机床自动超声检测控制系统开发

摘要

　　近年来企业对自动超声检测技术的需求逐渐增多，面对超声检测系统与设备的发展现状，本文提出由超声波检测附件与机床共同组成机床自动超声检测系统，来对大量普通零件进行在线超声检测，并以单片机为主控芯片来设计与开发机床自动超声检测系统的控制系统。

　　针对被检测对象量大、面广的特点及客户群提出的不同检测控制任务，本文提出了以控制系统产品族模块化的思想来开发多样化的机床自动超声检测控制系统的方法。首先对检测控制系统进行分类研究，分析检测控制系统功能与组成方式，然后构建控制系统功能结构；以控制系统模块划分原理作为支撑，依据实现的功能对机床自动超声检测控制系统硬件和软件部分进行模块划分与设计。在硬件部分设计中以模块化思想为指导，以 STM32F103VET6 与 1AP15F2K61S2 作为主控芯片，利用 altium designer 设计工具的多图纸结构功能，采用自顶向下的层次模块化设计方法，设计了控制系统的硬件电路。在软件部分设计中，根据控制系统软件模块的特点，利用 KEIl 与 MDK 编译环境中集成的系列硬件、采用编写头文件、多.C 文件、调用库函数等方式来开发控制系统软件模块，并定义了检测控制参数的传输内容与格式，对扫描运动的控制算法，触发脉冲产生与延时算法进行了推导与验证。

　　目前，机床自动超声检测控制系统已经在数控车床上得到了验证，实现了预定的检测控制任务。最后提出了机床自动超声检测控制系统产品平台的开发方法。

　　关键字：机床、超声检测、单片机、控制系统、产品族、模块化

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

　　改革开放以来我国工业取得了很大进步，工业领域产品也逐渐向企业和普通人群靠近，例如汽车、高速列车、飞机及服务于各行业的机械装备，随着各行各业及人们的安全意识不断提升和在市场激烈竞争的推动下，企业不仅更加注重一些关键零部件质量，而且对大量的普通零件的稳定性、可靠性、合格率也提出了极高的要求。无损检测技术作为检测和评定工业产品质量的重要技术手段具有无法代替的作用[1]，而超声波检测作为普及率最广、检测效果高、易操作且不对操作人员造成人体伤害的一种无损检测技术，通过监控零件的品质为企业增创了经济效益，反过来大量企业，特别是工业零部件供应企业更加倚重超声检测技术来监管自己产品的质量[2]，以保证机电设备和机械装备的安全、稳定运行，防止因零部件有缺陷而引发危险事故。

　　随着工业生产的不断发展，制造类企业为了更大程度的提高超声检测的效率与精准度以提高生产效率，及考虑到某些特殊环境下需使用超声检测或进行复杂超声检测，昔日人工进行超声检测的方法已经无法满足先代制造业高效率与准确化的需求，借助自动超声检测设备来进行超声波探伤已经成为一种迫切需要；另一方面电子与计算机技术、自动控制技术、现代机械设计与制造技术、信号处理与模式设别技术的快速发展为手动超声检测技术转向数字化、自动化、智能化检测提供了技术支持与保证[3]。

　　近年来由于我国制造业的持续高速发展，各行业齐头并进，我国每年生产的零部件种类和数量持续上升；特别是一些回厂返修与保养的零件需要二次加工与严格的超声检测。因此，机械零部件的超声无损检测呈现出量大、面广的特点。量大主要指检测的对象逐渐转变为大量的普通零件，并且一些关键零部件必须在加工前与加工后进行两次严格的探伤，比如高速列车的车轴与车轮；面广主要是指工业零部件种类繁多，不同厂商的零部件的外形特征与尺寸并不相同，因此对自动超声检测系统与设备的要求也不尽相同，因此怎样采用自动超声检测技术对量大、类多的普通零件进行检测是个难题。

