【文章內(nèi)容簡介】 檢測系統(tǒng)在自動完成齒輪的聲學(xué)掃描后，系統(tǒng)計算機(jī)可依次顯示齒輪缺陷狀態(tài)數(shù)字圖像，同時可對缺陷面積大小、位置進(jìn)行數(shù)字判讀和分析，也可按給定的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，自動做出合格與否的技術(shù)評定。 檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)根據(jù)檢測原理和功能及技術(shù)要求，要研究開發(fā)的超聲波自動檢測系統(tǒng)由五個部分構(gòu)成：1 超聲檢測子系統(tǒng)；2 機(jī)械掃描及控制子系統(tǒng)(由數(shù)控機(jī)床等組成)；3 超聲檢測信號處理及自動判讀子系統(tǒng)；4 操作子系統(tǒng)；5 系統(tǒng)校準(zhǔn)試件。 各子系統(tǒng)功能（1）機(jī)械掃描及控制子系統(tǒng)：由工控機(jī)、數(shù)控機(jī)床、驅(qū)動器和檢測工作臺組成。其功能主要是控制被檢工件的運動。（2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：實現(xiàn)齒輪檢測的檢測子系統(tǒng)包括下述幾部分：高性能數(shù)字超聲波探傷儀、控制卡、傳感器和對檢測信息進(jìn)行處理及顯示的計算機(jī)。超聲波探傷儀激勵探測器發(fā)射超聲波,并把從被檢工件反射或透射的超聲波信號存儲在數(shù)字探傷儀校 準(zhǔn) 試 件工業(yè)控制機(jī)功能：機(jī)械掃描及控制系統(tǒng)組成：數(shù)控機(jī)床、專用夾具、掃描機(jī)構(gòu)等探傷儀＋超聲探測器AD數(shù)據(jù)采集卡位置傳感器控制卡（下位機(jī)）圖 超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖的內(nèi)存中。最后通過探傷儀與計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口傳送到工控機(jī)中處理和保存。傳感控制器是用來協(xié)調(diào)數(shù)控機(jī)床與探傷儀的協(xié)調(diào)工作。（3）超聲檢測信號處理及自動判讀子系統(tǒng)：由安裝在工業(yè)控制機(jī)中的信號處理、圖像處理及顯示軟件組成。它對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而得出工件的檢測信息，做出此信息的數(shù)字圖像，并對工件是否合格做出判斷。它是一種多功能的信號處理、識別及自動判讀的軟件包，具有下述功能：1檢測信號整形與降噪2多元信息特征識別與提取3缺陷特征量化4缺陷定位5缺陷數(shù)字判讀6質(zhì)量技術(shù)評定（4）檢測操作子系統(tǒng)：由鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)以及系統(tǒng)開始、停止等各種檢測控制按鈕組成。其功能是為操作人員與系統(tǒng)之間提供一個交互式的平臺，使操作人員能方便的對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。根據(jù)人機(jī)工程原理設(shè)計的操作臺，操作者在這里完成全部的檢測操作，包括：利用工控機(jī)鍵盤對檢測掃描實行編程控制；利用計算機(jī)實行檢測結(jié)果的自動判讀和技術(shù)評定；完成檢測結(jié)果存儲、打印或硬盤拷貝等。（5）系統(tǒng)校準(zhǔn)試件：校準(zhǔn)試件制作了人工缺陷，用于研究各種齒輪合適的探傷方法和系統(tǒng)檢測前對全系統(tǒng)軟、硬件功能的校核。為保證系統(tǒng)提供的檢測結(jié)果及診斷結(jié)論的可靠性，系統(tǒng)只有經(jīng)過這種校核并自檢確認(rèn)它的正確性，方可進(jìn)入檢測狀態(tài)。檢測過程中，檢測系統(tǒng)利用超聲對工件進(jìn)行掃描，掃描結(jié)束后將數(shù)據(jù)信息傳回上位機(jī)（工控機(jī)），通過軟件對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，從而得出對工件的診斷結(jié)果，整個檢測過程由上位機(jī)通過與下位機(jī)交互式的對系統(tǒng)具體控制和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)要求如下： 一、能夠?qū)崿F(xiàn)超聲自動檢測，對各個檢測單元自動控制和協(xié)調(diào)；二、可以按需求調(diào)節(jié)超聲發(fā)射頻率和數(shù)據(jù)采集頻率以及上述兩頻率間的延遲時間；三、能夠?qū)崿F(xiàn)不同的檢測工作模式和探傷儀的選擇以及同一探傷儀的不同探頭切換，即可以同時使用、多個探傷儀或者探頭以類似多通道的方式進(jìn)行檢測；四、測完畢自動分析檢測數(shù)據(jù)，并得出工件缺陷報告； 控制系統(tǒng)分析 控制系統(tǒng)需求分析齒輪檢測系統(tǒng)的控制功能集中由下位機(jī)完成?