CN111157626A - 一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，探头夹持部分的一端连接自动扫查装置的末端，另一端连接无楔块的超声相控阵小脚印探头，探头夹持部分上设置有步进丝杠组件，步进丝杠组件与控制部分连接，无楔块的超声相控阵小脚印探头与压力反馈部分连接，压力反馈部分能够将超声相控阵小脚印探头与被测表面之间的贴合压力反馈给控制部分形成闭环系统。本发明结构简单，具有很强的兼容性，可有效提高复杂曲面构件的超声相控阵检测效率和检测精度。

Description

一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统

技术领域

本发明属于工业超声无损检测技术领域，具体涉及一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统。

背景技术

复杂曲面构件在透平机械、风电、航空航天等领域中具有广泛的应用，例如燃气轮机高温叶片、风电叶片等。这些复杂曲面构件在制造、服役过程中，受到制造工艺、工作载荷、工作环境等诸多因素的影响，在构件内部极易会出现裂纹、气孔、疏松等各种内部缺陷，将对整机的工作性能、使用寿命造成严重的影响，对操作人员和财产安全构成巨大的威胁。

针对复杂曲面构件的内部缺陷，目前主要采用超声检测、射线检测、工业CT等无损检测方法。各无损检测方法均有优缺点，其中，超声相控阵检测技术是利用若干压电阵元组成的阵列换能器控制超声声束的偏转、聚焦，具有操作简单、扫查范围大、检测方法灵活、灵敏度高等优点。因此，超声相控阵技术在复杂曲面构件的内部缺陷检测中具有巨大的应用前景。

目前，国内外在利用超声相控阵技术进行检测时，大部分场合下仍然是专业检测人员手动操作探头进行检测，该方法检测效率低下、难以保证探头与检测表面的良好耦合，并且该方法自动化程度低、通用性差。另外，目前用于超声相控阵检测的夹持装置主要针对有楔块的相控阵探头，对于体积小、四周壁面光滑、可夹持面积小的无楔块的超声相控阵小脚印探头，还没有对应的夹持方案。然而，无楔块的超声相控阵小脚印探头因具有接触面积小、曲面贴合度高及可进入活动空间狭窄区域等优点，在复杂曲面构件的超声相控阵检测中可以有效的提高检测精度，具有广泛的应用。最后，目前的夹持装置无法定量调节探头与被测表面之间的贴合压力，由此对检测信号造成不可量化的影响，极大地影响检测精度。因此，在目前的工程应用中，无楔块的超声相控阵小脚印探头的夹持和贴合压力的定量调节仍是亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，该系统中的夹持部分能够稳定夹持无楔块的超声相控阵小脚印探头，能够保证探头与被测表面良好耦合，压力反馈部分可以实时对贴合压力进行测量并数字显示，控制系统根据压力反馈实时对夹持部分进行调节，保证探头与被测表面之间的贴合压力稳定。该夹持系统配合工业机器人、多轴联动运动平台或自动扫查架等自动扫查装置使用，可以有效提高复杂曲面构件的超声相控阵检测效率和检测精度。

本发明采用以下技术方案：

一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，包括探头夹持部分，探头夹持部分的一端连接自动扫查装置的末端，另一端连接无楔块的超声相控阵小脚印探头，探头夹持部分上设置有步进丝杠组件，步进丝杠组件与控制部分连接，无楔块的超声相控阵小脚印探头与压力反馈部分连接，压力反馈部分能够将超声相控阵小脚印探头与被测表面之间的贴合压力反馈给控制部分形成闭环系统。

具体的，探头夹持部分包括步进电机固定板，步进电机固定板的上端一侧与自动扫查装置的末端连接，步进电机固定板通过步进电机丝杠组件和光杠组件与顶部压板连接，顶部压板的下方设置有下压板，顶部压板和下压板之间设置有可活动的压力传感器压板，压力传感器压板和下压板之间设置压力传感器，压力传感器与下压板下方的超声相控阵小脚印探头连接，用于将采集的信息发送给压力反馈部分。

进一步的，步进电机固定板的下端经后侧固定板连接底部固定板，步进电机丝杠组件和光杠组件设置在步进电机固定板与底部固定板之间。

更进一步的，步进电机丝杠组件包括步进电机丝杠，步进电机丝杠设置在步进电机固定板上，伸出端与底部固定板上设置的丝杠支撑座连接，步进电机丝杠上套装有丝杠螺母，丝杠螺母通过丝杠螺母转换座与顶部压板连接。

