西安航空职业技术学院 毕业设计论文1.绪论1.1无损检测概述无损检测以不损害被检测对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构间进行有效的检测和测试，借以评价它们的连续性、完整性、安全可靠性以及某些物理性能。包括探测材料或构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方向、取向、分布、和内含物等情况进行判断，还能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。20世纪70年代至90年代是国际无损检测技术发展的兴旺时期，其特点是微机技术不断向无损检测领域移植和渗透，无损检测本身的新方法和新技术也不断出现，使无损检测的时期得到了很大的提高。复合材料，胶接材料，陶瓷材料以及记忆合金等功能材料的出现，为无损检测提出了新的检测课题。常规的五大无损检测的方法有：超生检测、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。目前无损检测应用的范围十分广泛，已在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空航天和核能等工业中被普遍采用。随着科学技术的发展，对产品质量提出了越来越高的要求，特别是产品关键零部件的质量问题所造成的事故以及巨大的经济损失，使人们更加认识到了无损检测的重要性。在工业发达的国家中，无损检测已经成为必不可少的重要工具。美国为了保持它在世界科技中的领先地位，在1979年的一次政府报告中提出了要成立六大技术中心，其中之一就是无损检测中心1。美国前总统里根说，如果没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有众多领域的领先地位。可见无损检测在国民经济中的重要性。2 1.2超声波无损检测概述所谓超生无损检测就是在不损害材料及构件的条件下，利用超声波来探测物体表面或内部缺陷的检测方法。超声无损检测之所以成为无损检测中的一种重要方法，是由超声波的特性决定的，超声波的特性如下:（1）超声波的指向性好；（2）超声波的穿透能力强，对一些金属材料，其穿透能力可达数米；（3）超声波的能量高（4）遇到界面时，超声波间产生反射。折射和波形的转换（5）对人体无害3 。1.2.1超声无损检测的历史和现状超声波的研究经历了一个漫长的历程，早在1830年，F.Savet 曾用齿轮第一次产生了24KHz的超声。1876年F.Galton用气哨产生了30KHz的超声，然而人类真正科学地开展超声波技术的研究还是从1880年J.Curie,P.Curie 发现压电效应开始的。由于海底冰山对远洋海轮有着很大的威胁，1912年有人提出利用超声波探测海底冰山的设想，1916年P.Langevin首次致力于研究水下超声波探测物体内部的缺陷和结构最早是原苏联的Sokolov于1929年提出的，并研制了第一台连续波超声波探伤仪。1931年德国人在专利中提出了工业应用方案。在第二次世界大战中，由于雷达技术和脉冲技术的发展以及战争的需要，大大促进了超声检测技术的发展。近20年来，随着超声全息、回波频谱分析、超声探头和大规模集成电路以及计算机的迅速发展，使得数字化、图像化、智能化、自动化技术变成了研究的热点。超声检测进入了现代发展阶段。1992年10月，在巴西圣保罗召开的第十三届世界无损检测大会上，成功的展出了计算机化宽频带超声探伤仪和数字化、图像化、智能化超声探伤仪，显示了超声检测向现代化发展的进程。现代超声检测技术中，数字化、图像化、智能化、自动化是令人瞩目的新技术，他们不仅可以实现对缺陷的定位、定性和定量的检测，而且可以使这些功能自动化、智能化，甚至可以使人眼看不见的物体内部的缺陷真实、直观的以图像的形式显示出来。