CN103175901A - 适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，包括结构主体、磁性滚动机构、驱动机构和控制机构，所述磁性滚动机构安装在所述结构主体的底面，所述控制机构控制所述驱动机构驱动所述磁性滚动机构滚动，从而带动所述结构主体沿待检焊缝移动进行超声扫查，所述结构主体包括底板和侧板，所述底板和侧板分别通过其一侧边相铰接形成可翻转结构，所述侧板上纵向安装有升降机构。本发明克服了现有超声自动扫查装置不能适应流线型多变角焊缝扫查所存在的种种缺陷。

Description

适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置

技术领域

本发明涉及一种不规则角焊缝的超声扫查装置，具体涉及一种可用于具有空间限制的、流线型多变角焊缝的超声扫查的超声自动扫查装置。

背景技术

超声检测法具有检测范围大、灵敏度高、速度快，能够对缺陷定位定量等优点，因此在工业检测中得到了广泛应用。

在超声检测方法中，人工检测方式检测效率低，部分构件因运行环境恶劣或检测空间狭小、受检焊缝结构复杂，存在不宜进行人工检测或存在人工检测难度大的问题。如核电站材料长期在核辐射情况下运行，不易采用人工对这些材料进行超声检测，又如，混流可逆式水轮机，其具有转轮流道狭长、叶片与上冠、下环角焊缝多变等特点，也不适合人工超声检测。

随着超声检测技术的不断发展，人们研发出超声自动扫查装置。现有的超声自动扫查装置主要应用于规则焊缝的检测中，如平板焊缝、角度固定的角焊缝、管道环焊缝、球罐环焊缝等。现有的超声自动扫查装置多以轨道方式爬行或磁性轮吸附方式爬行。轨道式爬行装置主要适用于便于铺设轨道的规则焊缝检测，如管道环焊缝；磁性轮吸附式爬行装置主要适用于装置行进路线为直线的焊缝检测，如平板焊缝。可见，现有的这些超声自动扫查装置的的爬行方式均无法适用于爬行面为变曲率曲面、行走轨迹沿着变曲率角焊缝的构件的检测。

另外，现有角焊缝的超声自动扫查装置，探头贴合面和装置爬行面大多为同一个面，也有些超声自动扫查装置其探头贴合面和装置爬行面为不同的面，但这两个面之间的角度是固定的。对于探头贴合面和装置爬行面为同一个面的装置，一般装置尺寸较大，不宜在小空间内进行检测；对于探头贴合面和装置爬行面在不同面但夹角固定的装置，不适用于角度变化的焊缝的扫查。

上述磁性轮吸附式爬行装置还具有如下缺点，在检测现场，磁性轮的强大磁力会导致装置取放不便，而且铁磁性杂质吸附在轮上后还会对轮子旋转造成阻碍。

对于受检焊缝为流线型多变角焊缝，扫查器需要沿着受检角焊缝上的特定轨迹行进并进行超声检测。以混流式水轮机转轮为例，混流式水轮机转轮的上冠和下环距离小，叶片间距小，流道狭长，且叶片与上冠、下环之间的角焊缝为变曲率流线型角焊缝，相连接形成角焊缝的腹板和翼板间的角度，腹板、翼板的厚度，它们的表面曲率、位置均在不断变化。

上冠和下环距离小，叶片间距小，流道狭长，导致叶片与上冠、下环之间角焊缝的检测空间狭小，所以要求扫查器尺寸要小。还有，扫查器需要适应受检角焊缝的腹板、翼板之间角度的不断变化和它们表面曲率的变化，以及腹板、翼板空间姿态的不断变化。另外，腹板、翼板厚度不断变化，意味着探头离受检角焊缝的距离要不断调整，以保证探头沿着流线型多变角焊缝上的特定轨迹行走。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置。

本发明通过如下技术方案解决其技术问题，一种适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，包括结构主体、磁性滚动机构、驱动机构和控制机构，所述磁性滚动机构安装在所述结构主体的底面，所述控制机构控制所述驱动机构驱动所述磁性滚动机构滚动，从而带动所述结构主体沿待检焊缝移动进行超声扫查，其特征在于，所述结构主体包括底板和侧板，所述底板和侧板分别通过其一侧边相铰接形成可翻转结构，所述侧板上纵向安装有升降机构。

