毕业设计（论文）超声无损检测系统

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1、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

2、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

3、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

4、，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

5、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

6、，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

7、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

8、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

9、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

10、。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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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。 412.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.

16、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。 图2.2超声自动扫描系统原理图由此可见，超声自动扫描系统在超声自动检测系统中占据重要地位，其扫描的速度、精度直接影响检测的效率、精度和可靠性，该系统是一

17、个机电一体化系统，设计精密机械技术、微电子技术、计算机技术、数控技术等多门技术。本论文仅就机械子系统进行设计和开发。2.2超声无损检测装置的设计方案 自动扫描机械系统在超声自动扫描系统中的作用是带动探头沿被检测零件表面运动，并保证在检测过程中探头方向始终与零件上被检测点的发现重合，从而获得正确的检测信息。为此，本次设计五坐标超声监测系统，三个移动坐标控制探头检测点的空间位置，两个旋转坐标控制探头的方向，从而达到检测复杂零件、提高检测精度和检测效率的目的。五坐标机械装置原理如图2.3所示。由三个直线方向运动构件1、2、3分别完成三个直线运动，两个旋转运动构件4、5共同完成X方向和Y方向的旋转运动

18、。方案一： 方案一的工作原理是：由2完成X方向的移动，由3完成Y方向的移动，1为Z方向的动导轨，由1完成Z方向的移动，由4完成X方向的旋转运动，再通过5使容器旋转90，再利用4完成Y方向的旋转。此方案的缺点：（1） 由于容器中会装入工件和水再加上旋转工作台的重量，为了使结构简便，电机应该装入旋转工作台的内部，用以完成旋转运动。这样一来，电机需要负载的重量就会比较大，以此类推，X向移动，以及Y向移动所要负载的重量就会越来越大，从成本方面以及电机的负载方面，都不是最佳的选择。（2） 4为了完成X轴的旋转，移动导轨中需装上电机，通过齿轮啮合，来实现旋转运动。Z向移动导轨要实现Z向的直线运动，如果给它

19、中间安上电机，不仅不好给电机固定，而且会影响Z向动导轨的稳定。方案二：图2.3超声自动扫描机械装置原理图 方案二克服了以上的缺点，旋转运动直接由4、5来完成，由电机直接带动，这样也减轻了X向和Y向的电机负载，Z向动导轨只需要完成Z向的的移动，这样也会减轻Z向的负载，容器避免了转动也会防止工件受到磕、碰。可谓是一举两得的好事情，通过各方面的比较，最总，采取方案二作为此次设计的最佳方案。系统使用迪卡尔所标系，现对五个运动作如下规定。（1） X向运动，定义为沿导轨1的水平方向的运动，规定向右为正，行程为50cm（2） Y向运动，定义为沿导轨2的水平方向的运动，规定向纸里为正，行程为40cm（3） Z

20、向运动，定义为沿导轨3的竖直方向的运动，规定向上为正，行程为60cm（4） A向运动，定义为绕X轴的旋转运动，规定在垂直X轴平面OYZ内投影于Y轴夹角的大小，按右手螺旋法则，大拇指方向与X轴正方向一致为正，反之为负，旋转范围正负。（5） B向运动，定义为绕Y轴的旋转运动，规定在垂直Y轴平面OZX内投影与Z轴夹角的大小，按右手螺旋法则，大拇指方向与Y轴正方向一致为正，反之为负，旋转范围正负。2.3设计参数 X向的检测范围为50cmY向想的检测范围为40cmZ向的检测范围为60cm 2.4小结 超声自动扫描系统是超声无损检测实现自动化的重要保证，其中涉及机械技术、计算机技术、伺服技术、数控技术、超

