CN109975426B - 一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无损检测技术领域，具体公开了一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置及方法。该装置中同步带安装模块真空吸附在大直径筒体内壁上，周向小车磁性吸附在同步带安装模块上，并在周向小车正中间位置安装的编码信号反馈模块与同步带安装模块构成啮合关系，使周向小车在电机的驱动下进行圆周运动时，同步带安装模块与编码信号反馈模块共同作用，产生编码信号，并获得检测设备相对于起点运动的角度。该装置及方法可获得被检对象内相对于检测起点运动的角度，并确定被检对象内部的具体位置，进而对超声检测信号进行匹配，以便在后续对超声检测信号的分析与比较中可以准确的对缺陷进行定位，保证了超声检测的数据质量和检测精度。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置及方法。
背景技术
对于需要在高温、高压及腐蚀环境下长时间工作的承压容器，例如核反应堆压力容器、核电站蒸汽发生器，其直径达可到5～6米，壁厚也较厚，由于制造工艺的限制，这类承压容器需要分段制作然后焊接成型，其环焊缝位于容器的内壁；为了提高容器的耐腐蚀能力，在内壁还会增加一层不锈钢堆焊层。
为保证此类设备的加工质量，在设备完成制造后，会对其进行出厂检测，主要是检测环焊缝的焊接质量；因环焊缝位于容器内壁，故优先从内壁对环焊缝进行检测。常规方法是在容器内部搭建脚手架，由检测人员对其进行手动超声检测，检查焊缝质量；但此类方法受制于检测人员的技能和责任心，检测结果无法有效记录，不可追溯，不利于在核电站寿期内对这些容器进行老化管理。目前，越来越多的容器出厂检查开始使用自动超声检测，将自动化检测设备定位安装在容器内，通过驱动一组超声探头沿着筒体圆周和轴线两个方向的运动，实现对环焊缝的矩形栅格扫查，以便对环焊缝的质量进行整体检测或者局部定量检测。
因容器的直径较大，在出厂检查时，因制造厂条件限制，难以使用核电站在役检查时使用的大型检测设备对容器内壁进行检查，需要使用小型化、易安装的检测设备对环焊缝进行逐段扫查或局部定量扫查。容器内壁有不锈钢堆焊层，设备无法通过磁吸附的方式直接安装在容器筒体内壁，需要通过一段具有真空吸附功能的、具有一定柔性的导轨板进行安装，导轨自身为厚度较薄的铁磁性材料，可被磁铁吸附，导轨背面均匀布置有真空吸盘通过负压的方式吸附在容器内壁的待检区域；检测设备的周向运动小车的滚动轮为具有磁吸附功能的轮子，使得周向运动小车吸附在导轨板上，在导轨板所覆盖的区域进行周向运动，用于实现超声探头的周向运动；小车上携带有沿筒体轴向布置的扫查臂，用于实现探头的轴向运动。
对于自动超声检测，设备的运动位置与超声信号之间需要进行匹配，以便将存储的检测信号与被检对象上的各个区域进行对应。对于前文中介绍的检测设备，当导轨板定位安装好后，其在筒体轴线上的位置也就确定，轴向扫查的位置由扫查臂直线运动电机反馈的编码信号确定；但对于圆周方向的位置，由于周向运动小车的滚动轮与导轨板之间为滚动摩擦，而且为保障设备安全，滚动轮的吸附力往往设计得较大，所以周向小车在进行圆周运动时，滚动轮与导轨板之间会存在打滑的情况，再加上传动机构所不可避免的传动间隙，此时，通过周向驱动电机反馈的编码信号确定周向运动的距离及位置会存在非常大的误差，无法满足超声检测要求。常见的方法是单独设置一个编码轮，通过弹性压紧在导轨板的表面，编码轮连接着一个旋转编码器，当设备周向运动的时候，编码轮随之运动，带动旋转编码器产生编码信号；此方法减少了传动间隙，在定位精度上高于通过电机反馈编码进行定位，但因为编码轮与导轨板表面依然是滑动摩擦，所以还是无法完全避免打滑对编码信号的影响；特别是在设备做周向扫查时，需要在一段圆周区域上周向往复运动数十次甚至上百次，此时因为编码轮打滑所产生的累积误差会更加明显，进而影响超声检测的效果。
所以，需要针对通过真空吸附的导轨板安装的大直径筒体超声检测设备的周向定位问题来设计一种定位误差更小的周向运动编码信号反馈装置及其对应的周向定位方法，以提高设备周向运动的定位精度，特别是在一段圆周区间内往复运动的定位精度，进而保证超声检测的数据质量和检测精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置，以提高设备周向运动的定位精度，尤其是在一段圆周区间内往复运动的定位精度，从而保证超声检测的数据质量和检测精度。
