CN112083074A - 火箭贮箱环缝超声检测设备及控制方法 - Google Patents

火箭贮箱环缝超声检测设备及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种火箭贮箱环缝超声检测设备及控制方法，包括：基座(100)、头架(200)、环缝夹具(300)、支撑托架(400)、尾架(500)、龙门扫查平台以及火箭贮箱(800)；所述头架(200)和尾架(500)设置在基座(100)上；所述火箭贮箱(800)与头架(200)、尾架(500)紧固连接；所述环缝夹具(300)及内部内撑机构固定火箭贮箱(800)待焊接环缝区域；本发明满足了运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝原位一站式无损检测需求，实现了运载火箭贮箱焊接环缝的相控阵超声无损检测、三维成像以及自动缺陷诊断评定功能，解决当前人工手动扫查检测及缺陷评定的可靠性低、周期长和系统成熟度低等问题。

Description

火箭贮箱环缝超声检测设备及控制方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，具体地，涉及一种火箭贮箱环缝超声检测设备及控制方法。
背景技术
针对运载火箭燃料贮箱舱段搅拌摩擦焊(FSW)焊缝原位无损检测需求，研制适用于运载火箭燃料贮箱搅拌摩擦焊焊缝检测的阵列超声换能器、原位在线自动检测系统及成像软件，实现运载火箭燃料贮箱搅拌摩擦焊环缝原位自动检测及自动缺陷评定，解决当前人工手动扫查检测及缺陷评定的可靠性低、周期长和系统成熟度低等问题。
专利文献CN111089900A公开了一种钢管纵缝超声检测装置。包括探伤仪本体和探头，探伤仪本体与探头之间设有连接线，还包括支架，支架上架设有第一滑轨，第一滑轨沿钢管的长度方向设置，第一滑轨上滑动设有第一滑块，支架上还设有平移驱动件，第一滑块上还设有扫描驱动件。但该装置不能针对大直径火箭贮箱搅拌摩擦焊环缝进行检测，检测探头与焊缝不具备恒压力接触动态调整能力，且检测技术非先进的相控阵超声扫查，成像软件不具备C扫描成像、三维成像以及自动缺陷诊断功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种火箭贮箱环缝超声检测设备及控制方法。
根据本发明提供的一种火箭贮箱环缝超声检测设备，包括：基座100、头架200、环缝夹具300、支撑托架400、尾架500、回抽式搅拌头600、、龙门扫查平台、、火箭贮箱800以及超声检测控制系统900；所述头架200和尾架500设置在基座100上；所述火箭贮箱800与头架200、尾架500紧固连接；所述火箭贮箱800通过所述的头架200和尾架500固定；所述环缝夹具300及内部内撑机构固定火箭贮箱800待焊接环缝区域；所述环缝夹具300包括：环缝夹具内撑机构；所述环缝夹具内撑机构设置于环缝夹具300的内部；所述火箭贮箱800包括：火箭贮箱待焊接环缝区域；所述环缝夹具300与待焊接环缝区域紧固连接；所述支撑托架400设置于火箭贮箱环缝超声检测设备的底部；所述龙门扫查平台设置于火箭贮箱环缝超声检测设备的下部。
优选地，还包括：回抽式搅拌头600；所述回抽式搅拌头600及所述的头架200和尾架500绕X轴旋转，即A轴旋转配合完成对火箭贮箱800的环缝搅拌摩擦焊接；所述支撑托架400的数量为两个；所述两个支撑托架400设置于所述的基座100上；所述两个支撑托架400能够在基座100上移动；所述支撑托架400的设置能够对火箭贮箱800进行支撑以及搅拌摩擦焊环缝801的X方向移动。
优选地，所述龙门扫查平台采用相控阵列超声三轴龙门扫查平台700；所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台700设置于基座100上；所述火箭贮箱800包括：磨擦焊环缝801；所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台700设置于待检测的搅拌磨擦焊环缝801正下方。
