目前排水管道设备在检测管道时需提前对管道进行清洗,以便观察管道状况,从而增加了检测用时和检测成本。针对市政排水管道检测任务的特殊要求,通过开展新型排水管道检测设备关键技术的研究,研制一套新型排水管道检测和维护设备系统,包括具有友好人机交互界面的控制系统并达到实用程度是非常必要的[2]。我们设计的新型排水管道在线检测设备能够准确的测量出排水管道底部沉积淤泥的厚度,还能根据检测过程中的需求,对需仔细观察的管壁进行定点清洗,从而节约检测成本和检测时间,这也是我们研发该种设备需要解决的问题之一。该检测设备采用世界先进的TOPJET高压清洗喷头的技术,对排水管道内粘附在管壁上的污物进行清洗,效果显著。
2 排水管道在线检测设备总体设计
设计的新型排水管道在线检测设备系统主要包含远程操控终端和移动平台两大基本单元,如图1所示。
其中移动平台由传动装置、摄像机、沉积物厚度测量装置、污垢清洗装置组成;远程操控终端由高亮度液晶屏以及面板开关、指示灯、按钮等组成。
用户通过操控终端上的手柄和按键即可实现对设备移动平台的运动、视频监控、测量等控制,并实时显示从高亮度液晶屏前端现场的移动平台传回的视频图像(图2)。
3 排水管道检测设备机械系统技术集成方案研究
3.1 传动机构
大量研究表明[10,11,12],差动驱动方式对于提高车辆的操纵稳定性和安全性起着非常大的作用,它是在车辆稳定性控制系统(VSC或称ESP)普遍采用的差动制动的基础上发展而来的。差动驱动相对差动制动的优势在于,其控制实施过程车辆的纵向车速保持较好,能量损耗小。其目标就是将总的驱动力矩和需要施加的绕质心的横摆控制力矩合理地分配到每个驱动轮上。根据该检测设备稳定运行及尽可能减少能耗的需求,我们采用差动驱动方式作为在线检测设备的传动方式。
3.2 车轮
根据设备的整体要求,在比较了履带式和轮式移动方式后,考虑到排水管道内填充物比较复杂,包括泥水、石块、木头、枝干等杂物,履带式移动方式易卡死,故采用轮式移动方式。考虑到设备自身总量,同时要求车辆通过时有一定的缓冲能力,而车体自身的减震正好可以通过充气轮胎来实现,因此,在选择轮子时,选择橡胶充气轮胎(图3)。
3.3 散热
研制的检测设备散热的方式是根据发热程度、散热空间大小以及使用可靠度进行设计。对于主动式的风冷与循环水冷散热而言,因设备的有效散热空间有限,同时一旦风扇或循环水泵出现问题,系统将出现热故障。因此,在系统设计时,充分对比了主动散热与被动接触式散热的特点,并根据散热需要,采用了导热硅胶垫接触式的散热方式。导热硅胶片是以硅胶为基材,添加金属氧化物等各种辅材,通过特殊工艺合成的一种导热介质材料.导热硅胶片能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位间的热传递,还能起到绝缘、减震、密封等作用,满足排水管道检测设备小型化及超薄化的设计要求。除了传统的PC行业,现在新的散热方案就是去掉传统的散热器,将结构件和散热器统一成散热结构件。在PCB(Printed Circuit Board,印制线路板,简称印制板,电子工业的重要部件之一)布局中,将散热芯片布局在背面或布局在正面时,在需要散热的芯片周围开散热孔,将热量通过铜箔等导到PCB背面,然后通过导热硅胶片填充建立导热通道导到PCB下方或侧面的散热结构件(金属支架,金属外壳),对整体散热结构进行优化,同时也降低整个散热方案的成本。因此,需散热的器件与机箱底部通过导热硅垫接触实现有效散热,电机通过散热片与箱体连接,进行有效散热,并通过内部温度传感器感觉电机温度,通过软件进行有效控制。
