（机械制造及其自动化专业论文）中小模数齿轮超声自动检测技术研究.pdf

摘要 在齿轮超声检测领域，长期以来没有针对中小模数齿轮的自动超声检测技术。本文 针对汽车变速齿轮加工中可能出现的缺陷，利用超声波为检测手段，研究、开发了一种 中小模数齿轮超声自动检测系统，为中小模数齿轮缺陷的无损检测，提供了一种超声自 动检测技术。 论文分析了目前齿轮超声检测技术的现状，根据中小模数齿轮超声自动检测的特点 进行了系统总体方案的设计。以超声波作为检测信号源，采用多探头多方位扫描方式、 液浸法和a 扫描、b 扫描、c 扫描相结合的成像方式，并通过企业现有的数控机床实现齿 轮超声检测的扫描运动，从而完成中小模数齿轮超声自动检测。 论文以超声自动检测技术为重点研究内容。通过对中小模数齿轮的超声检测方式、 检测工艺和扫描运动的研究，开发、制作了检测实验系统，通过实验证明了论文所设计 的方案应用于中小模数齿轮缺陷检测的有效性。并在通用的工业控制的基础上，针对齿 轮超声自动检测系统的控制要求，进行了控制系统的总体设计。开发了利用单片机与 8 2 5 3 定时器计数器来实现系统控制任务的控制卡。提出了控制卡的具体设计方法。最 后，在软件设计中，完成了下位机软件的开发流程以及各程序模块的设计。 关键词：齿轮，中小模数，超声检测，控制 a b s t r a c t t i t j e ：r e s e a r c ho na u t o m a t i cu l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g yf o rg e a r sw i t l l m i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u s a u t h o r ：j i a n gh u i s u p e r v i s o r ：z h a n gj i t a n g i nt h ef i e l do fu l t r a s o n i cm s f i n gf o rg e a r ，t h e r ei sn o ta u t o m a t i cu l t r a s o n i ct e s t i n g t e c h n o l o g yf o rg e a r sw i mm i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u sa tt h ep r e s e mt i m e a i m i n ga tt h e i n n e rd e f e c to fa u t o m o b i l es h i f tg e a r si n m a n u f a c t u r i n g ，a d o p t i n gu l t r a s o n i ct e s t i n g t e c h n o l o g y ，t h ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mf o rg e a r sw i t hm i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u si s d e v e l o p e d ，a n dt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n i q u ef o rt e s t i n gg e a r sw i t i o ms c a t h ei sp r o v i d e d t oa n a l y z et h es t a t u so fu l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g yf o rg e a r s ，a c c o r d i n gt ot h et r a i t so f g e a r sw i t hm i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u s ，t od e s i g nt h ef r a m e w o r ko fa u t o m a t i cu l t r a s o n i c t e s t i n gs y s t e mf o rg e a r sw i t hm i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u s u l t r a s o n i ci sa c t e da ss i g n a ls o u r c e a d o p t i n gi m a g i n gt e c h n i q u ew h i c hc o m b i n e do fa - s c a n n i n g ，b - s c a n n i n ga n dc s c a n n i n g ，a n d t h em e t h o do fi m m e r s i n gi n l i q u i d ，s