CN103018341B - 一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架 - Google Patents

一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，可用于超声相控阵换能器声场的扫查，实现超声相控阵换能器的焦点距离、焦区尺寸、声束扩散角以及声束偏转角的测量。超声相控阵换能器通过内六角螺丝安装在探头夹持装置上，水听器通过顶丝固定在水听器夹持装置上，并通过各坐标轴运动单元电机带动水听器相对超声相控阵换能器运动，进行声场的三维扫查，从而得到超声相控阵换能器的空间声压分布，再根据该声场分布便可计算出超声相控阵换能器的焦点距离、焦区尺寸、声束扩散角以及声束偏转角。本发明扫查架的最大特点是高刚度，有利于减少扫查过程中运动机构变形和振动引起的误差，提高了声场测量的精度。

Description

一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架
技术领域：
本发明涉及超声无损检测领域，特别涉及超声相控阵换能器声场测量，是一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架。
背景技术
超声相控阵检测技术是一种新的超声波检测技术。超声相控阵换能器是用若干压电阵元组成的阵列换能器，通过对其各阵元激励信号的相位控制，实现对其声束的偏转和聚焦控制。与单阵元超声检测技术相比，超声相控阵技术具有以下优点：
（1）采用电子方法控制声束聚焦和偏转，可以在不移动或少移动探头的情况下进行快捷的扫查，提高检测速度。
（2）具有良好的声束可达性，能对复杂几何形状的工件进行探查。
（3）通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高。
基于以上优点超声相控阵换能器已越来越广泛的被应用于超声无损检测中，超声相控阵换能器作为超声相控阵无损检测的核心部件，其性能对检测的效果至关重要，应当在使用前进行测量和确认。本发明设计了一种用于超声相控阵换能器声场特性测量的高刚度三坐标扫查架。
发明内容：
本发明提供一种适用于超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架。该扫查架具有刚度高，稳定性好，运动平稳等特点，最大程度的减弱了振动和变形给声场测量带来的误差。配合超声相控阵换能器声场电子测量系统可实现超声相控阵换能器的焦距，焦点尺寸以及声束偏转角和声束扩散角的自动测量。
本发明超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架包括了基架和X，Y，Z三个方向的运动单元，基架是由若干根铝合金立柱构成，各支柱间通过穿透式螺栓连接，而非传统的角铁连接，从而大大提高了扫查架的整体刚度。各运动单元采用滚珠丝杆传动，滚珠丝杠螺母副采用双螺母预紧，其预紧力约为最大轴向负荷的三分之一。各轴的驱动电动机采用法兰安装方式固定在运动单元上。
在X方向运动单元上采用整体式导轨导向，采用了两套运动单元，两根导轨，双电机驱动，从而提高了X轴运动导向刚度。Y轴方向直线运动单元的两个导轨采用大跨距设计，提高了Y轴滑块的刚度，继而提高了连接在Y轴滑块上的Z轴直线运动单元的稳定性。针对水听器和超声相控阵换能器的固定，分别设计了L形板、尼龙块、探杆、连接件和各自的夹持装置，对于水听器的固定，先通过螺栓将尼龙块固定在Z方向运动单元的滑块上，再通过顶丝将探杆固定在尼龙块上，探杆和水听器夹持装置间通过一个双头螺纹连接件连接，最后通过两个顶丝将水听器固定在水听器夹持装置上，从而保证了水听器与探杆的垂直度。对于超声相控阵换能器的固定，先通过T形螺母将L形板固定在基架上，接着用同样的方法固定尼龙块、探杆和超声相控阵换能器夹持装置，最后通过螺钉将超声相控阵换能器固定在夹持装置上。
综以上所采取的技术方案，现实了本发明的目的。
本发明的有益效果是：采用本发明方法实现的三坐标扫查架，结构紧凑，刚度高，有利于保证声场测量结果的准确性和精确性。
附图说明：
图1本发明超声相控阵换能器声场扫查架整体结构图
图2本发明基架各立柱间连接结构图
图3 Y轴运动单元支架
图4本发明水听器夹持装置结构图
图5本发明超声相控阵换能器夹持装置结构图
图6本发明X轴导轨座连接方式
在图1-6中，1：基架；2：Y轴支架1；3：X轴运动单元1；4：X轴联轴器；5：X轴电机法兰；6：X轴电机；7：Z轴运动单元；8：Z轴联轴器；9：Z轴电机；10：Z轴电机法兰；11：Y方向运动单元；12：Y轴联轴器；13：Y轴电机；14：Y轴电机法兰；15：Y轴支架2；16：X方向运动单元；17：L形板；18：水听器夹持装置；19：探杆；20：超声相控阵换能器夹持装置；21：铝合金立柱；22：内六角螺钉；23：X轴滑块；24：水听器顶丝；25：连接件；26：水听器；27：超声相控阵换能器；28：T形螺母；29：内六角螺栓；30：X轴运动导轨座
具体实施方案：
本发明超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，如图1所示，若干根铝合金支柱(21)，通过穿透式螺钉(22)连接，如图2所示，从而构成了扫查架的基架(1)。基架(1)上通过内六角螺栓(29)和T形螺母(28)安装了两套X方向的运动单元(3)(16)，如图6所示；一套Y方向运动单元(11)通过两个“⊥”形整体支架(2)(15)安装在X运动单元的滑块上，如图3所示；Z方向运动单元(7)安装在Y运动单元(11)的滑块上。各运动单元的滑块由滚珠丝杆螺母带动，各轴的丝杆由电动机(6)(9)(13)驱动。
其中Z方向运动单元的滑块上通过两个尼龙块固定了一根探杆，水听器夹持装置(18)通过一连接件(25)固定在探杆上，如图4所示。在基架(1)上通过T形螺母固定了一个L形板(17)，L形板上同样通过两个尼龙块固定了一根探杆(19)，探杆上通过连接件(25)连接了一个超声相控阵换能器夹持装置(20)，如图5所示。

