CN106841394B - 平面焊接件的定位超声检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种平面焊接件的定位超声检测装置及方法，属于超声检测领域。装置的结构是：超声探头通过探头连接线与超声波检测模块连接，超声波检测模块通过PCI总线与工业计算机连接，串联机械臂是由连杆串联组成的机械臂结构，可使超声探头实现在平面结构检测；位于串联机械臂上的角度传感器将各连杆的角度变化转换为电信号反馈到数据采集卡，并通过USB连接线输入工业计算机。方法包括工件表面处理、工件表面扫查等步骤。优点在于：解决超声扫查机构复杂，占地面积大的问题，实现大尺寸焊件的定量超声检测，同时对工件内部缺陷进行高精度在线定量扫查并通过计算机拟合形成数值和图像。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测领域，特别涉及一种基于串联机械臂的平面焊接件的定位超声检测装置及方法。适用于大尺寸平面焊接件的检测。
背景技术
定量超声波检测，常采用机械机构驱动超声波探头，通过控制机械机构的运动，使超声波探头达到特定位置，并在特定区域内进行扫查。在每一个扫查点，由机械机构反馈位置信息，由超声波探头反馈工件内部状态，再通过计算机拟合，即可获得工件内部所有扫查点的缺陷信息。工件的二维表面常采用X-Y双向电机驱动机械机构并带动超声探头在工件表面进行扫查。随着工件尺寸的增加，机械机构的尺寸、复杂程度和加工难度也随之增加，其成本也更加昂贵，同时精度保证更加困难，亟待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面焊接件的定位超声检测装置及方法，适用于大尺寸平面焊接件的检测，解决了现有技术存在的超声扫查机构复杂，占地面积大的问题，实现大尺寸焊件的定量超声检测，同时对工件内部缺陷进行高精度在线定量扫查，并通过计算机拟合形成数值和图像。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
平面焊接件的定位超声检测装置，包括工业计算机1、超声探头7、超声波检测模块3、串联机械臂4、角度传感器和数据采集卡6。超声探头7通过探头连接线与超声波检测模块3连接，超声波检测模块3由超声波脉冲发射电路、超声波接收电路和A/D 模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机1连接，串联机械臂4是由连杆串联组成的机械臂结构，可使超声探头7实现在串联机械臂所能达到的平面范围内进行检测；位于串联机械臂4上的角度传感器A501、角度传感器B502将各连杆的角度变化转换为电信号反馈到数据采集卡6，并通过USB连接线输入工业计算机1。
所述的串联机械臂4是：底座401为固定串联机械臂4的基座，连杆A402与底座401相连，连杆B403与连杆A402相连；在连杆A402和连杆B403上分别螺接角度传感器A501和角度传感器B502，以测量连杆A402和连杆B403的旋转角度；为保证旋转顺畅，在连杆A402与底座401连接处安装大轴承A404，在连杆B403与连杆A402连接处安装大轴承B405；销A406通过顶丝与底座401固定在一起，在角度传感器A501与销A406之间设置联轴器A408并通过顶丝固定在一起；为保证旋转顺畅，在联轴器A408与连杆A402之间安装小轴承A407；销B409通过顶丝与连杆B403固定在一起，在角度传感器B502与销B409之间设置联轴器B并通过顶丝固定在一起，在联轴器B410与连杆A402之间安装小轴承B411；超声探头连接线2和超声探头7固定在连杆B403上，随连杆B403的位置和姿态变化，超声探头7可到达扫查范围内平面任意位置进行检测。
所述的工业计算机1为强固型便携机，作为人机交互界面协调控制超声波检测模块3及数据采集卡6，完成超声探头7位置信息和检测数据信息的分析处理和结果的输出；所述人机交互界面主要由参数设置区、A 扫描信号区、C 扫描成像区和计算结果显示区等构成。