c a n n i n gm o v e m e n to fu l t r a s o n i ct e s t i n gg e a r si s a c t u a l i z e di nn cm a c h i n et o o l ，a u t o m a t i cu l t r a s o n i ct e s t i n go fg e a r sw i t hm i d d l i n ga n ds m a l l m o d u l u si sa c c o m p l i s h e d a u t o m a t i cu l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g yi si m p o r t a n tc o n t e n to ft h et h e s i s a u t o m a t i c u l t r a s o n i c t e s t i n gt e c h n i q u e ，u l t r a s o n i ct e s t i n gc r a f t w o r k , a n ds c a n n i n gm o v e m e n to f u l t r a s o n i ct e s t i n gg e a r sw i t hm i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u sa r es t u d i e d ，t e s t i n gs y s t e mf o rg e a r s w i t l lm i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u si s d e v e l o p e d t h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o di sp r o v e db y e x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u e s to ft e s t i n gs y s t e mf o rg e a r s ，d e s i g n e dc o l l e c t i v i t y p l a no ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o lc a r di sd e v e l o p e db ym c ua n d8 2 5 3t i m e r , a n dt h e m e t h o do fd e s i g n i n gt h ec o n t r o lc a r di sp u tf o r w a r d i nt h ee n d ，t od e s i g nt h ed e v e l o p m e n t f l o w ，a n dp r o g r a mm o d u l e sa r ed e v e l o p e d k e yw o r d s ：g e a r , m i d d l i n ga n ds m a l lm o d u l u s ，u l t r a s o n i ct e s t i n g ，c o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 交缛 日期：塑鱼塑望里 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 毒学 日期： 导师签名：壶羔二皇 日期：娑莲生闼兰2 ；叠 中北大学学位论文 1 i 无损检测概述 1 i i 无损检测的现状和发展趋势 1 绪论 随着科学和工业技术的不断发展和进步，产品质量越来越为人们所重视，人们对产 品质量的要求越来越高，相应的对各种检测手段要求也越来越高，各种检测技术和检测 手段得以迅速发展。无损检测就是一门研究在不破坏受检对象的前提下，测定和评价物 体内部或表层物理和机械性能及各类缺陷和其他技术参数的综合性应用检测科学。它利 用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测 各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形 状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价“1 。无损检测技术已经经历了三个发展 阶段，即无损检测n d t ( n 0 n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 、无损检查n d i ( n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n ) 和无损评价n d e ( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 。“1 。