畢業(yè)設計（論文）超聲無損檢測系統(tǒng)

1、1.緒論1.1無損檢測概述無損檢測以不損害被檢測對象的使用性能為前提，應用多種物理原理和化學現(xiàn)象，對各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)間進行有效的檢測和測試，借以評價它們的連續(xù)性、完整性、安全可靠性以及某些物理性能。包括探測材料或構(gòu)件中是否有缺陷，并對缺陷的形狀、大小、方向、取向、分布、和內(nèi)含物等情況進行判斷，還能提供組織分布、應力狀態(tài)以及某些機械和物理量等信息。20世紀70年代至90年代是國際無損檢測技術(shù)發(fā)展的興旺時期，其特點是微機技術(shù)不斷向無損檢測領(lǐng)域移植和滲透，無損檢測本身的新方法和新技術(shù)也不斷出現(xiàn)，使無損檢測的時期得到了很大的提高。復合材料，膠接材料，陶瓷材料以及記憶合金等功能材料的出現(xiàn)，為無

2、損檢測提出了新的檢測課題。常規(guī)的五大無損檢測的方法有：超生檢測、射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測和滲透檢測。此外還有激光全息無損檢測，微波無損檢測，紅外無損檢測等方法。目前無損檢測應用的范圍十分廣泛，已在機械制造、石油化工、造船、汽車、航空航天和核能等工業(yè)中被普遍采用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量提出了越來越高的要求，特別是產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的質(zhì)量問題所造成的事故以及巨大的經(jīng)濟損失，使人們更加認識到了無損檢測的重要性。在工業(yè)發(fā)達的國家中，無損檢測已經(jīng)成為必不可少的重要工具。美國為了保持它在世界科技中的領(lǐng)先地位，在1979年的一次政府報告中提出了要成立六大技術(shù)中心，其中之一就是無損檢測中心1。美國前總

3、統(tǒng)里根說，如果沒有先進的無損檢測技術(shù)，美國就不可能享有眾多領(lǐng)域的領(lǐng)先地位?？梢姛o損檢測在國民經(jīng)濟中的重要性。2 1.2超聲波無損檢測概述所謂超生無損檢測就是在不損害材料及構(gòu)件的條件下，利用超聲波來探測物體表面或內(nèi)部缺陷的檢測方法。超聲無損檢測之所以成為無損檢測中的一種重要方法，是由超聲波的特性決定的，超聲波的特性如下:（1）超聲波的指向性好；（2）超聲波的穿透能力強，對一些金屬材料，其穿透能力可達數(shù)米；（3）超聲波的能量高（4）遇到界面時，超聲波間產(chǎn)生反射。折射和波形的轉(zhuǎn)換（5）對人體無害3 。1.2.1超聲無損檢測的歷史和現(xiàn)狀超聲波的研究經(jīng)歷了一個漫長的歷程，早在1830年，f.savet

4、曾用齒輪第一次產(chǎn)生了24khz的超聲。1876年f.galton用氣哨產(chǎn)生了30khz的超聲，然而人類真正科學地開展超聲波技術(shù)的研究還是從1880年j.curie,p.curie 發(fā)現(xiàn)壓電效應開始的。由于海底冰山對遠洋海輪有著很大的威脅，1912年有人提出利用超聲波探測海底冰山的設想，1916年p.langevin首次致力于研究水下超聲波探測物體內(nèi)部的缺陷和結(jié)構(gòu)最早是原蘇聯(lián)的sokolov于1929年提出的，并研制了第一臺連續(xù)波超聲波探傷儀。1931年德國人在專利中提出了工業(yè)應用方案。在第二次世界大戰(zhàn)中，由于雷達技術(shù)和脈沖技術(shù)的發(fā)展以及戰(zhàn)爭的需要，大大促進了超聲檢測技術(shù)的發(fā)展。近20年來，隨著

5、超聲全息、回波頻譜分析、超聲探頭和大規(guī)模集成電路以及計算機的迅速發(fā)展，使得數(shù)字化、圖像化、智能化、自動化技術(shù)變成了研究的熱點。超聲檢測進入了現(xiàn)代發(fā)展階段。1992年10月，在巴西圣保羅召開的第十三屆世界無損檢測大會上，成功的展出了計算機化寬頻帶超聲探傷儀和數(shù)字化、圖像化、智能化超聲探傷儀，顯示了超聲檢測向現(xiàn)代化發(fā)展的進程?，F(xiàn)代超聲檢測技術(shù)中，數(shù)字化、圖像化、智能化、自動化是令人矚目的新技術(shù)，他們不僅可以實現(xiàn)對缺陷的定位、定性和定量的檢測，而且可以使這些功能自動化、智能化，甚至可以使人眼看不見的物體內(nèi)部的缺陷真實、直觀的以圖像的形式顯示出來。由于這些新技術(shù)的發(fā)展，極大地克服了傳統(tǒng)超聲檢測不直觀、

6、判傷難和無記錄等不足。這也是對傳統(tǒng)超聲技術(shù)的挑戰(zhàn)，是超聲無損檢測發(fā)展的必然結(jié)果。數(shù)字化、智能化超聲儀是傳統(tǒng)超聲儀和計算機結(jié)合的產(chǎn)物，他的主要功能是在傳統(tǒng)超聲儀的基礎上，利用數(shù)字化、智能化儀器的特點，增加了對超聲檢測來說至關(guān)重要的記錄、存儲、分析的功能。它不僅使人眼的延伸，而且還可以代替或幫助人們從事檢測工作，成為人的大腦和手的延伸。圖像化超聲檢測技術(shù)是在電視技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，目前，已經(jīng)使用的成像技術(shù)包括：超聲b、c掃描成像技術(shù)、超聲顯微成像技術(shù)、alok成像技術(shù)、saft成像技術(shù)、p掃描成像技術(shù)、超聲全息成像技術(shù)、超聲ct成像技術(shù)等?？傊?/p>