21、声检测技术等多门技术，是典型的机电一体化产品。超声波无损检测技术有着广泛的应用前景，本次设计的检测装置方案虽然结构简单，但是也是超声装置设计的一次尝试，为今后的发展做出一点铺垫。3.超声波无损检测装置的设计与计算为了能完成对复杂曲面的自动扫描，超生自动扫描机械装置至少要完成X、Y、Z、A、B五个方向的运动，机械系统设计的任务就是确定任务的实现方式以及机械零部件的设计和选取，也就是进行机械传动设计和机械结构设计。3.1超声波无损检测装置传动方式的确定 自动扫描机械系统作为自动扫描系统的一个子系统，它的主要任务不仅是能完成一系列运动，而且这一系列运动必须是由计算机协调与控制的，面向机电伺服系统的机

22、械运动，因此进行机械传动设计首先要确定伺服控制方式和伺服电机。3.1.1伺服控制方式的选择 机电一体化中的机械系统已经成为伺服系统的一个重要组成部分，机械系统的设计也应该是面向伺服系统的设计。伺服系统，亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。伺服系统按控制方式的不同可分为：开环、闭环、半闭环等伺服系统，开环伺服系统中无检测反馈元件，结构简单，但精度较低；闭环伺服系统直接对输出量进行检测和反馈，并根据输出量对输入量的实际偏差进行控制，因而精度高，但结构复杂、成本高；半闭环在反馈控制环之外，性能介于开环和闭环系统之间。伺服系统的选择首先应

23、该考虑使系统具有较高的稳定性和精度，以及良好的快速响应性，其次还应综合考虑调速范围、负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等各个方面的因素。开环控制系统的稳定性较高，但精度要低于闭环，五坐标无损检测自动扫描装置的负载为探头及其夹具，相对较小，对精度的要求也低于相应的机床，综合考虑结构尺寸和生产成本，本次设计决定采用开环控制方式。其控制精度的保证，一方面由采用无误差累积的插补方法，另一方面，从提高系统刚度，采用精密导向元件，消除传动间隙上来进行保证。3.1.2控制电机的选择 伺服系统设计通常从选择执行电机开始。电动机作为伺服系统的执行元件，应能方便的实现连续的、平滑的、可逆调速，对控制信号反应快捷

24、，才能保证整个系统带动被控对象按所需要的规律运动。伺服系统中常用的电机有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。 步进电动机又称电脉冲马达，它可按照输入的脉冲指令一步步的旋转，可将输入的数字指令信号转换成相应的角位移，步进电动机由于成本较低，一举采用电动机控制，因而被广泛的应用与开环控制中。直流伺服电动机具有响应迅速、精度和效率较高、调速范围宽、负载能力大、控制特性优良等特点，交流伺服电动机在直流伺服电动机的基础上具有结构简单、无电刷与换向器磨损等问题，因而被广泛应用于闭环或半闭环的伺服系统中。五坐标无损检测自动扫描装置因采用开环控制，从控制方式、成本、精度等方面综合考虑，决定采用反应时

25、步进电动机作为驱动元件。其具有如下特点：（1） 位置量与输入电脉冲数有严格的对应关系，步距误差不会积累。（2） 稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。（3） 控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速起、停和反转。改变控制脉冲频率，电动机的转速就随着变化，并且可在很宽的范围内平滑调节。（4） 控制系统简单，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距角的限制。 所以，步进电动机可以广泛用于数模转换、速度控制和位置控制系统，是开环数控系统的理想执行元件。步进电动机有很多种类型。按其工作原理，可分为反应式、永磁式、永磁感应式、机械谐波式、电磁谐波式、滚切式以及若干混合式等。按励磁相数

26、，有3相、4相、5相、6相甚至8相。按其功率，可分为快速步进电机和功率步进电机。目前在实际应用中应用得最广泛的实反应式功率步进电机。步进电机的工作方式如表（3-1）所示。表3-1步进电机工作方式相数循环拍数通电规律 三相单三拍ABCA双三拍ABBCCAAB六拍AABBBCCCAA 四相单四拍ABCDA双四拍ABBCCDDAAB八拍AABBBCCCDDDAA由步距角计算可知，循环拍数越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大的影响。为提高步进电机的输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多