优选地，所述的相控阵列超声三轴龙门扫查平台700包括：工业相机710、光源711、超声探头组件720、运动轴X1轴740、运动轴X2轴741、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750；所述超声探头组件720包括：接触式编码器723、超声波探头721、压力传感器724、压缩弹簧725、拉伸弹簧726、导柱727、耦合机构722；所述超声波探头721设置于压力传感器724上；所述压力传感器724向下连接压缩弹簧725；所述压力传感器724向上连接拉伸弹簧726；所述接触式编码器723设置于压力传感器724上；所述导柱727设置于压缩弹簧725的内部；所述超声波探头721与搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触；所述的接触式编码器723与所述的搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触，用以获取环缝扫查检测过程的位置信息。
优选地，还包括：超声检测控制系统900；所述的接触式编码器723与所述的搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触，反馈数值电连接至超声检测控制系统900；所述压力传感器724的数量为两个；所述两个压力传感器724分别检测超声波探头721和接触式编码器723与搅拌摩擦焊环缝801的压力值并传输至超声检测控制系统900；所述耦合机构722能够通过中央两条喷射耦合剂机构将耦合介质喷出；所述耦合机构722喷出的耦合介质作为超声波探头721的耦合剂。所述耦合机构722四周配有回收介质机构，回收耦合剂循环使用。
优选地，所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台700通过所述的超声探头组件720采集火箭贮箱800上搅拌摩擦焊环缝801超声检测数据，并将采集数据结果电传输至所述的超声检测控制系统900；所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台700通过所述运动轴X1轴740、运动轴X2轴741、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750带动超声探头组件720实现三轴位姿调整。
优选地，所述的超声检测控制系统900包括：伺服运动控制系统、位置反馈系统、视频监控系统、相控阵超声转换系统、HMI界面；所述伺服运动控制系统包括对运动轴X1轴740与运动轴X2轴741同步运动控制、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750的运动控制，运动轴Z轴在Z方向通过PID控制实现超声波探头721、接触式编码器723分别与所述的搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触；所述位置反馈系统读取解析接触式编码器723的数据信号；所述视频监控系统读取工业相机710的视频数据；所述相控阵超声转换系统读取解析超声波探头721的检测数据；所述HMI界面通过内部算法将相控阵超声转换系统的数据和位置反馈系统的位置数据进行拟合，形成相控阵超声C扫描成像、三维成像和缺陷评定界面；通过视频监控系统的数据实现对检测过程中超声探头组件720和搅拌摩擦焊环缝801位置实时监控。
优选地，所述的火箭贮箱800采用直径大于3m的舱段。
本发明提供的一种火箭贮箱环缝超声检测设备控制方法，采用火箭贮箱环缝超声检测设备实现，包括如下步骤：步骤S1:火箭贮箱800通过头架200和尾架500固定；步骤S2:环缝夹具300及内部内撑机构固定火箭贮箱800待焊接环缝区域，回抽式搅拌头600及头架200和尾架500绕X轴即A轴旋转配合完成对火箭贮箱800的环缝搅拌摩擦焊；步骤S3，支撑托架400支撑拖动火箭贮箱800向X方向移动,使搅拌摩擦焊环缝801处于阵列超声三轴龙门扫查平台700正上方；步骤S4，阵列超声三轴龙门扫查平台700通过运动轴X1轴740、运动轴X2轴741、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750进行三轴位姿调整，使超声波探头721、接触式编码器723与搅拌摩擦焊环缝801直接接触，