（计算机应用技术专业论文）中小模数齿轮环焊缝超声自动检测技术研究.pdf

中北大学学位论文 中小模数齿轮环焊缝超声自动 检测技术研究 摘要 随着电子、计算机、信号盘理等技术的发展，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 声自动检测系统进行了研究。该系统基于脉冲反射式探伤工作原理，具有自动焊缝缺陷 检测，信号处理及自动判读等功能。 根据系统功能的要求，本文论述了中小模数齿轮环焊缝超声自动检测系统的总体设 计、检测方法设计、控制方法设计和系统软件设计。系统的总体设计包括系统的结构及 功能、机械设计要求和硬件选择。检测方法设计包括齿轮环焊缝超声探伤方法选择、检 测波系的优化、检测试块设计和检测结果自动判读。控制方法设计主要介绍了以8 9 c 5 2 为核心的单片机控制触发卡，该卡实现了对探伤仪和a d 采集卡的协调和控制，以及与 上位机的通信。单片机控制卡硬件设计中，详细介绍了使用基准频率源、锁相环和定时 器精确产生系统所需的各种触发脉冲信号；利用四总线缓冲器、模拟开关和固态继电器 实现了超声检测中单通道变多通道信号切换控制。系统软件使用v i s u a lb a s i c 语言编 写，运行于w i n d o w sx p 环境，具有参数输入、缺陷定位、实时控制、检测结果显示、 文件存储打印等功能。 关键字：超声检测焊缝检测缺陷控制单片机 中北大学学位论文 t h es t u d yo nu l t r a s o n i ca u t o m a t i ct e s t t e c h n o l o g yo f t h em i d d l ea n ds m a l lm o d u l u sg e a rw e l d a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o nh a se n t e r e dt h et i m e so fa u t o m a t i ct e s t i n ga n dc o m p u t e a i d e d f l a wi d e n t i f i c a t i o nw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n i q u e si ne l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , s i g n a l p r o c e s se t c t h i sa r t i c l em a i n l yr e s e a r c h e dt h eu l t r a s o n i ca u t o m a t i ct e s tt e c h n o l o g yo ft h e m i d d l ea n ds m a l lm o d u l u sg e a rw e l d t h es y s t e mi sb a s e do nu l t r a s o n i cp u l s e e c h op r i n c i p l e ， a n dh a st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cf l a wd e t e c t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n ga n da u t o m a t i c i n t e r p r e t a t i o n a c c o r d i n gt ot h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n , s o m ei d e a so ns y s t e md e s i g n ，d e t e c t i o nm e t h o d , c o n t r o lm e t h o da n dp r o g r a m m i n ga r ed i s c u s s e d , a n ds o m ed e s i g n so nt h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no ft h es y s t e m ，m e c h a n i c a ld e s i g na n dh a r d w a r eo p t i o n sh a v eb e e nd o n e d e t e c t i o n m e t h o d sm a i n l yc o u s i s to f t e s t i n gm e t h o d s ，o p t i m i z a t i o nw a v e ，b l o c kd e s i g na n da u t o m a t i c i n t e r p r e t a t i o no ft e s tr e s u l t s t h ed e s i g no ft h ec o n t r o lm e t h o di sm a i n l yt h ec o n t r o lc a r d w h i c hi sc e n t e r e