CN103235044B - 一种多自由度大型超声扫查自动化装置 - Google Patents
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Abstract
一种多自由度大型超声扫查自动化装置，主要由零件表面扫查轨迹生成部分、运动执行部分、成像及处理软件部分组成；运动执行部分由机械手***、Y、X轴运动***和框架本体组成；机械手***由超声探头、超声探头夹持机构、工业机械手、机械手安装座组成；Y轴运动***由纵梁和纵梁运动伺服***组成；X轴运动***由前横梁及前横梁运动伺服***和后横梁及后横梁运动伺服***组成；框架***由左辅助纵梁、右辅助纵梁、立柱、高度调整装置、底座组成。本发明的多自由度大型超声扫查自动化装置能用于复杂表面形状的工件进行超声自动扫查探伤，具有应用范围广，自动化程度高，布局美观等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测自动化领域，所发明的超声检测自动化装置具有运动范围大，自由度多，能对复杂形状的工件表面进行超声自动化检测和超声探头的自动化检验。
背景技术
超声检测是利用超声换能器(检测探头)发出的超声波作用在被检测工件上，通过测量反射波来确定缺陷的大小、位置，是目前应用最广泛的无损检测形式，具有操作简单，成本低，对环境和操作者无害的优点。超声检测工作时首先要对超声探头的灵敏度、性能等指标在实验室进行预先的筛选、校正、检验，然后在被检测工件上进行超声检测，若发现反射波异常表明有缺陷，需要通过在实验室在预先埋置缺陷的试块上对比确定缺陷的位置，需要操作者大量手动操作，且手动操作时移动速度靠操作者的经验和感觉进行，无法精确控制，故无法精确计量。用超声探头进行工件表面扫查时需要超声探头的中心线和被检测面的法线重合，且需要一定的压紧力，对于复杂曲面需要多个自由度才能完成超声扫查，故目前使用的超声检测自动化装置普遍存在自动化程度低，只能对简单形状的工件如圆柱或平面进行检测，专利号为201210273739.0发明的超声扫查自动化装置只能对管材和平板工件进行检测，通用性差，专利号为01131937.2发明的超声扫查自动化装置只能对大口径环焊缝进行自动扫查。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有运动精度高，可重复性强，应用范围大，可用于大型复杂曲面，自动化程度高，能大大减轻操作者劳动强度的超声检测自动化装置。
本发明的技术解决方案为：一种多自由度大型超声扫查自动化装置，主要由零件表面扫查轨迹生成部分、运动执行部分、成像及处理软件部分组成，运动执行部分主要由机械手***、Y轴运动***、X轴运动***和框架本体组成，机械手***包括：超声探头、超声探头夹持机构、工业机械手、机械手安装座；Y轴运动***包括：纵梁和纵梁运动伺服***；X轴运动***包括：前横梁和前横梁运动伺服***、后横梁和后横梁运动伺服***；框架***由左辅助纵梁、右辅助纵梁、前右立柱、前左立柱、后左立柱、后右立柱、高度调整装置、底座等组成，超声探头通过超声探头夹持机构安装在工业机械手的端部，工业机械手通过螺钉安装在机械手安装座上，机械手安装座通过螺钉安装在纵梁运动伺服***上，纵梁前端通过螺钉安装前横梁运动伺服***上，纵梁后端通过螺钉安装在后横梁运动伺服***上，左辅助纵梁、右辅助纵梁通过两端螺钉连接到前横梁和后横梁之间，前右立柱、前左立柱通过螺钉安装在前横梁两端，后左立柱、后右立柱通过螺钉安装在后横梁两端，每个立柱下面都安装有高度调整装置，高度调整装置通过地脚螺栓安装在底座上，底座放置在地面；所述的纵梁，前横梁、后横梁为焊接的箱型结构梁；所述的前横梁运动伺服***和后横梁运动伺服***同步运行，和纵梁运动伺服***联动；所述的探头夹持机构为被动空气预紧式；所述的工业机械手为六自由度工业机械手；所述的纵梁，两端安装滑块，处于前横梁、后横梁之间；所述的前右立柱、前左立柱、后左立柱、后右立柱的高度通过高度调整装置进行调节，高度调整装置为楔形调节，调节后由螺钉紧固；所述的左辅助纵梁、右辅助纵梁装在前横梁和后横梁之间；所述的超声扫查装置安装在一整体的底座上，底座为钢筋混土材料。