本发明的技术方案如下：一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置，该装置包括同步带安装模块、周向小车以及编码信号反馈模块，其中，同步带安装模块真空吸附在大直径筒体内壁上，周向小车磁性吸附在同步带安装模块上，在周向小车正中间位置安装的编码信号反馈模块与同步带安装模块构成啮合关系，使周向小车在电机的驱动下进行圆周运动时，同步带安装模块与编码信号反馈模块共同作用，产生编码信号，从而获得检测设备相对于起点运动的角度。
所述的同步带安装模块包括导轨板、真空吸盘以及同步带，其中，导轨板通过其上设有的真空吸盘吸附在大直径筒体内壁上；同步带通过拉紧机构固定安装在面向筒体内壁一侧的导轨板表面上，并通过拉紧机构将同步带张紧在导轨板上。
所述的拉紧机构包括拉紧座、拉板以及同步带压板，其中，拉紧座固定安装在导轨板的左侧端面上，同步带右端直接与导轨板固定，同步带左端通过同步带压板压紧，同步带压板通过拉板与拉紧座固定，通过拉板带动同步带向左移动，使得同步带被张紧。
所述的编码器反馈模块包括安装座、编码器、惰轮座以及旋转轴，其中，编码器设置在安装座上，并在安装座下方侧壁安装有惰轮座，惰轮轴向固定在惰轮座上，并可绕轴自由转动；编码器下端与旋转轴、同步带轮同轴布置，使同步轮旋转时，通过旋转轴带动编码器同步旋转，并相应产生编码信号。
所述的安装座固定安装在周向小车上，实现编码器反馈模块整体固定在周向小车上；所述的同步带轮通过键传动带动旋转轴旋转，所述的旋转轴通过紧定螺钉与编码器固定连接。
所述的周向小车包括小车壳体、驱动带轮、从动带轮以及滚动轮，其中，驱动带轮与从动轮安装在小车壳体上，并利用驱动同步带将驱动带轮与从动轮相连接，并在驱动带轮转动时，通过从动轮上的轮轴带动滚动轮旋转，使磁性吸附在导轨板表面的滚动轮带动周向小车移动。所述的小车壳体顶部设有安装梁，用于安装编码信信号反馈模块。
所述的同步带穿过对称布置的惰轮，并与同步带轮相啮合。
一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、获得被检对象圆心到周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线的垂直距离；
步骤2、利用周向小车上的编码器反馈信号，获得检测设备在被检对象内相对于检测起点运动的角度。
所述的步骤1具体包括：
根据被检对象的内壁半径为R0、导轨板安装后内弧面与被检对象内壁间在直径方向上的距离为L0、检测设备的周向运动小车上的滚动轮半径为R1、周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线距离为L1、连心线与编码信号反馈装置上的同步带轮圆心之间的垂直距离为L2，可计算获得被检对象圆心O到周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线的垂直距离L3为：L3＝[(R0-L0-R1)2-(L1/2)2]1/2。
所述的步骤2具体包括：
步骤2.1、获得同步带轮圆心围绕被检对象圆心做圆周运动的半径
被检对象圆心O到同步带轮圆心O1的直线距离为L4＝L3+L2；因编码信号反馈装置安装在周向小车的正中间，因此，被检对象的直径经过同步带轮的圆心，即被检对象圆心O到同步带轮圆心O1的直线距离为L4即为同步带轮圆心O1围绕被检对象圆形O做圆周运动的半径；
步骤2.2、在周向小车运动时，利用反馈的编码器信号，获得检测设备在被检对象内部相对于起点所运动的角度；
根据同步带轮圆心O1围绕被检对象圆形O做圆周运动的半径L4，可获得同步带轮连续旋转时其分度圆在远端形成的弧形轮廓半径R3为R3＝L4+R2，其中，R2为同步带轮的分度圆半径；
在编码器反馈n1个脉冲时，同步带轮旋转了N＝(n1/n0)圈，则同步带轮分度圆在远端形成的弧形轮廓的弧长S1＝2πR2·N，该圆弧对应的圆心角即为检测设备在被检对象内部相对于起点所运动的角度α；
所以α＝(S1/2πR3)·360°＝R2·(n1/n0)/{[(R0-L0-R1)2-(L1/2)2]1/2+L2+R2}；