常规无损检测方法有 射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测五神。无损检测技术的应用范围 十分广泛，随科学和生产的发展，几乎涉及到国民经济各部门。在机械制造、石油化工、 造船、汽车、电力、航空航天和核能等工业中都得到普遍应用。无损检测工序在材料和 产品的静态和动态检测以及质量管理中，已成为一个不可缺少的重要环节。据统计资料 显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为5 ，国防、宇航、原子能 产品为1 2 1 8 ，火箭为2 0 左右0 1 。无损检测技术已成为现代的“工业卫士”，在工 业领域正发挥着越来越大的作用。 2 0 世纪7 0 年代以来是无损检测技术飞速发展的时期，其特点是微机技术不断应用 到无损检测领域，同时无损检测本身的新方法和新技术也不断出现。快速化、标准化、 数字化、程序化、规范化已成为无损检测技术的新标志。 1 ) 常用无损检测方法的不断地发展 x 射线实时成像、工业c t 、超声b 扫描、超声c 扫描、超声成像、自动磁粉探伤判 伤系统、漏磁自动探伤系统、新型渗透材料相继问世。除此之外，无损检测还增添了新 中北大学学位论文 的方法，如声发射、微波、红外、全息照相、电子顺磁共振、中子探伤、电子衍射、激 光诱发激波脉冲和正电子湮没等新检测方法。据不完全统计，目前已有近5 0 种方法被 列入无损检测的范畴。 2 ) 微机技术与无损检测技术相结合 随着电子科学与计算机的普遍应用，微型计算机在无损检测中的数据和图象处理、 过程的自动化控制方面得到了广泛的应用。先进设备与仪器使检测手段更加智能化，检 测灵敏度不断地提高。大量采用数值仿真与数值模拟可以完全地排除人为干扰，并自动、 准确和迅速地将被检测对象的大量信息综合起来进行分析，识别动态图像显示，得到接 近实际或完全符合实际的检测结果，并能将其长期贮存起来，以备查询和使用。 3 ) 无损检测自动化设备不断发展 随着工业c t 、计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、快速成型及有限元分 析等技术结合，给制造业带来革命性的变化，国内外都在投入经费积极研制更高级的自 动检测设备，使无损检测工作脱离人眼功能，使之能更客观地反映检测的实际情况。 1 1 2 我国的无损检测技术的发展 我国无损检测技术是5 0 年代随前苏联援建项目带进来的，文化革命前基本按前苏 联模式发展，文革后，特别是改革开放后取得突飞猛进的发展。从检测方法、人员培训、 仪器设备等各方面基本都向世界潮流靠近，个别项目己达到先进水平。由于经济力量的 限制。仪器设备与世界经济发达的国家尚有一定距离。随着我国无损检测技术的发展， 从5 0 年代末开始，国产的磁粉探伤机、x 射线探伤机、超声波探伤仪开始装备我国的汽 车工业，从6 0 年代起，我国的无损探伤工作人员开始无损检测的科研及设备的研制工 作。从7 0 年代开始，涡流和电磁分选的技术在汽车行业中开始进行应用技术研究与开 发。汽车零件在线无损探伤在7 0 年代开始使用、随着汽车工业的发展使用愈来愈广泛。 长春第一汽车制造厂先后研制成我国第一条连杆电磁自动硬度分选线及c y 一1 型剩磁一 矫顽力联合自动硬度分选线。汽车零件荧光p c 控制的磁粉探伤机首先在汽车厂应用。 这些成就使我国汽车行业的无损检测工作向前迈了一大步。近年来，汽车行业发展迅速， 现在载重车每车有近i 1 0 种零件需无损检测，轿车零件需无损检测的更多。还不包括制 2 中北大学学位论文 造汽车零件的原材料探伤。各大汽车厂不断引进国外的先进无损检测技术和设备，x 射 线实时成像系统、超声成像装置、x 射线工业c t 系统、多频涡流检测系统等都在汽车工 业的生产和科研中得到应用。并且将国外的无损检测管理经验消化吸收形成我们的管理 模式。同时也制订出自己的汽车零件无损检测的标准及质量验收规范。现在的无损检测 已形成了我国自己的体系。 1 1 3 常规无损裣测方法 常规无损检测方法有射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测五种m 。 1 ) 射线检测技术 射线检测技术是利用射线透过被检物体时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线吸收能 力不同的原理，因而可以通过检测透过被检物体后的射线强度的差异来判断被检物体中 是否存在缺陷。主要特点是对被检工件无特殊要求，适用于各种材料的检验，摄像检测 的原理决定了这种技术最适宜体积型缺陷的检测。缺点是辐射生物效应对人体有一定的 伤害，因此要考虑辐射防护的问题。另外，射线照相检测技术对裂纹类缺陷的方向性限 制以及较高难得检验成本也是射线检测技术存在的主要问题。 2 ) 涡流检测技术 涡流检测技术是利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损评 定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷。特点是不需耦合剂，对导电材料和近表 面缺陷检测灵敏度较高，但对复杂机械零部件进行全面检测时效率较低。 