　　（1）国外发展概况：国外自动超声检测系统研究起步早，一些发达国家于上世纪70、80 年代已经开始自动超声检测技术研究以提高工业自动化程度与检测效率[4]。至今，已研发出高精度、高效率、多通道多自由度、多种扫描方式、及运用于特殊场合的自动超声检测系统与设备，一些设备已广泛服务于工业生产[5]。日本的 Yohso,J.等人针对新干线空心轴已开发出一种可移动的全自动超声波检测设备，使用该设备可在三分钟内检查一个轴；在高速模式下可检测到一个 3 毫米深度的缺陷，在精确检测模式下可在离可疑区域 1 毫米的区间自动扫描，检查的结果可通过计算机图形显示。美国马里兰州的INFOR-MATRICS 公司利用软硬件结合，开发出了基于 PC 的名为 TESTPRO 的超声检测设备，该设备有强大的数据处理、人工智能、图形处理等功能，能实时分析超声波波形，并能与其它设备进行通信[6]，美国通用公司推出的 KC 系列超声检测系统，使用 X、Y、Z 三轴联动来实现超声探头三自由度调整，对复杂曲面完成自动化检测[7]。

　　（2）国内研究概况：国内在高端自动检测系统与设备方面跟国外还有一定的差距，但自动超声检测技术的研究与运用也获得了颇不错的成绩，一些关键技术有所突破。具有代表性的是：2011 年清华大学与奥瑞视共同研发的新型多通道自动超声探伤仪是国内第一台拥有自主知识产权与 5 项专利的多通道新型自动超声检测设备，该设备已成功运用于太原钢铁与唐山钢铁厂的中厚钢板超声探伤；北京化工大学的张进明教授运用 PXI总线技术设计了具有多个通道的检测系统，运用于中厚钢板的实时自动超声检测；宝钛集团有限公司的马小怀工程师研制了管材相对静止而探头相对其做旋转运动的检测系统，实现了对大量的钛合金的自动超声检测[8]，具有现实意义并为公司赢得了一定的利益。中南大学的吕铎研究并设计了针对直齿圆柱齿轮内部缺陷检测的超声自动探伤系统，并且通过了 C 扫描验证。2011 年华中科技大学的孙磊采用聚焦探头以倾斜入射的方案设计了针对油田钻杆外层加厚带的超声自动检测系统，现场检测效果不错，2014年南京理工大学的卜雄洙教授研究并设计了对回转体工件具有4自由度扫描装置的自动超声检测系统，被检测对象是一类大型的回转体，经试验达到设计预期要求。

　　虽然国内外近些年在超声自动检测设备方面已经做了一定的研究，并且许多研究已经运用于实际生产中，且创造了一定的效益。但超声自动检测技术在发展、运用、普及过程中还存在着一系列问题：

　　（1）大多数的超声检测设备还是一种专用的检测设备与封闭式单一系统，只能针对一种或为数不多的几种产品检测，被检测的对象具有局限性，设备的通用性不高，不能满足现代制造业零部件量大、面广的特点，即被检测对象不能面向大量的普通零件。

　　（2）一般的自动超声检测系统包含机械扫描系统、电气控制系统、超声检测系统、测控与传感技术、信号与信息处理技术、图像识别与显示、计算机技术等技术，是一个复杂的系统，开发起来自然难度大，因此自动检测的代价高。

　　（3）零件的超声检测与机械加工相对独立，在不同的场所与设备上独立完成，没有实现真正意义上的在线自动检测，零件在两个场合之间中转与安装费时费力，而被检测对象又具有量大、面广的特点，因此检测效率还有提高的空间。

　　单片机是在通用计算机技术基础上产生的，是一种高度集成数字电路芯片，它是单片微型计算机（Single chip microcomputer）的简称，是一个微小但完整的计算机系统，一个单片机典型的结构如图 1.1 所示。其最典型的特征：一是强大的控制功能，经常作为控制系统的“大脑”；二是较其它控制器有物美价廉的特色。因常用在自动控制领域，所以也称作微控制器或嵌入式微控制器。

