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齿轮 焊缝 超声 自动检测 装置 设计

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A new detection technique for laser-generated Rayleigh wave pulsesJ.Lu*, R.Hou, J.P.Chen, H.Shao, X.W.NiDepartment of Applied Physics,Nanjing University of Science and Technology,200 Xiaolingwei,Nanjing 210094,China Received 5 December 2000;received in revised form 22 February 2001;accepted 19 April 2001AbstractA new detection technique is presented to observe Rayleigh wave pulses. The detection principle is discussed in detail. Rayleigh wave pulses were excited on the surface of polished aluminum. Well-defined waveforms were acquired. Furthermore, we observed Lamb wave on the surface of silicon chip. The experiment results show that this kind of detection technique is suitable to observe Rayleigh wave as well as Lamb wave and has a great potential in the field of laser ultrasonic.2001 Published by Elsevier Science B.V.Photoacoustic effect was found by Bell in the 19th century. But it had not been studied in detail until laser was used to generate ultrasonic in materials. White and Askaryan proposed to generate ultrasound with pulsed laser in 1963 respectively 1-4.To detect the surface acoustical wave(Rayleigh wave)in the solid, people have developed many techniques. In 1968,Lee and White firstly detected Rayleigh wave pulse in aluminum excited by laser at 5 MHz with IDT5.Conventional piezoelectric sensors were dominant in the early days, such as PZT, PVDF, piezoelectric LiNbO3 transducer6-8.In recent years, optical detection measurements have been developed rapidly. For example, interferometers are widely used including homodyne interferometers and heterodyne interferometers 9,10.There are many other detection techniques, including beam deflection technique, especially knife-edge technique11,beam reflection technique12,13,but some are rather complex. In this paper, a new detection technique is presented. It is a kind of optical beam deflection (OBD)technique based on coupling a reflected beam into a single-mode fiber. The whole experimental setup is simple and compact. Rayleigh wave pulses was detected on the surface of aluminum and silicon. The experimental arrangement is shown in Fig.1.Rayleigh wave pulses were excited with Q-switched Nd:YAG laser pulses(wavelength 1:06 m, duration 30 ns, energy up to 70 mJ ).The laser pulse was focused into a strip with a length of 10 mm and a width of 10 lm by a cylindrical lens (focal length 50 mm).The intensity of laser power was up to 108 W/cm2.Both Rayleigh wave and bulk wave were excited by the laser irradiation. Rayleigh wave pulses propagated on the surface of the sample. The propagation direction was vertical to the focal strip. The trigger signal was provided by a PIN photoelectric diode(with 100 ps rise time).The detection beam was emitted by a semiconductor laser(wavelength 0:67 m, power 5mW).It was focused on the sample to detect Rayleigh wave pulses. A microscope objective (focal length 4 mm) was used to focus the reflection beam on the face of the optical fiber(single mode for 0:67 m). The fiber was adjusted on a fiber chuck positioner with 5 axes (0:1 lm spatial resolution).A narrow band