3 ) 渗透检测技术 渗透检测技术是一种以毛细作用原理为基础的检测技术，主要用于检测非疏孔性的 金属或非金属零部件的表面开口缺陷。对开口被封闭的缺陷难以有效检出，工件表面太 粗糙时检测效果降低，很难对缺陷做出定量评价。 4 磁粉检测技术 磁粉探伤具有许多优势。它能直观显示缺陷的形状、位置、大小、严重程度，可大 致确定缺陷的性质，而且操作简单、费用低廉，但这种方法也有其局限性。它只能检测 表面裂纹，内部缺陷不能检测出来而且工作量较大。 中北大学学位论文 5 ) 超声检测技术 超声检测是一种重要的无损检测技术，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。超声检测方法在技术上比较成熟，制造成本低 廉、结构轻便的检测仪器已没有多大困难，是复合材料无损检测中较为有效的方法。 1 1 4 超声检测技术的优点 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“同： 1 ) 超声波的方向性好：超声波具有像光波一样良好的方向性，经过专门的设计可以 定向发射，犹如手电筒的灯光可以在黑暗中帮助人的眼睛探寻物体一样，利用超声波可 在被检对象中进行有效的探测。 2 ) 超声波的穿透能力强：对于大多数介质而一言，它具有较强的穿透能力例如在一 些金属材料中，其穿透能力可达数十米。 3 ) 超声波的能量高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于 声波的能量。研究表明，材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的信息，并且 成为广泛应用超声波的基础。 4 ) 可供检测信息丰富：遇到有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：人 们利用超声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵 活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原因之一。 5 ) 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 5 齿轮检测方法分析 实现齿轮检测的技术途径有多种，例如涡流探伤、磁粉探伤和超声波探伤、射线探 4 中北大学学位论文 伤等。在常规的检测方法中，对效果和经济运行费用进行比较，磁粉探伤具有许多优势。 它能直观显示缺陷的形状、位置、大小、严重程度，可大致确定缺陷的性质，而且操作 简单、费用低廉，但这种方法也有其局限性。首先，它只能检测齿轮表面裂纹，内部缺 陷不能检测出来：其次，探伤齿轮齿冠时由于齿根切断磁粉探伤器两极的磁力线，齿轮 根部裂纹检测不到；再者，实际运用中齿轮出现裂纹的位置几乎全部集中在靠近轮心的 侧面和齿根相交处，探伤齿根时要将齿根逐个磁化，用吹粉球吹粉观察，工作量相当大。 我们所要研究的汽车变速箱齿轮内部缺陷多为裂纹，除磁粉探伤以外，涡流探伤也是裂 纹探伤技术中最为常见的方式。这种方法在工作期间要求探头与工件表面保持固定问隙 或紧密接触，对受检工件表面状况要求较高。因为对探头与受检工件之间的间隙比较敏 感，这就对探伤灵敏度影响巨大。射线探伤也可以实现齿轮检测，但是辐射生物效应对 人体有一定的伤害，而且检验成本较高，操作不便。与涡流探伤、磁粉探伤、射线探伤 相比，超声波探伤方法具有指向性好、高灵敏度、性能稳定、不受电磁干扰的特点，目 前在裂纹探伤方面有广泛的应用。 1 2 超声检测技术研究动态 1 2 1 超声检测技术国内、外现状 进入二十世纪七八十年代，由于超声全息、回波频谱分析、超声探头、计算机技术 的迅速发展，使数字化、自动化、智能化超声检测和超声成像技术成为了热点。另一方 面，由于各种新型材料，特别是高性能功能材料的发展，使超声检测广泛地用于材料的 物性评价和工程寿命评估，超声检测技术与断裂力学和材料科学发生了更加深入密切的 联系，在工业领域中有了更广阔的用武之地。如今，随着大规模集成电路等其它相关科 学和技术的进一步发展，超声波检测技术也有了突飞猛进的发展，具体表现在检测仪器 的开发、特种探头的研制和检测方法的革新等方面；另外，借助于计算机的辅助作用， 超声波探伤在缺陷的定位和定性上的准确性和精确度方面有了很大的提高，所有的这些 改进和提高让超声检测技术得以更广泛的应用“7 8 1 。 近年来，随着自动控制技术及计算机技术的发展，融合了超声检测、机械自动化、 自动控制、计算机软硬件技术的超声波自动检测技术，以它检测速度快，检测重复率高， 中北大学学位论文 缺陷定位准确，误判率低等优点越来越受到人们的重视，目前一些发达国家都在积极开 展这方面的研究工作。资料表明，国外每年大约发表3 0 0 0 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4 5 ，例如：2 0 0 0 年l o 月在罗马召开的 第十五届世晃无损检测会议( w c n d t ) 收录的6 6 3 篇论文中，超声检测就占2 5 0 篇9 “1 。 