所述的超声探头7为单点式超声探头，超声频率根据焊接件的材料及板厚进行选择，超声探头7通过探头连接线与超声波检测模块3连接，实现在非水浸的情况下对平面焊接件进行扫描检测。
所述的超声波检测模块3由集成设计在一块PCI 总线主板上的超声波脉冲发射电路、超声波接收电路和A/D 模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机1连接，其作用是发射和采集超声波脉冲，将回波脉冲的模拟信号转化为数字信号并传入工业计算机。
所述的角度传感器A501、角度传感器B502采用高精度增量式角度传感器，内置光码盘，角度传感器每旋转一个角度，输出一次脉冲值。角度传感器可以将各连杆的角度变化转换为电信号反馈到数据采集卡；并通过USB连接线输入计算机。
所述的数据采集卡6为USB多通道数据采集卡，输入端通过数据线与角度传感器A501、角度传感器B502相连，每个通道连接一个角度传感器；输出端通过USB连接线与工业计算机1相连，其作用在于读取各个角度传感器的脉冲数，并反馈至工业计算机。
本发明的另一目的在于提供一种平面焊接件的定位超声检测方法，包括如下步骤：
步骤1、工件表面处理：在超声波扫查之前，需要对工件表面进行除尘、除油、涂抹耦合剂处理，减少工件表面杂质对超声信号的干扰；
步骤2、工件表面扫查，采集工件内部的超声信号，同时识别缺陷信息；
2.1 通过手持固定在串联机械臂端部的超声探头，在工件表面进行往复扫查运动，其中，手持探头运动的最高速度V(mm/s)的决定因素包括：超声卡的采样频率fs(Hz)；被扫查件的精度要求ε(mm)和串联式机械臂坐标反馈时间t(s)，其基本计算公式为：
V≤min（ε×fs，ε/t）
2.2 在手动扫查路径中的任一点，采集串联式机械臂上的角度传感器A、角度传感器B反馈的角度信息θ1，θ2，其中，θ1为连杆A402相对于底座旋转的角度，θ2为连杆B403相对于连杆A402旋转的角度；
2.3 根据角度传感器A、角度传感器B反馈的信息，计算超声探头所处坐标位置(X2,Y2)；
其中，底座的坐标位置为（X0,Y0），根据连杆A的长度a1和连杆A相对于底座的旋转角度θ1，可以求得角度传感器B502的坐标O1（X1,Y1）分别为：
X1= a1*sinθ1
Y1= a1*cosθ1
在经历两次变换后O2相对于O0的坐标为：
X2= a1*sinθ1+ a2*sinθ2
Y2= a1*cosθ1+ a2*cosθ2
其中，a1为连杆A的长度，a2为连杆B的长度，θ1为连杆A相对于底座旋转的角度，θ2为连杆B相对于底座旋转的角度；
根据以上算法，即可根据两个角度传感器A、B反馈的角度信息，计算出超声探头所处的位置坐标(X2,Y2)；
2.4 在同一点进行超声波发射及回波信号数据采集，数据处理模块根据内置算法，对回波信号进行去噪处理；根据超声波在界面处反射的特性，当超声波在工件内部遇杂质、裂纹、未焊合等缺陷时，由于缺陷与工件母材有明显的界面，因此会在当前位置反射回波，在内置算法中设定回波检测阀值，即可进行缺陷有无的特征判定；
2.5 手动移动超声探头至下一个扫描点，进行重复A扫描检测；在完成所有扫描点的检测后，超声探头回到原点位置；
2.6 将所有点的数据构成一个二维矩阵，然后按照一定的编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；对初始C扫描图像进行分割处理，然后对图像的内部缺陷特征进行识别，并通内置算法计算焊缝及内部缺陷的面积，完成对焊接产品的检测。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种大尺寸平面焊接件的定位超声检测方法及装置，解决超声扫查机构复杂，占地面积大的问题，实现大尺寸焊件的定量超声检测，同时对工件内部缺陷进行高精度在线定量扫查并通过计算机拟合形成数值和图像。本发明结构简单，加工难度较低，在保证检测高精度的同时使得制造成本大大降低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的平面焊接件的定位超声检测装置的结构示意图；
图2为本发明的平面焊接件的定位超声检测装置的串联机械臂的结构示意图；