7、現(xiàn)代超聲檢測是具有代表性的無損檢測技術(shù)，它是現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有以下特點：（1） 以計算機為核心，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，提高了檢測效率和檢測精度。（2） 運用人工智能專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和小波分析等現(xiàn)代工具，實現(xiàn)缺陷的定性、定位和定量檢測，提高了檢測的可靠性。（3） 在不同程度上實現(xiàn)了自動化、數(shù)字化、圖像化和智能化。提高了檢測的重復性、直觀性和檢測效率。 可以預見，隨著計算機技術(shù)和人工智能領(lǐng)域的新進展，現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)將會得到飛速發(fā)展，數(shù)字化、圖像化、智能化超聲儀有著廣闊的應用前景，將在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用。經(jīng)過科研工作者的不懈努力，適合不同用途、具有不同功能、結(jié)構(gòu)簡單、性價比

8、高的數(shù)字化、圖像化、智能化超聲波就設備將會問世，從而不斷提高超聲檢測的可靠性。1.2.2超聲無損檢測自動化發(fā)展的進程 自1946年世界上第一臺超聲探傷儀問世至今，超生探傷儀有了很大的發(fā)展和變化。但到目前為止，絕大多數(shù)超聲無損檢測方式仍以手工檢測為主，主要依靠檢測人員的經(jīng)驗，根據(jù)回波信號來判斷是否有缺陷以及缺陷的類型。由于檢測人員的經(jīng)驗各不相同，所以監(jiān)測的標準和結(jié)果也不相同。而且隨著產(chǎn)量的不斷增加，手工檢測不僅人為因素多，而且檢測人員勞動強度大，效率低，成本高。特別是對某些具有危險性的檢測，勞動保護將是主要問題。為了克服這些不足，實現(xiàn)檢測的機械化、自動化，已經(jīng)成為超聲檢測工程技術(shù)人員研究的熱點問

9、題之一。近幾年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對無損檢測提出了高速度、高精度、高可靠性等要求。超聲檢測的設備的自動化和儀器的計算機化已成為發(fā)展的方向。兩者結(jié)合構(gòu)成計算機控制自動超聲檢測系統(tǒng)，使檢測標準可事先輸入計算機從而可對檢測結(jié)果作出自動評價。超聲檢測自動化石板隨著計算機技術(shù)、機器人技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展起來的。目前在日本的日剛、新日鐵的各個分廠、豐田汽車制造公司、機器人制造公司、小倉電站、松下電器等公司，超聲無損檢測自動化技術(shù)在大小鋼管、鋼板、輪軸等鋼鐵生產(chǎn)線中得到了廣泛的應用。美國物理聲學公司已成功地研制出了四軸自動掃描系統(tǒng)適用于各種板、塊、軸累計曲面等零件的檢測。法國sofratest公司的自動

10、化管材超聲掃描系統(tǒng)采用韌性軌道，可檢查不同直徑管道的表面或焊縫，全自動雙軸步進馬達控制超聲掃描器的定位精度可達0.05mm。我國目前已成功地研制生產(chǎn)出了用于探測平行板夾層、中厚板材、焊縫鋼管、飛行環(huán)形結(jié)構(gòu)件、實心圓柱形工件、吊環(huán)、輪轂等各種通用或?qū)Ｓ玫臒o損檢測設備、實現(xiàn)了超聲無損檢測的自動化和半自動化。1.2.3超聲無損檢測的發(fā)展趨勢 信息技術(shù)是促進無損檢測技術(shù)發(fā)展的強勁動力。無損檢測技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合，可以最大限度的從檢測過程中獲取信息。目前超聲無損檢測正向著數(shù)字信號處理和成像方面發(fā)展。已經(jīng)成為或正在研究采用的數(shù)字信號處理技術(shù)是：時間渡越衍射技術(shù)、合成孔徑聚焦技術(shù)、裂譜技術(shù)、到譜技術(shù)、模式

11、識別和分析、自使用網(wǎng)絡等。可見，信息技術(shù)與無損檢測技術(shù)的相互融合已經(jīng)是發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)代超聲無損檢測中，超聲成像技術(shù)是一種令人矚目的新技術(shù)，無損檢測的基本目的是檢測出物體中的缺陷，并確定其位置、大小和性質(zhì)。物體的超聲圖像可以提供大量的直觀的信息，直接反映物體的聲學和力學的性質(zhì)，而這些性質(zhì)恰是應用斷力學評價材料的依據(jù)。此外，現(xiàn)代超聲成像技術(shù)大都有自動數(shù)據(jù)采集、自動數(shù)據(jù)處理和自動做出評價的功能，使超聲成像成為現(xiàn)代定量無損檢測的一種重要技術(shù)。超聲成像在醫(yī)療診斷、地震遙感、地質(zhì)勘探、海洋研究、材料科學等領(lǐng)域正在日益開辟新的用途。超聲成像技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景。隨著新材料的不斷出現(xiàn)和檢測要求的不斷