目前，丹麦、德国、意大利等国家在超声波自动检测技术方面已有较为先进的技术和设 备。德国的k r a u t k r a m e r 公司、美国的p a n a m e t r i c s 公司、a b b 公司、丹麦的f o r c e 研 究所都是比较领先的超声波自动检测设备生产厂商。其中丹麦f o r c e 研究所针对核容器 的检验研制了超声波仿真机器人，用于核容器在役检验。德国p i p e t r o n i x 公司研制了 智能管道机器人又称管道猪，适用于直径范围在矿1 5 0 1 4 2 0 m m 的原油与天然汽管道的 检测，一次检测距离可达1 0 0 2 0 0 k m ，可检测管道壁厚为4 0 m m 。意大利航空公司为了 检测飞机发动机内壁和叶片等结构件，研制了超声波自动检测装置，这种检测装置采用 c a d 或c a t i a ( 计算机增强的三维交互作用设计) 技术，扫查装置使用五轴操纵器，由 计算机进行五轴控制，将超声探测器置于任意形状结构件需要探测的位置，五轴分别是 x 、y 、z ，旋转轴( s w i v e l ) 和万向接头( g i m b a l ) ，实现了曲面的自动超声检测“。”“。 在我国，超声波自动检测技术也受到人们的高度重视，如大庆和武汉两家公司研制成功 了大口径输油管道超声波自动检测装置，主要由管外爬行器和多通道数字探伤仪组成， 用于管道周围焊口焊接质量自动检测。另外，我国也有单位引进了美国大型u p r 9 超声c 扫描检测系统，该系统通过九个自由度的机械连杆机构，实现对于面构件的脉冲反射式 或穿透式扫描检测，并具有自动数据采集和数据处理功能。我国检测设备正处在更新换 代的阶段，国内市场需求比较大。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，许多设备不得不从国外进口。从价格看，进口设 备价格还很昂贵。国内超声波探伤设备的厂商也有十几家，如汕头超声波仪器研究所、 上海超声波仪器厂等，但与国外同行企业相比，装备和技术力量，研究与开发能力等方 面还存在一定的差距。 近年来，我国超声无损检测的标准化和规范化，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i s o ，a t s m 等一百多个国外标准。无损检 测人员的培训也逐渐与国际接轨。 6 中北大学学位论文 目前，超声检测技术的重要发展方向之一就是自动检测技术。但这种技术的应用目 前还不普遍，主要应用在一些要求检测效率高，检测环境危险或不便于人去操作的场合， 原因是自动检测技术投资比较大，技术相对复杂“5 ”1 。 1 2 2 汽车变速箱齿轮超声检测技术动态 1 2 2 1 汽车变速箱齿轮的结构特点 本论文研究的是汽车变速箱各种齿轮的内部缺陷超声自动检测技术，首先介绍汽车 变速箱齿轮的结构特点。 1 ) 汽车变速箱齿轮多为斜齿轮。 齿轮分为直齿轮和斜齿轮两种。当一对直齿圆柱齿轮啮合传动时，一对轮齿沿着整 个齿宽同时进入啮合和退出啮合，容易产生较大的冲击和振动。为克服上述缺点，将直 齿圆柱齿轮切成许多薄片，然后逐个稍微错开一个位置重叠起来就成为一个阶梯形齿 轮，当一对阶梯齿轮啮合时，各轮片将依次逐渐进入和退出啮合，从而改善传动质量。 当薄片为无穷多时，就成为斜齿轮。汽车变速齿轮就属于斜齿轮，如图1 1 所示。 图1 1 斜齿轮 z ) 汽车变速箱齿轮多为中小模数齿轮。 机械中，用模数表明齿轮轮齿的大小，模数m 等于节径与齿数之比，如图1 2 所示。 我们通常把模数大于2 5 的齿轮称为大模数齿轮，模数大于1 2 5 小于2 5 的齿轮称为 中模数齿轮，模数4 、于1 5 的齿轮称为小模数齿轮。本文所研究的检测对象汽车变速箱 齿轮多为中小模数齿轮。 7 中北大学学位论文 1 2 2 2 齿轮超声检测现状 图1 2 齿轮模数示意图 由于齿轮零件几何形状较复杂，而超声探伤技术较高，超声设备的调试较难，在我 国汽车行业中，使用超声探伤设备与国外比较并不广泛。目前国内外自动超声检测技术 还未用于齿轮缺陷检测领域。我国企业的齿轮无损检测大多采用手动检测方法，由于齿 轮批量大、检测工作量非常庞大，而且中、小模数齿轮手工检测又难以实现等原因致使 许多企业根本不对齿轮进行检测。而超声自动检测具有检测速度快，检测重复率高，缺 陷定位准确，误判率低等优点，可以比较好解决齿轮的无损检测问题。目前个别齿轮生 产企业虽然形成了齿轮生产线计算机管理，但迄今为止，尚未实现齿轮超声检测自动化。 齿轮的超声自动检测技术国内外研究，尚无公认的成熟技术。 1 3 课题背景、来源和意义 1 3 1 课题背景及意义 齿轮，是机械产品的重要基础零部件。它是许多机械产品不可缺少的传动部件。齿 轮的设计与制造水平直接影响到机械产品的性能和质量。据统计，汽车变速器故障约占 汽车底盘故障的1 3 ，而变速器中由于齿轮本身质量问题造成的故障比重最大。由于齿 轮缺陷未能及时发现而酿成设备事故，带来巨大的经济损失的事例屡见不鲜。在现代工 业生产中，世界齿轮产品发展的总趋势是小型化、高速化、低噪声、高可靠度。目前， 我国齿轮生产厂家为保证齿轮质量多采用进口钢材，但这无疑增加了生产成本。