本发明的底板与装置爬行面贴合，侧板与探头贴合面贴合，探头贴合面和装置爬行面不在同一平面上，有利于减小超声自动扫查装置的体积，使其适应于小空间的检测；另外，本发明的底板和侧板形成可翻转结构，以便适应角度变化的焊缝的扫查；本发明通过其磁性滚动机构实现沿焊缝爬行，以便适应焊缝的不同空间姿态；本发明沿其侧板纵向设有升降机构，将超声探头安装在所述升降机构后，可随时调整探头离焊缝的距离，以便探头可以沿着焊缝上的特定轨迹行走。综上所述，本发明克服了现有超声自动扫查装置不能适应流线型多变角焊缝扫查所存在的种种缺陷。

作为对本发明的一种改进，所述超声自动扫查装置还包括探头夹，所述探头夹通过旋转机构安装在所述升降机构上与所述升降机构同步升降。

作为对本发明的进一步改进，所述旋转机构与所述探头夹之间还设有弹性结构，以便在进行超声扫查时，使超声探头可以与探头贴合面更好的贴合。

所述探头夹与弹性结构之间还设有用于调整所述弹性结构形变量的电磁铁。在进行扫查时，探头在所述弹性结构的作用下，与探头贴合面紧密贴合，在需要移动所述超声自动扫查装置时，可以通过调整所述弹性结构的形变量，使探头离开所述探头贴合面，以便减小装置在移动时，探头与探头贴合面之间的摩擦阻力。

所述磁性滚动机构由若干个电磁铁、若干个万向球和一个辊轮组成，所述辊轮安装在所述底板后部，所述万向球分布在底板的前部和侧板的前、后部，其中，底板前部设置一个，侧板的前部设置一个，后部并排设置有两个，所述电磁铁分布在底板和侧板的底面，通过给所述电磁铁通电或调节电磁铁电流大小，保证所述辊轮和万向球紧密贴合在爬行面上。本发明此处采用万向球，一方面能更好的适应在变曲率面上行走，另外，使用万向球还可以在扫查装置突然改变方向时不会出现使用万向轮所存在的死点。

所述辊轮包括轮毂和柔性的橡胶轮套，所述轮毂表面轮廓具有如下特征：中间和两侧为圆弧形凹陷，三段圆弧形凹陷面之间以柱面连接，所述橡胶轮套包裹在轮毂外，内侧与轮毂相粘合，外侧为圆柱面，此种结构能让装置在同时具有平面、凹面、凸面的爬行面上更好的爬行。

所述控制机构包括三轴陀螺仪和加速度传感器，可以检测扫查装置当前所在的空间状态，自动调整各电磁铁的电流大小改变吸附力，使所述扫查装置可以以各种空间姿态稳定运行。

所述底板的前、后部都装有激光测距管，可以检测扫查装置是否行走到装置爬行面边缘，若走到边缘，则通过控制机构控制扫查装置停止行进。

所述底板中部凹陷，底板与侧板铰接的侧边在凹陷区域为一缺口，缺口的两侧壁上相对的设置有一对轴承座，所述侧板通过邻近其侧边两端上横向设置的连接轴插入设置在所述轴承座内的轴承中，实现与所述底板的铰接；所述侧板中部竖向设有一长方形开口，构成超声探头在侧板上的竖向移动范围，所述长方形开口的下边缘高度靠近底板上凹陷的底面。本发明此处底板凹陷结构和侧板中部长方形开口伸入所述底板凹陷内部的设计，有利于增加探头的活动范围，以便探头在扫查时，可以尽可能靠近焊缝。

底板上的所述辊轮还包括辊轮轴，所述辊轮轴通过齿轮与第一编码器关联，侧板上的连接轴通过联轴器与第二编码器连接，所述升降机构通过步进电机驱动，通过第一、第二编码器和步进电机计算探头沿焊缝方向行走的路程、角焊缝的角度和探头垂直于焊缝方向行走的距离，并反馈给控制机构以便及时给予调整。

相对现有技术，本发明具有如下有益效果：1）本发明的探头贴合面和装置爬行面不在同一平面上，有利于减小超声自动扫查装置的体积，使装置可以在具有空间限制的构件上进行扫查；本发明的主板和侧板之间可以相对旋转，侧板上安装升降机构，使探头离受检角焊缝的距离可被调整，本发明设置磁性滚动机构，使装置可以沿着角焊缝爬行；总之，本发明克服了现有技术中的种种不足，可适用于具有空间限制的流线型多变角焊缝的缺陷扫查；