12、提高，研制和開發(fā)高智能化的超聲檢測儀器已經(jīng)成為發(fā)展的必然。電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展為研制高智能化的超聲檢測儀器奠定了良好的基礎。未來的超生檢測儀器應當具有如下的特征：（1） 模塊化和插卡化。各種超聲檢測卡（含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及接口的插卡）將大量問世，借助于高速、高容量計算機，超聲檢測儀器的研制變得比較容易。（2） 高智能化和圖像顯示功能。未來的超生檢測儀器應該是高智能化的，且檢測結(jié)果可用圖像顯示出來。高智能化表現(xiàn)在具有良好的用戶界面，它能開機后自檢；用菜單選擇儀器測試參數(shù)；可調(diào)用或可存儲儀器的設定參數(shù)以及預祝計算機進行通訊或傳輸數(shù)據(jù)。（3） 數(shù)據(jù)庫及自動識別功能。未來超聲檢測儀器的一個

13、重要的進步是具有對被檢測對象的缺陷類型進行自動識別以及對被檢測對象的狀態(tài)進行自動評價的功能。因此，它應當擁有比較完備的數(shù)據(jù)庫和專家評判系統(tǒng)。（4） 自動檢測系統(tǒng)地研制。各部門對超聲檢測技術(shù)的要求是提高檢測自動化程度和縮短檢測時間。特別是在惡劣的環(huán)境下，自動檢測系統(tǒng)更具有決定意義。1.3本課題研究的意義和內(nèi)容超聲檢測是一種重要的無損檢測，在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著極其重要的地位，超聲無損檢測掃描裝置的自動化是超聲檢測實現(xiàn)圖像化、智能化的前提，將是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對成批產(chǎn)品進行質(zhì)量控制的重要手段之一。實現(xiàn)超聲無損檢測的自動化對保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，降低勞動強度具有重要意義。超聲無損檢測自動掃描系統(tǒng)是實

14、現(xiàn)超聲無損檢測自動化的基礎部件，是精確實現(xiàn)對缺陷定位、定量、定性檢測的重要保證之一，是提高重復檢測精度和檢測效率的重要手段。在機械制造業(yè)中，機械零件形狀各異，給超聲檢測帶來諸多不便，尤其是一些具有復雜曲面的零件的超聲無損檢測，難度更大。利用一般的三坐標自動掃描系統(tǒng)將無法自動檢測。為了解決復雜曲面零件內(nèi)部超聲檢測問題，確保設備安全運行，本次設計將研制五坐標超聲無損檢測自動掃描系統(tǒng)。本次設計研究的超聲無損檢測自動掃描系統(tǒng)將以pc機為核心，借助于計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、機器人技術(shù)實現(xiàn)超聲檢測自動化。該系統(tǒng)采用五個步進電機分別控制五個軸來實現(xiàn)對復雜曲面自動掃描，整個研究內(nèi)容包括：（1） 設計五坐標自

15、動掃描機械裝置，包括機械傳動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)的設計和關(guān)鍵零部件的設計與選擇。（2） 部分零部件的設計與計算。 2.超聲波無損檢測裝置的總體方案 超聲自動掃描系統(tǒng)是保證檢測過程自動化的基礎部件，使超聲無損檢測實現(xiàn)數(shù)字化、圖像化、智能化的重要前提。它涉及超聲無損檢測的檢驗精度、效率等問題，是將超聲無損檢測推向?qū)嵱没?，實現(xiàn)在線的關(guān)鍵。2.1超聲無損檢測裝置的簡介超聲自動掃描系統(tǒng)是為自動檢測平面、弧面乃至復雜形面的的零部件而設計開發(fā)的，整個系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的被檢測零件的信息，控制探頭沿被檢測零件表面進行掃描，從而獲取超聲信號。掃描原理如圖2.1（a）為掃描路徑，2.1（b）為探頭與工件的位置關(guān)系。 （a

16、）掃描路徑 （b）探頭與工件的關(guān)系圖2.1超聲掃描原理圖 該監(jiān)測系統(tǒng)由計算機、超聲探傷儀、高速數(shù)據(jù)采集卡、伺服驅(qū)動裝置、機械裝置等部分組成，其系統(tǒng)原理如圖2.2所示。將被檢測零件的信息通過鍵盤輸入給計算機，計算機進行編譯處理，輸出控制信號給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)發(fā)出指令給機械系統(tǒng)，機械裝置帶動超聲探傷儀對零件進行掃描，同時高速數(shù)據(jù)采集卡將超聲探傷儀采集到的數(shù)據(jù)輸送給計算機進行進一步的分析處理，并顯示檢測結(jié)果。 圖2.2超聲自動掃描系統(tǒng)原理圖由此可見，超聲自動掃描系統(tǒng)在超聲自動檢測系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，其掃描的速度、精度直接影響檢測的效率、精度和可靠性，該系統(tǒng)是一個機電一體化系統(tǒng)，設計精密機械技術(shù)、微

17、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等多門技術(shù)。本論文僅就機械子系統(tǒng)進行設計和開發(fā)。2.2超聲無損檢測裝置的設計方案 自動掃描機械系統(tǒng)在超聲自動掃描系統(tǒng)中的作用是帶動探頭沿被檢測零件表面運動，并保證在檢測過程中探頭方向始終與零件上被檢測點的發(fā)現(xiàn)重合，從而獲得正確的檢測信息。為此，本次設計五坐標超聲監(jiān)測系統(tǒng)，三個移動坐標控制探頭檢測點的空間位置，兩個旋轉(zhuǎn)坐標控制探頭的方向，從而達到檢測復雜零件、提高檢測精度和檢測效率的目的。五坐標機械裝置原理如圖2.3所示。由三個直線方向運動構(gòu)件1、2、3分別完成三個直線運動，兩個旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)件4、5共同完成x方向和y方向的旋轉(zhuǎn)運動。方案一： 方案一的工作原理是：由2完