更进一步的，光杠组件包括光杠，光杠的一端与步进电机固定板上设置的光杠固定座连接，另一端与底部固定板连接。

进一步的，顶部压板通过四个固定立柱连接下压板，压力传感器压板与顶部压板之间的固定立柱上设置有弹簧组，能够随顶部压板的上下移动进行压缩伸长。

具体的，超声相控阵小脚印探头通过探头夹持组件夹持固定，探头夹持组件通过连接板与探头夹持部分的下端设置的下压板连接。

进一步的，探头夹持组件包括前侧夹紧压块，前侧夹紧压块的两端分别与定位夹块和右侧夹紧压块铰接连接，连接板与定位夹块连接。

更进一步的，右侧夹紧压块上加工有U形槽，通过夹紧螺栓将其与定位夹块连接，并且通过调节螺母实现对无楔块超声相控阵小脚印探头的夹紧。

更进一步的，在定位夹块、前侧夹紧压块和右侧夹紧压块的作用面上均设置有缓冲垫。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，可实现稳定夹持无楔块的超声相控阵小脚印探头，保证探头与被测表面良好耦合，压力反馈部分可以实时对贴合压力进行测量并数字显示，控制系统根据压力反馈实时对夹持部分调节，保证探头与被测表面之间的贴合压力稳定。该夹持系统配合工业机器人、多轴联动运动平台或者自动扫查架等自动扫查装置使用，可以有效提高复杂曲面构件的超声相控阵检测效率和检测精度。

进一步的，探头夹持部分可以有效地夹持无楔块的超声相控阵小脚印探头，并且可以对探头施加稳定的压力，实现与被测表面的良好贴合，具有结构简单、兼容性强的特点。

进一步的，利用步进电机丝杠组件可实现对弹簧压力的实时自动调节，并结合控制系统和压力反馈系统，可以保证贴合压力的稳定。

进一步的，光杠组件具有良好的导向作用，使压板在步进电机丝杠组件的驱动下仅具有垂直方向上的自由度，进而避免旋转。

进一步的，通过弹簧组的压缩和伸长来改变探头与被测表面间的贴合压力，控制弹簧伸缩量可实现贴合压力的定量调节。

进一步的，通过简单的操作，探头夹持组件能够有效地夹持无楔块的超声相控阵小脚印探头，并且可根据探头的尺寸进行更换调整，实现了良好的兼容性。

进一步的，右侧夹紧夹块上加工有U形槽，利用夹紧螺栓可实现对探头的周向夹紧。

进一步的，在定位夹块、前侧夹紧压块、右侧夹紧压块的内侧工作面上均贴有缓冲垫，用以避免夹持力过大而损伤探头和利用缓冲垫与探头外壁间的摩擦力来防止探头进行轴向窜动。

综上所述，本发明可以实现对无楔块的超声相控阵小脚印探头稳定夹持，并对探头与被测表面间的贴合压力可进行定量调节以及保持贴合压力的稳定，有效地降低了因贴合压力不稳定引起的检测干扰。另外，本发明结构简单，通过更换探头夹持组件可实现对不同尺寸的无楔块的超声相控阵小脚印探头夹持，具有很强的兼容性。同时，该夹持系统配合自动扫查装置使用，可有效提高复杂曲面构件的超声相控阵检测效率和检测精度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明的夹持部分的装配示意图；

图3为本发明探头夹持组件结构示意图；

图4为本发明夹持方法流程图。

其中：1.自动扫查装置的末端；2.探头夹持部分；3.压力反馈部分；4.控制部分；5.超声相控阵小脚印探头；21.步进电机固定板；22.步进电机丝杠组件；221.步进电机丝杠；222.丝杠螺母；223.丝杠螺母转换座；224.丝杠支撑座；23.后侧固定板；24.顶部压板；25.弹簧组；26.底部固定板；27.压力传感器压板；28.下压板；29.探头夹持组件；210.连接板；211.固定立柱；212.光杠组件；2121.滑块；2122.光杠；2123.光杠固定座；31.压力传感器；291.定位夹块；292.前侧夹紧压块；293.销轴；294.右侧夹紧压块；295.缓冲垫；296.夹紧螺栓。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供了一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，包括自动扫查装置的末端1、探头夹持部分2、压力反馈部分3、控制部分4、无楔块的超声相控阵小脚印探头5。

无楔块的超声相控阵小脚印探头5由探头夹持部分2夹持固定，并安装在机器人或多轴联动运动平台的末端1上。探头夹持部分2与压力反馈部分3和控制部分4三者之间彼此相连，控制部分4通过驱动探头夹持部分2内设置的步进丝杠组件22，改变无楔块的超声相控阵小脚印探头5与被测表面之间的贴合压力，该贴合压力由压力反馈部分3实时测量和数字显示，并反馈到控制部分4，形成闭环系统，保证贴合压力的稳定。