27、相步进电机，并采用2*m拍工作方式。3.1.3直线传动方式的确定机械传动设计的任务是把动力的机械能传递到执行机构上去，机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。根据机电有机结合的原则，机电一体化伺服系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机，从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮，轴承和轴类零件，减少了差生误差的环节，提高了传动效率，因此使机械传动设计也得到了很大的简化，其机械传动方式也有传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式，即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，各个运动之间的关系则由计算机来统一协调和控制。因此机

28、电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点。五坐标超生无损检测自动扫描装置三个直线方向的运动采用步进电机通过将旋转运动转换成直线运动的机械机构来实现，其机械结构可以是齿轮齿条、丝杠螺母或其他形式，齿轮齿条可以获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，消除传动间隙的机构也较复杂，同步齿形带本来是用于传递中心距较大的旋转运动的，如果皮带上连接上运动体，再加上导向机构，就可以将旋转运动转化成直线运动了，将同步齿形带轮直接安装在步进电机输出轴上，同步齿形带与动导轨相连，在静导轨上运动，从而实现将旋转运动转换成直线运动。

29、但是同步齿形带，传动效率不高，从而对超声波无损检测的精度就会有一定的影响。丝杠螺母，尤其是滚珠丝杠螺母或静压丝杠螺母具有较高的传动精度和效率，能够有效地消除间隙和爬行现象。因此，由步进电机带动齿轮啮合传动，再通过滚珠丝杠的旋转，带动丝母连接件从而带动工作台移动，这样就可以实现旋转运动转化成直线运动，因此设计了图3.1所示的传动机构。 图3.1 X、Y、Z向滚珠丝杠传动机构水平方向的两个运动以及垂直方向的运动均采用图3.1的形式。 1A向电机，2探头，3B向电机图3.2 旋转运动结构简图3.1.4旋转运动方式的确定自动扫描系统的两个旋转运动主要控制探头的方向，保证探头在被检测点与被检测的表面相垂

30、直，其运动的实现采用步进电机直接带动的方式，其结构简图如图3.2所示。其中B向运动由B向步进电动机直接带动探头夹具体转动，A向运动由A向步进电动机带动B向电动机及探头一起完成旋转运动3.1.5导向件的选择导向件的任务主要是使机械系统的各运动机构得到安全的支撑，并能准确地完成其特定方向的运动。本次设计的导向件是导轨，它的作用是导向和支撑。一幅导轨主要有两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支撑导轨或静导轨，另一部分相对支撑导轨作直线或回转运动，称为动导轨或滑座。作为导轨其应满足精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修

31、、成本低等要求。导轨按结构形式可以分为开式导轨和闭式导轨。开式导轨是指在部件自重和载荷的作用下，运动导轨和支撑导轨的工作面始终保持接触、贴合。其特点是结构简单，但是不能够承受较大的（a）开式导轨 （b）闭式导轨 图3.3 开始和闭式导轨颠覆力矩的作用。而闭式导轨借助于压板是导轨承受较大的颠覆力矩作用。如图3.3所示。根据导轨副之间的摩擦性质，导轨分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨的动导轨和支撑导轨之间为滑动摩擦，滑动导轨又分为普通话动导轨和液体静压滑动导轨，其结构简图分别如图3.4（a）、（b）所示图3.4 滑动导轨示意图（a）普通滑动导轨 （b）液体静压导轨普通滑动导轨结构简单，制造方便，刚度

32、好，抗震性强，是机械产品中最广泛使用的导轨形式。机电一体化产品中为了减少磨损，提高定位精度，改善摩擦性质，提出选用合适的导轨材料，采用适当的热处理方法和加工方法。液体静压滑动导轨动静导轨面之间是纯液体磨擦，磨损小、精度保持性好，承载能力大，因此，常用于精密和高精密设备。滚动导轨动静导轨面间为滚动磨擦，导轨面间直接放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动，这种导轨磨损小、寿命长，定位精度高，运动平稳可靠，适用于工作部件要求移动均匀，动作灵敏以及定位精度高的场合。五坐标超声无损检测自动扫描装置主要靠选用合适的插补方法，精度较高的导向元件，无间隙的传动来保证系统的精度，同时还要考虑系