18、成x方向的移動，由3完成y方向的移動，1為z方向的動導軌，由1完成z方向的移動，由4完成x方向的旋轉(zhuǎn)運動，再通過5使容器旋轉(zhuǎn)90，再利用4完成y方向的旋轉(zhuǎn)。此方案的缺點：（1） 由于容器中會裝入工件和水再加上旋轉(zhuǎn)工作臺的重量，為了使結(jié)構(gòu)簡便，電機應該裝入旋轉(zhuǎn)工作臺的內(nèi)部，用以完成旋轉(zhuǎn)運動。這樣一來，電機需要負載的重量就會比較大，以此類推，x向移動，以及y向移動所要負載的重量就會越來越大，從成本方面以及電機的負載方面，都不是最佳的選擇。（2） 4為了完成x軸的旋轉(zhuǎn)，移動導軌中需裝上電機，通過齒輪嚙合，來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。z向移動導軌要實現(xiàn)z向的直線運動，如果給它中間安上電機，不僅不好給電機固定，而且

19、會影響z向動導軌的穩(wěn)定。方案二：圖2.3超聲自動掃描機械裝置原理圖 方案二克服了以上的缺點，旋轉(zhuǎn)運動直接由4、5來完成，由電機直接帶動，這樣也減輕了x向和y向的電機負載，z向動導軌只需要完成z向的的移動，這樣也會減輕z向的負載，容器避免了轉(zhuǎn)動也會防止工件受到磕、碰?？芍^是一舉兩得的好事情，通過各方面的比較，最總，采取方案二作為此次設計的最佳方案。系統(tǒng)使用迪卡爾所標系，現(xiàn)對五個運動作如下規(guī)定。（1） x向運動，定義為沿導軌1的水平方向的運動，規(guī)定向右為正，行程為50cm（2） y向運動，定義為沿導軌2的水平方向的運動，規(guī)定向紙里為正，行程為40cm（3） z向運動，定義為沿導軌3的豎直方向的運動

20、，規(guī)定向上為正，行程為60cm（4） a向運動，定義為繞x軸的旋轉(zhuǎn)運動，規(guī)定在垂直x軸平面oyz內(nèi)投影于y軸夾角的大小，按右手螺旋法則，大拇指方向與x軸正方向一致為正，反之為負，旋轉(zhuǎn)范圍正負。（5） b向運動，定義為繞y軸的旋轉(zhuǎn)運動，規(guī)定在垂直y軸平面ozx內(nèi)投影與z軸夾角的大小，按右手螺旋法則，大拇指方向與y軸正方向一致為正，反之為負，旋轉(zhuǎn)范圍正負。2.3設計參數(shù) x向的檢測范圍為50cmy向想的檢測范圍為40cmz向的檢測范圍為60cm 2.4小結(jié) 超聲自動掃描系統(tǒng)是超聲無損檢測實現(xiàn)自動化的重要保證，其中涉及機械技術(shù)、計算機技術(shù)、伺服技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、超聲檢測技術(shù)等多門技術(shù)，是典型的機電一體

21、化產(chǎn)品。超聲波無損檢測技術(shù)有著廣泛的應用前景，本次設計的檢測裝置方案雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是也是超聲裝置設計的一次嘗試，為今后的發(fā)展做出一點鋪墊。3.超聲波無損檢測裝置的設計與計算為了能完成對復雜曲面的自動掃描，超生自動掃描機械裝置至少要完成x、y、z、a、b五個方向的運動，機械系統(tǒng)設計的任務就是確定任務的實現(xiàn)方式以及機械零部件的設計和選取，也就是進行機械傳動設計和機械結(jié)構(gòu)設計。3.1超聲波無損檢測裝置傳動方式的確定 自動掃描機械系統(tǒng)作為自動掃描系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它的主要任務不僅是能完成一系列運動，而且這一系列運動必須是由計算機協(xié)調(diào)與控制的，面向機電伺服系統(tǒng)的機械運動，因此進行機械傳動設計首先要確定

22、伺服控制方式和伺服電機。3.1.1伺服控制方式的選擇 機電一體化中的機械系統(tǒng)已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的一個重要組成部分，機械系統(tǒng)的設計也應該是面向伺服系統(tǒng)的設計。伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)按控制方式的不同可分為：開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)，開環(huán)伺服系統(tǒng)中無檢測反饋元件，結(jié)構(gòu)簡單，但精度較低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對輸出量進行檢測和反饋，并根據(jù)輸出量對輸入量的實際偏差進行控制，因而精度高，但結(jié)構(gòu)復雜、成本高；半閉環(huán)在反饋控制環(huán)之外，性能介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。伺服系統(tǒng)的選擇首先應該考慮使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和精度，以

23、及良好的快速響應性，其次還應綜合考慮調(diào)速范圍、負載能力、可靠性、體積、質(zhì)量以及成本等各個方面的因素。開環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，但精度要低于閉環(huán)，五坐標無損檢測自動掃描裝置的負載為探頭及其夾具，相對較小，對精度的要求也低于相應的機床，綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸和生產(chǎn)成本，本次設計決定采用開環(huán)控制方式。其控制精度的保證，一方面由采用無誤差累積的插補方法，另一方面，從提高系統(tǒng)剛度，采用精密導向元件，消除傳動間隙上來進行保證。3.1.2控制電機的選擇 伺服系統(tǒng)設計通常從選擇執(zhí)行電機開始。電動機作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，應能方便的實現(xiàn)連續(xù)的、平滑的、可逆調(diào)速，對控制信號反應快捷，才能保證整個系統(tǒng)帶動被控對象按所需要