由于这些新技术的发展，极大地克服了传统超声检测不直观、判伤难和无记录等不足。这也是对传统超声技术的挑战，是超声无损检测发展的必然结果。数字化、智能化超声仪是传统超声仪和计算机结合的产物，他的主要功能是在传统超声仪的基础上，利用数字化、智能化仪器的特点，增加了对超声检测来说至关重要的记录、存储、分析的功能。它不仅使人眼的延伸，而且还可以代替或帮助人们从事检测工作，成为人的大脑和手的延伸。图像化超声检测技术是在电视技术、计算机技术和信息技术的基础上发展起来的，经历了一个漫长的发展过程，目前，已经使用的成像技术包括：超声B、C扫描成像技术、超声显微成像技术、ALOK成像技术、SAFT成像技术、P扫描成像技术、超声全息成像技术、超声CT成像技术等。总之，现代超声检测是具有代表性的无损检测技术，它是现代科学技术发展的产物，具有以下特点：（1） 以计算机为核心，具有强大的数据处理能力，提高了检测效率和检测精度。（2） 运用人工智能专家系统、人工神经网络和小波分析等现代工具，实现缺陷的定性、定位和定量检测，提高了检测的可靠性。（3） 在不同程度上实现了自动化、数字化、图像化和智能化。提高了检测的重复性、直观性和检测效率。 可以预见，随着计算机技术和人工智能领域的新进展，现代超声检测技术将会得到飞速发展，数字化、图像化、智能化超声仪有着广阔的应用前景，将在工业生产中发挥巨大的作用。经过科研工作者的不懈努力，适合不同用途、具有不同功能、结构简单、性价比高的数字化、图像化、智能化超声波就设备将会问世，从而不断提高超声检测的可靠性。1.2.2超声无损检测自动化发展的进程 自1946年世界上第一台超声探伤仪问世至今，超生探伤仪有了很大的发展和变化。但到目前为止，绝大多数超声无损检测方式仍以手工检测为主，主要依靠检测人员的经验，根据回波信号来判断是否有缺陷以及缺陷的类型。由于检测人员的经验各不相同，所以监测的标准和结果也不相同。而且随着产量的不断增加，手工检测不仅人为因素多，而且检测人员劳动强度大，效率低，成本高。特别是对某些具有危险性的检测，劳动保护将是主要问题。为了克服这些不足，实现检测的机械化、自动化，已经成为超声检测工程技术人员研究的热点问题之一。近几年来，随着现代工业的发展，对无损检测提出了高速度、高精度、高可靠性等要求。超声检测的设备的自动化和仪器的计算机化已成为发展的方向。两者结合构成计算机控制自动超声检测系统，使检测标准可事先输入计算机从而可对检测结果作出自动评价。超声检测自动化石板随着计算机技术、机器人技术的发展而不断发展起来的。目前在日本的日刚、新日铁的各个分厂、丰田汽车制造公司、机器人制造公司、小仓电站、松下电器等公司，超声无损检测自动化技术在大小钢管、钢板、轮轴等钢铁生产线中得到了广泛的应用。美国物理声学公司已成功地研制出了四轴自动扫描系统适用于各种板、块、轴累计曲面等零件的检测。法国SOFRATEST公司的自动化管材超声扫描系统采用韧性轨道，可检查不同直径管道的表面或焊缝，全自动双轴步进马达控制超声扫描器的定位精度可达0.05mm。我国目前已成功地研制生产出了用于探测平行板夹层、中厚板材、焊缝钢管、飞行环形结构件、实心圆柱形工件、吊环、轮毂等各种通用或专用的无损检测设备、实现了超声无损检测的自动化和半自动化。1.2.3超声无损检测的发展趋势 信息技术是促进无损检测技术发展的强劲动力。无损检测技术与信息技术相结合，可以最大限度的从检测过程中获取信息。目前超声无损检测正向着数字信号处理和成像方面发展。已经成为或正在研究采用的数字信号处理技术是：时间渡越衍射技术、合成孔径聚焦技术、裂谱技术、到谱技术、模式识别和分析、自使用网络等。可见，信息技术与无损检测技术的相互融合已经是发展的必然趋势。现代超声无损检测中，超声成像技术是一种令人瞩目的新技术，无损检测的基本目的是检测出物体中的缺陷，并确定其位置、大小和性质。