上述方案的原理是：当对曲面(平面可以认为是曲面的特殊情况)进行超声扫查时，首先获取待扫查零件的表面形状和尺寸，由计算机自动生成扫查的运动轨迹，若运动范围或姿态范围在工业机械手的范围内，则仅靠机械手来完成，若运动范围或姿态范围超出机械手的活动空间，则运动求解部分经过计算，得出X轴或Y轴移动的速度和位移，控制***给驱动电机发出指令，其中X轴有前横梁和后横梁两套运动伺服***，这两套伺服***同步运行，共同完成X轴伺服运动，X轴和Y轴伺服运动联动，完成平面内特定的曲线动作，实现工业机械手整体的曲线运动，结合机械手本身的六自由度运动，可以实现机械手末端超声探头的8个自由度运动，能实现在一定空间内超声探头任意位置和姿态的运动，完成任意形状工件表面的自动扫查，单套伺服***的运动过程是这样的：控制***发出的控制指令，驱动电机旋转运动，经减速箱减速后由联轴器带动丝杠旋转，丝杠由前、后轴承座支撑轴向定位，丝杠和螺母一起组成丝杠-螺母运动副，螺母固定在需要移动的移动件上，限制了螺母本身的旋转运动，这样，当丝杠旋转时螺母带动移动件移动，实现预定的运动，导轨起对移动件支撑的作用，使移动件沿导轨移动，实现高的运动精度；所采用的丝杠-螺母为滚珠丝杠螺母，所采用的导轨为滚珠线性导轨，避免***低速运动时出现爬行现象，保证运动精度；所采用的纵梁和横梁具有封闭的箱型结构，保证有高的强度和刚度，两端左、右辅助纵梁也是为增加框架***的刚度，提高框架***的模态，避免共振现象，保证运动精度；前左立柱、前右立柱、后左立柱、后右立柱也采用中空的封闭焊接结构，其内部可以走线缆，确保外观整洁，且提高立柱的刚度，由于制造及安装误差，它们高度不可能完全相同，通过其下部的高度调整装置进行高度调节，具体的调节过程是这样的：松开高度调整装置和立柱的连接螺栓，通过旋转楔形块的调整螺栓，推动楔形块前进，由于楔形块在移动方向有斜度，当楔形块平移时就调整了立柱的高度，调整到位后固定连接螺栓，并用水泥封死。
本发明与现有扫查***的优点是：高度的自动化，所有的工作都是由计算机软件来完成，无需操作者来干预；高运动精度和检测位置精度，相对于手工检测其定位精度更高；运动轨迹的多样性，在空间要达到任意一点的任意位置和姿态需要6个自由度，而机械手本身具有6自由度，再加上X、Y移动导轨，***总的自由度达到8个，具有2个冗余自由度，这样在扫查时可以具有多姿态，为复杂曲面扫查提供避障、路径规划提供多种选择；易于实现***自动化。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的运动执行部分示意图；
图2为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的运动伺服***示意图；
图2a为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的运动伺服***主视图；
图2b为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的运动伺服***俯视图；
图3为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的横梁示意图；
图4为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的纵梁示意图；
图5为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的纵梁示意图；
图5a为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的纵梁示意图右视图；
图5b为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的纵梁示意图主视图；
图6为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的横梁座示意图；
图7为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的机械手安装座示意图；