2）本发明还设置旋转机构，使探头在随升降机构同步升降的同时，还能进行旋转，有利于提高装置的扫查效果和改善装置对各种角焊缝的适应性；本发明设置弹性结构，可以使探头在各种变曲率的曲面上，都能有不错的贴合效果；本发明还设置用于调整所述弹性结构的电磁铁，以便随时调整探头离开探头贴合面的距离，由于降低装置行进的阻力和避免探头在装置进行过程中的磨损。

附图说明

图1为本发明具体实施例的立体图一；

图2为本发明具体实施例的立体图二；

图3为本发明具体实施例的仰视图；

图4为本发明具体实施例的底板上的辊轮部分的剖视图。

具体实施方式

如图1~3所示，本发明具体实施例的一种适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置主要由结构主体、磁性滚动机构、驱动机构和控制机构、升降机构组成，控制机构控制驱动机构驱动磁性滚动机构滚动，从而带动结构主体沿待检焊缝移动进行超声扫查。

结构主体包括底板1和侧板2，底板1和侧板2分别通过其一侧边相铰接形成可翻转结构。底板1沿着装置爬行面运行，侧板2沿着探头贴合面运行，底板1和侧板2之间的夹角随着角焊缝的角度变化而变化，从而保证装置始终沿着变角度角焊缝流线型轨迹行走并进行检测。

底板1中部凹陷，底板1与侧板2铰接的侧边在凹陷区域为一缺口11，缺口11的两侧壁上相对的设置有一对轴承座12，轴承座12内安装有轴承。

侧板2在邻近其与底板1铰接的侧边的两端上横向设置有一对连接轴，该连接轴设置在固定于侧板2上的一对连接件3上，连接轴插入上述轴承座12内的轴承中，实现侧板2与底板1的铰接。侧板2中部竖向设有一长方形开口21，构成超声探头在侧板2上的竖向移动范围，长方形开口21的下边缘高度靠近底板1上凹陷的底面13。底板1凹陷结构和侧板2中部长方形开口21伸入底板1凹陷内部的设计，有利于增加超声探头的活动范围，以便探头在扫查时，可以尽可能的靠近焊缝。

升降机构平行于底板1上的长方形开口21安装在侧板2上，设置于长方形开口21的左侧，如图1所示。本实施例中，升降机构为一竖向设置在侧板2上的滑动平台4，包括滑轨41和滑块42，滑块42由驱动结构的步进电机202驱动。

本实施例的超声自动扫查装置还包括探头夹5、旋转机构、弹性结构6和电磁铁。探头夹5通过旋转机构安装在滑动平台4上，与滑动平台4同步升降，实现探头在垂直于焊缝方向运动的功能，弹性结构6安装于旋转机构与探头夹5之间，电磁铁安装在弹性结构6与探头夹5之间。

本实施例中，旋转机构为舵机7，弹性结构6包括中间片61、弹簧钉62和弹簧63。探头夹5安装在滑动平台4上的具体结构为：滑动平台4的滑块42上固定一滑块辅助板8，如图1所示，滑块辅助板8由两块安装板一、二及连接两安装板的L型连接板组成，其中，安装板一与滑块42固定，安装板二位于侧板2上长方形开口21的正前方、更远离侧板2处，且更靠近底板1。舵机7安装在安装板二上，舵机7的舵机轴穿过安装板二后，再通过一联轴器与中间片61中部相连。舵机7可实现顺时针和逆时针均为90°的旋转，中间片61由舵机7驱动旋转，最终实现驱动超声探头的旋转。

中间片61边缘均匀分布四个小孔，四颗弹簧钉62对应从所述小孔中穿出固定连接探头夹5，探头夹5处于侧板2上的长方形开口21中部，弹簧钉62与中间片61为间隙装配，四个弹簧63一一对应的套装在弹簧钉62上、位于中间片61和探头夹5之间。弹簧钉62和中间片61上的小孔为间隙装配，因此探头夹5在垂直于受检面上有一定的自由度，可保证探头在与中间片有角度的面上也能良好贴合。探头夹5两边有螺纹孔，可通过螺栓将探头稳固夹持。

电磁铁固定在中间片61上与探头夹5相对的一面，通过控制电磁铁的开断和电流大小，可实现探头在受检面上的脱离和贴合，当装置在行进至检测点的过程中无需进行检测时，为避免探头磨损及减小装置行进的阻力，此时应使探头与受检面脱离，当装置行进到检测点后，再减小电磁铁电流或断开电磁铁，使探头同受检面贴合。