interference filter (0.67 m)was used to diminish the noise signal. The signal was transformed into an electrical pulse by the photomultiplier (2 ns rise time)and fed into a two channel digital oscilloscope(Tektronix THS730A, 1Gs/s).The signal was sampled(1000 points)and stored in a computer. In the experiment, two different samples were used: polished aluminum () and silicon chip ()Fig.1. Schematic diagram of experimental setupAs Rayleigh wave pulse propagates on the surface of sample, it creates a surface deformation as shown in Fig.2(a).So the reflection beam deflects slightly away from its original path. Assume the slope angle of the surface is , then the deflection angle of reflection beam is 2Accordingly, the focal spot of reflection beam shifts away from its original position. The shifting distance can be given as: (1)Fig.2. (a) The reflection of the detection beam, (b) the coupling of the detection beam.The coupling fluence of the reflection beam varies with the surface deformation. The radius of the focal spot of the reflection beam can be given as: (2)where r1 is the radius of the original beam waist, f1,f2 is the focal length of L1,L2 respectively. Here, the radius of the fiber core r = 4m. Therefore, R r.The intensity distribution of the focal spot is according to Gaussian function: (3)where I0 is maximum intensity, A is a constant.As shown in Fig.2(b),the bigger circle is the focal spot of the reflection beam, the smaller one is the core of the fiber. Only the light in the smaller circle can be coupled into the fiber. It is obviously that the coupling fluence can be given with a double integral after shifting: (4)where a is the distance between the center of the focal spot and that of the fiber core. Because R)r, an approximation can be made as following: (5) Fig.3. The coupling fluence vs slope Where .So the coupling fluence varies with the slope angle , according to another Gaussian function, as shown in Fig.3.For optimum performance, the fiber should be aligned so that the initial coupling fiuence is half of ,say, at the point A on the curve, as shown in Fig.3.(All of this can be implemented by observing the output of the signal on the oscilloscope during the alignment.)Point A can be taken as work point. Since the absolute value of h is very small, the relation between/and h is approximately linear. The linear factor is the differential coefficient at point A. Thus Eq. (5) can be simplified as: (6)Hence the slope angle h can be easily measured from the detection of the coupling fluence. When the coupling fluence was transformed into electrical signal, only the AC portion was acquired. That is, the output signal can be given as: (7)where g is the transformation factor.The experiment result on the sample of aluminum is shown in Fig.4.The detection distance is 6.8 mm. The waveform of Rayleigh wave pulse was well defined and had no oscillating tail. The excitation mechanism of laser ultrasonic in solid has been studied in detail14,15.Here, no absorption overlayer was used, and the power density of the excitation source was up to 108 W/cm2, the excitation mechanism can be interpreted with illumination mode. The amplitude of the waveform is proportional to the displacement