33、统的成本，因此本次设计选用燕尾形滑动导轨作为无损检测装置三个直线运动的导向机构，如图3.5。 图3.5 燕尾形导轨3.2主要参数的确定3.2.1电机型号的选择超声无损检测采用自动扫描装置采用线性传递，五个方向的运动分别由五台步进电动机驱动。选择步进电动机时主要考虑的几个参数：步距角、最大静转矩、响应频率、运行参数，以及成像其分辨率对运动速度的要求。步距角越小，检测的分辨率越高，更能反映工件内部缺陷的细节信息，电机的响应速度快，整个系统的效率就能提高。（1） 确定脉冲当量，步距角脉冲当量小可提高加工精度，但是系统复杂，综合考虑本次所设计装置的精度和成本，选取步进电机的脉冲当量为0.01mm/st

34、ep,初步确定步距角=1.5/step,快移速度V=1m/min（2） 各个方向的运动参数的选择1.X向步进电机的选择1） 负载转矩 （1）式中： 脉冲当量（mm/p） 步距角（度） 电机至丝杠的传动效率 X 向电动机所带负载为，工件、容器、容器中的水，以及X向工作台。=30kg取容器的长为60cm，宽为50cm, 高为70cm。取水的高度为30cm, =1000kg/m=10000.60.50.3=90kg工作台的长为60cm，宽为50cm，厚为25cm。由于中间做了燕尾形导轨切去的一部分长为60cm，宽为32cm, 厚为10cm。=0.60.50.025-0.60.320.01=5.58

35、=7.8510kg/=7.8510005.58=43.803kg+=90+30+43.803=163.803kgG=mg=163.8039.8=1605.2694 N因为利用的是贴塑导轨，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）启动力矩 （Nm） （2）由（2）得 =0.072175（Nm）3） 最大静转矩 （Nm） （3）由（3）得=0.083（Nm）式中由表32查得相数334455拍数36485100.50.8660.7070.9070.8090.951 由表32区步进电机为三相六拍，这样选取可

36、得到较高的定位精度且传动平稳。从而得=0.8664）步进电机的最高工作频率 （4）由（4）得 =1667根据所请确定的步距角、最大静转矩、工作频率、选择X向步进电机型号为：45BF005-，其特性如下：最大静转矩为20 Ncm、最高空载启动频率3000(step/s)、重量4N、外形尺寸453.2.2滚珠丝杠副的选型计算 （1）.强度计算1).强度计算的原则滚珠丝杠副的强度计算原则与滚动轴承相似，即防止疲劳点蚀。滚珠丝杠在工作过程中受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生解除压力。对滚道型面上某一点，是交变解除应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，从而使

37、得滚珠丝杠丧失工作能力，这是滚珠丝杠副破坏的主要形式。因此，滚珠丝杠副首先应满足疲劳强度要求。即根据其额定动载荷选用一批相同的滚珠丝杠副，在轴向载荷C作用下，运转10转后，其中90%不产生疲劳点蚀，则C成为这种规格滚珠丝杠副的额定动载荷。额定动载荷是滚珠丝杠副的一项性能参数，可从产品样本或手册中查得。2）.强度计算 一般情况下，滚珠丝杠副的强度条件是当量动载荷C（工作中滚珠丝杠副的最大动载荷）应小于所选的滚珠丝杠副的额定动载荷C，即CC。当量动载荷C（N）的计算方法与滚动轴承相同。滚珠丝杠副的当量动载荷C为： （N） （5）式中：L寿命，单位：百万转， 其中， （r/min） ：最大的进给速度

38、（m/min） ：丝杆螺距（mm）：寿命时间，取1000015000小时 轴向平均载荷（N）,一般取 =64.21（N） 精度系数。1、2、3级丝杠=1；4、5、6级丝杠=0.9 运转系数，=1.01.5，一般取1.2 应度系数区之间表33表33：应度系数：硬度HRC60555045硬度系数11.223.3由（5）得 (r/min) (百万转).选择导程 =1m/min=1000mm/min，=200r/min = 取=5mm 因此，初步选滚珠丝杠为25052.5其参数如下： 公称直径25、外径24.5、导程5、螺旋角338、钢球直径3.175、额定动载荷9610N。（2）.刚度验算滚珠丝杠在