请参阅图1和图2，探头夹持部分包括步进电机固定板21、步进电机丝杠组件22、步进电机丝杠221、丝杠螺母222、丝杠螺母转换座223、丝杠支撑座224、后侧固定板23、顶部压板24、弹簧组25、底部固定板26、压力传感器压板27、下压板28、探头夹持组件29、连接板210、固定立柱211、光杠组件212、滑块2121、光杠2122及光杠固定座2123。

步进电机固定板21的上端一侧与自动扫查装置的末端1连接，下端经后侧固定板23连接底部固定板26，步进电机固定板21与底部固定板26之间设置有步进电机丝杠组件22和光杠组件212，步进电机丝杠组件22和光杠组件212与顶部压板24连接，顶部压板24的下方设置有下压板28，顶部压板24和下压板28之间设置有可活动的压力传感器压板27，压力传感器压板27和下压板28之间通过压力传感器31连接，下压板28下方连接有探头夹持组件29，探头夹持组件29上设置有超声相控阵小脚印探头5，压力传感器31与超声相控阵小脚印探头5连接。

步进电机固定板21为L型结构，竖直侧与自动扫查装置的末端1连接，水平侧上设置有光杠固定座2123和步进电机丝杠221，底部固定板26上设置有丝杠支撑座224，步进电机丝杠221的伸出端与丝杠支撑座224连接；光杠固定座2123与光杠2122的一端连接，光杠2122的另一端与底部固定板26连接，光杠2122上套装有滑块2121，步进电机丝杠221上套装有丝杠螺母222，丝杠螺母222安装在丝杠螺母转换座223上，顶部压板24与丝杠螺母转换座223、滑块2121通过螺栓连接，实现上下移动。

顶部压板24通过四个固定立柱211连接下压板28，顶部压板24与下压板28之间设置有压力传感器压板27，压力传感器压板27与顶部压板24之间的固定立柱211上设置有弹簧组25，随着顶部压板24的上下移动进行压缩伸长。

压力传感器31上下两侧分别与压力传感器压板27和下压板28通过螺钉连接，可以实时测量弹簧组25产生的压力。

探头夹持组件29通过连接板210安装在下压板28的下方，直接夹持固定无楔块的超声相控阵小脚印探头5。

请参阅图3，探头夹持组件29包括定位夹块291、前侧夹紧压块292、销轴293、右侧夹紧压块294、缓冲垫295以及夹紧螺栓296。

前侧夹紧压块292的两端分别与定位夹块291、右侧夹紧压块294通过销轴293进行铰接；右侧夹紧压块294上加工有U形槽，通过夹紧螺栓296将其与定位夹块291连接，并且通过调节螺母实现对无楔块超声相控阵小脚印探头5的夹紧。

定位夹块291的末端上开有两个螺栓孔，用以安装到连接板210上。

在定位夹块291、前侧夹紧压块292、右侧夹紧压块294的作用面上贴有缓冲垫295，以避免夹持力过大而损伤相控阵探头，同时利用缓冲垫295与无楔块超声相控阵小脚印探头5外壁间的摩擦力来防止探头进行轴向窜动。

请参阅图4，本发明一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持方法，包括以下步骤：

S1、先将无楔块的超声相控阵小脚印探头5的左侧面、后侧面与定位夹块291的两个作用面紧靠，夹持超声相控阵小脚印探头的轴向位置，且夹持长度大于等于二分之一；

S2、通过销轴293铰接将前侧夹紧压块292与无楔块的超声相控阵小脚印探头5的前侧面紧贴，并用手施加必要的压力，使前侧夹紧压块292与定位夹块间夹角小于90°，实现该方向上的定位夹紧；

S3、通过销轴293铰接将右侧夹紧压块294与无楔块的超声相控阵小脚印探头5的右侧面紧靠；

S4、将夹紧螺栓296拧紧，保证无楔块的超声相控阵小脚印探头5不发生轴向窜动，实现对无楔块的超声相控阵小脚印探头5周向的定位夹紧。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明可与配合工业机器人或多轴联动运动平台使用，本发明的步进电机固定板21与自动扫查装置的末端1的法兰盘通过四个内六角螺栓连接，实现自动扫查装置带动探头夹持部分2进行高精度的扫查；

