[发明专利]超声检测换能器位置姿态自动调整装置

说明书

一、技术领域

本发明提供的是一种在喷水式超声扫查检测过程中换能器位置姿态自动调整装置。在扫查检测过程中控制换能器位姿，保证换能器的轴线与构件形廓的法线方向一致，在检测时获得较强的回波信号和较高检测精度。 

二、技术背景

圆弧曲面在机械加工和制造中较为常见，如高压罐壳体为曲面体，这些曲面位置加工过程中易产生缺陷和应力集中现象，对这类缺陷的检测至关重要。喷水式超声扫查检测可以对此类缺陷进行检测成像，为提高检测灵敏度，排除曲面对入射声束偏转角度的影响，最好使声束入射方向与被测点处的表面法线重合。由于曲面工件的表面法线方向随位置变化而变化，因此，需要在检测时实时对超声换能器声束进行调整，也就是需要换能器的位置姿态对曲面曲率变化进行实时形廓跟踪。 

三、发明内容

在普通超声扫查机构的终端加装一个两个旋转轴的数控跟随装置，将超声换能器固定在该装置上。通过两个步进电机带动换能器实现两个垂直方向上摆动。由于运动部件的转动惯量较小，可以由步进电机直接驱动，转角位置可由精密光学编码器读取。 

在扫查过程中，当超声换能器到达某一表面位置时，该装置根据计算机中存储的被测工件表面廓型信息(即构件表面位置的曲率信息)，并将此位置的位姿信息通过运动控制系统反馈给数控调整装置，计算机据此控制超声换能器的位姿实现对构件跟踪检测，能够保证换能器的轴线与构件形廓的法线方向一致，这种调整装置速度较快且价格低廉。 

四、附图说明

图1是超声换能器位置姿态自动调整装置； 

图2是扫查中超声换能器位置姿态自动调整过程； 

图3是扫查中被测工件表面廓型信息与换能器位姿调整关系； 

图4是超声换能器位置姿态自动调整装置控制系统原理； 

五、具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述： 

结合图1，所示为本发明中的超声换能器位置姿态自动调整装置机械结构，包括A轴驱动电机1，B轴旋转支架2，喷水式超声换能器3，滑动导杆4，B轴驱动电机5，B轴电机固定座6和A轴旋转支架7组成。A轴电机1和B轴电机5分别安装在A轴旋转支架7和B轴旋转支架2上，A轴旋转支架7与B轴旋转支架2相连，B轴旋转支架2安装在导杆4的末端，可以随导杆4上下运动，导杆4固定在扫查系统的终端移动平台上。为了保证系统的防水性能，带喷嘴的超声换能器反射端面置于A、B轴电机的下方，被测工件表面的上方，且各电路 接口之间通过密封并屏蔽的导线连接，保证信号的可靠传输。。 

结合图2，扫查时在超声换能器位置姿态自动调整过程中，需要保证换能器的轴线与被测构件形廓的法线方向一致。被测工件表面上各测量点的位置可用二维坐标值定量表示，横坐标x(i)表示第i个测量点在横轴方向上相对测量起点的距离，第i个测量点的纵坐标y(i)＝dsin(θ_i)，其中θ_i为换能器轴线方向的变量值，d为水声距。。 

结合图3，如果已有被测工件的CAD模型，可以在检测中通过工控机控制程序直接读取被测工件的CAD文件，根据工件的CAD模型自动生成扫查工序(扫查工序也可人工调整)，据此控制换能器位姿调整过程；如果没有被测工件的CAD模型，需要通过测量轮廓关键点获取重建的轮廓模型。采用与手写板相同的原理，利用示教程序，获取工件形廓上的一些关键点，重建轮廓模型进行扫描路径规划。测量点的选取与形廓线的曲率变化关系很大，曲率变化较小时可以选较大的测量间距，曲率变化较大时要缩小测量点间距。在超声自动测量中，水声距选取过小时，容易造成超声换能器、夹具和待测工件之间的碰撞。为保证测量过程的安全，一般让超声换能器在工件上方的安全区域运动，依靠水声距求取被测点的位置信息。 

结合图4，调整装置的运动控制系统采用“PC+运动控制卡+驱动单元”的上下位机双CPU的主从型多轴运动控制方案。这种方式开发难度小、方便实用、成本较低。自动调整装置控制系统由运动控制卡、电机驱动器、步进电机以及位置编码器组成。首先由工控机读取工件表面廓型信息，生成扫查工序，将运动命令通过PCI总线传给运动控制卡，然后运动控制卡通过驱动器驱动各方向的步进电机运动，位置编码器将实际运动位置反馈给运动控制卡，再由运动控制卡来判断是否要进行位置补偿，以保证系统具有足够的位置控制精度和足够快的响应速度。