齿轮环焊缝超声自动检测装置设计.docx
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齿轮环焊缝超声自动检测装置设计
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Ф0.5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：
Ф25～Ф70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：
60～80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=20mmT=63985N.mm
3.4.2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.mm
b-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
MPa
MPa
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
=
=7.92 MPa
b、材料的疲劳极限：
根据
=650MPa，
=360MPa查《机械设计》：
表15-1
=0.2，
=0.1
c、a-a截面应力集中系数：
查《机械设计》：
表15-1得
=1.825，
=1.625
d、表面状态系数及尺寸系数：
查《机械设计》：
表15-1得
=0.81，
=0.76
e、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
RV
0.37FB
DZ
按B2形式装配：
输入轴直径d＝
mm
输出轴直径D＝
mm
图4.1安装尺寸图
表4.2尺寸
単位:
mm
产品编号
A
L
W
C
s1
E
F
G
M
拧紧力矩
（N·m）
MHW-32C
32
13.7
40
22
9
15
4
8
M3
1.5
MHW-40C
40
16.5
46
28
12
20
6
10.5
M4
2.5
MHW-50C
50
19.4
52
39
15
25
7
14.75
M5
7
MHW-63C
63
22.3
58
45
18
32
8
17
M6
12
表4.3规格
产品编号
最大孔径
（mm）
额定扭矩
（N·m）
最大扭矩
（N·m）
最大转速
（min-1）
惯性力矩*
（kg·m2）
静态扭矩刚性
（N·m/rad）
径向偏差
（mm）
角向偏差
（°）
轴向偏差
（mm）
重量*
（g）
MHW-32C
10
2
4
4800
6.2x10-6
1000
0.15
2
±0.4
48
MHW-40C
14
4
8
3800
1.6x10-5
1500
0.20
2
±0.5
81
MHW-50C
20
7.5
15
3100
4.6x10-5
2000
0.20
2
±0.6
150
MHW-63C
25
10
20
2400
1.1x10-4
2500
0.30
2
±0.8
230
4.2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
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