物体的超声图像可以提供大量的直观的信息，直接反映物体的声学和力学的性质，而这些性质恰是应用断力学评价材料的依据。此外，现代超声成像技术大都有自动数据采集、自动数据处理和自动做出评价的功能，使超声成像成为现代定量无损检测的一种重要技术。超声成像在医疗诊断、地震遥感、地质勘探、海洋研究、材料科学等领域正在日益开辟新的用途。超声成像技术有着非常广阔的发展前景。随着新材料的不断出现和检测要求的不断提高，研制和开发高智能化的超声检测仪器已经成为发展的必然。电子技术和计算机技术的迅速发展为研制高智能化的超声检测仪器奠定了良好的基础。未来的超生检测仪器应当具有如下的特征：（1） 模块化和插卡化。各种超声检测卡（含数据采集和数据处理及接口的插卡）将大量问世，借助于高速、高容量计算机，超声检测仪器的研制变得比较容易。（2） 高智能化和图像显示功能。未来的超生检测仪器应该是高智能化的，且检测结果可用图像显示出来。高智能化表现在具有良好的用户界面，它能开机后自检；用菜单选择仪器测试参数；可调用或可存储仪器的设定参数以及预祝计算机进行通讯或传输数据。（3） 数据库及自动识别功能。未来超声检测仪器的一个重要的进步是具有对被检测对象的缺陷类型进行自动识别以及对被检测对象的状态进行自动评价的功能。因此，它应当拥有比较完备的数据库和专家评判系统。（4） 自动检测系统地研制。各部门对超声检测技术的要求是提高检测自动化程度和缩短检测时间。特别是在恶劣的环境下，自动检测系统更具有决定意义。1.3本课题研究的意义和内容超声检测是一种重要的无损检测，在工业生产中占据着极其重要的地位，超声无损检测扫描装置的自动化是超声检测实现图像化、智能化的前提，将是现代工业生产中对成批产品进行质量控制的重要手段之一。实现超声无损检测的自动化对保证产品质量，提高工作效率，降低劳动强度具有重要意义。超声无损检测自动扫描系统是实现超声无损检测自动化的基础部件，是精确实现对缺陷定位、定量、定性检测的重要保证之一，是提高重复检测精度和检测效率的重要手段。在机械制造业中，机械零件形状各异，给超声检测带来诸多不便，尤其是一些具有复杂曲面的零件的超声无损检测，难度更大。利用一般的三坐标自动扫描系统将无法自动检测。为了解决复杂曲面零件内部超声检测问题，确保设备安全运行，本次设计将研制五坐标超声无损检测自动扫描系统。本次设计研究的超声无损检测自动扫描系统将以PC机为核心，借助于计算机技术、自动控制技术、机器人技术实现超声检测自动化。该系统采用五个步进电机分别控制五个轴来实现对复杂曲面自动扫描，整个研究内容包括：（1） 设计五坐标自动扫描机械装置，包括机械传动系统、机械结构的设计和关键零部件的设计与选择。（2） 部分零部件的设计与计算。 352.超声波无损检测装置的总体方案 超声自动扫描系统是保证检测过程自动化的基础部件，使超声无损检测实现数字化、图像化、智能化的重要前提。它涉及超声无损检测的检验精度、效率等问题，是将超声无损检测推向实用化，实现在线的关键。2.1超声无损检测装置的简介超声自动扫描系统是为自动检测平面、弧面乃至复杂形面的的零部件而设计开发的，整个系统能够根据输入的被检测零件的信息，控制探头沿被检测零件表面进行扫描，从而获取超声信号。扫描原理如图2.1（a）为扫描路径，2.1（b）为探头与工件的位置关系。 （a）扫描路径 （b）探头与工件的关系图2.1超声扫描原理图 该监测系统由计算机、超声探伤仪、高速数据采集卡、伺服驱动装置、机械装置等部分组成，其系统原理如图2.2所示。将被检测零件的信息通过键盘输入给计算机，计算机进行编译处理，输出控制信号给伺服系统，伺服系统发出指令给机械系统，机械装置带动超声探伤仪对零件进行扫描，同时高速数据采集卡将超声探伤仪采集到的数据输送给计算机进行进一步的分析处理，并显示检测结果。