gradient of the sample surface. In other cases, for example, Zhang detected the waveform of the particle velocity with IDT16.Comparing with the work of others with traditional transducer17,the result shows a higher SNR.Fig.4. The waveform of Rayleigh wave pulse detected at the distance d=6.8 mm on the Al targetIn addition, we detected the ultrasonic wave form on the surface of silicon chip. The thickness of the silicon chip (0.3 mm)is suitable to generate transient Lamb wave. Here, as shown in Fig.5, we also acquired its waveform. The result shows this technique is also suitable to detect Lamb wave.Fig.5. The waveform of Lamb wave detected at the distance d=6.2 mm on the Si targetFor applications in some cases, absolute measurement can be easily achieved by scaling with a standard sonic source.In conclusion, well-defined waveform of Rayleigh wave pulses can be acquired with the experiment setup. Compared with other techniques, this detection technique is very simple and effective. The whole setup is compact and easy to adjust. Furthermore, the light signal can be transmitted by the fiber before transforming into an electrical pulse. In some situations, this can be very useful. Since it is the same to the knife-edge technique11 in basic principles, it has a relatively high accuracy and can respond to high-frequency signal effectively. The bandwidth is limited by the rise time of the photomultiplier. The bandwidth can be broadened with a faster response photomultiplier. The sensitivity is limited by the shot noise. Similar work has been done by Williams and Dewhurst with fiber bundle consisting of 32 fibers18.It is a kind of differential detection which can reduce common-mode noise. However, only the fiber core can couple the reflected light while the core radius is much less than the cladding radius. As a result, the relation between the output and the slope angle is complex and ambiguous. In our experiment, only one fiber was used to couple the reflected beam, suggesting fewer photons are utilized, that is the reason why we used photomultiplier, but the advantage of this technique is that the output of signal will vary sharply with the variance of slope angle, as shown in Fig.3.This means a muchhigher sensitivity. For higher SNR, a smaller focal spot size, a longer objective focal length and a shorter laser wavelength are beneficial. In a word, it is suitable to detect and observe Rayleigh wave pulses as well as Lamb wave. It has a considerable pReferences1 R.M.White,IRE Trans.Instr.I-II(1962)294.2 R.M.White,J.Appl.Phys.34(1963)2123.3 R.M.White,J.Appl.Phys.34(1963)3559.4A.Akavyan,A.M.Prolhorov,G.F.C.Hantury,M.P.S.Hiqulo,S.Sov.Phys.JETP 17(1963)1463.5 L.R.Lee,R.M.White,Appl.Phys.Lett.12(1968)2.6 H.M.Ledbetter,J.C.Moulder,J.Acoust.Soc.Am.65(1978)890.7A.M.Aindow,R.J.Dewhurst,D.A.Hutcbins,Proc.Acoust.80Conf.,Institute Acoustics,Edinburgh,1980,p.277.8 D.A.Hutchins,F.Hauser,IEEE.Trans.SFFC 33(1986)478.9 P.Cielo,F.Nadeau,Ultrasonics 23(1985)55.10 D.Poyer,X.Jia,Y.Shus,Appl.Phys.Lett.52(1988)706.11 A.Ahatoni,et al.,J.Acoust.Soc.Am.92(1992)3249.12 C.Thomsen,et al.,Phys.Rev.B 34(1986)4129.13 C.Thomsen,H.J.Maris,Phys.Rev.Lett.53(1984)989.14C.B.Scruby,R.J.Dewhurst,D.A.Hutchins,S.B.Palmer,J.Appl.Phys.51(1980)6210.15 J.D.Aussel,A.Le Brun,J.C.Baboux,Ultrasonic 27(1988)245.16X.R.Zhang,C.M.Gan,Proc.China-JapanJointConf. Ultrasonic,April 1987,p.455.17C.M.Scala,P.A.Doyle,J.Acoust.Soc.Am.85(4)(1989).18B.A.Williams,R.J.Dewhurst,Electron.Lett.31(1995)391.otential in the field of laser ultrasonic. 