基于声发射技术的机械工件缺陷检测研究与实现

摘要

近年来，随着机械工件产量的日渐增多，提高产品质量成为国内许多生产厂商关注的问题。但国内关于机械工件的缺陷检测技术起步晚，发展缓慢，主要以引进、消化国外技术为主。而传统的检测方法繁琐、复杂，且主要依靠人工视觉或者听觉进行判别。因此，设计一种简洁、可靠的检测系统对于机械工件的缺陷检测具有重要的意义。
　　首先，本文分析了机械工件缺陷产生的原因以及声发射信号的产生机理与分类。传统的频谱分析法具有不可局域化分析的缺点，为了克服该方法不足，引入了小波变换以及基于理想滤波器的小波分解理论。机械工件缺陷检测系统的整体设计方案也是在此理论基础上提出的，它可以分为系统的硬件电路设计以及分析软件设计两部分。
　　为了确保采集信号的精度，选取了具有24位采样精度，100KHz采样率的模数转换芯片。通过设置阈值，在超过该阈值时触发硬件电路采集声信号，经可编程逻辑控制器的时序设计，将模数转换结果通过USB接口传输至上位机。在频谱分析的基础上，研究了小波包的分解过程及算法，选取合适的小波建立了小波包能量谱特征。据此，本文利用Lab/Windows CVI编写了机械工件缺陷检测系统的上位机分析软件。
　　本文搭建了机械工件缺陷检测系统的实验平台，分析了硬件采集电路的噪声扰动。本文用频谱分析法对有缺陷和无缺陷的工件做了频谱比较，同时，用小波包能量谱特征分析法对比了金属机械工件以及粉末冶金焊接件的实际检测结果，表明该系统对粉末冶金焊接件有良好的检测效果，具有重要的实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题研究的背景及意义

1．2 声发射检测技术国内外发展现状

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展状况

1．3 本课题研究的主要内容

1．4 本论文章节安排

第二章 机械工件缺陷检测的理论研究与设计方案

2．1 机械工件的主要缺陷

2．2 声发射信号的分类及缺陷检测方法

2．3 声发射信号的分析与缺陷检测

2．3．1 傅里叶变换和短时傅里叶变换

2．3．2 小波变换概述

2．3．3 离散小波变换

2．3．4 理想滤波器的小波分解

2．4 机械工件缺陷检测设备的总体方案与技术要求

2．5 本章小结

第三章 机械工件缺陷检测系统硬件设计

3．1 传声器的选择

3．2 放大电路的设计

3．3 滤波调理电路的设计

3．4 采样电路的设计

3．4．1 模数转换芯片的选型

3．4．2 模数转换电路的设计

3．5 通讯接口电路设计

3．6 FPGA控制时序设计

3．6．1 可编程逻辑器件及其开发软件的选择

3．6．2 FPGA顶层模块设计

3．6．3 模数转换模块控制逻辑设计

3．6．4 通讯模块控制逻辑设计

3．7 下位机信号采集电路的实现

3．8 本章小结

第四章 机械工件缺陷检测系统特征提取算法与软件设计

4．1 机械工件缺陷检测系统特征提取算法

4．1．1 小波包分解

4．1．2 小波包能量谱特征的定义与获取

4．1．3 小波包能量谱特征的最优树及阈值设定

4．2 机械工件缺陷检测系统上位机软件设计流程

4．2．1 上位机软件编程环境的选择

4．2．2 上位机数据采集流程设计

4．2．3 上位机USB通讯流程设计

4．2．4 上位机数据分析操作流程设计

4．3 机械工件缺陷检测系统上位机软件设计

4．3．1 上位机USB通讯建立

4．3．2 上位机机械工件声发射信号样本特征库的建立

4．3．3 上位机机械工件声发射信号实际检测操作

4．4 本章小结

第五章 机械工件缺陷检测系统设计与实王

5．1 实验平台的搭建

5．2 信号采集电路硬件调试

5．3 机械工件缺陷检测系统实际测试结果

5．3．1 金属机械工件缺陷检测结果

5．3．2 粉末冶金焊接件缺陷检测结果

5．3．3 检测结果总结

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