da tm c ua n dc a nc o n t r o lc r a c kd e t e c t o ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d a sw e l la s c o m m u n i c a t ew i t ht h ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r t h ec o n t r o lc a r du s e st h e8 9 c 5 2 m i c r o c o m p u t e ra sc o n t r o l l e r , t a k et h eb e n c h m a r kf r e q u e n c ys o u r c e ，t h ep h a s e - l o c kl i n ka n d t h et i m e rp r e c i s e l yp r o d u c e de a c hk i n do f t r i g g e rp u l s es i g n a lw h i c ht h es y s t e mn e e d s ，u s et h e b u sb u f f e ra n ds o l i ds t a t er e l a yt or e a l i z et h eh a n d o f fc o n t r o lf r o ms i n g l ec h a n n e lt o m u l t i - c h a r m e l s t h es y s t e ms o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m m e du s i n gv i s u a lb a s i cw i t hm f c h a v i n gf r i e n d l yi n t e r f a c e db e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dp e o p l e i th a st h ef u n c t i o n so f p a r a m e t e r i n p u t t i n g ，e r r o rp o s i t i o n i n g ，r e a l - t i m ec o n t r o l l i n g ，i n s p e c t i o nd i s p l a y i n ga n df i l es a v i n ga n d p r i n t i n g k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct e s t f l a wd e t e c t i n g f l a wc o n t m im c u 中北大学学位论文 第一章绪论 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味的迅速发展，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( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ) 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i l 卅。 超声检测( u t ) 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 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 ， 特别是2 0 0 0 年1 0 月在罗马召丌的第十五届世界无损检测会议( 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。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2 0 年代，声学和超声学的理论大厦已经完全建立起p l 。r a y l e i g h 、l a m b 、 k n o t t 、m a e e l w a n e 、s t o n e l y 和j e a n s 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，2 0 世纪3 0 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，1 9 5 0 年，超声波探伤已用于工业中。从6 0 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。1 9 8 2 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 中北大学学位论文 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 在常规无摄检测方法中，超声检测因超声波具有独特的优点面得到了迅速地发展。 