激光（LASER）引起的表面波的一个新的检测技术一种新的检测技术是观察瑞雷波脉冲。检测原理是详细的讨论。瑞雷波脉冲兴奋表面上的抛光铝。清楚界定的波形获得。此外，我们观察到兰姆波表面上的硅芯片。实验结果表明，这种检测技术是合适的观察瑞利波以及兰姆波具有很大的潜力领域的激光超声。光声效应被发现由贝尔在19世纪。但它没有得到详细的研究，直到激光是用来产生超声波在材料。White和askaryan建议产生超声脉冲激光在1963年分别为。检测表面声波（瑞雷波）在坚实，人们已开发了许多技术。在1968年，李和White首先发现瑞利波脉冲在铝激发激光的5 MHz与内幕交易审裁处。传统的压电式传感器为主，在早期天内，如压电陶瓷，聚偏二氟乙烯，铌酸锂压电传感器 。在近年来，光学检测测量已迅速发展起来。举例来说，干涉仪被广泛应用于包括零差干涉仪和外差干涉 。还有很多其他的检测技术，包括光束偏转技术，特别是刀口技术，束反射技术，但有些是相当复杂。在这方面提出了一种新的检测技术介绍。这是一种光学光束偏转（ OBD ）技术的基础上耦合一反映束到单模光纤。整个实验装置是简单而紧凑。瑞雷波脉冲检测表面上的铝和硅。实验的安排是显示在图1 。瑞雷波脉冲的兴奋与q -缝合 Nd ： YAG激光脉冲（ 波长1.6 ，持续时间30ns ，能源高达70兆焦耳） 。激光脉冲的重点是成为一个带长度为10mm和宽度为10，由一圆筒形镜头（焦距50mm）。强度的激光功率达。双方瑞利波和散装波兴奋由激光照射。瑞雷波脉冲宣扬表面上的样本。传播方向是垂直向协调中心地带。触发信号提供了一个PIN光电二极管（ 100 PS上升时间）检测梁所排放的半导体激光（波长0.67 ，电力5 mW ），它是侧重于样本检测瑞雷波脉冲。在显微镜下的目标（焦距4毫米）是用于集中反射光束就面对光纤（单模为0.67 ）。光纤调整对光纤夹头定位与5轴（ 0.1空间分辨率）。窄带干扰过滤器（ 0.67 ）被用来削弱成为一个电脉冲，由被转化为一个电脉冲，由光电倍增管（ 2生理盐水上升时间）和美联储成为一个双通道数字示波器（ Tektronix THS730a ， 1Gs /s） 。信号采样（ 1000分）和储存于电脑。在实验中，两个不同的样本用于：抛光铝()和硅芯片()图1. 示意图实验装置作为瑞雷波脉冲传播表面上的样品，它创造了地表变形所示，在图2（a） ，所以反射光束偏斜稍微远离其原来的路径。假定斜坡的角度来看，表面上是后，则偏转角反射光束2,因此，焦斑的反射光束轮班远离其原来的立场。转移的距离，可以考虑为： (1) 图2 （a）反映了检测束， （b）耦合检测束耦合注量的反射光束随地表变形。半径的焦斑的反射光束可以考虑为: (2)如R1的是，半径为原来的束腰，为F1 ， F2是焦距的L1 ，分别为二级。这里.半径光纤的核心r = 4m。因此R r强度分布的焦斑是根据高斯函数： (3)凡是最大强度，是一个常数显示在图2（b） ，大循环是焦斑的反射光束，规模较小的一个核心是光纤。只有根据在较小的循环可以耦合到光纤。这显然是该耦合注量可以得到一个双积分后移： (4) 如果是之间的距离，中心的焦斑和该纤维的核心。因为Rr，一个近似可以作出如下： (5) 图3 耦合注量与斜坡 因此，耦合注随边坡角后，另据高斯函数，如图所示，在图3 为最佳性能，纤维应不结盟，使最初的耦合注量的一半 ，也就是说，在A点上的曲线，显示在图3 .（所有这一切都可以实施观测的输出信号对示波器在对齐.） A点可以作为工作点。由于绝对值的H非常小，之间的关系和H大约是线性的。线性因素是微分系数点A，因此Eq（5）可以简化为： (6)因此，边坡角可以很容易地测量从检测的耦合注。当耦合注量转化为电信号，只有交流部分获得。那就是，输出信号可以考虑为： (7)其中是转型的因素。实验结果对样品的铝是显示在图4检测距离是6.8毫米。波形瑞雷波脉冲被明确界定，并没有摇摆不定的尾巴。激励机制的激光超声在固体已详细研究了。在这里，没有吸收超过层使用，和功率密度的激励源是高达108 w/cm2 ，激励机制可以解释为与照明模式。振幅波形是成正比的位移梯度样品表面。在其他情况下，例如，张检测波形的粒子速度与内幕交易审裁处。比较，与其他机构的工作与传统的传感器，结果表明，较高的信噪比。图4 波形瑞雷波脉冲检测的d=6.8mm对Al目标此外，我们发现超声波波形表面上的硅芯片。厚度的硅片（ 0.3毫米） ，是适合产生瞬态兰姆波。在这里，显示在图5 ，我们还收购了其波形。结果表明，这种技术也适用于检测兰姆波。申请在某些情况下，绝对测量可以很容易地取得的尺度与标准声源。 图5 波形兰姆波发现在d=6.8mm米在Si目标总括而言，清楚界定的波形瑞雷波脉冲能够获取与实验装置。相较于其他技术，检测技术，这是非常简单而有效的。整个安装紧凑，易于调整。此外，光信号可传输由光纤之前，转化为一个电脉冲。在某些情况下，这可以是非常有益的。因为它是相同的向刀口技术在基本原则，它有一个比较高的准确性和可回应高频率的信号有效。带宽是有限的，由上升时间的光电倍增管。带宽可以扩大与更快的响应光电倍增管。灵敏度是有限的，由散粒噪声。类似的工作，已做了威廉姆斯和dewhurst与纤维束构成的32纤维。它是一种差分检测可以减少的共同模式噪音。不过，只有纤维为核心的夫妇可以反射光线，而核心半径远小于包层半径。因此，关系产量和边坡角是复杂的和模糊的。在我们的实验中，只有一个纤维被用来夫妇反射光束，建议少光子利用，这就是为什么我们使用光电倍增管，但利用这一技术是输出信号会有所不同，与的差异，斜坡角度来看，显示在图3 。这意味着非常高的灵敏度。较高的信噪比，较小的焦斑大小，较长的客观焦距更短的激光波长是有利的。在一个字，这是合适的检测和观察瑞雷波豆类以及兰姆波。它有一个相当大的潜力在这一领域的激光超声。13论文摘 要随着电子、计算机、信号处理等技术的发展，超声焊缝检测已逐步从传统的手工检测方式进入了自动检测与计算机辅助识别的时代。本文主要针对中小模数齿轮环焊缝超声自动检测台进行了设计。该检测台采用双工位工作原理，探头相对于齿轮可以在XYZ三个方向进行手工调节，能实现超声探头对齿轮的回旋扫描。根据检测台的要求，本文论述了中小模数齿轮环焊缝超声自动检测台的总体设计、检测台机架的设计、卡盘的设计和探头架设计。为了完成工作台的检测，设计一套供检测台运行的步进电机、减速器及驱动电源，以保证工作台按要求完成工作。