超声检测控制系统900启动PID压力调整，实时检测压力传感器724数值作为反馈值动态PID调整Z轴位置保证超声波探头721、接触式编码器723分别与所述的搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触；步骤S5，头架200和尾架500带动火箭贮箱800绕X轴即A轴旋转，超声探头组件720扫查搅拌摩擦焊环缝801，并将扫查数据传输至超声检测控制系统900；步骤S6，超声检测控制系统900对环缝扫查检测过程进行视频实时监控，HMI界面实现对超声扫查数据进行解析、位置拟合、C扫描成像以及三维成像显示，自动进行缺陷判定，完成一条搅拌摩擦焊环缝的超声缺陷检测。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够实现大直径运载火箭贮箱搅拌摩擦焊环缝原位自动检测及自动缺陷评定，替代了当前人工手动扫查检测；
2、本发明中，缺陷评定的可靠性高、一致性好、检测周期短、系统成熟度高；
3、本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的相控阵列超声三轴龙门扫查平台的结构示意图；
图3为本发明的超声探头组件的结构示意图；
图4为本发明的超声检测控制系统架构示意图；
图5为本发明的火箭贮箱环缝超声检测设备的框示意图。
图中示出：
基座100 接触式编码器723
头架200 压力传感器724
环缝夹具300 压缩弹簧725
支撑托架400 拉伸弹簧726
尾架500 导柱727
回抽式搅拌头600 运动轴Y轴730
相控阵列超声三轴龙门扫查平台700 运动轴X1轴740
工业相机710 运动轴X2轴741
光源711 运动轴Z轴750
超声探头组件720 搅拌磨擦焊环缝801
超声波探头721 超声检测控制系统900
耦合机构722
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种火箭贮箱环缝超声检测设备，如图1、图5所示，包括基座100、头架200、环缝夹具300、支撑托架400、尾架500、回抽式搅拌头600、相控阵列超声三轴龙门扫查平台700以及超声检测控制系统900。头架200和尾架500设置在基座100上，火箭贮箱800通过头架200和尾架500固定，环缝夹具300及内部内撑机构固定火箭贮箱800待焊接环缝区域，回抽式搅拌头600及头架200和尾架500绕X轴旋转即A轴旋转配合完成对火箭贮箱800的环缝搅拌摩擦焊接，两个支撑托架400设置于基座100上，并能够在基座100上移动，支撑托架400设置对火箭贮箱800的支撑以及搅拌摩擦焊环缝801的X方向移动，移动搅拌摩擦焊环缝801至相控阵列超声三轴龙门扫查平台700正上方，完成超声检测准备条件。
如图1所示所述的相控阵列超声三轴龙门扫查平台700设置于基座100上及待检测的搅拌磨擦焊环缝801正下方。如图2所示，相控阵列超声三轴龙门扫查平台700，包括工业相机710、光源711、超声探头组件720、运动轴X1轴740、运动轴X2轴741、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750。相控阵列超声三轴龙门扫查平台700通过超声探头组件720采集火箭贮箱800上搅拌摩擦焊环缝801超声检测数据，并将采集数据结果电传输至超声检测控制系统900；相控阵列超声三轴龙门扫查平台700通过运动轴X1轴740、运动轴X2轴741、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750带动超声探头组件720实现三轴位姿调整。
如图2所示，超声探头组件720，包括接触式编码器723、超声波探头721、压力传感器724、压缩弹簧725、拉伸弹簧726、导柱727、耦合机构722。超声波探头721设置于压力传感器724上，压力传感器724向下连接压缩弹簧725、向上连接拉伸弹簧726。接触式编码器723设置于压力传感器724上，压力传感器724向下连接压缩弹簧725、向上连接拉伸弹簧726。压缩弹簧725内部设置导柱727。