超声波的优点很多，具体如下睁目： i 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，在很多方面跟国外工业发达 国家仍然有很大差距1 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己 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的检测技术，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中投资力度比较大，相互之间的竞争激烈，自动超声检测技术和设 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。 中北大学学位论文 近年来，新技术的应用大大促透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、过程控制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n d i 和n d t 向n d e 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2 0 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 n d i 和n d t 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u c t - 2 超声波检测仪，重达2 4 k g ， 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c t s 1 0 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约2 0 k g 。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u c t - 2 ，c t s 1 0 型仪器。1 9 7 6 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。1 9 7 8 年1 0 月，中国建筑科学院研制出j c 2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用t t l 线路，数 码显示，仪器重量为5 k g 。同期研制出的超声检测仪器还有s c 2 型，c t s - 2 5 型，s y c - 2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器。 3 中北大学学位论文 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。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 1 。- 1 6 】： 1 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。 2 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2 0 0 0 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。 3 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。 4 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、来源 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。 4 中北大学学位论文 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2 l 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 个重要分支，超声无损检测技术作为- - i - j 综合往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”。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。 随着电子束焊接技术的逐渐推广应用，目前遇到的采用电子束焊接的环形焊缝焊接 件检测的数量也越来越多，如坦克、汽车中的许多齿轮焊缝的检测等。“中小模数齿轮 环焊缝超声自动检测系统”这一项目是连云港北方变速器有限责任公司委托中北大学开 发研制的。本课题的研究目的：研究齿轮焊接质量诊断的无损检测技术并开发中小模数 齿轮环焊缝超声自动检测系统。 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f 2 。j 。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【2 l l 。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7 0 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 中北大学学位论文 熟 2 2 1 。