CN108956765A - 用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构，包括立杆、球铰链、气压弹簧和探头夹持平台；立杆的上端连接在无损检测自动化装备平台上，立杆的下端分别通过球铰链与三组气压弹簧的一端连接，三组气压弹簧的另一端分别通过转动副与探头夹持平台的上表面转动连接；所述探头夹持平台的下表面与转动副对应设有三个呈等边三角形分布的球轮；连接在立杆的下端的三个球铰链呈等边三角形分布，探头夹持平台上的三个转动副呈等边三角形分布。本发明具有三个自由度和自动回位功能，能够适应风机叶片表面经纬双维度不规则表面特征，自动调整探头夹持平台的姿态与角度，使检测探头始终紧密贴附于风机叶片表面。

Description

用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构
技术领域
本发明属于无损检测装置技术领域，特别涉及一种用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构。
背景技术
风能是当前世界各国重点攻关和竞相利用的重要可持续能源之一，风力发电机一般安装在丘陵、草原、浅海等环境下。叶片是风力发电机核心的部件之一，制造成本和维护成本占到了整套风机设备的20％～30％。风力发电机塔身高度大约100米左右，直径约3～4米。风机叶片长度50米左右，重量达数吨，甚至十多吨重。风机叶片虽然在出厂前经过严格的质量检测，但叶片表面以下还是会存在一些天然结构缺陷：例如，细微孔隙、细微裂纹、细微分层等(这种材料的天然结构缺陷不属于叶片质量问题)。由于风机叶片体积和重量庞大，运输和安装的过程中可能因操作失误造成冲击损伤，通常当时不会出现明显的伤痕，但叶片内部可能已经受到了损伤，这也会引起后期隐患。叶片材料的天然结构缺陷和运输安装过程中产生的内部损伤，这些早期产生的细微孔隙、裂纹、分层等结构缺陷，在风机实际工况环境中，循环受到静载荷、动载荷、温度变化等综合影响，造成了叶片疲劳裂纹产生和扩展，最终导致整个叶片疲劳产生裂痕，甚至叶片整体断裂，造成巨大经济损失。因此，风机叶片内部裂纹早期诊断发现，有助于避免后期的重大损失。
风机叶片疲劳裂纹的早期检测一般为人工操作，风力发电机停机后，检测人员借助大型起重机、吊索、安全绳、吊筐等辅助设备，爬升至叶片表面附近，用手持式检测装置逐片区域地检测叶片，诊断叶片疲劳裂损状态和程度，并决定是否需要专业维修。风机中心轮毂离地面几十米最高可达一百多米，检测过程不仅浪费大量人力和物力，而且专业检测人员也面临极大的安全风险。
因此，急需一种搭载无损检测装置用于风机叶片裂纹检测的机器人平台来替代人工作业。一种列阵超声无损检测(PAUT)探头为直径20mm、高度15mm的圆柱体形状，PAUT下表面为检测工作面。开展无损检测作业时，PAUT的检测工作面与风机叶片的检测表面需紧密贴合。由于风机叶片表面为经纬双维度不规则的曲面结构。当机器人平台的机械臂搭载PAUT，驱动PAUT靠近并压紧在风机叶片的表面的过程中，要求机械臂能够自动补偿绕X轴(叶片宽度方向)、Y轴(叶片长度方向)的角偏差，和沿Z轴(叶片厚度方向)的位移偏差，使PAUT达到工作状态的技术要求。也就是说，机器人平台的机械臂要能够实现绕X和Y两轴转动和沿Z轴移动，同时具有三个自由度；而且还要实现自动回位(即：不施加外力时，机器人平台的机械臂的三个自由度自动回复到初始位置)。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于曲面无损检测的气压弹簧(gasspring)空间三自由度自适应机构，其能够绕X和Y两轴转动和沿Z轴移动，同时具有三个自由度；而且还具有自动回位功能。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构，包括立杆1、球铰链2、气压弹簧3和探头夹持平台5；
所述立杆1的上端连接在无损检测自动化装备平台上，立杆1的下端分别通过球铰链2与三组气压弹簧3的一端连接，三组气压弹簧3的另一端分别通过转动副4与探头夹持平台5的上表面转动连接；所述探头夹持平台5的下表面与转动副4对应设有三个呈等边三角形分布的球轮6；连接在立杆1的下端的三个球铰链2呈等边三角形分布，探头夹持平台5上的三个转动副4呈等边三角形分布；
当所述三组气压弹簧3未被压缩时，三个球铰链2所构成的等边三角形的中心、三个转动副4所构成的等边三角形的中心和三个球轮6所构成的等边三角形的中心分别位于立杆1的轴线延长线上，且相邻两组气压弹簧3的一端的两个球铰链2之间的连线、另一端的两个转动副4之间的连线以及与所述两个转动副4对应的两个球轮6之间的连线相互平行；
每组气压弹簧3的转动平面垂直于探头夹持平台5所在平面，且气压弹簧3的转动平面与探头夹持平台5所在平面的交线为三个转动副4所构成的等边三角形的中线。
所述三组气压弹簧3的压力值相等，且保持恒定。
优选地，所述探头夹持平台5为等边三角形，所述三个转动副4分布在探头夹持平台5上表面的三个角部，三个球轮6分布在探头夹持平台5下表面的三个角部。
所述探头夹持平台5的下表面为探头安装面，检测探头安装在探头夹持平台5的探头安装面的中部。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构能够绕X和Y两轴转动和沿Z轴移动，同时具有三个自由度；而且还具有自动回位功能。
本发明应用于风力发电机叶片无损检测自动化装置，能够适应风机叶片表面经纬双维度不规则表面特征，自动调整探头夹持平台的姿态与角度，使检测探头始终紧密贴附于风机叶片表面，开展针对叶片的无损检测作业。
附图说明
图1为本发明用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构的结构示意图。
其中的附图标记为：
1立杆 2球铰链
3气压弹簧 4转动副
5探头夹持平台 6球轮
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构，用于风力发电机叶片无损检测自动化装备的一个重要执行机构，该机构包括立杆1、球铰链2、气压弹簧3和探头夹持平台5。
所述立杆1的上端连接在无损检测自动化装备平台上，立杆1的下端分别通过球铰链2与三组气压弹簧3的一端连接，三组气压弹簧3的另一端分别通过转动副4与探头夹持平台5的上表面转动连接；所述探头夹持平台5的下表面与转动副4对应设有三个呈等边三角形分布的球轮6；连接在立杆1的下端的三个球铰链2呈等边三角形分布，探头夹持平台5上的三个转动副4呈等边三角形分布；当三组气压弹簧3未被压缩时，三个球铰链2所构成的等边三角形的中心、三个转动副4所构成的等边三角形的中心和三个球轮6所构成的等边三角形的中心分别位于立杆1的轴线延长线上，且相邻两组气压弹簧3的一端的两个球铰链2之间的连线、另一端的两个转动副4之间的连线以及与所述两个转动副4对应的两个球轮6之间的连线相互平行；每组气压弹簧3的转动平面垂直于探头夹持平台5所在平面，且气压弹簧3的转动平面与探头夹持平台5所在平面的交线为三个转动副4所构成的等边三角形的中线。当固定立杆1时，探头夹持平台5可产生三个空间自由度，分别为沿Z轴(叶片厚度方向)的移动，绕X轴(叶片宽度方向)和Y轴(叶片长度方向)的转动。
其中，三组气压弹簧3的压力值相等，且保持恒定，不随变形量的变化而变化，具有自动回位特性。
优选地，所述探头夹持平台5为等边三角形，所述三个转动副4分布在探头夹持平台5上表面的三个角部，三个球轮6分布在探头夹持平台5下表面的三个角部。
所述探头夹持平台5的下表面为探头安装面，检测探头安装在探头夹持平台5的探头安装面的中部。
本发明的工作过程如下：
本发明用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构的立杆1的上端连接在无损检测自动化装置上，探头夹持平台5的探头安装面的中部安装检测探头。由于三个球铰链2所构成的等边三角形的中心、三个转动副4所构成的等边三角形的中心和三个球轮6所构成的等边三角形的中心分别位于立杆1的轴线延长线上，且相邻两组气压弹簧3的一端的两个球铰链2之间的连线、另一端的两个转动副4之间的连线以及与所述两个转动副4对应的两个球轮6之间的连线相互平行；每组气压弹簧3的转动平面垂直于探头夹持平台5所在平面，且气压弹簧3的转动平面与探头夹持平台5所在平面的交线为三个转动副4所构成的等边三角形的中线。探头夹持平台5可产生三个空间自由度，分别为沿Z轴(叶片厚度方向)的移动，绕X轴(叶片宽度方向)和Y轴(叶片长度方向)的转动，能够适应风机叶片表面经纬双维度不规则表面特征，同时，三组气压弹簧3的压力值相等，且保持恒定，不随变形量的变化而变化，具有自动回位特性，借助三个球轮6的自由滚动，自动调整探头夹持平台5的姿态，保持检测探头始终紧密贴附于风机叶片表面，开展无损检测作业。