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)是對超聲波發(fā)射、接收電路，數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)進(jìn)行控制；按照一定的時序?qū)ο到y(tǒng)各部分的動作進(jìn)行協(xié)調(diào)和檢測的控制。超聲探傷儀的作用是向被檢試件發(fā)射一束超聲脈沖，并接收試件反射回的反射波,收集工件的檢測信息。超聲波發(fā)射電路是將一個上升時間很短、脈沖很窄、幅度很大的發(fā)射脈沖加在探頭上，激勵探頭產(chǎn)生脈沖超聲波的電路；超聲波接收電路則將超聲反射波被探頭接收后轉(zhuǎn)變成的電脈沖放大、整形提供給數(shù)據(jù)采集卡。系統(tǒng)對超聲波發(fā)射、接收電路的控制是通過改變加在其上的觸發(fā)脈沖的頻率實現(xiàn)的。為了保證數(shù)據(jù)采集卡正確、可靠地采集到超聲波回波信號，還必須對數(shù)據(jù)采集卡的采集動作進(jìn)行控制。在檢測過程中，系統(tǒng)中的采集卡的工作在外觸發(fā)A/D啟動方式，通過對加在數(shù)據(jù)采集卡上的外觸發(fā)脈沖的控制，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡采集動作的控制。 控制系統(tǒng)工作過程分析齒輪檢測系統(tǒng)的全部檢測過程由一臺工控機(jī)和一套單片機(jī)控制卡實施控制。被檢齒輪試件裝上檢測工作臺后，首先給系統(tǒng)上電，打開單片機(jī)控制卡。檢測開始，先通過上位機(jī)的用戶交互界面設(shè)置實驗參數(shù)，并將所設(shè)置的實驗參數(shù)發(fā)送到下位機(jī)。然后進(jìn)行檢測。檢測開始，工控機(jī)將NC代碼傳到數(shù)控機(jī)床，使被檢試件旋轉(zhuǎn)。位置傳感器搜索被檢試件端部的起始標(biāo)志，單片機(jī)系統(tǒng)控制卡檢測到位置傳感器的起始信號時，啟動數(shù)據(jù)采集的門控信號，并對超聲的發(fā)射和接收實施控制，使設(shè)備進(jìn)入檢測狀態(tài)。超聲探測器的接收探頭接收回波信號，信號由采集卡進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換，然后送入工控機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)試件在數(shù)控機(jī)床驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)到檢測起點位置，單片機(jī)系統(tǒng)控制卡檢測到起始位置時，數(shù)控機(jī)床停止，并將數(shù)據(jù)采集電路斷開。同時，單片機(jī)控制系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送信息，通知上位機(jī)一個檢測過程結(jié)束。這時，上位機(jī)用戶界面將出現(xiàn)檢測結(jié)束的提示，并詢問當(dāng)前是否要求下位機(jī)傳送有關(guān)實驗數(shù)據(jù)。上位機(jī)完成實驗數(shù)據(jù)接收后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示了。 控制系統(tǒng)總體方案控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，由下位機(jī)工作站和上位機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)對被控對的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，通過通訊接口將所采集的信息和狀態(tài)傳遞給上位機(jī)，同時接收上位機(jī)的指令，上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行綜合指揮，分散控制，集中管理，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計力求簡單實用。方案如下：通過傳統(tǒng)探傷儀和專用軟件來實現(xiàn)C掃描的功能，超聲探傷儀必須有模擬和觸發(fā)輸出功能，來自探傷儀的描述超聲振幅和時間的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸入給計算機(jī)。由于系統(tǒng)要求的采集頻率和采集精度非常高，因此一般的A/D芯片無法勝任，必須專門購置高速高精度數(shù)據(jù)采集卡，與工控機(jī)接口為ISA或PCI均可。通過寫入NC代碼實現(xiàn)對機(jī)械掃描系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)采集的同步。機(jī)械運動系統(tǒng)采用數(shù)控機(jī)床。最后，計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)不同的掃描模式和掃描指數(shù)，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)陣列，每一個地址對應(yīng)超聲信號的特征信息，識別后在計算機(jī)屏幕上顯示為一個象素。