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 证齿轮焊接装嚣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检测研制开发的一套超声自动检钡9 系统，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 2 5 小于2 5 的齿轮称为中 模数齿轮，模数小于1 2 5 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1 2 3 1 。它与传统的手工检测方式 相比具有以下特点印一2 q ； 1 缺陷检出率高 6 中北大学学位论文 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。 2 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。 3 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。 4 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。 1 ，3 本文的研究内容和章节安排 1 3 1 本文主要研究内容 本论文以实际项目为依托，积极吸收超声波检测、计算机、信号处理、自动控制等 相关学科的新成果、新方法，对以下几个方面做了一定的研究： 一、齿轮电子束环焊缝超声波自动检测工艺研究 具体的研究内容包括： 齿轮环焊缝检测波系设计； q 检测试件设计； 检测方法试验研究。 二、信号处理方法研究 具体的研究内容包括： 检测信号整形与降噪方法研究； q 缺陷特征的提取方法研究； 缺陷的定性、定量和定位方法研究； 7 中北大学学位论文 三、下位机控制系统控制方法的研究 产生可设的频率和延时的方法研究 电 单通道探伤仪交多通道探伤仪的方法研究； 四、齿轮环焊缝超声自动检测系统软件开发 提供检测系统的人机交互界面，用户可进行检测参数设置和控制操作； 心 与下位机进行通讯，实现检测系统的实时控制； 勺 对检测中所采集的数据进行处理，并在计算机屏幕上显示检测结果； 1 3 2 本论文的章节安排如下 第一章中主要介绍课题的来源、背景及意义：目前超声检测的现状和发展趋势，提 出了本文的研究任务； 第二章中主要介绍电子束齿轮焊缝超声检测系统总体设计； 第三章中主要介绍电子束齿轮焊缝超声检测方法的研究； 第四章中介绍电子束齿轮焊缝自动检测系统控制技术的研究； 第五章详细介绍电子束齿轮焊缝自动检测系统软件开发； 最后是总结与展望，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。 8 中北大学学位论文 第二章电子束齿轮焊缝超声检测系统总体设计 超声波自动化检测技术是融无损检测、机械自动化、自动控制、计算机硬软件等为 体的综合性技术。该系统采用超声波对环焊缝区域进行c 扫描，当焊接部位出现气孔 和未焊透等缺陷，系统将接收到的缺陷信号通过计算机信号处理，显示环焊缝中缺陷的 位置和当量，从而直观地显示了齿轮环焊缝的焊接质量，按给定的检验标准，自动做出 合格与否的技术评定。本检测系统还可对每个齿轮的检测结果进行存档、显示和输出打 印。 该自动检预4 系统的主要技术指标如下： 1 焊缝深度：o 4 毫米( , - - 根据用户的要求决定) 2 灵敏度：4 ) 0 5 平底孔 3 探伤标准：缺陷总长度小于焊缝长度1 0 为合格，缺陷总长度超过焊缝长度1 0 判废，超过4 0 为未焊透( 可根据用户要求修改) 4 齿轮直径：中2 5 中7 0 毫米 5 齿轮外径：小于2 4 0 毫米 6 探伤速度：6 0 8 0 件4 , 时 2 1 齿轮焊缝检测系统整体结构及功能 根据检测原理和功能及技术要求，齿轮环焊缝超声波自动检测系统由五个部分构 成：超声检测予系统、机械扫描子系统、控制子系统、超声检测信号处理及显示、系统 校准试件。系统组成框图如图2 1 所示： 9 中北大学学位论文 工业控制机 a 仍 1i 、萼准 b t f 。 实验结果表示，如果超声为。平面波束，缺陷为一个0 0 5 的平底孔，b o 的幅度可能比 f 的要大数干倍，通常，超声脉冲的后沿有一个很难消除的“拖尾”。“拖尾”的幅度随 时间的推移会逐渐降低。若缺陷距离水钢界面较近，则缺陷会被拖尾所掩盖。缺陷脉 冲与拖尾脉冲的相关性极好，难以分辨。般的超声探头拖尾较长，无法满足小型汽车 齿轮焊缝的探伤要求。所以必须使用频率较高的高分辨率探头。高频超声的一个特点是 它的类似光线的传播特性，因而也可像光线那样用透镜进行聚焦。适当提高超声频率， 采用聚焦技术，可以将超声聚焦到特定的深度，即缺陷所在的深度。在焦点上，超声波 的反射可有相当大的加强，丽在焦点之外，急剧削弱。这样，可将b o 幅度与f 幅度的 差距缩小。如缺陷界面距离为3 5 m m ，则此差距可能降低一个量级。 适当设计声场的时间和空间分布，可以保证从缺陷上得到清晰可靠的反射信号，这 是进步采集和处理信号的前提。 在焊缝之下是齿轮环套之间的界面。这个小界面对超声波来说是一个假的反射面。 如果检测超声波束有很少一部分散射到这个界面上( 见图3 6 ) ，由于它的反射能力比 0 5 的平底孔强的多，就会形成一个很强的反射波，造成误检。由图3 6 可见，超声波 束应限制到焊缝深度范围内。