为了降 中北大学学位论文 低齿轮生产的成本，提高经济效益，可采用国产钢材替代进口钢材，但国产钢材与进口 钢材相比质量较低，所生产的齿轮内部容易出现裂纹、夹杂、气孔等缺陷。现在，我国 一些齿轮生产厂家已经具备了手动检测仪器和设备。但是由于齿轮的齿形复杂，手工检 测难度比较大，而且如果要进行大批量的齿轮检测，工作量也是非常庞大的，因此目前 国内齿轮生产行业急需快速、智能的齿轮检测系统，以适应大批量多品种齿轮内部缺陷 无损检测的需要。但目前我国齿轮生产行业还缺乏可靠的自动化检测方法，自动、快速、 大批量的齿轮检测技术在国内尚不成熟，进行这方面的研究开发将有很大的理论意义和 应用价值。 超声无损检测技术是五大常规检测技术之一，它具有被测对象范围广，检测深度大、 缺陷定位准确、检测灵敏度高、使用方便、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特 点，世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视，使其成为提高检测可靠性和检测效 率最重要的技术途径。超声波探伤主要是通过测量信号往返于缺陷的渡越时间来确定缺 陷和表面的距离，通过测量回波信号的幅度和发射器的位置来确定缺陷的大小和方位， 它对于平面状态的缺陷( 如裂纹、夹层、折叠等) 具有很好的探测效果“”。可以发现材料 或工件中的不允许存在的如气孔、夹杂、裂纹等缺陷，并对不合格的工件予以报废。这 对提高齿轮的内部质量及使用寿命无疑具有重要意义，德国奔驰公司汽车几千个零件经 过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力。 可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。 综上所述，我们确定进行中小模数齿轮超声自动检测技术研究以解决中小模数齿轮 内部缺陷检测问题。中小模数齿轮的超声检测问题的研究解决，不但对汽车变速箱齿轮 的超声检测而且对其它的齿轮超声检测都有很强的指导意义，其研究成果还可进一步推 广到其它曲面外形零件的超声检测中去，因此本课题具有很强的理论意义。 本项目中的检测系统在自动完成对齿轮的快速声学扫描后，可按给定的检验标准自 动地做出齿轮质量合格与否的技术评定。从而能够有效地提高齿轮检测的灵敏度，保证 缺陷达到足够的检出率，保障国产齿轮的质量。增加齿轮工作时的安全性和可靠性，减 少由齿轮内部缺陷带来的损失，防止突发事故。因此对齿轮超声检测技术进行研究具有 现实意义。 9 中北大学学位论文 1 3 2 课题来源 本课题是连云港北方变速器有限责任公司委托中北大学的齿轮超声波自动检测技 术研究项目，主要研究齿轮质量诊断的无损检测方法。 1 4 本文研究的主要内容和难点 1 4 1 本文研究的主要内容 本文主要研究一套可供企业检测使用的齿轮超声波自动检测系统。技术要求是： 1 ) 可检齿轮范围：根据生产需要而定，可适应各种中小模数斜齿轮内部缺陷检测； 2 ) 检测分辨率：口l m m 3 ) 检测功能：用组合探头从不同方向自动扫查齿轮，次安装可以完成整个齿轮缺 陷的检测。检测数据输入计算机处理后，可按用户提供的检验标准自动地做出齿轮是否 合格的技术评定； 4 ) 检测操作：被检齿轮装、卸为人工操作，检测运行过程可编程控制，自动完成。 检测结果可建档保存、打印输出。 由此确定论文研究的主要内容为： 1 ) 整体方案设计； 2 ) 齿轮自动检测方法研究； 包括检测波系设计；检测方法试验研究；检测试件设计。 3 ) 自动检测控制技术研究； 包括控制方法研究；单片机触发卡的设计制作； 1 4 2 检测的难点 齿轮检测的困难在于本论文研究的齿轮属于中小模数齿轮，且为斜齿轮。齿顶面积 较小，齿形曲面曲率大，又是斜齿，检测比较困难。并且小齿轮有若干种，各个部位的 缺陷检测需要采用不同的检测方法，检测过程需要探头准确定位，不同类型不同尺寸的 齿轮检测方法也各不相同，这将给齿轮内部缺陷的超声检测带来一定的困难。 1 0 中北大学学位论文 针对齿轮检测的困难，拟采用超声波自动检测技术，具体的检测方法将采用多探头 多方位纵波检测方法来实现。 1 5 章节安排 依照本文内容，各章主要内容如下： 1 ) 第一章介绍了无损检测的意义、分析了几种常规检测方法各自的优缺点；介绍了 超声检测的优点，综述了超声检测以及齿轮超声自动检测技术的国内外发展现状和发展 趋势，指出了本文的研究目的和意义 2 ) 第二章介绍了超声波的定义、波形、介质中传输特性等超声基本知识，说明了超 声检测的原理。 3 ) 第三章介绍了入射方式、扫描成像方式等齿轮自动超声检测方法研究； 4 ) 第四章介绍了系统总体设计； 5 ) 第五章介绍了控制系统的硬件设计、软件设计； 6 ) 第六章总结与展望。首先对本文的工作进行了回顾和总结，然后对下一步的工作 提出了一些初步的设想。 1 6 本章小结 本章介绍了无损检测的现状以及发展趋势，对常规无损检测方法进行了综合分析。 重点阐述了超声波检测技术的优点和国内、外现状。指出了本文的研究目的和意义以及 本文的主要研究内容和难点，并对章节安排做了简要介绍。 中北大学学位论文 2 1 超声波检测原理 2 超声检测基础 超声波是指频率高于2 0 k h z 的声波。