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                        機床自動超聲檢測控制系統開發

                        添加時間:2018/11/16 來源:中北大學 作者:柴璐軍
                        本文就目前自動超聲檢測技術的發展需求,介紹了機床自動超聲檢測系統后,以控制系統產品族設計為指導思想,對機床自動超聲檢測系統的控制系統從組成方案、控制方法、檢測對象進行了分類研究,并基于 STM32F103VET6 與 1APF15K61S2 單片機為主控芯片。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          近年來企業對自動超聲檢測技術的需求逐漸增多,面對超聲檢測系統與設備的發展現狀,本文提出由超聲波檢測附件與機床共同組成機床自動超聲檢測系統,來對大量普通零件進行在線超聲檢測,并以單片機為主控芯片來設計與開發機床自動超聲檢測系統的控制系統。

                          針對被檢測對象量大、面廣的特點及客戶群提出的不同檢測控制任務,本文提出了以控制系統產品族模塊化的思想來開發多樣化的機床自動超聲檢測控制系統的方法。首先對檢測控制系統進行分類研究,分析檢測控制系統功能與組成方式,然后構建控制系統功能結構;以控制系統模塊劃分原理作為支撐,依據實現的功能對機床自動超聲檢測控制系統硬件和軟件部分進行模塊劃分與設計。在硬件部分設計中以模塊化思想為指導,以 STM32F103VET6 與 1AP15F2K61S2 作為主控芯片,利用 altium designer 設計工具的多圖紙結構功能,采用自頂向下的層次模塊化設計方法,設計了控制系統的硬件電路。在軟件部分設計中,根據控制系統軟件模塊的特點,利用 KEIl 與 MDK 編譯環境中集成的系列硬件、采用編寫頭文件、多.C 文件、調用庫函數等方式來開發控制系統軟件模塊,并定義了檢測控制參數的傳輸內容與格式,對掃描運動的控制算法,觸發脈沖產生與延時算法進行了推導與驗證。

                          目前,機床自動超聲檢測控制系統已經在數控車床上得到了驗證,實現了預定的檢測控制任務。最后提出了機床自動超聲檢測控制系統產品平臺的開發方法。

                          關鍵字:機床、超聲檢測、單片機、控制系統、產品族、模塊化

                        Abstract

                          The enterprise’s demand for automatic ultrasonic testing technology is gradually increasing in recent years. In the face of the current situation of the development of ultrasonic detection system and equipment , this paper proposes the machine tool automatic ultrasonic testing system composed by the testing accessory and the the machine tool to test a large number of common parts on-line ,and this paper take the single chip microcomputer as the main control chip to design and develop the control system of automatic ultrasonic testing system for machine tool.

                          According to the characteristics of tested objects with large quantity and wide area and the different detection and control task proposed by customer group , this paper develop diversity control system of machine tool automatic ultrasonic testing system based on the thought of control system product family . Firstly ,this paper studies on test and control system by type,and analyze the function and composition of detection and control system, then constructs the function structure of the control system.Taking control system module division principle as support and according to the realization functions,divide the hardware part and the software part of the testing and control system in to modules and design them.

                          With the guidance of the modularization idea,taking STM32F103VET6 and 1APF15K61S2 as the main control chip ,using multiple drawing structure function of Altium designer tools,and using the top-down hierarchical modular design method, this paper design the hardware circuit of control system.In the software design part, according to the characteristic of control system software, use KEIl and MDK compiler environment integrated features, write the header files , use multiple.C files,and call the library function to develop software module of the control system .The data format and transmission content of detection control parameter was defined, the motion scanning control algorithm was deduced and verified ,the trigger pulse generation and delay algorithm was deduced and verified.

                          At present, the control system of machine tool automatic ultrasonic testing has been verified in the numerical control lathe, and realized the scheduled detection and control tasks Finally,the development method of the detecting and control system product platform of the machine tool automatic ultrasonic testing was proposed in this paper.

                          Key words: Machine tool, Ultrasonic testing, Single chip microcomputer, Control system, Product family, Modularization

                          改革開放以來我國工業取得了很大進步,工業領域產品也逐漸向企業和普通人群靠近,例如汽車、高速列車、飛機及服務于各行業的機械裝備,隨著各行各業及人們的安全意識不斷提升和在市場激烈競爭的推動下,企業不僅更加注重一些關鍵零部件質量,而且對大量的普通零件的穩定性、可靠性、合格率也提出了極高的要求。無損檢測技術作為檢測和評定工業產品質量的重要技術手段具有無法代替的作用[1],而超聲波檢測作為普及率最廣、檢測效果高、易操作且不對操作人員造成人體傷害的一種無損檢測技術,通過監控零件的品質為企業增創了經濟效益,反過來大量企業,特別是工業零部件供應企業更加倚重超聲檢測技術來監管自己產品的質量[2],以保證機電設備和機械裝備的安全、穩定運行,防止因零部件有缺陷而引發危險事故。