过大，可能引起界面的错误反射；过小，则不能使超声波 束覆盖整个焊缝。所以，在焊缝深度改变时，必须考虑原有探头是否合适。如不合适。 必须重新设计与焊缝深度相同的探头。 中北大学学位论文 适当的检测区 过大的检测区 图3 6 焊缝检测区示意图 此外，超声波束是否能准确定位也非常重要。如定位偏下，可能引起内外套界面的 错误反射；如偏上，则可能引起焊缝上表面起伏引起的错误反射。故焊缝深度改变时也 应改变探头的高度调节和重新加工对比探伤试块。 3 2 4 检测试块设计 对比试块是确定探伤灵敏度基准所必须的。超声探伤的灵敏度可达到很高，但这并 不总是必须的。实践上总是根据断裂力学方法计算出一个适当的要求，然后根据要求制 定一个相当的起始灵敏度和判废标准。f i a t 公司的齿轮焊缝探伤标准规定，超声探伤的 起始灵敏度为0 5 的平底孔，判废标准是缺陷长度的和不超过周长的1 0 。 根据探伤灵敏度的要求，加工相应的对比试块。按超声探伤的常规要求，对比试块 的材料和耦合面几何尺寸与被探工件一致或相近。在齿轮探伤过程中，对比试块不仅用 于探伤灵敏度的设定，它还要用于确定超声探头与焊缝中心的几何尺寸定位。如前所述， 超声探头的定位是极其重要的。因此，要求对比试块： ( 1 ) 要用与齿轮材料相同的材料加工： ( 2 ) 内径及其允许公差应该与被探齿轮尺寸一致： ( 3 ) 应有相应与起始灵敏度的平底孔型和长度为1 0 周长的槽型人工缺陷： o 中北大学学位论文 ( 4 ) 人工缺陷的中心位置应在焊缝深度中心； ( 5 ) 人工缺陷端面与内表面的距离应等于焊缝到内表面的距离； ( 6 ) 人工缺陷端面到外表面的距离应不小于3 毫米。 3 2 5 检测结果自动判读方法 检测结果自动判读包括以下几个步骤： 检测信号整形与降噪 q 缺陷特征识别与提取 缺陷特征量化求域值 缺陷定位 缺陷显示 质量技术评定 1 滤波处理 超声图像中包含着多种噪声，有电传感器( 探头) 噪声、信道误差噪声、机械振动引 起的噪声等，影响缺陷的判读。因此在超声图像缺陷分析时有必要除去这样的噪声。在 超声检测中，许多噪声的产生机理是未知的，而且即使知道了产生的机理，有时也不能 对之有效地进行数学上的模型化。在这样的场合，可采用根掘噪声所具有的一般性质进 行噪声消除的平滑化( s m o o t h i n g ) 的处理方法。 图像降噪技术通常有两类方法：空间域法和频率域法。 空间域法主要是在空间域中对图像灰度值直接进行运算处理。例如：将包含菜点的 一个小区域内的各点灰度值进行平均计算，用所得的平均值来代替该点的灰度值，这就 是通常所说的平滑处理。 频率域法就是在图像的某种变换域中( 通常是频率域中) 对图像的变换值进行某种运 算，然后变换回空间域。例如：可以先对图像进行傅立叶变换，再对图像的频谱进行某 种修正( 如滤波等) ，保留图像的低频成份而抑制或清除它的高频成份，最后再将修正后 的图像进行傅立时反变换回空间域中，从而实现图像降噪的目的。 频域算法比较复杂，运算量大，处理速度慢，在超声检测中一般不适合采用。因此， 中北大学学位论文 本文主要采用了适合超声检测的中值滤波方法来实现超声图像平滑降噪 中值滤波( m e d i a nf i l t e r i n g ) 是一种局部平均平滑技术，其算法于1 9 7 1 年由j w j u k e y 首次提出并应用于一维时间序列的信号处理技术中。中值滤波在一定的条件下可以克服 在采用诸如最小均方滤波，均值滤波等线性滤波器消除噪声时，会将图像细节模糊掉的 缺点。中值滤波尤其对图像中的脉冲干扰、椒盐噪声有较好的抑制效果。而且在运算过 程中不需要图像的统计特征，这在实际应用时带来很大方便髀4 0 l 。因此，本系统把中值 滤波作为图像降噪方式的一秽供超声图像处理时选用。 中值滤波分为一维中值滤波和二维中值滤波，对于一维情况，设有一个一维序列 ，了，_ 2 ，3 ，对此一维序列进行中值滤波就是用一个有奇数点的滑动窗口，设窗1 ：3 长 度( 点数) 为m ，从输入序列中相继抽出珊个数，f i - v ，声j ，户，+ j ，+ v ， 再将这m 个数按其数值大小排列，取其序号为中心点那个数作为滤波输出。用数学公式 表示为： 乃= m e d 丘，一。，z + i ，一，+ ， i z ( 3 - 4 ) 上式中v = 伽一矽20z 表示所有自然数的集合。例如：有一个序列为 o ，3 ，4 , 0 ，7 ) ， 窗口长度取5 ，重新排序后为 0 ，0 ，3 ，4 ，7 ) ，则m e d o ，3 ，4 ，0 ，7 3 。对于一个有限长 序列，若滤波窗口长度取3 ，为了使输出信号长度保持与输入信号同样长，在输入信号 两端要分别扩展k 个( 因m = 2 k + l = 3 ，所以肛j ) 与信号两端相同的信号值。 图3 7 为一维序列中值滤波示例。它是用内含5 个元素( 1 x 5 ) 的窗口对离散阶跃函 数、斜坡函数、脉冲函数以及三角形函数进行中值滤波的示例。从图中可以看出，在一 维情况下，中值滤波器不影响阶跃函数和斜坡函数，并可以有效地消除单、双脉冲，使 三角函数的顶端变平。 姒圳皿直皿圳k k 血 镰盥 ；i 叫羹l i j 叫l 幽lli 基i 1 叫壅 ( 1 瞬获( b 铒壤 c ) 擎缘冲哟疆脒冲 ) 三，b 形 中北大学学位论文 图3 7 一维序列中值滤波示例 由于中值滤波在算法设计上使与周围像素灰度值相差较大的点处理后能和周围的 像素值比较接近，因此可以衰减随机噪声，尤其是脉冲干扰噪声。