3.4 防水密封
研制的检测设备防水密封包括驱动主轴与机箱动密封和箱体箱盖密封,驱动主轴与机箱动密封采用带骨架橡胶密封皮碗,箱体箱盖密封采用橡胶密封圈。
该密封技术适用于汽车、拖拉机及其他机械,对旋转运动起到封油的作用。由于在机械运转时有油进入,为防止这些油从机械的间隙中泄漏,并且除了油以外还需要防止水以及尘埃及土砂从外部侵入,这时候就要用到油封的密封状态。一是油封外缘和腔体之间为静态密封,同时保证油封外缘在腔体之间的可靠定位。二是油封密封唇和轴之间的密封状态,当轴旋转时为动态密封,当轴静止时为静态密封。各种影响因素的综合作用及其相互作用,都对油封的密封性能和使用寿命产生了很大影响。
骨架油封主要由密封体、加强骨架和自紧螺旋弹簧等几部分组成。金属骨架就如同混凝土构件里面的钢筋,起到加强的作用,并使油封能保持形状及张力。通常,在自由状态下的骨架油封,其内径比轴径小,即具有一定的“过盈量”。因此,当油封装入油封座和轴上之后,油封刃口的压力和自紧螺旋弹簧的收缩力对轴产生一定的径向紧力,经过一段时间运行后,该压力会迅速减小乃至消失,因而,加上弹簧可以随时补偿油封自紧力。油封外缘使油封在腔体孔内固定的同时,起防止流体从油封外周面与腔体内表面的接触面之间泄漏及侵入的作用。另外金属骨架是当油封固定在腔体内时,起保持配合力的作用。密封唇部是柔性弹性体,设计成在机械的震动及密封流体压力变动的影响下仍可保持稳定的密封作用,并起到保持唇部与轴表面稳定接触状态的作用。弹簧可提高密封唇向轴的压紧力,起维持此压紧力的作用。唇端部被制作成斜锲形状,在端部处按压轴表面,起密封流体的作用。防尘唇是没有与弹簧连接的副唇,起防止尘埃侵入的作用。油封外部为圆筒形,用来保证对腔体的静态密封,采用内包金属骨架的橡胶外缘;此类产品是经过长期开发研究的结果,油封的密封唇结构已经提高到极佳的性能,进而提高在更宽的负荷范围内的密封可靠性。带防尘唇的骨架油封,可防止外界污染物和灰尘的侵入。
3.5 减振措施
机箱结构上下尺寸全控制在轮子范围内,跌落、翻转时不直接撞击机箱。电子板卡的固定采用导热硅防震垫,导热硅防震垫除了具有良好的热传导率、高可压缩性、电气绝缘的优点外,还是高性能间隙填充材料,主要用于电子设备与散热片或产品外壳间的传递界面。能够充分弥合结构工艺工差,降低散热器以及散热结构件的工艺工差要求。导热硅胶片的硅胶载体决定了会有很好弹性和压缩比,从而有很好减震效果。
4 新型排水管道检测设备搭载装置集成技术研究
4.1 全方位、全视角的图像观察技术
检测设备端的视频通过专用的视频线连接到通讯与视频压缩传输模块,然后通过有线网络发送给远程操作控制模块(图4、图5)。
从技术层面看,一体化摄像机镜头的自动聚焦功能、DSP和CCD决定了摄像机的性能。首先就自动聚焦功能来说,摄像机的聚焦速度、准确性和定焦效果至关重要,这也是制约一体化摄像机应用的瓶颈,关系到摄像机能否快速、清晰地捕获到图像。当摄像机能够快速跟踪、监控移动物体时,聚焦的准确性和速度会受到实时考验;另一方面,当摄像机持续监控同一画面时,光线变化很容易造成摄像机反复聚焦,影响到定焦效果。目前国产一体化摄像机的聚焦问题无法得到很好解决,所以只能用于中速和低速球,以减少因高速旋转而聚焦不良的问题。本系统采用的摄像机已经很好地解决了此类问题。
本系统采用的摄像机其内在性能更具明显特点,首先是自动聚焦功能,使得图像非常清晰,实现快速准确的实时监控。避免出现视频图像模糊、拖尾等现象,并能达到很好的定焦效果。
4.2 智能远程控制技术