                          隨著工業生產的不斷發展,制造類企業為了更大程度的提高超聲檢測的效率與精準度以提高生產效率,及考慮到某些特殊環境下需使用超聲檢測或進行復雜超聲檢測,昔日人工進行超聲檢測的方法已經無法滿足先代制造業高效率與準確化的需求,借助自動超聲檢測設備來進行超聲波探傷已經成為一種迫切需要;另一方面電子與計算機技術、自動控制技術、現代機械設計與制造技術、信號處理與模式設別技術的快速發展為手動超聲檢測技術轉向數字化、自動化、智能化檢測提供了技術支持與保證[3]。

                          近年來由于我國制造業的持續高速發展,各行業齊頭并進,我國每年生產的零部件種類和數量持續上升;特別是一些回廠返修與保養的零件需要二次加工與嚴格的超聲檢測。因此,機械零部件的超聲無損檢測呈現出量大、面廣的特點。量大主要指檢測的對象逐漸轉變為大量的普通零件,并且一些關鍵零部件必須在加工前與加工后進行兩次嚴格的探傷,比如高速列車的車軸與車輪;面廣主要是指工業零部件種類繁多,不同廠商的零部件的外形特征與尺寸并不相同,因此對自動超聲檢測系統與設備的要求也不盡相同,因此怎樣采用自動超聲檢測技術對量大、類多的普通零件進行檢測是個難題。

                         。1)國外發展概況:國外自動超聲檢測系統研究起步早,一些發達國家于上世紀70、80 年代已經開始自動超聲檢測技術研究以提高工業自動化程度與檢測效率[4]。至今,已研發出高精度、高效率、多通道多自由度、多種掃描方式、及運用于特殊場合的自動超聲檢測系統與設備,一些設備已廣泛服務于工業生產[5]。日本的 Yohso,J.等人針對新干線空心軸已開發出一種可移動的全自動超聲波檢測設備,使用該設備可在三分鐘內檢查一個軸;在高速模式下可檢測到一個 3 毫米深度的缺陷,在精確檢測模式下可在離可疑區域 1 毫米的區間自動掃描,檢查的結果可通過計算機圖形顯示。美國馬里蘭州的INFOR-MATRICS 公司利用軟硬件結合,開發出了基于 PC 的名為 TESTPRO 的超聲檢測設備,該設備有強大的數據處理、人工智能、圖形處理等功能,能實時分析超聲波波形,并能與其它設備進行通信[6],美國通用公司推出的 KC 系列超聲檢測系統,使用 X、Y、Z 三軸聯動來實現超聲探頭三自由度調整,對復雜曲面完成自動化檢測[7]。

                         。2)國內研究概況:國內在高端自動檢測系統與設備方面跟國外還有一定的差距,但自動超聲檢測技術的研究與運用也獲得了頗不錯的成績,一些關鍵技術有所突破。具有代表性的是:2011 年清華大學與奧瑞視共同研發的新型多通道自動超聲探傷儀是國內第一臺擁有自主知識產權與 5 項專利的多通道新型自動超聲檢測設備,該設備已成功運用于太原鋼鐵與唐山鋼鐵廠的中厚鋼板超聲探傷;北京化工大學的張進明教授運用 PXI總線技術設計了具有多個通道的檢測系統,運用于中厚鋼板的實時自動超聲檢測;寶鈦集團有限公司的馬小懷工程師研制了管材相對靜止而探頭相對其做旋轉運動的檢測系統,實現了對大量的鈦合金的自動超聲檢測[8],具有現實意義并為公司贏得了一定的利益。中南大學的呂鐸研究并設計了針對直齒圓柱齒輪內部缺陷檢測的超聲自動探傷系統,并且通過了 C 掃描驗證。2011 年華中科技大學的孫磊采用聚焦探頭以傾斜入射的方案設計了針對油田鉆桿外層加厚帶的超聲自動檢測系統,現場檢測效果不錯,2014年南京理工大學的卜雄洙教授研究并設計了對回轉體工件具有4自由度掃描裝置的自動超聲檢測系統,被檢測對象是一類大型的回轉體,經試驗達到設計預期要求。

                          雖然國內外近些年在超聲自動檢測設備方面已經做了一定的研究,并且許多研究已經運用于實際生產中,且創造了一定的效益。但超聲自動檢測技術在發展、運用、普及過程中還存在著一系列問題:

                         。1)大多數的超聲檢測設備還是一種專用的檢測設備與封閉式單一系統,只能針對一種或為數不多的幾種產品檢測,被檢測的對象具有局限性,設備的通用性不高,不能滿足現代制造業零部件量大、面廣的特點,即被檢測對象不能面向大量的普通零件。

                         。2)一般的自動超聲檢測系統包含機械掃描系統、電氣控制系統、超聲檢測系統、測控與傳感技術、信號與信息處理技術、圖像識別與顯示、計算機技術等技術,是一個復雜的系統,開發起來自然難度大,因此自動檢測的代價高。

                         。3)零件的超聲檢測與機械加工相對獨立,在不同的場所與設備上獨立完成,沒有實現真正意義上的在線自動檢測,零件在兩個場合之間中轉與安裝費時費力,而被檢測對象又具有量大、面廣的特點,因此檢測效率還有提高的空間。