为了防锈，选择出合理的偶合方式，同时选择一套合理的零部件使检测台能够合理安全的完成工作要求关键字：超声波；焊缝检测；缺陷，机构设计Ultrasonic welding gear automatically detect platform designAbstractWith electronics, computers, signal processing technology, such as the development of ultrasonic testing Weld has been gradually from the traditional manual testing into the computer-aided automatic detection and identification of the times. This article mainly for small and medium-sized module gear automatically detects ultrasonic welding, Central Taiwan to the design. Taiwan used the test-duplex principle, the probe can be compared to gear in XYZ three directions for manual adjustments to achieve ultrasound probe on the roundabout scanning gearDetection of Taiwan in accordance with the requirements of this paper, small and medium-sized module gear Weld Central Taiwan ultrasound automatically detect the overall design, testing Taiwan rack design, chuck in the design and probe-design. In order to complete the test table, to design a test for the stepper motor running, reducer and power supply to ensure that the workstations are required to complete its work. In order to rust-proof, select a reasonable way of coupling, a reasonable choice of components so that Taiwan can detect the completion of reasonable safety requirementsKeyword: ultrasonic; Ultrasonic Weld Inspection; Defects; Design目 录摘 要Abstract1 绪论11.1 超声无损检测的现状和发展趋势11.1.1 超声无损检测技术的发展11.1.2 超声检测的优点21.1.3 超声检测的国内、外现状21.2 课题来源、背景和意义41.2.1 课题的背景41.2.2 研发中小模数齿轮环焊缝超声自动检测系统的意义41.2.3 齿轮环焊缝超声自动检测技术的特点52 总体设计62.1 技术要求62.2 总体设计63 具体设计93.1 机架的设计93.2 定位盘的设计93.3 探头组件的设计103.4 轴的设计113.4.1按扭转强度条件计算113.4.2 按弯扭合强度条件计算113.4.3 校核轴的强度133.4.4 按安全系数校核143.5 水槽的设计164 主要工件的选择174.1减速器的选择174.1.1 计算减速器输出轴对主动轴的输入转矩174.1.2 根据转动惯量的匹配来确定传动机构的传动比174.2 步进电机选择194.3 联轴器的选择214.4 键的选择215 偶合剂的选择23结论25参考文献26致谢28III论文1 绪论1.1 超声无损检测的现状和发展趋势1.1.1 超声无损检测技术的发展随着现代科学和工业技术的迅速发展，尤其是原子能、航空、航天技术的发展，以不损害被检验对象(材料、工件或设备)的使用性能为前提的无损检测（NondestructiveTesting）技术越来越为人们所重视。常规的无损检测方法有：超声检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测，此外还有激光全息无损检测，微波无损检测，红外无损检测等方法1-4。超声检测(UT)是一种最重要的无损检测技术，有关资料表明，国外每年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资料，全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占45%，特别是2000年10月在罗马召开的第十五届世界无损检测会议(WCNDT)收录的663篇论文中，超声检测就占250篇。这些都说明超声无损检测的研究势头和其在无损检测中的重要地位。超声波的特点是传播能量大、方向性好，而且在介质内传播过程中遇到缺陷时会产生界面发射或者引起声速和能量衰减的变化，利用这一特性就可以达到检测缺陷的目的。到上世纪20年代，声学和超声学的理论大厦已经完全建立起5。Rayleigh、Lamb、Knott、Macelwane、Stonely和Jeans等学者详细论述了声波的反射、折射、波型转换、衍射、散射衰减等规律。随着电子工业的发展和材料加工技术的进步，20世纪30年代，石英换能器已出现，双探头超声波系统已经建立，用于探测材料中的缺陷。这都为超声检测提供了理论和技术的基础。随着系统的逐步完善，1950年，超声波探伤已用于工业中。从60年代以后，超声检测的主要进展为探伤仪的改良和进一步应用，如固体电路和模块化设计、装配、数字显示等等。1982年，微处理器控制的探伤仪出现，此后超声检测仪器朝着数字化、智能化的方向迅速发展。早期的超声检测主要用于探伤，由于常规超声检测技术自身的局中限性，使其在缺陷定性、定位及定量方面的可靠性和灵敏度并不高。随着超声工程应用范围的扩大，常规方式已经不能满足检测的需要。近年来，缺陷的定量技术、信号处理技术、人工智能、超声波成像、检测可靠性、材料特性评价、超声波换能器技术、数值模拟和过程仿真、雷达和声呐技术、现场检测等各种先进技术纷纷应用于超声检测领域，促进了超声检测的发展，使得超声检测这一新技术更为引人注目。1.1.2 超声检测的优点在常规无损检测方法中，超声检测因超声波具有独特的优点而得到了迅速地发展。超声波的优点很多，具体如下6-8：1.超声波的方向性好；2.超声波的穿透能力强；3.超声波的能量高；4.对人体无害。正是由于超声波的上述特点，使得超声检测适应性强、检测灵敏度高、使用灵活、设备轻巧、成本低廉、可及时得到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备进行检测。1.1.3 超声检测的国内、外现状超声无损检测在国外大概开始于上世纪二、三十年代，我国起步比较晚，上世纪五十年代才开始研究，目前取得了很大的进展。但总的来看，在很大方面跟国外工业发达国家仍然有很大差距9。在国外随着超大型石化、冶金、电站设备的发展，采用传统的手动超声检测方法已不能满足现代化生产需要，另外高空与野外作业也需要更加有效地检测技术，于是各国相继把无损检测，特别是超声检测技术的目标转向自动超声检测领域。由于美国等发达国家在超声检测领域投资力度比较大，相互之间的竞争激烈，自动超声检测术和设备发展速度非常快，同时自动超声检测系统性能也日趋完善。近年来，新技术的应用大大促进了国外超声检测的发展，使超声检测的功能愈来愈强大。随着微电子技术的发展和计算机的普遍应用，超声检测仪器和检测方法得到了迅速发展，使超声检测的应用更为普及。