39、轴向载荷的作用下将伸长或缩短，从材料力学中得知，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下引起单个螺距t的变化量： （）式中： 丝杠螺距（） 轴向平均载荷（N）,一般取=64.21（N） 弹性模量（N/） 滚珠丝杠的截面积，按内径计算。 =200 490.625 （）通常用500长丝杠螺距的变化量应小于允许的螺距误差: = =3.27 =3.27查表得=15 滚珠丝杠合格3.2.3齿轮的确定 在开环系统中，为达到一定的脉冲当量，当步进电机的步距角、丝杠的导程选定后，可求得步进电机与丝杠之间的齿轮副传动比。齿轮副传动比与步距角、导程之间的关系为： 一般采用一级齿轮或二级齿轮传动，故： 或 Z，Z为主动齿轮齿数，

40、Z，Z为从动齿轮齿数。当总传动比一定时，通常按最小负载惯量原则来分配齿轮传动比，按该原则设计的齿轮系统，折算到电机轴上的负载惯量最小。本次设计采用一级齿轮传动。 传动比为 选取模数为m=1.5，齿宽系数=0.7，材料为45钢Z=19，Z=19=39.58，取Z=40分度圆直径：齿宽：取，4.校核计算 1）.丝杠的校核计算 当丝杠受压时，会产生失稳，失稳时的临界载荷为： 式中： 最大轴向载荷（N）, = P=64.12（N）； ：安全系数，即2.55；取=4 ：弹性模量； ：螺杆截面的惯性矩（按中经计算） :丝杠的工作长度（m），取其良知承建的距离；：丝杠的轴端系数，有支撑条件决定，见表34表3

41、4 一端固定一段自由一端固定一端铰支两端铰支两端固定=2=2/3=1不失稳综合考虑采用一端固定一端铰支=2/3 丝杠行程：=50cm=0.5m （N） 满足要求5.折算到步进电机转轴上的负载力矩的计算 精确地计算驱动系统的转矩是比较复杂的，一般都是根据实际装置实测求取。在选择步进电机时，常常是用近似公式，估算出负载的转矩。 B向电动机所带负载为探头夹具体及探头1）.负载转矩 = =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（）夹具体1折算到步进电动机输出轴上的传

42、动惯量为： = = = = 4.77 夹具体2折算到步进电机输出轴上的转动惯量 = = = = 1645.5（）=1.646（）探头折算到步进电机输出轴上的转动惯量为： =0.0047+1.646+0.118 =1.77=1.772).启动力矩 = 0.18（） 取0.13（）3）.最大静转矩 4）.步进电机的最高工作频率 = 根据所确定的步距角、最大静转矩、工作频率、选择B向步进电机型号为：28BF001其特性如下最大静转矩1.8、最高空载启动频率1800step/s、 重量0.75N、外形尺寸28306.马大力矩的校核 1）.惯量匹配的计算 式中：伺服电动机转子的转动惯量，单位 负载惯量，

43、单位为：参考手册得到步进电动机的转子惯量：则： 根据惯性匹配条件： 所以，所选电机满足惯量匹配条件。2）.马达力矩的校核设快速空载启动所需力矩为，则应满足：空载启动时折算到电机轴上的加速力矩 式中：惯量，; ：系统时间常数（或加速时间），单位为s，=（34）：电机机械时间常数，单位为s :电机在执行部件快移时的转速，单位为r/min由前面的计算结果容易求得：取=2s、=600r/min 则： =75可见，马达力矩校核合格，由此知所选电机合适。按照上面的计算步骤依次选取其余电机的型号，从而列出所有的电机型号，以及丝杠型号，齿轮齿数以及模数。A向旋转步进电动机型号为：36BF003其特性如下：最大