磁性滚动机构安装在底板1和侧板2的底面，由若干个电磁铁91、若干个万向球92和一个辊轮93组成。辊轮93安装在底板1后部，万向球92分布在底板1的前部和侧板2的前、后部，其中，底板1前部设置一个，侧板2的前部设置一个，后部并排设置有两个。底板1依靠辊轮93和万向球92使装置能在变曲率面上行走，辊轮93由驱动机构的直流电机201通过齿轮驱动，底板1前部使用万向球可以在扫查装置突然改变方向时不会出现使用万向轮存在的死点。侧板2通过三个万向球与探头贴合面的三点式接触，使其可在变曲率的曲面上行走。

电磁铁91分布在底板1和侧板2的底面，其中，底板1上安装四个，其中辊轮93周围安装三个，侧板底部前、后各安装一个电磁铁91。通过给所述电磁铁91通电或调节电磁铁91电流大小，可以保证辊轮93和万向球92紧密贴合在爬行面上。

如图4所示，辊轮93通过轴承座、轴承安装在底板1底面。辊轮93包括轮毂931和柔性的橡胶轮套932，轮毂931表面轮廓具有如下特征：中间和两侧为圆弧形凹陷，三段圆弧形凹陷面之间以柱面连接，橡胶轮套932包裹在轮毂931外，内侧与轮毂931相粘合，外侧为圆柱面。轮毂931提供辊轮93支撑强度，橡胶轮套932使辊轮93和装置爬行面间的摩擦系数增大，保证扫查装置在受检构件上具有更好的贴合效果。

当装置爬行面为平面时，轮毂931柱面同爬行面接触，当装置爬行面为凹面时，轮毂931两侧圆弧形凹陷部分和爬行面接触，当装置爬行面为凸面时，轮毂931中间圆弧形凹陷部分和爬行面接触，上述结构的轮毂同表面为单一柱面的轮毂相比，能让装置在同时具有平面、凹面、凸面的装置爬行面上更好爬行。

如图4所示，辊轮93还包括辊轮轴933。辊轮轴933通过齿轮与第一编码器211关联，可以计算装置沿焊缝方向行走的路程，侧板2上的连接轴通过联轴器与第二编码器212连接，可计算底板1和侧板2的角度，也就是角焊缝的角度。滑动平台4上的步进电机202记录探头垂直于焊缝方向行走的距离。通过上述三个量，即可计算探头沿焊缝方向行走的路程、角焊缝的角度和探头垂直于焊缝方向行走的距离，并反馈给控制机构以便及时给予调整，从而保证探头在沿着角焊缝上的特定轨迹扫查。

如图2所示，底板1的前、后部还都装有一个激光测距管10，可以检测扫查装置是否行走到装置爬行面边缘，若走到边缘，则通过控制机构控制扫查装置停止行进。

控制机构222安装在侧板2上长方形开口21的右侧，包括三轴陀螺仪和加速度传感器，可以检测扫查装置当前所在的空间状态，自动调整各电磁铁的电流大小改变吸附力，使所述扫查装置可以以各种空间姿态稳定运行。

以混流可逆式水轮机转轮叶片与上冠、下环角焊缝的超声检测为例，具体讲述下本发明的超声自动扫查装置的检测过程。

此类转轮在入水边上冠和下环高度小，出水边叶片间距小，且转轮流道狭长，上冠和下环为曲面，叶片为不规则变曲率曲面，且叶片与上冠、下环的角焊缝角度在不断变化，扫查器在上冠上行走，整个装置基本为倒挂状态，在下环上行走，入水边处近似水平行走，而到出水边处，则几乎为竖直状态，而在检测过程中装置可能出现各种空间状态。

本发明的超声自动扫查装置，整体设计高度在320mm，宽度为170mm，以装置在混流可逆式转轮流道内爬行，沿着上冠爬行检测叶片与上冠焊缝为例，首先将扫查装置进行初始化，探头处于滑动平台最顶端，底板和侧板垂直，编码器记录归零，操作人员将扫查装置倒置，使底板上的辊轮和万向球贴近上冠，给底板上的电磁铁通电，装置则吸附在上冠上，将侧板底部上的万向球和叶片贴近，给侧板底部上的电磁铁通电，侧板上的万向球便和叶片贴合，操作人员调整扫查装置位置，使底板、侧板分别和上冠、叶片贴合，此时编码器已经记录下底板和侧板相对旋转的角度，操作人员记录下此时扫查器沿焊缝距离入水边的距离。