图3为本发明的平面焊接件的定位超声检测装置的***模块流程图；
图4为本发明的平面焊接件的定位超声检测装置的***扫查流程图；
图5为本发明的扫查结果示意图。
图中：1、工业计算机；2、超声探头连接线；3、超声波检测模块；4、串联机械臂；401、底座；402、连杆A；403、连杆B；404、大轴承A；405、大轴承B；406、销A；407、小轴承A；408、联轴器A；409、销B；410、联轴器B；411、小轴承B；501、角度传感器A；502、角度传感器B；6、数据采集卡；7、超声探头。
具体实施方式
下面结合附图，以医疗行业常用的蜂窝钎焊板工件检测为例，进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1及图2所示，本发明的平面焊接件的定位超声检测装置，包括工业计算机1、超声探头7、超声波检测模块3、串联机械臂4、角度传感器和数据采集卡6。超声探头7通过探头连接线与超声波检测模块3连接，超声波检测模块3由超声波脉冲发射电路、超声波接收电路和A/D 模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机1连接，串联机械臂4是由连杆串联组成的机械臂结构，可使超声探头7实现在一定范围内的平面结构检测；位于串联机械臂4上的角度传感器A501、角度传感器B502将各连杆的角度变化转换为电信号反馈到USB多通道数据采集卡6，并通过USB连接线输入工业计算机1。
所述的串联机械臂4是：底座401为固定串联机械臂4的基座，连杆A402与底座401相连，连杆B403与连杆A402相连；在连杆A402和连杆B403上分别螺接角度传感器A501和角度传感器B502，以测量连杆A402和连杆B403的旋转角度；为保证旋转顺畅，在连杆A402与底座401连接处安装大轴承A404，在连杆B403与连杆A402连接处安装大轴承B405；销A406通过顶丝与底座401固定在一起，在角度传感器A501与销A406之间设置联轴器A408并通过顶丝固定在一起；为保证旋转顺畅，在联轴器A408与连杆A402之间安装小轴承A407；销B409通过顶丝与连杆B403固定在一起，在角度传感器B502与销B409之间设置联轴器B并通过顶丝固定在一起，在联轴器B410与连杆A402之间安装小轴承B411；超声探头7固定在连杆B403上，随连杆B403的位置和姿态变化，超声探头7可到达扫查范围内平面任意位置进行检测。
所述的工业计算机1为强固型便携机，作为人机交互界面，用于协调控制超声波检测模块3及数据采集卡6，完成超声探头7位置信息和检测数据信息的分析处理和结果的输出；所述人机交互界面主要由参数设置区、A 扫描信号区、C 扫描成像区和计算结果显示区等构成。
所述的超声探头7为单点式超声探头，超声频率根据焊接件的材料及板厚进行选择，超声探头7通过探头连接线与超声波检测模块3连接，实现在非水浸的情况下对平面焊接件进行扫描检测。
所述的超声波检测模块3由集成设计在一块PCI 总线主板上的超声波脉冲发射电路、超声波接收电路和A/D 模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机1连接，其作用是发射和采集超声波脉冲，将回波脉冲的模拟信号转化为数字信号并传入工业计算机。
所述的角度传感器A501、角度传感器B502采用高精度增量式角度传感器，内置光码盘，角度传感器每旋转一个角度，输出一次脉冲值。角度传感器可以将各连杆的角度变化转换为电信号反馈到数据采集卡；并通过USB连接线输入计算机。
所述的数据采集卡6为USB多通道数据采集卡，输入端通过数据线与角度传感器A501、角度传感器B502相连，每个通道连接一个角度传感器；输出端通过USB连接线与工业计算机1相连，其作用在于读取各个角度传感器的脉冲数，并反馈至工业计算机。
参见图3及图4所示，本发明的平面焊接件的定位超声检测方法，包括如下步骤：
步骤1、工件表面处理：在超声波扫查之前，需要对工件表面进行除尘、除油、涂抹耦合剂处理，减少工件表面杂质对超声信号的干扰；
步骤2、工件表面扫查，采集工件内部的超声信号，同时识别缺陷信息；