24、的規(guī)律運動。伺服系統(tǒng)中常用的電機有步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等。 步進電動機又稱電脈沖馬達，它可按照輸入的脈沖指令一步步的旋轉(zhuǎn)，可將輸入的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移，步進電動機由于成本較低，一舉采用電動機控制，因而被廣泛的應用與開環(huán)控制中。直流伺服電動機具有響應迅速、精度和效率較高、調(diào)速范圍寬、負載能力大、控制特性優(yōu)良等特點，交流伺服電動機在直流伺服電動機的基礎上具有結(jié)構(gòu)簡單、無電刷與換向器磨損等問題，因而被廣泛應用于閉環(huán)或半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中。五坐標無損檢測自動掃描裝置因采用開環(huán)控制，從控制方式、成本、精度等方面綜合考慮，決定采用反應時步進電動機作為驅(qū)動元件。其具有如下特點

25、：（1） 位置量與輸入電脈沖數(shù)有嚴格的對應關(guān)系，步距誤差不會積累。（2） 穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率有嚴格的對應關(guān)系。（3） 控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速起、停和反轉(zhuǎn)。改變控制脈沖頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就隨著變化，并且可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。（4） 控制系統(tǒng)簡單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距角的限制。 所以，步進電動機可以廣泛用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)，是開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。步進電動機有很多種類型。按其工作原理，可分為反應式、永磁式、永磁感應式、機械諧波式、電磁諧波式、滾切式以及若干混合式等。按勵磁相數(shù)，有3相、4相、5相、6相甚至8相。按

26、其功率，可分為快速步進電機和功率步進電機。目前在實際應用中應用得最廣泛的實反應式功率步進電機。步進電機的工作方式如表（3-1）所示。表3-1步進電機工作方式相數(shù)循環(huán)拍數(shù)通電規(guī)律 三相單三拍abca雙三拍abbccaab六拍aabbbcccaa 四相單四拍abcda雙四拍abbccddaab八拍aabbbcccdddaa由步距角計算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對步進電機的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大的影響。步進電機的相數(shù)也對步進電機的運行性能有很大的影響。為提高步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進電機，并采用2*m拍工作方式。3

27、.1.3直線傳動方式的確定機械傳動設計的任務是把動力的機械能傳遞到執(zhí)行機構(gòu)上去，機電一體化系統(tǒng)中機械傳動系統(tǒng)的設計就是面向機電伺服系統(tǒng)的伺服機械傳動系統(tǒng)設計。根據(jù)機電有機結(jié)合的原則，機電一體化伺服系統(tǒng)中采用了調(diào)速范圍大、可無級調(diào)速的控制電機，從而節(jié)省了大量用于進行變速和換向的齒輪，軸承和軸類零件，減少了差生誤差的環(huán)節(jié)，提高了傳動效率，因此使機械傳動設計也得到了很大的簡化，其機械傳動方式也有傳統(tǒng)的串聯(lián)或串并聯(lián)方式演變?yōu)椴⒙?lián)的傳動方式，即每一個機械運動都由單獨的控制電機、傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)組成的子系統(tǒng)來完成，各個運動之間的關(guān)系則由計算機來統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。因此機電一體化機械傳動系統(tǒng)具有傳動鏈短、轉(zhuǎn)動

28、慣量小、盡可能采用線性傳遞、無間隙傳遞等設計特點。五坐標超生無損檢測自動掃描裝置三個直線方向的運動采用步進電機通過將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的機械機構(gòu)來實現(xiàn)，其機械結(jié)構(gòu)可以是齒輪齒條、絲杠螺母或其他形式，齒輪齒條可以獲得較大的傳動比和較高的傳動效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，消除傳動間隙的機構(gòu)也較復雜，同步齒形帶本來是用于傳遞中心距較大的旋轉(zhuǎn)運動的，如果皮帶上連接上運動體，再加上導向機構(gòu)，就可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動了，將同步齒形帶輪直接安裝在步進電機輸出軸上，同步齒形帶與動導軌相連，在靜導軌上運動，從而實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。但是同步齒形帶，傳動效率不高，從而對超

29、聲波無損檢測的精度就會有一定的影響。絲杠螺母，尤其是滾珠絲杠螺母或靜壓絲杠螺母具有較高的傳動精度和效率，能夠有效地消除間隙和爬行現(xiàn)象。因此，由步進電機帶動齒輪嚙合傳動，再通過滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，帶動絲母連接件從而帶動工作臺移動，這樣就可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，因此設計了圖3.1所示的傳動機構(gòu)。 圖3.1 x、y、z向滾珠絲杠傳動機構(gòu)水平方向的兩個運動以及垂直方向的運動均采用圖3.1的形式。 1a向電機，2探頭，3b向電機圖3.2 旋轉(zhuǎn)運動結(jié)構(gòu)簡圖3.1.4旋轉(zhuǎn)運動方式的確定自動掃描系統(tǒng)的兩個旋轉(zhuǎn)運動主要控制探頭的方向，保證探頭在被檢測點與被檢測的表面相垂直，其運動的實現(xiàn)采用步進電機直接帶動的