超声波具有指向性好、传播能量大等特性，在 无损检测领域中得到了广泛应用。超声波的声速、衰减、阻抗和散射特性中包含了丰富 的质量信息。超声波检测的基本原理是：超声波在不同的介质中传播时，将产生反射、 折射、散射、绕射和衰减等现象，使我们由接收换能器上接收的超声波信号的声时、振 幅、波形或频率发生了相应的变化，测定这些变化就可以判定建筑材料的某些方面的性 质和结构内部构造的情况达到测试的目的。当超声遇到缺陷面时，反射回波幅度会异常 增大，根据反射幅度、延迟和相位等就可以判断缺陷的位置、面积和形状“埘，原理图 如图2 ，1 所示。 超声 工件 探头 缺陷 l 、 以 i i 同步电路 发剪于电路 接收放大 模数转换 图2 1 超声检测原理图 2 2 超声波( 横波和纵波) 的传播特性 2 2 1 超声波倾斜入射到平面上的反射和折射 当超声波在种介质中传播到界面或遇到另一种介质且传播方向不垂直于界面时， 1 2 陀少，7、八， 中北大学学位论文 将发生声波的反射、折射和波型转换现象。 1 ) 反射 超声纵波( 或横波) 在固体中以某一角度倾斜入射到异质界面时，将产生反射纵波 ( 或横波) ，并发生波型转换，产生反射横波( 或纵波) 。图2 2 为超声纵波( 或横波) 入射到两异质界面时的情况。 图2 2 a 为纵波倾斜入射至两异质( 声阻抗分别为p l 。- 及p 2 。2 ) 界面时的情况。设 纵波入射角为，反射纵波的反射角为0 ，反射横波( 变型波) 的反射角为m ，由反 射定律可知： o l ，= a ， a ，：s i n 一1 ( 鱼s i n a ，) f ，l 图2 2 b 为横波倾斜入射至两异质界面时的情况。设横波入射角为m ，其反射横波 及反射纵波( 变型波) 的反射角分别为ar 和。由反射定律可知： 0 f = a f a ，：s i n 一1 ( 鱼s i n a ，) f n 其中：。“一纵波在第一介质中的声速 。一- 一横波在第一介质中的声速 p 2 c 2 ( a ) p 2 c 2 图2 2 超声波反射示意图 ( a ) 纵波入射( b ) 横波入射 ( b ) 中北大学学位论文 2 ) 折射 超声波倾斜入射到异质界面上，且第二介质为固体时，透射波要发生波型转换，分 离为折射纵波和折射横波。两种折射波的传播方向互不相同，也不同于入射波的方向， 如图2 3 所示。 l 或t 图2 3 超声波折射示意图 折射波的折射角艮、p ，由折射定律可知： p ，：s i n 一1 ( c t 2s i n i x )臣：s i n 一1 ( ! 生s i n a ) c 1q 式中一入射角 p ，一纵波折射角 p ，一横波折射角 o t 一入射波在第一介质中的声速 。，：一纵波在第二介质中的声速 。r ：横波在第二介质中的声速 2 2 2 超声波倾斜入射到曲面上的反射和透射 1 ) 反射 当超声波入射到凹曲面时，反射波会聚集；当超声波入射到凸曲面时，反射波会发 散。反射波波阵面的形状取决于曲界面的形状，如图2 4 所示。 2 ) 透射 超声波入射到曲面上时，透射波是聚焦还是发散，不仅与曲界面的曲率有关，也与 两种介质的声速( c l 和c 2 ) 有关。 根据斯涅耳定律可知： 1 4 中北大学学位论文 ? ：v 、 ， r 。 一 l 1 l： 一 ， i f 4r 2 l 1 时，可以不做曲率修正；当r 1 时可以通过查表得到修正系数。 临界曲率半径r c 的计算按照式( 2 1 ) 计算进行计算。 耻习o 4 5 丐p s 2 z , 以z ，l1 + 式2 一l 中： f 超声频率( 兆赫) d 。一探头晶片直径( 毫米) z 。一探头保护膜声阻抗( 公斤米2 秒) z r 耦合剂声阻抗( 公斤米2 秒) z r 一被检材料的声阻抗( 公斤米2 秒) v 。耦合剂声速( 米秒) 2 3 超声检测方法 ( 2 - 1 ) 在超声波探伤中，由于使用的波型、发射和接收的方法、信号显示方式、探头与工 1 6 中北大学学位论文 件祸合的特点、工件形状和缺陷类型、实现探伤的手段等都不同，所以从不同的方面出 发，可以按不同的归纳方式进行分类“7 “”。 2 3 脉冲反射法、穿透法和共振法 按照检测原理可将超声检测分为脉冲反射法、穿透法和共振法三种。 1 ) 脉冲反射法 在实际检测中，最常用的是直接接触脉冲反射法，它又可按波型分为：单探头的纵 波法、检波法、板波法、表面波法；双探头的双直探头纵波法、双斜探头检波法脉冲 反射法是将超声波振动持续时间很短( 一般为几微秒以下) 的超声波脉冲射入被检体，利 用被检体底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法。超声源发射的超 声波在工件内传播过程中，如果有不同介质阻挡，超声波将发生反射，反射信号的大小 与反射率r 的大小有关，从声波反射率公式( 2 2 ) 可以看出，反射率只与入射介质和反 射介质的材料有关，探头获得的反射信号的大小也是一定的，当工件中无缺陷时，荧光 屏上只会出现始发脉冲波( 即始波) 和底面反射回波( 即底波) ，二者之问没有其它回波， 其中缺陷波在荧光屏上出现的水平位置表示缺陷在深度方向的位置。