在該檢測系統(tǒng)中，多探頭多方位超聲波探測器對被檢齒輪進(jìn)行掃描來采集檢測信號。該檢測系統(tǒng)借助數(shù)控機(jī)床的三軸聯(lián)動來實現(xiàn)探測器對齒輪的各種掃描運動：齒輪相對于探測器的旋轉(zhuǎn)運動、探測器相對于齒輪的水平移動、探測器相對于齒輪的垂直移動、探測器 齒輪缺陷超聲波自動檢測系統(tǒng)示意圖相對于齒輪的齒形面的曲線運動等。信號采集過程是：工業(yè)控制機(jī)把NC代碼傳輸給數(shù)控機(jī)床后，啟動數(shù)控機(jī)床按編程的路徑運動；傳感控制器接收到周向位置起點信號后觸發(fā)探傷儀對齒輪進(jìn)行超聲檢測。檢測完探傷儀把檢測數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸?shù)焦I(yè)控制機(jī)中進(jìn)行信號處理，實時進(jìn)行自動判讀，并把判讀結(jié)果顯示在計算機(jī)屏幕上，也可將檢測結(jié)果存儲、打印輸出。在數(shù)控機(jī)床的機(jī)械掃描過程中，必須要注意的是檢測頻率與工件移動速度的配合，確保每個超聲脈沖對齒輪的齒進(jìn)行掃描。設(shè)檢測頻率為f，工件移動速度為V，齒輪直徑為D， 一周檢測點數(shù)為N。則圓周周長C=πD＝V（N/f）。即要求V=(πDf)/N。 系統(tǒng)硬件選擇：目前超聲探傷儀有模擬和數(shù)字兩種，模擬式超聲探傷儀技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、價格低；數(shù)字式超聲探傷儀功能先進(jìn)、價格高。系統(tǒng)要求使用質(zhì)量穩(wěn)定、成本低并且可以改造為外觸發(fā)方式的超聲探傷儀，目前的數(shù)字式探傷儀不能被控制，所以采用汕頭超聲電子設(shè)備集團(tuán)公司生產(chǎn)的CTS23型探傷儀，具有頻帶可變的寬頻帶放大器、寬掃描范圍的時基電路、設(shè)置了細(xì)調(diào)和微調(diào)的高精度衰減器、采用高亮度、內(nèi)刻度矩形示波管。儀器的探傷靈敏度高，分辨能力高，性能穩(wěn)定。主要的幾個技術(shù)性能：[25]工作頻率范圍：~20MHz、分三個頻段：頻段1：~20MHz，其中1~15MHz（3db ）；頻段2：1~6MHz；頻段3：~3MHz。工作方式：單探頭發(fā)射、接收或雙探頭分別發(fā)射、接收衰減器總衰減量：90dB（20dB2dB20）；衰減誤差：在工作頻率范圍內(nèi)每2dB177。數(shù)據(jù)采集卡：由于檢測過程中得到的回波信號頻率約在10MHz左右，根據(jù)采樣定律，為保證可靠的數(shù)據(jù)采集，采集頻率必須大于20MHz，同時還要求比較高的采樣精度。綜合以上要求，選用了北京大恒公司的高速存儲A/D板AC6684，采用PCI總線，符合PCI ，支持即插即用。AC6684占用256個I/O選通空間(自動分配)。： 它的主要特點、性能：[26] 兩路輸入，12位A/D，BNC輸入連接器；軟件、硬件觸發(fā)（外觸發(fā)）啟動。外部觸發(fā)的極性可以選擇為“上升邊沿“或“下降邊沿“有效；輸入范圍，雙極性，輸入幅度：2V，% FSR，分辨率12位177。2LSB。輸入阻抗：1k歐姆；輸入范圍05伏；觸發(fā)延時:小于50nS。內(nèi)部時鐘：速度40MHz、20MHz、10MHz、5MHz、軟件設(shè)置。win92000、XP驅(qū)動。單片機(jī)：因為8253定時器需要1MHz的時鐘信號，此信號應(yīng)為下位機(jī)控制器利用自身定時器提供。ATMEL公司的AT89X52型8位單片機(jī)所獨有的T2定時器具有可編程時鐘輸出模式，可以準(zhǔn)確的輸出此信號，此外無特別要求。所以選用AT89C52或AT89S52單片機(jī)。它具有以下特點：與MCS51單片機(jī)兼容，含80C51內(nèi)核；片內(nèi)有8KB Flash程序存儲器，可擦寫1000次以上；工作頻率范圍0~24MHz；三級程序存儲器加密；256字節(jié)片內(nèi)RAM；32個可編程I/O端口；6個中斷矢量，允許8個中斷源；獨有功能強(qiáng)大的T2定時器；一個全雙工異步通訊串行口（URAT）。編程簡單，性價比高，購買方便。[27]工控機(jī)由于檢測系統(tǒng)需要在采集數(shù)據(jù)的同時實時處理數(shù)據(jù)，為了在規(guī)定的時間內(nèi)掃描完被檢工件并處理完數(shù)據(jù)，需要上位機(jī)具有很高的處理速度。選用市場上性能最好的原裝研華（臺灣）工控機(jī)，工控機(jī)需要最少具有一個ISA總線插槽和一個PCI總線插槽，以便安裝高速AD數(shù)據(jù)采集卡。 研華工控機(jī)性能指標(biāo)CPU內(nèi)存硬盤主板ISA插槽PCI插槽Intel P4 DDR120G研華PCA6006V104數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床是系統(tǒng)中機(jī)械運動控制的主要部分，要求能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和上下方向的平動，企業(yè)原有的三軸聯(lián)動數(shù)控銑床即可以實現(xiàn)。同時利用了原有設(shè)備，降低了開發(fā)成本和資金。 