目前，微计算机在超声检测中能够完成数据采集、信息处理、过程控和记录存储等多种功能。许多超声检测仪器都把微处理器作为一个部件而组装在一起，去执行处理数据和图像任务。一些全电脑对话式超声探伤仪，可在屏幕上同时显示回波曲线和检测数据，存储仪器调整状态、缺陷波形和各种操作功能。目前，国外超声检测正在向着自动化、数字化和智能化方向发展。国外工业发达国家的超声无损检测技术的另一个发展方向是逐步从NDI和NDT向NDE过渡。超声波无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现人眼不可见的内部缺陷，以满足工业设计中的强度要求。超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅要检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行监测。超声无损评价是超声检测发展的最高境界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。本文正是建立在NDI和NDT基础上，对齿轮焊缝进行检测，从而进行有效的评估。我国的无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器。1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL线路数码显示，仪器重量为5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器。近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多突破性进展。比如，用户友好界面操作系统软件；各种扫描成像技术；多坐标、多通道的自动超声检查系统；超声机器人检测系统等。无损检测的标准化和规范化，检测仪器的数字化、智能化、图像化、小型化和系列化工作也都取得了较大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了ISO，ATSM等一百多个国外标准。无损测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间仍存在很大差距。具体表现在以下几个方面10-16：检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术向自动化、智能化、图象化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员缺乏切实的实践经验，这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备有待改进。从而导致目前我国产品的质量普遍存在较大问题，据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。更严重的后果是产品的竞争能力差，影响产品进入国际市场。对无损检测技术领域的信息技术应用重视不够。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。无损检测的标准和规范多而杂。目前，超声检测已成功地应用于我国的船舶、冶金、机械、石油、化工、食品、电子、航天、电力、建筑、农林、水产及医疗等领域，正在形成国民经济中颇有特色的产业之一。1.2 课题来源、背景和意义1.2.1 课题的背景无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映一个部门、行业、地区甚至国家的工业技术水平。无损检测所能带来的经济效益十分明显。当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用，比如日本在其制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，把无损检测放在十分重要的位置；德国科学家认为，无损检测技术是机械行业的四大支柱之一；美国前总统里根曾说过：“没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的领先地位”。作为其中一个重要分支，超声无损检测技术作为一门综合性很强的边缘应用科学，在无损检测中占据着极其重要的地位 17-19。与机械制造技术的发展趋势相适应，现代超声无损检测技术借助于计算机技术、回波频谱分析技术、电子技术、机电一体化技术等，向着数字化、图像化、智能化和自动化方向发展。1.2.2 研发中小模数齿轮环焊缝超声自动检测系统的意义汽车变速箱齿轮一般采用电子束焊接，当焊接工艺出现偏差或焊接条件发生变化时会出现缺陷，主要有焊缝熔深不够、气孔、裂纹、环缝收尾处不连续等20。因此，在产品的设计寿命期内可能出现裂纹，并有扩展甚至发生灾难性后果的可能性。所以在设备的生产监工和服役期内，若能正确地应用无损检测与监控技术，就可以提前检测出设备材质和焊接结构的缺陷，在设备运行中及时测量出是否有缺陷恶化、有无裂纹出现，进而促进整个投产设备的安全运行。目前，在对焊接结构的产品进行检测都采用无损检测技术。常规的无损检测包括:渗透检测、磁粉检测、射线检测、超声检测、涡流检测等21。在各种无损检测技术的应用中，超声检测所占的比重最高，也是最有开发前途的。国外早在上世纪70年代末期就开始研制，目前已经从手工检测发展到自动探伤，并且探伤技术和设备发展已经相当成熟22。尽管超声自动检测技术在世界各国都得到了不同程度的发展，但在我国由于超声检测技术起步较晚，因而对于大多数的工件和原材料的检测主要还是停留在手工检测甚至原始的肉眼观察上，存在着诸多突出问题，如人为因素(精神状态、工作态度和责任心等)的干扰造成的缺陷漏检，重复性低，劳动强度大，检测的数据难以保存，不利于后处理等。经过多年的发展，目前手工探伤技术比较成熟，自动探伤领域属于刚开始阶段。由于汽车变速箱中的齿轮多，规格大小不一，并且每个齿轮都要进行环焊缝检测，用手工检测效率太低，对于内径小的齿轮手工检测根本无法实现。而专门针对齿轮电子束焊缝超声检测的自动化设备的研究和开发，国内很少见，远远落后于应用的实际需要。从满足自动化的、高生产率的现代化生产需要的角度，从保证检测的可靠性角度，从减轻工人劳动强度的角度，开发有效可靠的齿轮环焊缝超声自动检测技术和检测设备，保证齿轮焊接装置的运行安全就成为一个富有实用价值的课题。本课题正是针对齿轮焊缝超声自动检测装置的设计，它可实现对内径小的一系列齿轮环焊缝的自动检测。现在我国检测设备正处在更新换代的阶段，随着对检测性能要求的逐步提高，在目前国内小型数字化检测设备发展尚不成熟的形势下，针对中小模数齿轮环焊缝的超声自动检测技术在市场上还未出现。因此，本课题具有一定的先进性，它为今后开发中小模数齿轮环焊缝的超声自动检测技术奠定了一定的基础，并且将会逐步推广到使用中小模数齿轮环焊缝检测的行业中，这将产生巨大的社会效益和经济效益。1.2.3 齿轮环焊缝超声自动检测技术的特点通常把模数大于2.5的齿轮称为大模数齿轮，模数大于1.25小于2.5的齿轮称为中模数齿轮，模数小于1.25的齿轮称为小模数齿轮。齿轮环焊缝自动超声检测具有对裂纹敏感、检测厚度和缺陷位置不限、可确定深度的特点，并且检测周期短、速度快、成本低、对人体无害23。它与传统的手工检测方式相比具有以下特点2426：缺陷检出率高齿轮环焊缝自动超声检测系统工作时可以排除人为干扰，重复性高。它可以采集到比手工检测更为可观和全面的数据，大大提高缺陷检出率。