齿轮环焊缝超声自动检测装置设计.doc

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中北大学信息商务学院2012届毕业设计说明书

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[24－26]：

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