A/D采集卡結(jié)構(gòu)圖第四章 單片機(jī)控制卡硬件設(shè)計 檢測控制系統(tǒng)中單片機(jī)控制卡是組成數(shù)據(jù)采集模塊的重要部分，它在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著控制其他單元的正常運行并協(xié)調(diào)各個單元相互配合的功能。本章主要介紹單片機(jī)控制卡的設(shè)計方法和抗干擾措施。系統(tǒng)中的下位機(jī)控制卡是控制的核心組成部分，控制卡需要控制和協(xié)調(diào)探傷儀的探頭發(fā)射脈沖、A/D采集卡的采集脈沖、接收傳感器信號，切換選擇探傷儀和探頭、控制選擇工作模式、與上位機(jī)通訊等?？刂瓶üδ苄枨笕缦拢阂?、產(chǎn)生兩路頻率相同但有一定延時的脈沖信號，且要求頻率值和延遲時間在一定范圍內(nèi)可調(diào)；二、能夠選擇使用單片機(jī)控制卡內(nèi)部觸發(fā)信號（主動方式）或外部探傷儀信號（被動方式）；三、檢測過程中能夠控制切換選擇不同的探傷儀和探頭工作；四、存儲檢測相關(guān)信息；五、與上位機(jī)通信實現(xiàn)交互式操作；六、故障報告。在下位機(jī)工作失常時主動向上位機(jī)報告錯誤。數(shù)控機(jī)床外圍設(shè)備超聲發(fā)射接收電路A/D數(shù)據(jù)采集卡傳感器控制卡 （下位機(jī)）工控機(jī) （上位機(jī)）探傷儀一探頭2探傷儀一探頭1探傷儀二探頭2探傷儀二探頭1圖 單片機(jī)控制卡控制結(jié)構(gòu)示意圖 控制器選擇隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛躍發(fā)展，集成度更高，性能價格比更為優(yōu)越的控制器不斷涌現(xiàn)。在控制器的家族里已經(jīng)出現(xiàn)了PLC、單片機(jī)、CPLD等優(yōu)秀產(chǎn)品。[2831]這其中PLC（可編程邏輯控制器）是在單片機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要是為縮短工程開發(fā)周期而出現(xiàn)的一種產(chǎn)品，跟單片機(jī)最根本的差別就是簡單易用，不需要了解太多的電子電路知識，編程簡單易學(xué)，其編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握，從而得到了廣泛應(yīng)用。但PLC同時也存在著很多缺點，主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的,絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議,編程雖多為梯形圖,但各公司的組態(tài)、尋址、語文結(jié)構(gòu)不一致,使各種PLC互不兼容，而且價格很高，動輒上千元。CPLD（復(fù)雜可編程邏輯電路）是一種具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件,具有在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點。不但可實現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能,還可實現(xiàn)復(fù)雜的時序邏輯功能。把CPLD應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),同單片機(jī)結(jié)合起來,更能體現(xiàn)其在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點。CPLD同單片機(jī)接口,可以作為單片機(jī)的一個外設(shè),實現(xiàn)單片機(jī)所要求的功能。但最大的缺點是開發(fā)困難，周期長且開發(fā)成本高。單片機(jī)由于具有編程方便、價格低廉、I/O資源豐富、控制功能強(qiáng)大、易于升級等優(yōu)點，使得其從問世的那天起便得到了人們的青睞。尤其是1980年INTEL公司推出的MCS51系列單片機(jī)更是在市場上獨領(lǐng)風(fēng)騷，時至今日，51系列單片機(jī)仍然被廣泛應(yīng)用。INTEL的8051單片機(jī)是最早期的代表作，由于51系列單片機(jī)影響深遠(yuǎn)，許多公司都推出了兼容系列單片機(jī)，MCS51內(nèi)核實際上已經(jīng)成為一個8位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。在實驗階段，單片機(jī)非常適合調(diào)試和設(shè)計，而且成本低、上手快。正因為單片機(jī)有著上述諸多的優(yōu)點，開發(fā)簡單且性價比高使得其適合在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。我們選用單片機(jī)市場銷量第一的ATMEL公司的89系列單片機(jī)。其是以8031核構(gòu)成的，是和8051系列單片機(jī)兼容的系列。這個系列對于以8051為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來說，是十分容易進(jìn)行取代和構(gòu)造的。故而對于熟悉8051的用戶