2.1 将串联机械臂的基座固定在工件上，调整位置，使串联机械臂扫查范围覆盖工件待扫查区域。本工件的待扫查区域尺寸为1.000m*0.800m，两侧的板厚分别为2mm（板材）+4mm（蜂窝层）+2mm（板材），串联机械臂的连杆长度a1、a2均为0.750m。
2.2通过手持固定在串联机械臂端部的超声探头，在工件表面进行往复扫查运动，其中，手持探头运动的最高速度V(mm/s)的决定因素包括：超声卡的采样频率fs(Hz)；被扫查件的精度要求ε(mm)和串联式机械臂坐标反馈时间t(s)，其基本计算公式为：
V≤min（ε×fs，ε/t）
2.3在手动扫查路径中的任一点，采集串联式机械臂上的角度传感器A、角度传感器B反馈的角度信息θ1，θ2，其中，θ1为连杆A402相对于底座旋转的角度，θ2为连杆B403相对于连杆A402旋转的角度；
2.4根据角度传感器A、角度传感器B反馈的信息，计算超声探头所处坐标位置(X2,Y2)；
其中，底座的坐标位置为（X0,Y0），根据连杆A的长度a1和连杆A相对于底座的旋转角度θ1，可以求得角度传感器B502的坐标O1（X1,Y1）分别为：
X1= a1*sinθ1
Y1= a1*cosθ1
在经历两次变换后O2相对于O0的坐标为：
X2= a1*sinθ1+ a2*sinθ2
Y2= a1*cosθ1+ a2*cosθ2
其中，a1为连杆A的长度，a2为连杆B的长度，θ1为连杆A相对于底座旋转的角度，θ2为连杆B相对于底座旋转的角度；
根据以上算法，即可根据两个角度传感器A、B反馈的角度信息，计算出超声探头所处的位置坐标(X2,Y2)；
2.5在同一点进行超声波发射及回波信号数据采集，数据处理模块根据内置算法，对回波信号进行去噪处理；根据超声波在界面处反射的特性，当超声波在工件内部遇杂质、裂纹、未焊合等缺陷时，由于缺陷与工件母材有明显的界面，因此会在当前位置反射回波，在内置算法中设定回波检测阀值，即可进行缺陷有无的特征判定；
2.6手动移动超声探头至下一个扫描点，进行重复A扫描检测；在完成所有扫描点的检测后，超声探头回到原点位置；
2.7将所有点的数据构成一个二维矩阵，然后按照一定的编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；对初始C扫描图像进行分割处理，然后对图像的内部缺陷特征进行识别，并通内置算法计算焊缝及内部缺陷的面积，完成对焊接产品的检测。
参见图5所示，所述的人机交互界面主要由参数设置区、A 扫描信号区、C 扫描成像区和计算结果显示区等构成。最终计算出蜂窝钎焊板工件的焊缝面积为0.0864m2，内部缺陷的面积为0.0336m2，同时将扫描结果反馈到C扫描成像区。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种平面焊接件的定位超声检测装置，其特征在于：包括工业计算机（1）、超声探头（7）、超声波检测模块（3）、串联机械臂（4）、角度传感器和数据采集卡（6），超声探头（7）通过探头连接线与超声波检测模块（3）连接，超声波检测模块（3）由超声波脉冲发射电路、超声波接收电路和A/D 模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机（1）连接，串联机械臂（4）是由连杆串联组成的机械臂结构，可使超声探头（7）实现在串联机械臂所能达到的平面范围内进行检测；位于串联机械臂（4）上的角度传感器A（501）、角度传感器B（502）将各连杆的角度变化转换为电信号反馈到数据采集卡（6），并通过USB连接线输入工业计算机（1）；