其中，n0为同步带轮每旋转一圈编码器所产生的脉冲数；n1为编码器反馈的测量数值。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置及方法，利用真空吸附的导轨板在被检对象内壁安装时所形成外弧面，安装无侧隙的同步带并张紧，通过惰轮与同步带轮啮合，形成精确的传动关系，进而使得编码器反馈的编码信号能够准确的反应设备在圆周方向上运动的位置，特别是当检测设备在大直径筒体内壁的一段圆弧区域进行周向检测时，本发明所提供的装置及定位方法可有效减小检测设备周向定位的累积误差；利用该装置，通过本发明中的定位方可实时计算出检测设备在被检对象内相对于检测起点运动的角度，以便确定检测设备在被检对象内部的具体位置，进而对超声检测信号进行匹配，以便在后续对超声检测信号的分析与比较中可以准确的对缺陷进行定位，保证了超声检测的数据质量和检测精度。
附图说明
图1为本发明所述的一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置整体结构示意图；
图2为图1中同步带安装模块的结构示意图；
图3为图1总编码信号反馈模块的结构示意图；
图4为周向小车的结构示意图；
图5为图1的俯视局部视图；
图6为图1中C处局部放大图；
图中：1、同步带安装模块；2、编码信号反馈模块；3、周向小车；4、大直径筒体内壁；1001、导轨板；1002、真空吸盘；1003、拉紧座；1004、螺钉A，1005、拉紧螺钉；1006、拉板；1007、同步带压板；1008、螺钉B；1009、同步带槽；1010、同步带；2001、安装座；2002、安装螺钉；2003、垫片；2004、编码器；2005、螺钉C；2006、惰轮座；2007、旋转轴；2008、紧定螺钉；2009、同步带轮；2010、螺钉D；2011、惰轮；2012、挡片；2013、螺母；3001、小车壳体；3002、驱动带轮；3003、驱动同步带；3004、从动带轮；3005、滚动轮；3006、轮轴；3007、安装梁。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置，包括同步带安装模块1、周向小车3以及编码信号反馈模块2，其中，同步带安装模块1真空吸附在大直径筒体内壁4上，周向小车3磁性吸附在同步带安装模块1上，并在周向小车3正中间位置安装的编码信号反馈模块2与同步带安装模块1构成啮合关系，使周向小车3在电机的驱动下进行圆周运动时，同步带安装模块1与编码信号反馈模块2共同作用，产生编码信号并反馈至控制体系，对反馈的编码数据进行计算，并获得检测设备相对于起点运动的角度；
如图2所示，同步带安装模块1包括导轨板1001、真空吸盘1002、以及同步带1010，其中，一组真空吸盘1002安装在导轨板的一侧，用于将整个同步带安装模块1吸附在大直径筒体内壁4上，拉紧座1003通过螺钉A1004固定在导轨板1001左侧端面上，拉板1006利用穿过拉紧座1003的拉紧螺钉1005固定连接，在导轨板1001的长轴方向上开有同步带槽1009，并在该同步带槽1009中嵌有同步带1010，防止同步带1010上下窜动，同步带1010右侧直接固定在导轨板1001上，同步带1010左侧端部通过同步带压板1007和螺钉B1008压紧，并将同步带压板1007安装在拉板1006上，通过拧紧螺钉A1004，拉板1006通过同步带压板1007带动同步带1010向左移动，使得同步带1010被张紧；
如图3所示，编码信号反馈模块2包括安装座2001、编码器2004、惰轮座2006以及旋转轴2007，其中，安装座2001通过安装螺钉2002以及垫片2003安装在周向小车3上，编码器2004通过螺钉C2005固定安装在安装座2001上，惰轮座2006通过螺钉D2010安装在安装座2001上，惰轮2011通过下方的挡片2012和螺母2013轴向固定在惰轮座2006上，且保证惰轮2011可自由转动；编码器2004下端与旋转轴2007、同步带轮2009同轴布置，其中，同步带轮2009通过键传动带动旋转轴2007旋转，从而带动与旋转轴2007固定连接的编码器2004同步旋转，并相应产生编码信号，其中，旋转轴2007是通过紧定螺钉2008与编码器2004固定连接；
如图4所示，周向小车3包括小车壳体3001、驱动带轮3002、从动带轮3004以及滚动轮3005，其中，一个驱动带轮3002和两个从动轮3004安装在小车壳体3001中，并通过驱动同步带3003将驱动带轮3002与从动轮3004相连接，使通过电机带动驱动带轮3002旋转时，从而带动从动轮随之旋转，并通过从动轮3004上的轮轴3006带动滚动轮3005旋转，使得周向小车3移动；其中，滚动轮3005自身具有磁性，并能够牢固吸附在导轨板1001的表面；在小车壳体3001顶部固定有安装梁3007，用于安装编码信号反馈模块2；