缺陷尺寸判定准确可以采用先进的数据采集处理技术，如衍射波法、聚焦波法、人工合成聚焦等方法。与传统的数据处理方法相比，可以提高缺陷尺寸判定的准确性。提供缺陷记录没有检测记录是传统超声检测的一大缺陷。自动超声检测系统可提供检测记录以及缺陷图像。检测记录方便纳入计算机系统，检索方便，并且符合现代企业管理方式。检测范围广齿轮环焊缝自动超声检测系统可以对手工检测无法进入的小内径齿轮进行环焊缝检测。2 总体设计2.1 技术要求本论文主要研究齿轮环焊缝超声自动检测系统检测工作装置设计，该工作装置采用双工位检测；能实现超声探头对齿轮焊缝的回旋扫描运动；探头相对于齿轮可以在XYZ三个方向进行手工调节。技术要求：该设备用于对汽车齿轮焊缝进行探伤，它可以发现齿轮焊缝中大于0.5平底孔当量的各种缺陷及缺陷的位置，并可自动计算出缺陷在焊缝总长中所占的百分比，按规范要求自动判别是否应于返修，并予以显示。除了装、卸料外，全部操作过程在计算机的控制下自动完成。被检工件：齿轮内径：2570毫米，齿轮外径：小于240毫米；运动方式：工件相对于探头进行旋转运动，探头可以在XYZ三个方向手工调节；探伤速度：6080件/小时；检测工位：双工位检测；耦合方式：水浸耦合，要考虑防锈问题。2.2 总体设计齿轮环焊缝超声自动检测系统检测工作装置的上部有两格，分别放探伤仪和电器控制箱，上部前方嵌入一个探测水槽，其中有双工位探测装置，用于使被探伤工件定位。检测工作装置内部可分为探测装置驱动减速系统和为完成上下水功能而设的汽缸注水缸。双工位探测装置，由一装置步进电机分别带动两套减速机构使工作装置转动。两装置步进电机由一套驱动电源驱动。每个工位都有一套探头调整机构，包括探头组件，定位盘机架和调整螺杆四部分。它们的功能是保证超声探头与被探伤工件之间的正确位置，是一套精度较高的组件。机架用于固定定位盘，定位盘用于使工件的标样定位。每种齿轮都要有专门的定位盘。探头组件用于固定超声探头并调整探头的X坐标（探头中心线与工件内径线间的距离）和Y坐标（探头与工件内表面间的距离）。调整螺杆用于调整探头的Z坐标。探头组件包括探头架、滑块、压板、探头、探头螺钉、滑块螺钉等零部件。用小螺丝刀可拨动滑块调节X坐标，滑块螺钉用于固定滑块的位置。用手指小心推动探头可调节Y坐标，调节探头螺钉可通过压板紧固或松开探头。轴可以控制探头的Z坐标，通过轴，可以使整个装置按照要求有序运转起来，同时在相应的地方安装上轴承、密封圈，防止轴旋转时的摆动和进水。选择出合理的步进电机、减速器、联轴器，为了能采用双工位，选用V型槽皮带轮传动，使两个轴可以同时旋转，进行检测。总体装配图如图2.1：图2.1 装配图3 具体设计3.1 机架的设计机架设计的目的是为了固定定位盘，防止在检测过程中组件进行移动，因此，设计一组空与定位盘的相对应，又由于机架跟定位盘的移动是相对很小的，所以，设计出一套销钉孔就可以。同时，机架可能在水槽中移动，可以在机架和水槽中设计出一组螺纹孔，选择相应的螺纹把机架固定在水槽上。这样就可以将水槽、机架、定位盘固定成一个整体，防止在检测过程中的移动。 在中心轴的旋转过程中，轴可能会产生水平方向的移动，因此可以在机架设计的同时安装一组轴承，固定住中心轴，使其内部随轴转动，外部固定在机架上。如图3.1所示： 图3.1 机架3.2 定位盘的设计定位盘设计的目的是为了使工件定位，不同的工件有不相同的定位盘，成批的工件检测中，定位盘要求便于安装和和拆卸，所以定位盘的设计和安装要求简单方便。为了防止定位盘在检测过程中的移动，设计出一套与机架相对应的销钉孔，销钉空的位置大于工件的最大尺寸要求，同时与机架相对应，这样就便于安装和拆卸，在定位盘的中心设计出一个凸装置卡住工件，凸装置的尺寸按照不同的工件的尺寸要求设计。如图3.2所示：图3.2 定位盘由于在工件检测的过程中，齿轮与工件的相对移动的是很小的，在摩擦力的作用下，可以忽略它们之间的移动。3.3 探头组件的设计探头组件是为了控制探头对工作时探头的相对位置，根据要求，探头组件用于固定超声探头并调整探头的X坐标（探头中心线与工件内径线间的距离）和Y坐标（探头与工件内表面间的距离）。对于X坐标，在探头组件上设计出一段滑程，把探头用探头螺钉固定在滑块上，可以使探头在X方向上移动，当探头移动到所需要的位置，可以手动调节滑块螺钉，使滑块定位在探头组件上。对于Y坐标，在探头组件上设计一个键槽，装一组旋转轴，可以通过电机、减速器、和中心的工作来控制轴转动，相应的探头组件随着轴旋转，就可以解决探头对Y方向上的检测。如图3.3所示：图3.3 探头组件3.4 轴的设计轴设计的目的是为了传递运动的，它要把能量沿电源传到探头组件上，使整个系统按照要求运转起来。轴通过电机、减速器、联轴器等零件使整个装置动起来，通过轴可以控制住探头组件对Z轴的扫描，通过两个轴之间的齿轮就可以实现对探头足见对Z轴的扫描，因为采取双工位检测，所以在轴上安装一套V型轮，可以保证两个工位同时进行检测。与探头组件相连的轴，一端设计可供螺刀调整的槽，通过键槽和探头组件固定，另一端设计成螺纹，可以和与联轴器连接的轴配合使用控制探头组件的Z坐标。 为了防止轴在旋转的时候摆动，在轴的相应位置安装了轴承，又因为整个检测工作在水槽中进行，所以在相应的位置安装上密封圈。3.4.1按扭转强度条件计算这种方法是按轴所受的扭距里计算轴的强度，如果还受有不大的弯距，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在做轴的结构设计时，通常这个中方法初步估算轴径。轴的扭转强度条件为：由上式可得轴的直径 式中，查机械设计手册得：取100因为 P=0.067KW，n=10r/min则轴的最小直径 d=20mm T=63985N.mm3.4.2 按弯扭合强度条件计算通过轴的结构设计，轴的主要尺寸，轴上的零件位置，以及外载荷和之反里的作用位置均以确定，轴上的载荷以可求得，因而可按弯扭合成条件对轴进行强度校合计算。（1）计算作用于轴上的支反力齿轮的圆周力N水平面内支反力 N垂直面内支反力 N N(2)计算轴的弯矩，并画弯、转矩图分别作出垂直面和水平面上的弯矩图f、g，并按计算合成弯矩。画转矩图h，如图3.4图3.4 转距3.4.3 校核轴的强度 一般而言，轴的强度是否满足要求只需对危险截面进行校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。根据轴的结构尺寸和当量弯矩图可知，a-a 截面处弯矩最大, 且截面尺寸也非最大, 属于危险截面；b-b截面处当量弯矩不大但轴径较小。 a-a 截面处当量弯矩为N.mmb-b 截面处当量弯矩为 N.mm强度校核: 考虑键槽的影响，查机械设计手册，键槽截面 MPaMPa显然，故安全。3.4.4 按安全系数校核一般用途的轴按前述弯扭合成强度校核后就足够了，对于重要的轴可直接用下述的安全系数法校核。这两种方法不必同时进行。(1)判断危险截面截面a-a、b-b、c-c、d-d和e-e都有应力集中源(键槽、齿轮和轴的配合、过渡圆角等)，且当量弯矩均较大，故确定为危险截面，下面仅以a-a截面为例进行安全系数校核。(2)疲劳强度校核a、a-a截面上的应力：弯曲应力幅（对称循环）MPa扭剪应力幅（脉动循环）MPa弯曲平均应力 =0扭剪平均应力 =7.92MPab、材料的疲劳极限：根据=650MPa，=360MPa查机械设计：表15-1=0.2，=0.1c、a-a截面应力集中系数：查机械设计：表15-1得=1.825，=1.625d、表面状态系数及尺寸系数：查机械设计：表15-1 得=0.81，=0.76e、分别考虑弯矩或转矩作用时的安全系数故安全。