图8为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的立柱示意图；
图9为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的高度调整装置示意图；
图10为本发明技术解决方案的多自由度大型超声扫查自动化装置的探头夹持机构示意图；
具体实施方式
图1所示，本发明中零件表面形状获取部分获得待扫查工件的表面信息，根据表面信息和探头的大小自动生成扫查轨迹，由扫查轨迹求得为实现此轨迹各个自由度的运动，把运动信息传递到运动执行部分，实现扫查运动，在扫查中根据超声波反射信号自动生成扫查的内部图像，并根据图像自动判别内部是否有缺陷及缺陷的尺寸与位置；本发明中运动执行部分由机械手***、Y轴运动***、X轴运动***和框架本体组成；机械手***包括：超声探头(1)、超声探头夹持机构(2)、工业机械手(3)、机械手安装座(4)；Y轴运动***包括：纵梁(5)和纵梁运动伺服***(50)；X轴运动***包括：前横梁(6)及前横梁运动伺服***(60)、后横梁(6a)及后横梁运动伺服***(6a0)；框架***由左辅助纵梁(7)、右辅助纵梁(7a)、前右立柱(8)、前左立柱(8a)、后左立柱(8b)、后右立柱(8c)、高度调整装置(9)、底座(10)等组成；超声探头(1)通过超声探头夹持机构(2)安装在工业机械手(3)的端部，由探头夹持机构(2)保证超声探头(1)以一定的压力作用于被扫查曲面，工业机械手(3)的底座通过螺钉安装在机械手安装座(4)上，机械手安装座(4)通过螺钉和纵梁运动伺服***(50)的四个滑块和螺母相连，纵梁运动伺服***(50)安装在纵梁(5)的下平面，纵梁(5)一端通过螺钉安装前横梁运动伺服***(60)的四个滑块和螺母上，前横梁运动伺服***(60)通过螺钉安装在前横梁(6)上，纵梁(5)另一端通过螺钉和后横梁运动伺服***(6a0)的四个滑块和螺母相连，后横梁运动伺服***(6a0)通过螺钉安装在后横梁(6a)上，左辅助纵梁(7)、右辅助纵梁(7a)通过两端螺钉连接到前横梁(6)和后横梁(6a)之间，前右立柱(8)、前左立柱(8a)通过螺钉安装在前横梁(6)两端，后左立柱(8b)、后右立柱(8c)通过螺钉安装在后横梁(6a)两端，每个立柱下面都安装有高度调整装置(9)，高度调整装置(9)通过地脚螺栓安装在底座(10)上，底座(10)放置在地面。
图2为本发明中运动伺服***示意图，运动伺服***包括驱动电机(101)、减速箱(102)、联轴器(103)、前轴承座(104)、后轴承座(104a)、丝杠(105)、螺母(106)、下左滑块(107)、上左滑块(107a)、上右滑块(107b)、下右滑块(107c)、上导轨(108)、下导轨(108a)、防撞装置(109)及底座(112)等组成，驱动电机(101)的输出轴通过法兰盘驱动减速箱(102)，减速箱的输出轴通过联轴器(103)和丝杠(105)相连，丝杠(105)安装在前轴承座(104)和后轴承座(104a)之间，前轴承座(104)和后轴承座(104a)安装在底座上，螺母(106)安装在丝杠(105)上，上左滑块(107)、上右滑块(107c)安装在上导轨(108)上、下左滑块(107a)、下右滑块(107b)安装在下导轨(108a)上，上导轨(108)和下导轨(108a)分别通过两排螺钉安装在底座(112)上，防撞装置(109)也通过螺钉安装在底座(112)上，运动伺服***通过底座(112)安装在纵梁或横梁上，安装面是(201)。
图3为本发明中前横梁(6)和后横梁(6a)示意图，它们具有相同的结构，采用箱型焊接件，(601)、(601a)处为辅助纵梁安装位置，(602)处为运动伺服***底座(112)安装位置，(603)为立柱安装位置。
图4为本发明中纵梁(5)示意图，纵梁(5)由纵梁体(51)和纵梁安装座(52)构成，纵梁安装座(52)共有四个，分别通过螺钉安装在纵梁的两端，位置(501)处为纵梁运动伺服***的安装面。