Claims (6)

1.一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，其特征在于：
所述扫查架由若干根铝型材支柱(21)构成一个立方体基架(1)，各支柱间通过第一内六角螺栓(22)连接；
所述基架(1)上安装了两套X轴方向的运动单元(3)(16)，一套Y轴方向运动单元(11)和一套Z轴方向运动单元(7)；
所述X轴方向采用双电机驱动，通过采用相同软件指令的方式实现两套X轴方向的运动单元同步；
所述Z轴方向上通过两个尼龙块固定了一根探杆，所述探杆上通过第一连接件(25)固定有一水听器夹持装置(18)；
在所述基架(1)上还通过T形螺母固定了一个L形板(17)，所述L形板上同样通过两个尼龙块固定了一根探杆(19)，所述探杆上通过第二连接件(25)连接了一个超声相控阵换能器夹持装置(20)。
2.根据权利要求1所述的一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，其特征在于：所述扫查架基架由铝型材构造，水平杆与立柱间由与第一内六角螺栓(22)相同的内六角螺栓进行穿透式连接固定，而非采用角接件连接。
3.根据权利要求1所述的一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，其特征在于：所述X轴方向运动单元(3)(16)，采用整体式导轨导向，而非组合式导轨导向。
4.根据权利要求1所述的一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，其特征在于：所述Y轴方向运动单元(11)采用2个“T”形Y轴支架(2)(15)支撑，每个“T”形Y轴支架(2)(15)垂直内嵌于X轴运动单元(3)(16)。
5.根据权利要求1所述的一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，其特征在于：根据水听器和相控阵探头的具体形状，设计了水听器夹持装置(18)和超声相控阵换能器夹持装置(20)，并且夹持装置与探杆 的连接采用了将水听器夹持装置(18)和第一连接件(25)、超声相控阵换能器夹持装置(20)和第二连接件(25)分开设计的方法。
6.根据权利要求1所述的一种超声相控阵换能器声场扫查的高刚度三坐标扫查架，其特征在于：所述X轴方向导轨座与铝型材支柱(21)之间通过T形螺母(28)和第二内六角螺栓(29)连接。
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