30、方式，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.2所示。其中b向運動由b向步進電動機直接帶動探頭夾具體轉(zhuǎn)動，a向運動由a向步進電動機帶動b向電動機及探頭一起完成旋轉(zhuǎn)運動3.1.5導向件的選擇導向件的任務主要是使機械系統(tǒng)的各運動機構(gòu)得到安全的支撐，并能準確地完成其特定方向的運動。本次設計的導向件是導軌，它的作用是導向和支撐。一幅導軌主要有兩部分組成，在工作時一部分固定不動，稱為支撐導軌或靜導軌，另一部分相對支撐導軌作直線或回轉(zhuǎn)運動，稱為動導軌或滑座。作為導軌其應滿足精度高、承載能力大、剛度好、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)、精度保持性好、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、便于加工、裝配、調(diào)整和維修、成本低等要求。導軌按結(jié)構(gòu)形式可以分為

31、開式導軌和閉式導軌。開式導軌是指在部件自重和載荷的作用下，運動導軌和支撐導軌的工作面始終保持接觸、貼合。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，但是不能夠承受較大的（a）開式導軌 （b）閉式導軌 圖3.3 開始和閉式導軌顛覆力矩的作用。而閉式導軌借助于壓板是導軌承受較大的顛覆力矩作用。如圖3.3所示。根據(jù)導軌副之間的摩擦性質(zhì)，導軌分為滑動導軌和滾動導軌?；瑒訉к壍膭訉к壓椭螌к壷g為滑動摩擦，滑動導軌又分為普通話動導軌和液體靜壓滑動導軌，其結(jié)構(gòu)簡圖分別如圖3.4（a）、（b）所示圖3.4 滑動導軌示意圖（a）普通滑動導軌 （b）液體靜壓導軌普通滑動導軌結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，剛度好，抗震性強，是機械產(chǎn)品中最廣泛使用的

32、導軌形式。機電一體化產(chǎn)品中為了減少磨損，提高定位精度，改善摩擦性質(zhì)，提出選用合適的導軌材料，采用適當?shù)臒崽幚矸椒ê图庸し椒āＲ后w靜壓滑動導軌動靜導軌面之間是純液體磨擦，磨損小、精度保持性好，承載能力大，因此，常用于精密和高精密設備。滾動導軌動靜導軌面間為滾動磨擦，導軌面間直接放置滾珠、滾柱、滾針等滾動體來實現(xiàn)兩導軌無滑動地相對運動，這種導軌磨損小、壽命長，定位精度高，運動平穩(wěn)可靠，適用于工作部件要求移動均勻，動作靈敏以及定位精度高的場合。五坐標超聲無損檢測自動掃描裝置主要靠選用合適的插補方法，精度較高的導向元件，無間隙的傳動來保證系統(tǒng)的精度，同時還要考慮系統(tǒng)的成本，因此本次設計選用燕尾形滑動導

33、軌作為無損檢測裝置三個直線運動的導向機構(gòu)，如圖3.5。 圖3.5 燕尾形導軌3.2主要參數(shù)的確定3.2.1電機型號的選擇超聲無損檢測采用自動掃描裝置采用線性傳遞，五個方向的運動分別由五臺步進電動機驅(qū)動。選擇步進電動機時主要考慮的幾個參數(shù)：步距角、最大靜轉(zhuǎn)矩、響應頻率、運行參數(shù)，以及成像其分辨率對運動速度的要求。步距角越小，檢測的分辨率越高，更能反映工件內(nèi)部缺陷的細節(jié)信息，電機的響應速度快，整個系統(tǒng)的效率就能提高。（1） 確定脈沖當量，步距角脈沖當量小可提高加工精度，但是系統(tǒng)復雜，綜合考慮本次所設計裝置的精度和成本，選取步進電機的脈沖當量為0.01mm/step,初步確定步距角=1.5/step

34、,快移速度v=1m/min（2） 各個方向的運動參數(shù)的選擇1.x向步進電機的選擇1） 負載轉(zhuǎn)矩 （1）式中： 脈沖當量（mm/p） 步距角（度） 電機至絲杠的傳動效率 x 向電動機所帶負載為，工件、容器、容器中的水，以及x向工作臺。=30kg取容器的長為60cm，寬為50cm, 高為70cm。取水的高度為30cm, =1000kg/m=10000.60.50.3=90kg工作臺的長為60cm，寬為50cm，厚為25cm。由于中間做了燕尾形導軌切去的一部分長為60cm，寬為32cm, 厚為10cm。=0.60.50.025-0.60.320.01=5.58 =7.8510kg/=7.851000

35、5.58=43.803kg+=90+30+43.803=163.803kgg=mg=163.8039.8=1605.2694 n因為利用的是貼塑導軌，所以f=0.03-0.05p=fg=0.041605.2694=64.21n=0.97=0.85由（1）得=0.02887（n m）2）啟動力矩 （nm） （2）由（2）得 =0.072175（nm）3） 最大靜轉(zhuǎn)矩 （nm） （3）由（3）得=0.083（nm）式中由表32查得相數(shù)334455拍數(shù)36485100.50.8660.7070.9070.8090.951 由表32區(qū)步進電機為三相六拍，這樣選取可得到較高的定位精度且傳動平穩(wěn)。從而得=

36、0.8664）步進電機的最高工作頻率 （4）由（4）得 =1667根據(jù)所請確定的步距角、最大靜轉(zhuǎn)矩、工作頻率、選擇x向步進電機型號為：45bf005-，其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩為20 ncm、最高空載啟動頻率3000(step/s)、重量4n、外形尺寸453.2.2滾珠絲杠副的選型計算 （1）.強度計算1).強度計算的原則滾珠絲杠副的強度計算原則與滾動軸承相似，即防止疲勞點蝕。滾珠絲杠在工作過程中受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生解除壓力。對滾道型面上某一點，是交變解除應力。在這種交變應力的作用下，經(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后滾珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作能力，這是滾珠絲杠副