首先将无楔块的超声相控阵小脚印探头5用探头夹持组件29进行夹持固定，探头与被检测工件表面直接接触；

然后在控制系统4设置贴合压力，并由控制系统4驱动步进电机丝杠221带动顶部压板24上下运动，使弹簧组25产生设置的压力值；

压力垂直作用在压力传感器压板27上，从而通过下方的压力传感器31实时测量垂直压力大小，并通过压力反馈系统3进行数字显示和反馈到控制系统4，形成闭环系统；

该垂直压力可通过连接板210作用在探头夹持组件11上，进而保证无楔块的超声相控阵小脚印探头5与工件表面弹性耦合。

在工业机器人的扫查的过程中，控制系统4根据压力反馈系统3测量的压力大小作出相应调节，使弹簧组25的产生压力得到调整，从而保证贴合压力在检测过程中的稳定，有效地提高检测精度和检测效率。

另外，探头夹持组件29可以根据无楔块的超声相控阵小脚印探头5的大小进行更换，使本发明具有良好的兼容性。

综上所述，本发明可以稳定地夹持无楔块的超声相控阵小脚印探头，实现定量调节探头与被测工件表面之间的贴合压力，且可以匹配多种规格的无楔块超声相控阵小脚印探头。本发明在工业机器人、多轴联动运动平台或者自动扫查架等自动扫查装置的驱动下，可以极大地提高检测精度和检测效率，以及整个检测流程的自动化程度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，包括探头夹持部分(2)，探头夹持部分(2)的一端连接自动扫查装置的末端(1)，另一端连接无楔块的超声相控阵小脚印探头(5)，探头夹持部分(2)上设置有步进丝杠组件(22)，步进丝杠组件(22)与控制部分(4)连接，无楔块的超声相控阵小脚印探头(5)与压力反馈部分(3)连接，压力反馈部分(3)能够将超声相控阵小脚印探头(5)与被测表面之间的贴合压力反馈给控制部分(4)形成闭环系统。

2.根据权利要求1所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，探头夹持部分(2)包括步进电机固定板(21)，步进电机固定板(21)的上端一侧与自动扫查装置的末端(1)连接，步进电机固定板(21)通过步进电机丝杠组件(22)和光杠组件(212)与顶部压板(24)连接，顶部压板(24)的下方设置有下压板(28)，顶部压板(24)和下压板(28)之间设置有可活动的压力传感器压板(27)，压力传感器压板(27)和下压板(28)之间设置压力传感器(31)，压力传感器(31)与下压板(28)下方的超声相控阵小脚印探头(5)连接，用于将采集的信息发送给压力反馈部分(3)。

3.根据权利要求2所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，步进电机固定板(21)的下端经后侧固定板(23)连接底部固定板(26)，步进电机丝杠组件(22)和光杠组件(212)设置在步进电机固定板(21)与底部固定板(26)之间。

4.根据权利要求3所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，步进电机丝杠组件(22)包括步进电机丝杠(221)，步进电机丝杠(221)设置在步进电机固定板(21)上，伸出端与底部固定板(26)上设置的丝杠支撑座(224)连接，步进电机丝杠(221)上套装有丝杠螺母(222)，丝杠螺母(222)通过丝杠螺母转换座(223)与顶部压板(24)连接。

5.根据权利要求3所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，光杠组件(212)包括光杠(2122)，光杠(2122)的一端与步进电机固定板(21)上设置的光杠固定座(2123)连接，另一端与底部固定板(26)连接。

6.根据权利要求2所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，顶部压板(24)通过四个固定立柱(211)连接下压板(28)，压力传感器压板(27)与顶部压板(24)之间的固定立柱(211)上设置有弹簧组(25)，能够随顶部压板(24)的上下移动进行压缩伸长。

7.根据权利要求1所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，超声相控阵小脚印探头(5)通过探头夹持组件(29)夹持固定，探头夹持组件(29)通过连接板(210)与探头夹持部分(2)的下端设置的下压板(28)连接。

8.根据权利要求7所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，探头夹持组件(29)包括前侧夹紧压块(292)，前侧夹紧压块(292)的两端分别与定位夹块(291)和右侧夹紧压块(294)铰接连接，连接板(210)与定位夹块(291)连接。

9.根据权利要求8所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，右侧夹紧压块(294)上加工有U形槽，通过夹紧螺栓(296)将其与定位夹块(291)连接，并且通过调节螺母实现对无楔块超声相控阵小脚印探头(5)的夹紧。

10.根据权利要求8所述的定量调节超声相控阵探头贴合压力的夹持系统，其特征在于，在定位夹块(291)、前侧夹紧压块(292)和右侧夹紧压块(294)的作用面上均设置有缓冲垫(295)。

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