44、静转矩8、最高空载启动频率3100 step/s、重量2N、外形尺寸3643B向旋转步进电动机型号为：28BF001其特性如下：最大静转矩1.8、最高空载启动频率1800 step/s、重量0.75N、外形尺寸2830X向步进电动机型号为：45BF005-其特性如下：最大静转矩为20 、最高空载启动频率3000(step/s)、重量4N、外形尺寸45Y向步进电动机型号为：75BF001其特性如下：最大静转矩40、最高空载启动频率1250(step/s)、重量10N、外形尺寸55Z向步进电动机型号为：75BF001其特性如下：最大静转矩40、最高空载启动频率1250(step/s)、重量10N、

45、外形尺寸55X向滚珠丝杠型号为：25052.5其参数如下： 公称直径25、外径24.5、导程5、螺旋角338、钢球直径3.175、额定动载荷9610N。Y向滚珠丝杠型号为：25062.5其参数如下：公称直径25、外径24.5、导程6、螺旋角42、钢球直径3.175、额定动载荷9610N。Z向滚珠丝杠型号为：20052.5其参数如下： 公称直径20、外径19.5、导程5、螺旋角433、钢球直径3.175、额定动载荷8630N。X向的齿轮的参数：模数为m=1.5，齿宽系数=0.7，材料为45钢齿数：Z=19，Z=40分度圆直径：，齿宽：，Y向的齿轮的参数：模数为m=1.5，齿宽系数=0.7，材料为

46、45钢齿数：Z=19，Z=48分度圆直径：，齿宽：， 由于Z向传动距离比较大，在综合考虑颤动效率和稳定性的因素，因而采用同步齿形带传动。3.2.4同步齿形带的选择 同步齿形带传动综合了带传动和链传动的优点。同步带通常是以钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶等为基体的带。工作时，带的凸轮与带轮外缘上的齿槽进行啮合传动。由于抗拉层承载后变形小，能保持同步带的周节不变，故带与带轮间没有相对的滑动，从而保证了同步传动。其主要用于要求传动比准确的中、小功率传动中，这是有其特点决定的。同步齿形带的优点是：1. 无滑动，能保证固定的传动比。2. 预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小。3. 带的厚度小，单位长

47、度的质量小，故允许的线速度较高。4. 带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要确定是：安装时中心距的要求严格，且价格较高。 （a）梯形齿 （b）圆弧齿图3.6同步齿形带同步齿形带根据齿形的不同可分为梯形齿同步齿形带和圆弧同步齿形带，其截面形状如图3.6所示梯形齿同步齿形带在传递功率是由于应力集中在齿根部位，使功率传递能力下降，同时由于与带轮是圆弧接触，当带轮直径较小时，将使齿形变形，影响与带轮的啮合，不仅受力情况不好，而且在速度很高时，会产生较大的震动与噪音。而圆弧齿同步齿形带克服了梯形齿同步齿形带的缺点，均化了应力，改善了啮合，因此，选择圆弧齿同步齿形带作为本次设计所用。Z向齿形带和带轮

48、的设计1） 齿形带的确定计算功率可按下式计算： 式中：齿形带所传递的功率 工作情况系数由机械设计手册查得：=1.1根据Z向齿形带所带的载荷取：=0.5kw 取=kw由表714、715查得：带的节距=3、齿高=1.22、带厚=2.41、带宽=15根据齿形带带轮的转速n=200r/min以及齿形带所传递的计算功率=0.5kw，取带的模数m=22） 带轮直径和宽度的选取 由表3143选取小带轮的齿数Z=20其参数如下：节距P=3、带轮直径、允许的最大孔径为10。传动比： 所以，大带轮的齿数取大带轮的齿数根据公式：式中： 大带轮外径 节距节线差（节圆与齿顶圆间的距离，由表3153，表3154查得）大轮

49、齿数查表的得=0.381 带轮宽度为：由前面知=15，现取=183） 中心距的确定 根据结构要求初定中心矩：=95确定带长L根据带长公式：式中：初选中心矩（） 、小轮和大轮分度圆直径（）计算得： =281.75则带的齿数：将求得的齿数圆整到标准化的齿数值且之间，查表的标准的则与之相对应的标准带长确定中心矩：=0.25 =98.58校核： 当模数m2时，带与带轮相啮合的齿数不应小于6，其中用下式计算 =9.33 6满足条件，可见所选的带与带轮合适。 3.3制动器的设计本次设计的超声无损检测装置，在使用的过程中存在着安全隐患。当Z向动导轨在上升或下降的过程中，如果突然停电，电机将停止转动，此时动导