37、破壞的主要形式。因此，滾珠絲杠副首先應滿足疲勞強度要求。即根據(jù)其額定動載荷選用一批相同的滾珠絲杠副，在軸向載荷c作用下，運轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后，其中90%不產(chǎn)生疲勞點蝕，則c成為這種規(guī)格滾珠絲杠副的額定動載荷。額定動載荷是滾珠絲杠副的一項性能參數(shù)，可從產(chǎn)品樣本或手冊中查得。2）.強度計算 一般情況下，滾珠絲杠副的強度條件是當量動載荷c（工作中滾珠絲杠副的最大動載荷）應小于所選的滾珠絲杠副的額定動載荷c，即cc。當量動載荷c（n）的計算方法與滾動軸承相同。滾珠絲杠副的當量動載荷c為： （n） （5）式中：l壽命，單位：百萬轉(zhuǎn)， 其中， （r/min） ：最大的進給速度（m/min） ：絲桿螺距（mm）：壽

38、命時間，取1000015000小時 軸向平均載荷（n）,一般取 =64.21（n） 精度系數(shù)。1、2、3級絲杠=1；4、5、6級絲杠=0.9 運轉(zhuǎn)系數(shù)，=1.01.5，一般取1.2 應度系數(shù)區(qū)之間表33表33：應度系數(shù)：硬度hrc60555045硬度系數(shù)11.223.3由（5）得 (r/min) (百萬轉(zhuǎn)).選擇導程 =1m/min=1000mm/min，=200r/min = 取=5mm 因此，初步選滾珠絲杠為25052.5其參數(shù)如下： 公稱直徑25、外徑24.5、導程5、螺旋角338、鋼球直徑3.175、額定動載荷9610n。（2）.剛度驗算滾珠絲杠在軸向載荷的作用下將伸長或縮短，從材料力

39、學中得知，滾珠絲杠在軸向載荷的作用下引起單個螺距t的變化量： （）式中： 絲杠螺距（） 軸向平均載荷（n）,一般取=64.21（n） 彈性模量（n/） 滾珠絲杠的截面積，按內(nèi)徑計算。 =200 490.625 （）通常用500長絲杠螺距的變化量應小于允許的螺距誤差: = =3.27 =3.27查表得=15 滾珠絲杠合格3.2.3齒輪的確定 在開環(huán)系統(tǒng)中，為達到一定的脈沖當量，當步進電機的步距角、絲杠的導程選定后，可求得步進電機與絲杠之間的齒輪副傳動比。齒輪副傳動比與步距角、導程之間的關(guān)系為： 一般采用一級齒輪或二級齒輪傳動，故： 或 z，z為主動齒輪齒數(shù)，z，z為從動齒輪齒數(shù)。當總傳動比一定時

40、，通常按最小負載慣量原則來分配齒輪傳動比，按該原則設計的齒輪系統(tǒng)，折算到電機軸上的負載慣量最小。本次設計采用一級齒輪傳動。 傳動比為 選取模數(shù)為m=1.5，齒寬系數(shù)=0.7，材料為45鋼z=19，z=19=39.58，取z=40分度圓直徑：齒寬：取，4.校核計算 1）.絲杠的校核計算 當絲杠受壓時，會產(chǎn)生失穩(wěn)，失穩(wěn)時的臨界載荷為： 式中： 最大軸向載荷（n）, = p=64.12（n）； ：安全系數(shù)，即2.55；取=4 ：彈性模量； ：螺桿截面的慣性矩（按中經(jīng)計算） :絲杠的工作長度（m），取其良知承建的距離；：絲杠的軸端系數(shù)，有支撐條件決定，見表34表34 一端固定一段自由一端固定一端鉸支兩

41、端鉸支兩端固定=2=2/3=1不失穩(wěn)綜合考慮采用一端固定一端鉸支=2/3 絲杠行程：=50cm=0.5m （n） 滿足要求5.折算到步進電機轉(zhuǎn)軸上的負載力矩的計算 精確地計算驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩是比較復雜的，一般都是根據(jù)實際裝置實測求取。在選擇步進電機時，常常是用近似公式，估算出負載的轉(zhuǎn)矩。 b向電動機所帶負載為探頭夾具體及探頭1）.負載轉(zhuǎn)矩 = =7.8（3.141.61.4+3.142.60.6-3.140.52）+2（2.610.4+ 3.140.50.4）+3.140.53.68.9 =54.675（）=0.055（）夾具體1折算到步進電動機輸出軸上的傳動慣量為： = = = = 4.77

42、夾具體2折算到步進電機輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量 = = = = 1645.5（）=1.646（）探頭折算到步進電機輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量為： =0.0047+1.646+0.118 =1.77=1.772).啟動力矩 = 0.18（） 取0.13（）3）.最大靜轉(zhuǎn)矩 4）.步進電機的最高工作頻率 = 根據(jù)所確定的步距角、最大靜轉(zhuǎn)矩、工作頻率、選擇b向步進電機型號為：28bf001其特性如下最大靜轉(zhuǎn)矩1.8、最高空載啟動頻率1800step/s、 重量0.75n、外形尺寸28306.馬大力矩的校核 1）.慣量匹配的計算 式中：伺服電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，單位 負載慣量，單位為：參考手冊得到步進電動機的轉(zhuǎn)子慣