3.5 水槽的设计 水槽是整个检测装置放置的地方，水槽的大小必须保证能放下2组检测装置，在每组旋转轴与水槽相接的地方设计出装密封圈的地方，防止水的泄漏；在水槽中设计出排水口，可以更换槽中的水。 为了防止检测装置在水槽中移动，设计一组螺纹孔，用螺钉将机架和水槽固定在一起，在水槽的下方有检测装置的电机检测器，设计出支架，将水槽支撑起来。如图3.5所示：图3.5 水槽4 主要工件的选择减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和大转距的以满足各种工作机械的需要4.1减速器的选择4.1.1 计算减速器输出轴对主动轴的输入转矩 由前面已知，主动轴的最大转矩 联轴器连接的两轴前后相等所以4.1.2 根据转动惯量的匹配来确定传动机构的传动比 前面已知，则 查减速器参数匹配，选微型蜗轮蜗杆减速器，如表4.1表4.1型号中心距传动比电机功率，轴输入单输出输出扭矩RV0.37FBDZ按B2形式装配：输入轴直径dmm输出轴直径Dmm图4.1 安装尺寸图表4.2 尺寸単位:mm产品编号ALWCs1EFGM拧紧力矩(Nm)MHW-32C3213.7402291548M31.5MHW-40C4016.546281220610.5M42.5MHW-50C5019.452391525714.75M57MHW-63C6322.358451832817M612表4.3 规格产品编号最大孔径(mm)额定扭矩(Nm)最大扭矩(Nm)最大转速(min-1)惯性力矩*(kgm2) 静态扭矩刚性(Nm/rad)径向偏差(mm)角向偏差()轴向偏差(mm)重量*(g)MHW-32C102448006.2x10-610000.1520.448MHW-40C144838001.6x10-515000.2020.581MHW-50C207.51531004.6x10-520000.2020.6150MHW-63C25102024001.1x10-425000.3020.82304.2 步进电机选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩 主轴转速为，因为，所以 步进电动机的步距角，当频率取10KHz时，矩频特性曲线90BYG550A 步 距 角：0.36驱动方式：升频升压 驱动电压：40VAC 图4.2 矩频特性曲线图见表4.4 技术参数：查手册选择步进电动机的型号为90BYG550ASAKPML0301，其保持转矩，所以此电动机符合要求。图4.3 安装尺寸图表4.5 安装尺寸表 4.3 联轴器的选择联轴器是用来把两轴连接在一起，机器运转时两轴不能分离；只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。选择联轴器的类型根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度等，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。选择时应考虑以下几点：1.所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。2.联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器。3.两轴相对位移的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。4.联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度，腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。5.联轴器的制造，安装，维护和成本。在满足使用性能的前提下，应选用装拆方便，维护简单，成本低的联轴器。如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆方便，可用于低速，刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器（如弹性套柱销联轴器，弹性柱销联轴器，梅花形弹性联轴器等）。由于具有良好的综合性能，广泛适用于一般的中小功率传动。根据以上的分析选联轴器 由于机器起动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩.计算转矩按下式计算：式中T为公称转矩，单位为N.m;为工作情况系数确定联轴器的型号根据计算转矩及所选的联轴器类型，按照的条件由联轴器标准中选定该联轴器型号。上式中的为该型号联轴器的许用转矩。校核最大转速,被联接轴的转速n不应超过所选联轴器允许的最高转速，即4.4 键的选择键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有时还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点，使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。查机械设计通用手册表4-95 得：键的类型为普通平键键宽b键高h = 65轴毂的高度 t = 4.0键的高度 t1 = 35 偶合剂的选择为了使探头发射的超声波有效地射入被检工件，需要在探头与探测面之间涂上耦合剂，例如机油、甘油、水玻璃、水银等。耦合剂的选择应具备以下性质:1.声阻抗尽量接近被检材料的声阻抗，以利声能尽可能多地进入被检工件。2.容易附着在被检工件表面上，有足够的浸润性，以排除探头与探伤面之间的空气薄层。从实用的角度，还要求：1.对人体无害，对试件无腐蚀作用；2.容易清除，来源方便；3.价格低廉。表5.1主要的耦合剂密度、声速和声特性阻抗值 耦合剂密度（g/cm）声速（m/s）声特性阻抗（）水1.01.481.48甘油（纯）1.271.882.38水玻璃1.261.722.17机油0.921.391.28机油是最常用的耦合剂，根据试件表面情况和环境温度，可以选择适当粘度的机油。水的最大优点是来源方便，其缺点是容易流失，会使试件生锈，有时不浸润试件。甘油是实用耦合剂中声特性阻抗最高的，耦合效果最好，其缺点是用水稀释的甘油具有腐蚀性，试件或试块在检验完毕后若不及时用肥皂水冲洗，很容易形成腐蚀坑，此外成倍也比较高。水玻璃的声特性阻抗较高，耦合效果也好，但易凝固，易损坏探头，检测中要常用水擦洗探头。水银声特性阻抗高，是良好的耦合剂，但价格昂贵，对人体有害。从实用上还要考虑偶合剂来源方便，价格低廉，对人体无害，对被检材料无腐蚀作用；便于操作，检测后容易被清除。工件表面越粗糙，入射到工件中的超声能量就越少，检测灵敏度降低。一般要求工件表面粗糙度不能大于十分之一波长，否则声耦合情况显著变差，出现比较大的测向散射。一般来说，声阻抗大的偶合剂，其声波传递效率高，但要求根据偶合剂的性能和探伤要求来选择。综合评价，在自动化的超声波检侧中比较适宜选用水作耦合剂。水的最大优点是来源方便，且透明便于观察，其缺点是会使试件生锈，有时不浸润试件。因此用水作耦合剂时需在其中加入经批准使用的防腐剂和润湿剂。另外还要通过加热等措施消除气泡对检测灵敏度的影响，并且保证水是干净的。液浸法(主要是水浸法)由于探头与工件不直接接触，适于检测表面粗糙的工件，既可减少探头磨损，又能消除直接接触法中那些难以控制的因素，同时也提高了扫查速度，缩短检测时间，便于进行自动化探伤。结 论本研究以齿轮环焊缝超声自动检测装置设计为题，目的