50、轨会在自重的作用下迅速地往下坠落，这样会使整个动导轨脱离检测位置；如果是在零件上方调整探头的位置准备检测零件时，发生此种现象，探头则会撞击在零件上，损伤或损坏探头且会对零件造成一定的破坏。数控机床的轴向运动，主要是用滚珠丝杠副进行驱动的。通常铅垂使用的滚珠丝杠副承受着牵引力和部件重力的合力作用。由于滚珠丝杠副不能自锁，所以，在停机状态下，铅垂轴部件会自然下滑。目前解决方案有两种形式：增加平衡锤或采用平衡油缸。这两种方法均有缺点：增加平衡锤，即增加了运动部件的质量，运动惯量加大，加速度降低，使快速移动速度下降；而采用平衡油缸，则需增加一套液压附件，使机床结构更加复杂，制造成本增加。为了更好地解决

51、这个问题，在这里介绍一种失电制动机构：数控机床垂向滚珠丝杠制动装置，简称丝杠制动装置。3.3.1.构成及安装该丝杠制动装置主要由外置失电制动器、内置失电制动器接近开关和电气等构成。图l是垂向滚珠丝杠副E部剖视图，滚珠丝杠副17、轴承l、套2、轴承盖3和螺母装在丝杠座15上，丝杠座15固装在机床躯体16上，皮带轮7装在丝杠上端。其特点是：在轴承盖3和皮带轮7之间，装有外置失电制动器5。外置失电制动器5的基体固定安装在制动座6上，制动座6固定安装在丝杠座15上，外置失电制动器5带有动片4，动片4固定安装在滚珠丝杠副17上。设有内置失电制动器14的伺服电动机12，同装在丝杠座15上，伺服电动机12通

52、过皮带轮13、7和皮带11与滚珠丝杠副17上端相连。另有一接近开关8，也固定安装在丝杠座15上，控制接近开关8的弯片9，固定安装在皮带轮7上。3.3.2.工作原理当数控机床工作时，垂向伺服电动机、内置失电制动器、外置失电制动器也都在工作，此时的内置失电制动器和外置失电制动器都处于通电状态，没有制动作用；当机床处于非工作状态或出现故障，特别是皮带ll断裂或伺服电动机12失控断电时，内置失电制动器和外置失电制动器也都随之断电，并及时转向制动状态，从而使滚珠丝杠副无法动作，即遏制了数控机床铅垂轴部件的下滑，保证了机床的正常工作。该丝杠制动装置的控制原理(见图2)，控制控系统是由两个闭环控制系统组成：

53、一个是数控系统、驱动器、伺服电动机及伺服电动机尾部的反馈信号构成的闭环控制系统。其中内置失电制动器通过中间继电器l接受数控系统的控制，数控系统通过反馈信号对伺服电动机的运动时时进行监测，并随时控制内置失电制动器的工作状态。当伺服电动机出现问题时，内置失电制动器就会及时实施制动。第二个闭环控制系统由数控系统、驱动器、伺服电动机、皮带组件、滚珠丝杠及接近开关的反馈信号构成。其中外置失电制动器通过中间继电器2接受数控系统的控制，数控系统通过接近开关的反馈信号对滚珠丝杠的运动时时进行监测，并随时控制外置失电制动器的工作状态。当皮带断裂或闭环内某个部位出现故障时，铅垂轴部件就会自然下滑，并且反过来驱动滚珠丝杠旋转。此时，接近开关将得到一个不正常的信号，数控系统收到反馈信号后就立即控制外置失电制动器实施制动。从以上可以看出：第一个闭环控制系统包含在第二个闭环控制系统中，因此，本丝杠制动装置具有两级安全功能。3.3.3注意事项在设