而且在处理时并不是 简单的取均值，因此产生的模糊要少得多。 2 缺陷特征值提取 ( 1 ) 确定时程 将试块缺陷对正探头i 通过单点采集后保存数据，然后用w a t i a l 3 软件打开。然 后放大图形，分别求出内表面一次波峰值对应的横坐标与缺陷波峰值对应的横坐标的差 值，然后求出平均值即为时程( 如图3 8 ) 。 图3 8 确定时程图 ( 2 ) 提取特征值和域值 求出时程后，进行试块检测，为了尽量准确，对试块连续检测3 圈，将检测信号 送到a d 采集卡进行模数转换，变成数字信号。在确定的范围内通过求最值的方法可求 得缺陷处的值。再经中值滤波降噪即得特征值，对特征值进行排序，根据人工缺陷的长 度比例对特征值进行量化来确定域值。如图3 g 是特征值图： 中北大学学位论文 图3 9特征值图 共采集2 8 8 0 个点，人工缺陷是1 0 ，对2 8 8 0 个点的幅值进行从大到小的排序，当排到 2 8 8 0 的1 0 个点( 即2 8 8 个点) 时，它所对应的幅值即为域值，即上图横线所对应的 幅值。 ( 3 ) 缺陷定位、显示及质量技术评定 保存域值后进行工件检测，对工件检测1 圈，将检测信号送到 d 采集卡进行模数 转换，变成数字信号。对数字信号进行中值滤波后，处理信号提取缺陷特征值，根据域 值确定缺陷的位置及长度。最后把探伤结果( 缺陷长度与焊缝长度的百分比) 与判别标 准比较并用曲线和统计数据显示在计算机屏幕上并保存到计算机中，也可以输出打印。 判别标准可设，在本系统中是如缺陷的总长度小于焊缝长度1 0 ( 或其它规定数值) ，发 出“合格”显示；超过焊缝长度1 0 ，但不足4 0 时发出“有缺陷”显示；超过4 0 时发 出“焊深不足”显示。这样就完成了检测结果的自动判读。检测结果图如3 1 0 ： 中北大学学位论文 3 3 小结 图3 1 0检测结果图 本章首先对超声检测基础知识进行了简单的介绍，然后对齿轮环焊缝超声检测的方 法进行了深入的研究，主要针对齿轮环焊缝超声探伤方法选择、检测波系的优化、检测 试块设计及检测结果自动判读方法这些方面进行了研究。 中北大学学位论文 第四章电子束齿轮焊缝自动检测系统控制技术 4 1 工业自动控制技术研究概述 4 1 1 自动控制技术在无损检测中的应用 近年来，随着传感技禾、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展，现代无 损检测技术已经进入到以计算机控制为主的自动化时代。表现在：生产过程实时监控； 对涂有各种厚度的防腐材料和保温层的工程检测技术：能自动扫描、自动定位与跟踪检 测对象的各种检测机器人：对缺陷的自动识别与计算机仿真技术的深入研究等j 。 超声检测系统与计算机的结合被认为是超声检测技术的大突破。计算机控制超 声检测仪能够选择检测参数并相互校正，自选操作工艺，自动记录数据与成像，进行换 能器系统的自动补偿，和检测结果的自动判断等。最初是采用小型计算机对生产进行控 制，或者用来对模拟系统进行监视。由于小型计算机系统价格昂贵，所以多采用集中控 制。随着微机的发展，微机和单片机在这一领域的应用也有了飞速发展。这就为超声自 动检测提供了良好的条件。 4 1 2 微机控制系统概况 微机控制系统的快速计算、灵活多样的逻辑判断和高效的信息加工能力使自动控制 进入了更高一级的领域，提高了生产过程的自动化程度，减少了人工干预，并不断地完 善和满足工农业生产和国防科技日益增长的需要。微机控制系统由于具有成本低、体积 小、功耗少、可靠性高和使用灵活等特点，因而广泛地应用于工农业生产、交通运输、 国防建设和空间技术等各个领域。 微机控制系统由微机和其他工业生产对象两大部分组成，其中包括硬件和软件。硬 件是指微机本身及其外部设备。由于系统的不同，组成微机系统的硬件多少也不同一 般根据控制系统的需要可任意进行扩展。现在已经生产出具有各种功能的插件板，并用 中北大学学位论文 标准总线连接起来，使用非常方便。软件是指管理微机的程序以及过程控制应用程序。 软件是微机系统的神经中枢，整个系统都是在软件的指挥下进行协调工作的。 硬件是微机控制系统的基础，软件是微机控制系统的灵魂。微机控制系统是通过各 种接口及外部设备与生产过程发生关系，并对生产过程进行数据处理及控制的。在典型 的微机控制系统中，检测的参数经传感器、变送器，转换成统一的标准信号，再经多路 开关分时送到a d 转换器迸行模拟数字转换转换后的数字量通过接口送到微机， 这是模拟量输入通道。在计算机内部，用软件对采集的数据进行处理和计算，然后经模 拟量输出通道输出，输出的数字量通过变换器转换成模拟量，再经反多路开关( 也称多 路分配器) 与相应的执行机构相连，并对被测参数进行控制。 国内外常用计算机控制系统主要有两种模式：一、计算机直接控制系统，由单板机、 单片机或个人计算机、工控机，适当配以必要的外围设备和接口电路，构成独立的过程 控制计算机系统，切检测控制显示和管理功能均由该微机承担；二、集散控制系统， 由下位机工作站和上位机构成，下位机对被控对的参数进行检测和控制，通过通讯接口 将所采集的信息和状态传递给上位机，同时接收上位机的指令，上位机对下位机进行综 合指挥，分散控制，集中管理。 4 2 电子束齿轮焊缝自动检测系统控制任务分析 4 2 1 控制系统需求分析 齿轮焊缝检测系统的控制功能集中由下位机和电气控制箱完成。