操作人员通过远程操作控制模块发出控制命令,通过有线网络发送给设备本体,设备本体对命令进行解析,然后将解析的命令通过工业CAN总线发送给相应的控制对象,如:设备本体移动模块(左电机运动模块、右电机运动模块)、摄像机控制模块、三自由度云台模块。其控制操作过程图见图6。
4.3 智能远程供电技术
为了保证长时间的作业,避免充电带来的不便,采用交流供电。远程220V的电源,通过有线盘供给检测设备。在检测设备端安装了智能开关电源。开关电源将电压控制在24V。然后通过能源管理模块给各个功能模块供电,其系统能源供应图如图7。
4.4 排水管道沉积厚度测量技术
排水管道沉积物厚度的测量在排水管道检测中一直是个难点,传统的量泥斗法只能粗略的测量,设备比较落后,逐渐将被淘汰。目前常用的有以下几种方法:①图像法:通过对图像进行判断,可以了解管道中沉积物的大致厚度,这是一种定性的方法;②超声波测量法:超声波在两种物质的界面反射波有明显的变化,以此来测量沉积物的厚度,相对准确。但是超声波最大的问题是排水管道中沉积物并不均匀,同时水中也有各种漂浮物直接影响超声波探头的使用;另外如果考虑被测物体表面涂层、耦合剂、沉积物、材料缺陷及温度等因素对超声波测量的影响,测量误差将会比较大。为此,本研究提出了一种新型沉积物厚度测量方法,利用已有的压力传感器技术来进行厚度测量(图8)。
在管道中,我们直接测量沉积物的厚度相对比较困难,因此采用间接测量方式,测量沉积物上面的高度。由于管道的直径是已知的,我们能够通过反算得到待测沉积物的厚度。按示意图,可得沉积物的厚度:
H=D-H1-H2-H3 (1)
其中:管道直径为D;PSD测量距离为H1;沉积物测量模块高度为H2;沉积物测量探头伸出距离为H3。
沉积物测量探头由压力杆组成,其原理是压力杆在空气、水和污泥这几种不同介质中行进时所受的阻力不同,其端面受到的压力也不同,通过其压力的变化值来判断水面、泥面的位置,从而通过上述计算公式确定排水管道污泥的厚度。
4.5 排水管道在线检测设备高压清洗系统
常见的管道清洗方式包括化学清洗、超声波清洗、干冰清洗和高压水射流清洗等等,其中高压水射流清洗具有清洗效率高、适用范围广、无污染等诸多优点,因此,高压清洗机逐渐成为管道清洗的主要手段。
高压喷头是高压清洗机的一个重要的工作配件,是清洗原理中的最终的执行元件。高压喷头分为几种,不同的清洗环境和要求下,如何选择适当的高压喷头非常的重要。合适的喷头能达到提高清洗效率和提升清洗效果的目的(图9)。
常见的管道清洗喷头包括扇形喷头、柱形喷头、锥形喷头、旋转喷头等,通过国内外不同种类的喷头筛选[13,14,15],选用TOPJET 高压旋转喷头,符合工程需要,可以达到预计清洗效果。
该产品具有独特的喷头设计,阻力位最小,打击力高于同类其他产品;同时节省投资,其较高的作业效率最大发挥了主设备的效益,节省了项目投资。
5 排水管道在线检测设备技术指标
通过在管径为600mm的城市排水管道内进行一系列的性能测试,得出该种排水管道在线监测设备的行进速度保持在0～0.5m/s,并且速度可调。由于排水管道等环境比较复杂,检测设备需要一定的越障能力,通过在管道内加设障碍物进行测量,我们得出轮径200mm的最大越障高度为6cm;同时,将其置于4m深的河道里进行防水能力的测试,得出其防水能力满足4m水深要求;此外,该产品具有优良的视觉观测系统,使用方便、观测图像清晰。通过设置不同的水深、泥厚工况,通过检测设备上压力传感器对沉积物厚度的检测,该设备实现了沉积物厚度检测精度小于10mm的目标。