43、量：則： 根據(jù)慣性匹配條件： 所以，所選電機滿足慣量匹配條件。2）.馬達力矩的校核設快速空載啟動所需力矩為，則應滿足：空載啟動時折算到電機軸上的加速力矩 式中：慣量，; ：系統(tǒng)時間常數(shù)（或加速時間），單位為s，=（34）：電機機械時間常數(shù)，單位為s :電機在執(zhí)行部件快移時的轉(zhuǎn)速，單位為r/min由前面的計算結(jié)果容易求得：取=2s、=600r/min 則： =75可見，馬達力矩校核合格，由此知所選電機合適。按照上面的計算步驟依次選取其余電機的型號，從而列出所有的電機型號，以及絲杠型號，齒輪齒數(shù)以及模數(shù)。a向旋轉(zhuǎn)步進電動機型號為：36bf003其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩8、最高空載啟動頻率3100 s

44、tep/s、重量2n、外形尺寸3643b向旋轉(zhuǎn)步進電動機型號為：28bf001其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩1.8、最高空載啟動頻率1800 step/s、重量0.75n、外形尺寸2830x向步進電動機型號為：45bf005-其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩為20 、最高空載啟動頻率3000(step/s)、重量4n、外形尺寸45y向步進電動機型號為：75bf001其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩40、最高空載啟動頻率1250(step/s)、重量10n、外形尺寸55z向步進電動機型號為：75bf001其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩40、最高空載啟動頻率1250(step/s)、重量10n、外形尺寸55x向滾珠絲杠型號為：250

45、52.5其參數(shù)如下： 公稱直徑25、外徑24.5、導程5、螺旋角338、鋼球直徑3.175、額定動載荷9610n。y向滾珠絲杠型號為：25062.5其參數(shù)如下：公稱直徑25、外徑24.5、導程6、螺旋角42、鋼球直徑3.175、額定動載荷9610n。z向滾珠絲杠型號為：20052.5其參數(shù)如下： 公稱直徑20、外徑19.5、導程5、螺旋角433、鋼球直徑3.175、額定動載荷8630n。x向的齒輪的參數(shù)：模數(shù)為m=1.5，齒寬系數(shù)=0.7，材料為45鋼齒數(shù)：z=19，z=40分度圓直徑：，齒寬：，y向的齒輪的參數(shù)：模數(shù)為m=1.5，齒寬系數(shù)=0.7，材料為45鋼齒數(shù)：z=19，z=48分度圓直

46、徑：，齒寬：， 由于z向傳動距離比較大，在綜合考慮顫動效率和穩(wěn)定性的因素，因而采用同步齒形帶傳動。3.2.4同步齒形帶的選擇 同步齒形帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點。同步帶通常是以鋼絲繩或玻璃纖維繩等為抗拉層、氯丁橡膠等為基體的帶。工作時，帶的凸輪與帶輪外緣上的齒槽進行嚙合傳動。由于抗拉層承載后變形小，能保持同步帶的周節(jié)不變，故帶與帶輪間沒有相對的滑動，從而保證了同步傳動。其主要用于要求傳動比準確的中、小功率傳動中，這是有其特點決定的。同步齒形帶的優(yōu)點是：1. 無滑動，能保證固定的傳動比。2. 預緊力較小，軸和軸承上所受的載荷小。3. 帶的厚度小，單位長度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高。4.

47、帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。其主要確定是：安裝時中心距的要求嚴格，且價格較高。 （a）梯形齒 （b）圓弧齒圖3.6同步齒形帶同步齒形帶根據(jù)齒形的不同可分為梯形齒同步齒形帶和圓弧同步齒形帶，其截面形狀如圖3.6所示梯形齒同步齒形帶在傳遞功率是由于應力集中在齒根部位，使功率傳遞能力下降，同時由于與帶輪是圓弧接觸，當帶輪直徑較小時，將使齒形變形，影響與帶輪的嚙合，不僅受力情況不好，而且在速度很高時，會產(chǎn)生較大的震動與噪音。而圓弧齒同步齒形帶克服了梯形齒同步齒形帶的缺點，均化了應力，改善了嚙合，因此，選擇圓弧齒同步齒形帶作為本次設計所用。z向齒形帶和帶輪的設計1） 齒形帶的確定計算功率可按下

48、式計算： 式中：齒形帶所傳遞的功率 工作情況系數(shù)由機械設計手冊查得：=1.1根據(jù)z向齒形帶所帶的載荷?。?0.5kw 取=kw由表714、715查得：帶的節(jié)距=3、齒高=1.22、帶厚=2.41、帶寬=15根據(jù)齒形帶帶輪的轉(zhuǎn)速n=200r/min以及齒形帶所傳遞的計算功率=0.5kw，取帶的模數(shù)m=22） 帶輪直徑和寬度的選取 由表3143選取小帶輪的齒數(shù)z=20其參數(shù)如下：節(jié)距p=3、帶輪直徑、允許的最大孔徑為10。傳動比： 所以，大帶輪的齒數(shù)取大帶輪的齒數(shù)根據(jù)公式：式中： 大帶輪外徑 節(jié)距節(jié)線差（節(jié)圓與齒頂圓間的距離，由表3153，表3154查得）大輪齒數(shù)查表的得=0.381 帶輪寬度為：由前面知=15，現(xiàn)取=183） 中心距的確定 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求初定中心矩：=95確定帶長l根據(jù)帶長公式：式中：初選中心矩（）