开始运行扫查装置进行检测，直流电机和编码器配合实现扫查装置平稳向前运动，磁性滚动机构中的电磁铁使扫查装置和上冠、叶片始终贴合，保证扫查装置沿着流线型角焊缝前行，步进电机控制探头在垂直于焊缝方向上的运动，保证探头沿着最佳扫查路径探测。装置行进时，中间片上的电磁铁通电产生吸附力，探头和叶片脱离；需要检测时，电磁铁电流减小甚至断开，探头被弹簧压在叶片上，探头需要旋转时可控制舵机驱动其旋转。扫查装置继续前行，当焊缝角度发生变化时，底板和侧板角度随着焊缝角度一起变化，第二编码器进行角度变化记录，在行进过程中，三轴陀螺仪和加速度传感器可自动检测扫查装置所在的空间姿态，进行计算后控制各电磁铁的吸附力，保证扫查装置在各种空间姿态下都能平稳运行。如当扫查装置倒挂时，底板上需要的吸附力较大；当扫查装置竖直运行时，底板上同样需要较大吸附力。辊轮提供摩擦力，保证扫查装置运行不失稳。

检测结束后，扫查装置运行到流道另一侧边缘，此时扫查装置上的激光测距管检测到装置离爬行面的距离突然增大，说明扫查装置已运行到流道边缘，控制结构控制扫查装置停止前行，继而反向运行，回到扫查装置出发位置。

在检测过程中，若发现某处有缺陷信号，可根据第一编码器记录的扫查装置前行路程确定缺陷离入水边的距离，同时根据步进电机的步数和第二编码器的记录结果，算出检测到缺陷时探头离焊缝的垂直距离，在对扫查装置位置进行描述的同时也能对探头的位置描述提供参数。

本发明的超声自动扫查装置，是一种适用于检测空间狭小，扫查装置多姿态运行，沿着受检角焊缝为流线型多变角焊缝的特定轨迹行走，受检角焊缝腹板翼板变曲率、变厚度、受检角焊缝变角度构件的超声自动扫查装置，除了用于水轮机转轮的角焊缝检测，也可用于类似结构角焊缝的检测。

Claims (10)

1.一种适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，包括结构主体、磁性滚动机构、驱动机构和控制机构，所述磁性滚动机构安装在所述结构主体的底面，所述控制机构控制所述驱动机构驱动所述磁性滚动机构滚动，从而带动所述结构主体沿待检焊缝移动进行超声扫查，其特征在于，所述结构主体包括底板和侧板，所述底板和侧板分别通过其一侧边相铰接形成可翻转结构，所述侧板上纵向安装有升降机构。

2.根据权利要求1所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述超声自动扫查装置还包括探头夹，所述探头夹通过旋转机构安装在所述升降机构上与所述升降机构同步升降。

3.根据权利要求2所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述旋转机构与所述探头夹之间还设有弹性结构。

4.根据权利要求3所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述探头夹与弹性结构之间还设有用于调整所述弹性结构形变量的电磁铁。

5.根据权利要求1~4任一项权利要求所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述磁性滚动机构由若干个电磁铁、若干个万向球和一个辊轮组成，所述辊轮安装在所述底板后部，所述万向球分布在底板的前部和侧板的前、后部，其中，底板前部设置一个，侧板的前部设置一个，后部并排设置有两个，所述电磁铁分布在底板和侧板的底面。

6.根据权利要求5所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述辊轮包括轮毂和柔性的橡胶轮套，所述轮毂表面轮廓具有如下特征：中间和两侧为圆弧形凹陷，三段圆弧形凹陷面之间以柱面连接，所述橡胶轮套包裹在轮毂外，内侧与轮毂相粘合，外侧为圆柱面。

7.根据权利要求5所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述控制机构包括三轴陀螺仪和加速度传感器。

8.根据权利要求5所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述底板的前、后部都装有激光测距管。

9.根据权利要求5所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，所述底板中部凹陷，底板与侧板铰接的侧边在凹陷区域为一缺口，缺口的两侧壁上相对的设置有一对轴承座，所述侧板通过邻近其侧边两端上横向设置的连接轴插入设置在所述轴承座内的轴承中，实现与所述底板的铰接；所述侧板中部竖向设有一长方形开口，构成超声探头在侧板上的竖向移动范围，所述长方形开口的下边缘高度靠近底板上凹陷的底面。

10.根据权利要求9所述的适用于流线型多变角焊缝超声扫查的超声自动扫查装置，其特征在于，底板上的所述辊轮还包括辊轮轴，所述辊轮轴通过齿轮与第一编码器关联，侧板上的连接轴通过联轴器与第二编码器连接，所述升降机构通过步进电机驱动。

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