如图5、图6所示，同步带安装模块1通过真空吸盘1002吸附在大直径筒体内壁4桑，利用对称分布的滚动轮3005将周向小车3吸附在导轨板1001上，形成稳定的支撑结构，并在周向小车3的正中间安装编码信号反馈模块2；同步带1010穿过对称布置的惰轮2011并与同步带轮2009啮合；同步带1010在拉紧螺钉1005的作用下处于张紧状态，当周向小车3在导轨板1001表面沿圆周方向移动时，因导轨板1001静止不动，使得与同步带1010相啮合的同步带轮2009在跟随周向小车3移动的时候自身产生自转，从而产生编码信号。
一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、获得被检对象圆心到周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线的垂直距离；
根据被检对象的内壁半径为R0、导轨板安装后内弧面与被检对象内壁间在直径方向上的距离为L0、检测设备的周向运动小车上的滚动轮半径为R1、周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线距离为L1、连心线与编码信号反馈装置上的同步带轮圆心之间的垂直距离为L2，可计算获得被检对象圆心O到周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线的垂直距离L3为：
L3＝[(R0-L0-R1)2-(L1/2)2]1/2
步骤2、利用周向小车上的编码器反馈信号，获得检测设备在被检对象内相对于检测起点运动的角度；
步骤2.1、获得同步带轮圆心围绕被检对象圆心做圆周运动的半径
被检对象圆心O到同步带轮圆心O1的直线距离为L4＝L3+L2；因编码信号反馈装置安装在周向小车的正中间，因此，被检对象的直径经过同步带轮的圆心，即被检对象圆心O到同步带轮圆心O1的直线距离为L4即为同步带轮圆心O1围绕被检对象圆形O做圆周运动的半径；
步骤2.2、在周向小车运动时，利用反馈的编码器信号，获得检测设备在被检对象内部相对于起点所运动的角度；
根据同步带轮圆心O1围绕被检对象圆形O做圆周运动的半径L4，可获得同步带轮连续旋转时其分度圆在远端形成的弧形轮廓半径R3为R3＝L4+R2，其中，R2为同步带轮的分度圆半径；
在编码器反馈n1个脉冲时，同步带轮旋转了N＝(n1/n0)圈，则同步带轮分度圆在远端形成的弧形轮廓的弧长S1＝2πR2·N，该圆弧对应的圆心角即为检测设备在被检对象内部相对于起点所运动的角度α；
所以α＝(S1/2πR3)·360°＝R2·(n1/n0)/{[(R0-L0-R1)2-(L1/2)2]1/2+L2+R2}；
其中，n0为同步带轮每旋转一圈编码器所产生的脉冲数；n1为编码器反馈的测量数值。
Claims (6)
1.一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置，其特征在于：该装置包括同步带安装模块(1)、周向小车(3)以及编码信号反馈模块(2)，其中，同步带安装模块(1)真空吸附在大直径筒体内壁(4)上，周向小车(3)磁性吸附在同步带安装模块(1)上，在周向小车(3)正中间位置安装的编码信号反馈模块(2)与同步带安装模块(1)构成啮合关系，使周向小车(3)在电机的驱动下进行圆周运动时，同步带安装模块(1)与编码信号反馈模块(2)共同作用，产生编码信号，从而获得检测设备相对于起点运动的角度；所述的同步带安装模块(1)包括导轨板(1001)、真空吸盘(1002)以及同步带(1010)，其中，导轨板(1001)通过其上设有的真空吸盘(1002)吸附在大直径筒体内壁(4)上；同步带(1010)通过拉紧机构固定安装在面向筒体内壁一侧的导轨板(1001)表面上，并通过拉紧机构将同步带(1010)张紧在导轨板(1001)上；所述的编码信号反馈模块(2)包括安装座(2001)、编码器(2004)、惰轮座(2006)以及旋转轴(2007)，其中，编码器(2004)设置在安装座(2001)上，并在安装座(2001)下方侧壁安装有惰轮座(2006)，惰轮(2011)轴向固定在惰轮座(2006)上，并可绕轴自由转动；编码器(2004)下端与旋转轴(2007)、同步带轮(2009)同轴布置，使同步带轮(2009)旋转时，通过旋转轴(2007)带动编码器(2004)同步旋转，并相应产生编码信号；所述的同步带(1010)穿过对称布置的惰轮(2011)，并与同步带轮(2009)相啮合。