所述的串联机械臂（4）是：底座（401）为固定串联机械臂（4）的基座，连杆A（402）与底座（401）相连，连杆B（403）与连杆A（402）相连；在连杆A（402）和连杆B（403）上分别螺接角度传感器A（501）和角度传感器B（502），以测量连杆A（402）和连杆B（403）的旋转角度；在连杆A（402）与底座（401）连接处安装大轴承A（404），在连杆B（403）与连杆A（402）连接处安装大轴承B（405）；销A（406）通过顶丝与底座（401）固定在一起，在角度传感器A（501）与销A（406）之间设置联轴器A（408）并通过顶丝固定在一起；在联轴器A（408）与连杆A（402）之间安装小轴承A（407）；销B（409）通过顶丝与连杆B（403）固定在一起，在角度传感器B（502）与销B（409）之间设置联轴器B（410）并通过顶丝固定在一起，在联轴器B（410）与连杆A（402）之间安装小轴承B（411）；超声探头连接线（2）和超声探头（7）固定在连杆B（403）上，随连杆B（403）的位置和姿态变化，超声探头（7）可到达扫查范围内平面任意位置进行检测。
2.根据权利要求1所述的平面焊接件的定位超声检测装置，其特征在于：所述的工业计算机（1）为强固型便携机，作为人机交互界面协调控制超声波检测模块（3）及数据采集卡（6），完成超声探头（7）位置信息和检测数据信息的分析处理和结果的输出；所述人机交互界面由参数设置区、A 扫描信号区、C 扫描成像区和计算结果显示区构成。
3.根据权利要求1所述的平面焊接件的定位超声检测装置，其特征在于：所述的超声探头（7）为单点式超声探头，超声频率根据焊接件的材料及板厚进行选择，超声探头（7）通过探头连接线与超声波检测模块（3）连接，实现在非水浸的情况下对平面焊接件进行扫描检测。
4.根据权利要求1所述的平面焊接件的定位超声检测装置，其特征在于：所述的超声波检测模块（3）由集成设计在一块PCI 总线主板上的超声波脉冲发射电路、超声波接收电路和A/D 模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机（1）连接，其作用是发射和采集超声波脉冲，将回波脉冲的模拟信号转化为数字信号并传入工业计算机。
5.根据权利要求1所述的平面焊接件的定位超声检测装置，其特征在于：所述的角度传感器A（501）、角度传感器B（502）采用增量式角度传感器，内置光码盘，角度传感器每旋转一个角度，输出一次脉冲值。
6.根据权利要求1所述的平面焊接件的定位超声检测装置，其特征在于：所述的数据采集卡（6）为USB多通道数据采集卡，输入端通过数据线与角度传感器A（501）、角度传感器B（502）相连，每个通道连接一个角度传感器；输出端通过USB连接线与工业计算机（1）相连。
7.一种平面焊接件的定位超声检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、工件表面处理：在超声波扫查之前，对工件表面进行除尘、除油、涂抹耦合剂处理，减少工件表面杂质对超声信号的干扰；
步骤2、工件表面扫查，采集工件内部的超声信号，同时识别缺陷信息；
2.1 通过手持固定在串联机械臂端部的超声探头，在工件表面进行往复扫查运动，其中，手持探头运动的最高速度V(mm/s)的决定因素包括：超声卡的采样频率fs(Hz)；被扫查件的精度要求ε(mm)和串联式机械臂坐标反馈时间t(s)，其基本计算公式为：
V≤min（ε×fs，ε/t）
2.2 在手动扫查路径中的任一点，采集串联式机械臂上的角度传感器A、角度传感器B反馈的角度信息θ1，θ2，其中，θ1为连杆A（402）相对于底座旋转的角度，θ2为连杆B（403）相对于连杆A（402）旋转的角度；
2.3 根据角度传感器A、角度传感器B反馈的信息，计算超声探头所处坐标位置(X2,Y2)；
2.4 在同一点进行超声波发射及回波信号数据采集，数据处理模块根据内置算法，对回波信号进行去噪处理；根据超声波在界面处反射的特性，当超声波在工件内部遇杂质、裂纹、未焊合缺陷时，由于缺陷与工件母材有明显的界面，因此会在当前位置反射回波，在内置算法中设定回波检测阈 值，即可进行缺陷有无的特征判定；
2.5 手动移动超声探头至下一个扫描点，进行重复A扫描检测；在完成所有扫描点的检测后，超声探头回到原点位置；
2.6 将所有点的数据构成一个二维矩阵，然后将其转化为该扫描区域的C扫描图像；对初始C扫描图像进行分割处理，然后对图像的内部缺陷特征进行识别，并通内置算法计算焊缝及内部缺陷的面积，完成对焊接产品的检测。
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