Claims (4)

1.一种用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构，其特征在于：该机构包括立杆(1)、球铰链(2)、气压弹簧(3)和探头夹持平台(5)；
所述立杆(1)的上端连接在无损检测自动化装备平台上，立杆(1)的下端分别通过球铰链(2)与三组气压弹簧(3)的一端连接，三组气压弹簧(3)的另一端分别通过转动副(4)与探头夹持平台(5)的上表面转动连接；所述探头夹持平台(5)的下表面与转动副(4)对应设有三个呈等边三角形分布的球轮(6)；
连接在立杆(1)的下端的三个球铰链(2)呈等边三角形分布，探头夹持平台(5)上的三个转动副(4)呈等边三角形分布；
当所述三组气压弹簧(3)未被压缩时，三个球铰链(2)所构成的等边三角形的中心、三个转动副(4)所构成的等边三角形的中心和三个球轮(6)所构成的等边三角形的中心位于立杆(1)的轴线延长线上，且相邻两组气压弹簧(3)的一端的两个球铰链(2)之间的连线、另一端的两个转动副(4)之间的连线以及与所述两个转动副(4)对应的两个球轮(6)之间的连线相互平行；
每组气压弹簧(3)的转动平面垂直于探头夹持平台(5)所在平面，且气压弹簧(3)的转动平面与探头夹持平台(5)所在平面的交线为三个转动副(4)所构成的等边三角形的中线。
2.根据权利要求1所述的用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构，其特征在于：所述三组气压弹簧(3)的压力值相等，且保持恒定，不随变形量的变化而变化。
3.根据权利要求1所述的用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构，其特征在于：所述探头夹持平台(5)为等边三角形，所述三个转动副(4)分布在探头夹持平台(5)上表面的三个角部，三个球轮(6)分布在探头夹持平台(5)下表面的三个角部。
4.根据权利要求1所述的用于曲面无损检测的气压弹簧空间三自由度自适应机构，其特征在于：所述探头夹持平台(5)的下表面为探头安装面，检测探头安装在探头夹持平台(5)的探头安装面的中部。
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