2.根据权利要求1所述的一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置，其特征在于：所述的拉紧机构包括拉紧座(1003)、拉板(1006)以及同步带压板(1007)，其中，拉紧座(1003)固定安装在导轨板(1001)的左侧端面上，同步带(1010)右端直接与导轨板(1001)固定，同步带(1010)左端通过同步带压板(1007)压紧，同步带压板(1007)通过拉板(1006)与拉紧座(1003)固定，通过拉板(1006)带动同步带(1010)向左移动，使得同步带(1010)被张紧。
3.根据权利要求1所述的一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置，其特征在于：所述的安装座(2001)固定安装在周向小车(3)上，实现编码信号反馈模块(2)整体固定在周向小车(3)上；所述的同步带轮(2009)通过键传动带动旋转轴(2007)旋转，所述的旋转轴(2007)通过紧定螺钉(2008)与编码器(2004)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置，其特征在于：所述的周向小车(3)包括小车壳体(3001)、驱动带轮(3002)、从动带轮(3004)以及滚动轮(3005)，其中，驱动带轮(3002)与从动带轮(3004)安装在小车壳体(3001)上，并利用驱动同步带(3003)将驱动带轮(3002)与从动带轮(3004)相连接，并在驱动带轮(3002)转动时，通过从动带轮(3004)上的轮轴(3006)带动滚动轮(3005)旋转，使磁性吸附在导轨板(1001)表面的滚动轮(3005)带动周向小车(3)移动；所述的小车壳体(3001)顶部设有安装梁(3007)，用于安装编码信号反馈模块(2)。
5.一种如权利要求1-4任一项所述大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位装置的定位方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤1、获得被检对象圆心到周向小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线的垂直距离L3；
步骤2、利用周向小车上的编码器反馈信号，获得检测设备在被检对象内相对于检测起点运动的角度；
步骤2.1、获得同步带轮圆心围绕被检对象圆心做圆周运动的半径
被检对象圆心O到同步带轮圆心O1的直线距离为L4＝L3+L2；因编码信号反馈装置安装在周向小车的正中间，因此，被检对象的直径经过同步带轮的圆心，即被检对象圆心O到同步带轮圆心O1的直线距离为L4即为同步带轮圆心O1围绕被检对象圆形O做圆周运动的半径；
步骤2.2、在周向小车运动时，利用反馈的编码器信号，获得检测设备在被检对象内部相对于起点所运动的角度；
根据同步带轮圆心O1围绕被检对象圆形O做圆周运动的半径L4，可获得同步带轮连续旋转时其分度圆在远端形成的弧形轮廓半径R3为R3＝L4+R2，其中，R2为同步带轮的分度圆半径；
在编码器反馈n1个脉冲时，同步带轮旋转了N＝(n1/n0)圈，则同步带轮分度圆在远端形成的弧形轮廓的弧长S1＝2πR2·N，该弧形轮廓对应的圆心角即为检测设备在被检对象内部相对于起点所运动的角度α；
所以α＝(S1/2πR3)·360°＝R2·(n1/n0)/{[(R0-L0-R1)2-(L1/2)2]1/2+L2+R2}·360°；
其中，n0为同步带轮每旋转一圈编码器所产生的脉冲数；n1为编码器反馈的测量数值。
6.根据权利要求5所述的一种大直径筒体内壁超声检测设备的周向定位方法，其特征在于：所述的步骤1具体包括：
根据被检对象的内壁半径为R0、导轨板安装后内弧面与被检对象内壁间在直径方向上的距离为L0、检测设备的周向运动小车上的滚动轮半径为R1、周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线距离为L1、连心线与编码信号反馈装置上的同步带轮圆心之间的垂直距离为L2，可计算获得被检对象圆心O到周向运动小车上的两组滚动轮圆心之间的连心线的垂直距离L3为：L3＝[(R0-L0-R1)2-(L1/2)2]1/2。
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