图5为本发明中纵梁体(51)示意图，图(5a)为左视图，图(5b)为右视图，横梁体(51)采用箱型焊接件，(501)处为纵梁运动伺服***的安装面，位置(502)和(502a)处为纵梁安装座安装处。
图6为本发明中纵梁安装座(52)示意图，纵梁安装座共四个，纵梁体(52)两端各安装两个，位置(521)处为安装螺母(106)处，由螺母(106)带动纵梁(5)移动，位置(522)和位置(523)处为滑块安装处，两个纵梁安装座分别安装上左滑块(107)、下左滑块(107a)、上右滑块(107c)、下右滑块(107b)。
图7为本发明中机械手安装座(4)示意图，(401)处为安装纵向螺母位置处，(402)共有四处，分别安装四个滑块，机械手通过自身的底座安装在机械手安装座(4)上，由机械手安装座(4)带动机械手移动。
图8为本发明中立柱(8)示意图，立柱采用箱型中空结构，内部的中空便于走线缆，位置(801)处为横梁安装位置，位置(802)处为高度调节装置安装位置，(803)为插头安装位置。
图9为本发明中高度调整装置(9)示意图，下楔块(91)和上楔块(92)以斜面配合，斜率相同，角度小于材料的摩擦角，通过旋转丝杠(93)带动上楔块(92)在下楔块上移动，进而调整高度，高度调整合适后用混凝土封死。
图10为本发明中探头夹持机构(2)示意图，由活塞杆(21)，气缸(22)及连接板(23)组成，活塞杆前端(210)处安装超声探头(1)，由气缸(220)处接通一定压力的气体，保证超声探头(1)以一定的压力作用于被扫查面。
总之，本发明的多自由度大型超声扫查自动化装置，具有自动化程度高、外观优美、能减轻操作者强度等优点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种多自由度大型超声扫查自动化装置，主要由零件表面扫查轨迹生成部分、运动执行部分、成像及处理软件部分组成；其特征在于：运动执行部分由机械手***、Y轴运动***、X轴运动***和框架本体组成；机械手***包括：超声探头(1)、超声探头夹持机构(2)、探头夹持机构(2)为被动空气预紧式，工业机械手(3)、工业机械手(3)为六自由度工业机械手，机械手安装座(4)；Y轴运动***包括：纵梁(5)和纵梁运动伺服***(50)；X轴运动***包括前横梁(6)及前横梁运动伺服***(60)、前横梁运动伺服***和后横梁运动伺服***同步运行，和纵梁运动伺服***及机械手联动，后横梁(6a)及后横梁运动伺服***(6a0)；框架***由左辅助纵梁(7)、右辅助纵梁(7a)、前右立柱(8)、前左立柱(8a)、后左立柱(8b)、后右立柱(8c)、高度调整装置(9)、底座(10)组成，超声探头(1)通过超声探头夹持机构(2)安装在工业机械手(3)的端部，通过机械手带动探头实现6自由度扫描运动，工业机械手(3)的安装底座通过螺钉安装在机械手安装座(4)上，机械手安装座(4)通过螺钉安装在纵梁运动伺服***(50)上，纵梁运动伺服***(50)安装在纵梁(5)的下平面，纵梁(5)前端通过螺钉安装前横梁运动伺服***(60)上，纵梁(5)后端通过螺钉安装在后横梁运动伺服***(6a0)上，左辅助纵梁(7)、右辅助纵梁(7a)通过两端螺钉连接到前横梁(6)和后横梁(6a)之间，纵梁(5)，两端分别于前横梁运动伺服***(60)、后横梁运动伺服***(6a0)相连，纵梁(5)，前横梁(6)、后横梁(6a)为焊接的箱型结构梁，左辅助纵梁(7)、右辅助纵梁(7a)装在前横梁(6)和后横梁(6a)之间前右立柱(8)、前左立柱(8a)通过螺钉安装在前横梁(6)两端，后左立柱(8b)后右立柱(8c)通过螺钉安装在后横梁(6a)两端，每个立柱下面都安装有高度调整装置(9)，高度调整装置(9)通过地脚螺栓安装在底座(10)上，右立柱(8)、前左立柱(8a)、后左立柱(8b)、后右立柱(8c)的高度通过高度调整装置(9)进行调节，高度调整装置(9)为楔形调节，调节后由螺钉紧固，并用水泥封死，底座(10)放置在地面，超声扫查装置安装在一整体的底座(10)上，底座为钢筋混土材料，前横梁运动伺服***(60)和后横梁运动伺服***(6a0)具有相同的结构。
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