                          單片機是在通用計算機技術基礎上產生的,是一種高度集成數字電路芯片,它是單片微型計算機(Single chip microcomputer)的簡稱,是一個微小但完整的計算機系統,一個單片機典型的結構如圖 1.1 所示。其最典型的特征:一是強大的控制功能,經常作為控制系統的“大腦”;二是較其它控制器有物美價廉的特色。因常用在自動控制領域,所以也稱作微控制器或嵌入式微控制器。

                          機床自動超聲檢測控制系統測試驗證:

                        實驗現場
                        實驗現場

                        觸發脈沖與延時
                        觸發脈沖與延時

                        機床自動超聲檢測控制系統控制產品平臺
                        機床自動超聲檢測控制系統控制產品平臺

                        目錄

                          1 緒論
                            1.1 本課題研究的背景
                              1.1.1 自動超聲檢測技術的需求分析
                              1.1.2 自動超聲檢測技術研究國內外發展概述
                            1.2 單片機技術最新發展概述
                            1.3 產品族與產品族設計思想
                            1.4 本文的主要研究目的、意義與內容安排
                              1.4.1 本課題研究的目的、意義
                              1.4.2 論文的結構安排
                            1.5 本章小結
                          2 機床自動超聲檢測控制系統總體技術研究
                            2.1 機床自動超聲檢測系統及功能
                            2.2 機床自動超聲檢測控制系統功能及組成
                              2.2.1 機床自動超聲檢測控制系統功能分析
                              2.2.2 機床自動超聲檢測控制系統組成方案研究
                            2.3 機床自動超聲檢測控制系統分類研究
                              2.3.1 控制方法的分類研究
                              2.3.2 控制任務與檢測對象的分類研究
                            2.4 控制系統產品族設計的理論體系
                              2.4.1 控制系統產品族設計的定義
                              2.4.2 控制系統產品族設計的特點
                              2.4.3 控制系統產品族模塊化設計思想
                            2.5 控制系統產品族模塊化設計流程
                            2.6 本章小結
                          3 機床自動超聲檢測控制系統硬件模塊化設計
                            3.1 機床自動超聲檢測控制系統硬件產品族模塊化設計概要
                              3.1.1 檢測控制系統硬件模塊劃分
                              3.1.2 檢測控制系統硬件模塊化設計要點
                            3.2 機床自動超聲檢測控制系統硬件設計方案
                              3.2.1 檢測控制系統主控芯片選取
                              3.2.2 檢測控制系統體系構架
                            3.3 機床自動超聲檢測控制系統硬件電路模塊化設計實現方法
                            3.4 機床自動超聲檢測控制系統典型模塊硬件電路設計
                              3.4.1 主控芯片與電源模塊設計
                              3.4.2 超聲掃描裝置控制模塊設計
                              3.4.3 超聲波檢測檢測控制模塊設計
                              3.4.4 通信接口模塊設計
                              3.4.5 報警模塊設計
                              3.4.6 傳感器模塊設計
                              3.4.7 總線式多微控制器分布式控制系統模塊設計
                            3.5 本章小結
                          4 機床自動超聲檢測控制系統軟件模塊化設計
                            4.1 控制系統軟件產品族模塊化內涵
                              4.1.1 控制系統軟件產品族設計的特點
                              4.1.2 控制系統軟件產品族設計的含義
                            4.2 機床自動超聲檢測控制系統軟件產品族模塊化開發策略
                              4.2.1 開發資源與開發環境
                              4.2.2 使用庫函數
                              4.2.3 使用多.c 文件
                              4.2.4 使用頭文件
                            4.3 機床自動超聲檢測控制系統軟件模塊劃分
                            4.4 檢測控制系統通信模塊研究
                            4.5 檢測控制系統掃描運動控制模塊算法研究
                              4.5.1 檢測控制系統電機運動分析
                              4.5.2 步進電機啟動頻率的確定
                              4.5.3 步進電機 w-t 曲線確定方法
                              4.5.4 步進電機加減速曲線的實現
                            4.6 檢測控制系統觸發脈沖產生與延時控制模塊
                              4.6.1 檢測模式類型分析
                              4.6.2 檢測系統重復頻率的確定
                              4.6.3 觸發脈沖產生與延時控制實現方法
                            4.7 本章小結
                          5 機床自動超聲檢測控制系統驗證與產品平臺開發
                            5.1 機床自動超聲檢測控制系統實驗驗證
                              5.1.1 超聲檢測方式選取
                              5.1.2 實驗參數設定及實驗過程
                              5.1.3 實驗效果
                            5.2 控制系統產品平臺的內涵
                              5.2.1 控制系統產品平臺的定義
                              5.2.2 控制系統產品平臺的特點
                            5.3 機床自動超聲檢測控制系統產品平臺
                              5.3.1 機床自動超聲檢測控制系統產品平臺開發方法
                              5.3.2 檢測控制系統組合設計
                            5.4 本章小結
                          6 總結與展望
                            6.1 全文總結
                            6.2 研究工作展望
                          參考文獻
                          攻讀碩士期間完成及錄用的學術論文

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