控制系统的主要任 务是：1 驱动探测台；2 控制探测缸的上下水；3 实现齿轮工位转换和位置调整；4 控 制超声波发射、接收设备和数据采集卡的工作状态；5 与上位机通讯等。按照定的时 序对系统各部分的动作进行协调和检测的控制。 上水装置的作用是使水槽内的水面保持在恒定的高度，保证超声发射、接收探头和 齿轮内表面可靠的声耦合。探测缸的上下水是采用汽缸推动注水缸来实现水位的自动升 降。气路的控制是通过电磁阀的通断电来实现的。因此，对探测缸的上下水的控制是一 个启动停止的开关量控制。 中北大学学位论文 步进电机的功能是通过一套减速机构驱动工件台转动。对步进电机的控制主要是对 步进电机速度的控制。步进电机是一种控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度( 步 距角) ，一步一步运行的。步进电机的运行由步迸电机驱动器驱动，步迸电机驱动器是 把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，即：控制系统每发出个脉冲信 号，驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以，步进电机速度的控制实质上是对步进电 机驱动器脉冲信号的控制。由于被检测的齿轮大致可分为两种，它们在装卡上有差异， 所以我们采用双工位工件台。由两台步进电机分别带动两套减速机构使工作台转动。两 台步进电机由一套驱动电源驱动。由继电器的组合实现齿轮工位转换。通过提供不同的 步迸电机脉冲信号来实现正常检测及位置的粗调和细调 超声探伤仪的作用是向被检试件发射一束超声脉冲，并接收试件反射回的反射波， 收集工件的检测信息。超声波发射电路是将一个上升时间很短、脉冲很窄、幅度很大的 发射脉冲加在探头上，激励探头产生脉冲超声波的电路；超声波接收电路则将超声反射 波被探头接收后转变成的电脉冲放大、整形提供给数据采集卡。系统对超声波发射、接 收电路的控制是通过改变加在其上的触发脉冲的频率实现的。 为了保证数据采集卡正确、可靠地采集到超声波回波信号，还必须对数据采集卡的 采集动作进行控制。在检测过程中，系统中的采集卡的工作在外触发a d 启动方式，通 过对加在数据采集卡上的外触发脉冲的控制，可实现对数据采集卡采集动作的控制。 4 2 2 控制系统工作过程分析 齿轮焊缝检测系统的全部检测过程由一台工控机和一套控制系统( 单片机控制卡和 电气控制箱) 实施控制。被检齿轮试件装上检测工作台后，首先给电气控制箱上电。打 开单片机控制卡。检测前先给水槽注水，水位的自动升降采用汽缸推动注水缸来实现。 气路的控制是通过电磁阀的通断电来实现的。当水槽中的水位达到规定时，测量水位的 弹簧继电器动作，此时可以开始探测。首先通过上位机的用户交互界面设置实验参数， 并将所设置的实验参数发送到下位机，然后进行检测。检测开始，启动数据采集卡的门 控信号，并对超声的发射和接收实施控制，使设备进入检测状态。超声探测器的接收探 头接收回波信号，信号由采集卡进行采集和a d 转换，然后送入工控机进行处理。同时， 中北大学学位论文 单片机控制系统向上位机发信息，通知上位机一个检测过程结束。这时，上位机就可以 将处理后的数据显示在界面上，用户可以直观的得到检测结果。 4 3 电子束齿轮焊缝自动检测系统总体控制技术 控制系统采用集散控制，由下位机工作站和上位机构成，下位机对被控对象参数进 行检测和控制，通过通讯接日将所采集的信息和状态传递给上位机，同时接收上位机的 指令，上位机对下位机进行综合指挥，分散控制，集中管理。总体结构设计力求简单实 用。方案如下：通过传统探伤仪和专用软件来实现c 扫描的功能，超声探伤仪有外触发 端和模拟信号输出功能，来自探伤仪的描述超声振幅和时间的模拟信号经过a d 转换输 入给计算机。由于系统要求的采集频率和采集精度非常高，因此一般的a d 芯片无法胜 任，必须专门购置高速高精度数据采集卡，与工控机接口为i s a 或p c i 均可。检测完探 伤仪把检测数据通过标准接口传输到工业控制机中进行信号处理，实时进行自动判读， 并把判读结果显示在计算机屏幕上，也可将检测结果存储、打印输出。控制系统控制结 构示意图如图4 1 所示： 控制系统 探测台 图4 1 控制系统控制结构示意图 4 4 下位机自动控制硬件设计 中北大学学位论文 检测控制系统中单片机控制卡是组成数据采集模块的重要部分，它在系统中担负着 控制其他单元的正常运行并协调各个单元相互配合的功能。下面主要介绍单片机控制卡 的设计方法和抗干扰措施。 4 4 1 功能分析 系统中的单片机控制t 是控制的核心组成部分，如图4 1 所示，控制卡需要控制和 协调探伤仪的探头发射脉冲、a d 采集卡的采集脉冲、切换选择探伤仪和探头、控制选 择工作模式、与上位机通讯等。控制卡功能需求如下： 1 产生两路频率相同僵有一定延时的脉冲信号，且要求频率值和延迟时阀在一定范 围内可调； 2 能够选择使用单片机控制卡内部触发信号( 主动方式) 或外部探伤仪信号( 被动 方式) ； 3 检测过程中能够控制切换选择不同的探伤仪和探头工作； 4 存储检测相关信息； 5 与上位机通信实现交互式操作； 6 故障报告。在下位机工作失常时主动向上位机报告错误。 4 4 2 控制器选择 随着大规模集成电路技术的飞跃发展，集成度更高，性价比更为优越的控制器不断 涌现。在控制器的家族里已经出现了p l c 、单片机、c p l d 等优秀产品。 4