　　机床自动超声检测控制系统测试验证：

实验现场

触发脉冲与延时

机床自动超声检测控制系统控制产品平台

目录

　　1 绪论
　　　　1.1 本课题研究的背景
　　　　　　1.1.1 自动超声检测技术的需求分析
　　　　　　1.1.2 自动超声检测技术研究国内外发展概述
　　　　1.2 单片机技术最新发展概述
　　　　1.3 产品族与产品族设计思想
　　　　1.4 本文的主要研究目的、意义与内容安排
　　　　　　1.4.1 本课题研究的目的、意义
　　　　　　1.4.2 论文的结构安排
　　　　1.5 本章小结
　　2 机床自动超声检测控制系统总体技术研究
　　　　2.1 机床自动超声检测系统及功能
　　　　2.2 机床自动超声检测控制系统功能及组成
　　　　　　2.2.1 机床自动超声检测控制系统功能分析
　　　　　　2.2.2 机床自动超声检测控制系统组成方案研究
　　　　2.3 机床自动超声检测控制系统分类研究
　　　　　　2.3.1 控制方法的分类研究
　　　　　　2.3.2 控制任务与检测对象的分类研究
　　　　2.4 控制系统产品族设计的理论体系
　　　　　　2.4.1 控制系统产品族设计的定义
　　　　　　2.4.2 控制系统产品族设计的特点
　　　　　　2.4.3 控制系统产品族模块化设计思想
　　　　2.5 控制系统产品族模块化设计流程
　　　　2.6 本章小结
　　3 机床自动超声检测控制系统硬件模块化设计
　　　　3.1 机床自动超声检测控制系统硬件产品族模块化设计概要
　　　　　　3.1.1 检测控制系统硬件模块划分
　　　　　　3.1.2 检测控制系统硬件模块化设计要点
　　　　3.2 机床自动超声检测控制系统硬件设计方案
　　　　　　3.2.1 检测控制系统主控芯片选取
　　　　　　3.2.2 检测控制系统体系构架
　　　　3.3 机床自动超声检测控制系统硬件电路模块化设计实现方法
　　　　3.4 机床自动超声检测控制系统典型模块硬件电路设计
　　　　　　3.4.1 主控芯片与电源模块设计
　　　　　　3.4.2 超声扫描装置控制模块设计
　　　　　　3.4.3 超声波检测检测控制模块设计
　　　　　　3.4.4 通信接口模块设计
　　　　　　3.4.5 报警模块设计
　　　　　　3.4.6 传感器模块设计
　　　　　　3.4.7 总线式多微控制器分布式控制系统模块设计
　　　　3.5 本章小结
　　4 机床自动超声检测控制系统软件模块化设计
　　　　4.1 控制系统软件产品族模块化内涵
　　　　　　4.1.1 控制系统软件产品族设计的特点
　　　　　　4.1.2 控制系统软件产品族设计的含义
　　　　4.2 机床自动超声检测控制系统软件产品族模块化开发策略
　　　　　　4.2.1 开发资源与开发环境
　　　　　　4.2.2 使用库函数
　　　　　　4.2.3 使用多.c 文件
　　　　　　4.2.4 使用头文件
　　　　4.3 机床自动超声检测控制系统软件模块划分
　　　　4.4 检测控制系统通信模块研究
　　　　4.5 检测控制系统扫描运动控制模块算法研究
　　　　　　4.5.1 检测控制系统电机运动分析
　　　　　　4.5.2 步进电机启动频率的确定
　　　　　　4.5.3 步进电机 w-t 曲线确定方法
　　　　　　4.5.4 步进电机加减速曲线的实现
　　　　4.6 检测控制系统触发脉冲产生与延时控制模块
　　　　　　4.6.1 检测模式类型分析
　　　　　　4.6.2 检测系统重复频率的确定
　　　　　　4.6.3 触发脉冲产生与延时控制实现方法
　　　　4.7 本章小结
　　5 机床自动超声检测控制系统验证与产品平台开发
　　　　5.1 机床自动超声检测控制系统实验验证
　　　　　　5.1.1 超声检测方式选取
　　　　　　5.1.2 实验参数设定及实验过程
　　　　　　5.1.3 实验效果
　　　　5.2 控制系统产品平台的内涵
　　　　　　5.2.1 控制系统产品平台的定义
　　　　　　5.2.2 控制系统产品平台的特点
　　　　5.3 机床自动超声检测控制系统产品平台
　　　　　　5.3.1 机床自动超声检测控制系统产品平台开发方法
　　　　　　5.3.2 检测控制系统组合设计
　　　　5.4 本章小结
　　6 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 研究工作展望
　　参考文献
　　攻读硕士期间完成及录用的学术论文

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