超声波反射率公式 为： 肛鼎 z ， 其中，z 1 = 局q ，z l 为入射介质的声阻抗，n 为声波入射介质的密度，q 为声波在 入射介质中的传播速度。 z 2 = 岛c 2 ，z 2 为入射介质的声阻抗，岛为声波反射介质的密度，c 2 为声波在反射 介质中的传播速度。 与穿透法相比，脉冲反射法有以下优点：灵敏度和精度高、适用范围广、操作方 便。缺点是由于存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不适用、容易露检、材料衰减 太大不适用。 2 ) 穿透法 1 9 2 9 年，s o k o l o v 首先提出用超声波探查金属物体内部缺陷( 非连续性) 的方法。 1 7 中北大学学位论文 在检测时，我们都把超声发送探头置于试件的一侧，而把接收探头置于试件的另一侧， 保证探头与试件之间有良好的声耦合，并使两个探头在一条直线上，这样，简单地监视 接收到的超声波强度就可以得到检测结果了在超声检测的历史上，穿透法曾经是第一 ： 种可行的方法，穿透法可用连续波或脉冲波，使用连续波时，探伤仪器比较简单，但是 工件中可能产生驻波，厚度的微小变化可能引起透射量的很大变化，一般采用频率调制 法以稳定透射量。使用脉冲波则无此问题，可直接利用普通的超声探伤仪。穿透法的优 点是几乎不存在盲区，声程衰减小但由于其精度比较低，但是不能进行缺陷定位，检测 灵敏度低，需要专用探头夹持装置以使两个探头对准，操作不便所以到现在，它的应用 只限于精度要求不太高且能采用较简单系统的场合，或是材料特性使得脉冲回波技术不 可能应用的场合。 3 ) 共振法 若声波在被检工件内传播，当工件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共 振，当工件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，工件的共振频率将改变。依据工件的共 振性，来判断缺陷情况和工件变化情况的方法称为共振法。共振法常用于工件测厚“嘲。 2 3 2 纵波法、横波法、表面波法和板波法 根据检测的波形可将超声检测分为纵波法、横波法、表面波法、板波法。 1 ) 纵波法 使用直探头发射纵波，进行检测的方法称为纵波法。纵波检测时波束垂直入射至工 件探测面，以不变的波形和方向透入工件，所以又称垂直入射法。纵波法( 垂直入射法) 又可分为单晶探头反射法、双晶探头反射法、穿透法。在同一介质传播时，纵波速度大 于其他波形速度，穿透能力强，晶界反射或散射敏感性差，所以可探测工件的厚度是所 有波形中最大的。而且由于垂直检测时波形和方向不变，所以对缺陷定位比较方便。 2 ) 横波法将纵波通过楔块、水等介质斜入射至工件探测面，利用波形转换进行检测 的方法称为横波法。横波法又称斜入射法，主要用于管材焊缝等的检测。 3 ) 表面波法 使用表面波迸行检测的方法称为表面波法。表面波法主要用于表面光滑的工件检 中北大学学位论文 测。它仅沿表面传播，对于表面的覆层、油污、不光洁等反映敏感，并被大量衰减，利 用这一特点可以通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化来 对缺陷进行定位。 4 ) 板波法 使用板波进行检测的方法称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的工件的 检测。板波法进行检测时板波充塞整个工件，可以发现内部和表面缺陷。但是检出灵敏 度受到限制较大，不仅受到仪器条件限制，还受到波的形式限制。 2 3 3 接触法和液浸法 根据声耦合方式可将超声检测分为接触法和液浸法两类。 1 ) 接触法 接触法是指探头直接与工件探测面接触的探伤方法，具有方便、灵活、猖合层薄、 声能损失小等优点，可利用各种波型例如纵波、横波、表面波和板波进行检测。为使声 能有效地传递，一般在探头与被检工件间涂覆一层很薄的耦合剂。直接接触法的缺点是 影响探伤的因素难以控制，例如探头所加压力大小、耦合层厚薄、接触面积大小等，加 上探头容易磨损，对工件表面粗糙度要求较严，检测速度低，使其应用受到限制。 2 ) 液浸法 液浸法是使超声波在探头与工件之间通过一定距离的液体耦合剂传播进行探伤的 方法。因常用水作为耦合剂，又称水浸法。水浸法有许多方式，全没法就是将被检体全 部浸入水里进行探伤的方法，可以进行精密自动探伤，但是工件大时水槽体积也大，不 方便。局部水浸法，在探头机构部分设置水槽，可用于大型工件或长条型工件的探伤。 喷流式水浸法，超声波通过水柱进行发射和接收。轮胎探头式水浸法，多用于薄钢板自 动探伤，它不大受被检体表面凹凸和波浪状态的影响。间隙水浸法，在探头与工件之间 设置0 3 0 8 m m 的水层以稳定接触条件。 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。 1 9 中北大学学位论文 在齿轮超声检测系统的开发中，主要是针对汽车变速箱齿轮零部件的检测，由于工 件不易装夹，发射探头和接收探头的位置难以控制，且灵敏度低，而且中小模数齿轮尺 寸小，且要求精密探伤，、因此采用水耦合、纵波、液浸反射回波法进行检测。 2 ，4 本章小节 本章主要介绍了超声波检测系统的工作原理以及超声波