超声波探头721与搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触。接触式编码器723与搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触，用以获取环缝扫查检测过程的位置信息，反馈数值电连接至超声检测控制系统900。两个压力传感器724分别检测超声波探头721和接触式编码器723与搅拌摩擦焊环缝801的压力值并传输至超声检测控制系统900。耦合机构722，通过中央两条喷射介质机构将耦合介质喷出，作为超声波探头721的耦合剂，耦合机构722四周配有吸收耦合剂机构，回收耦合剂循环使用。
超声检测控制系统900包括伺服运动控制系统、位置反馈系统、视频监控系统、相控阵超声转换系统、HMI界面；伺服运动控制系统包括对运动轴X1轴740与运动轴X2轴741同步运动控制、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750的运动控制，运动轴Z轴在Z方向通过PID控制实现超声波探头721、接触式编码器723分别与所述的搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触；位置反馈系统读取解析接触式编码器723的数据信号；视频监控系统读取工业相机710的视频数据；相控阵超声转换系统读取解析超声波探头721的检测数据；HMI界面通过内部算法将相控阵超声转换系统的数据和位置反馈系统的位置数据进行拟合，形成相控阵超声C扫描成像、三维成像和缺陷评定界面；通过视频监控系统的数据实现对检测过程中超声探头组件720和搅拌摩擦焊环缝801位置实时监控。在一个优选例中，如图4所示，超声检测控制系统包括伺服运动控制系统、位置反馈系统、视频监控系统、相控阵超声转换系统、HMI界面。采用伺服电机作为运动执行机构，实现X、Y、Z三轴运动平台，伺服驱动器之间采用总线连接，X轴采用双驱同步运动控制方式；采用PLC作为控制核心，限位传感器、开关启动按钮、指示灯、等通过PLC IO控制，压力传感器通过模拟量采集模块连入PLC，PLC通过Profinet总线经过工业交换机与伺服驱动器、工控机连接，工控机作为上位机组态监控系统通过以太网与下位机PLC进行连接。位置反馈系统采用外置编码器对贮箱A轴旋转位置角度进行反馈，接入相控阵超声转换系统。视频监控系统通过千兆网口连入工控机。本电气控制方案最终实现运动控制、位置反馈、视频监控、相控阵超声检测的一体化检测控制系统。
如图1所示，优选地，火箭贮箱800为大直径舱段，直径3m以上。
根据本发明提供的火箭贮箱环缝超声检测控制方法，通过采用火箭贮箱环缝超声检测设备实现，包含如下步骤：
步骤1，火箭贮箱800通过头架200和尾架500固定；
步骤2，环缝夹具300及内部内撑机构固定火箭贮箱800待焊接环缝区域，回抽式搅拌头600及头架200和尾架500绕X轴即A轴旋转配合完成对火箭贮箱800的环缝搅拌摩擦焊；
步骤3，支撑托架400支撑拖动火箭贮箱800向X方向移动,使搅拌摩擦焊环缝801处于阵列超声三轴龙门扫查平台700正上方；
步骤4，阵列超声三轴龙门扫查平台700通过运动轴X1轴740、运动轴X2轴741、运动轴Y轴730、运动轴Z轴750进行三轴位姿调整，使超声波探头721、接触式编码器723与搅拌摩擦焊环缝801直接接触，超声检测控制系统900启动PID压力调整，实时检测压力传感器724数值作为反馈值动态PID调整Z轴位置保证超声波探头721、接触式编码器723分别与所述的搅拌摩擦焊环缝801恒压力接触；
步骤5，头架200和尾架500带动火箭贮箱800绕X轴即A轴旋转，超声探头组件720扫查搅拌摩擦焊环缝801，并将扫查数据传输至超声检测控制系统900；
步骤6，超声检测控制系统900对环缝扫查检测过程进行视频实时监控，HMI界面实现对超声扫查数据进行解析、位置拟合、C扫描成像以及三维成像显示，自动进行缺陷判定，完成一条搅拌摩擦焊环缝的超声缺陷检测。
本发明能够对火箭贮箱搅拌摩擦焊环缝进行超声检测，研制了原位在线超声自动检测系统及成像软件，实现运载火箭燃料贮箱搅拌摩擦焊环缝原位自动检测及自动缺陷评定，解决当前人工手动扫查检测及缺陷评定的可靠性低、周期长和系统成熟度低等问题，具有降低人力成本，提高检测效率，保证检测质量，降低劳动强度且适用范围广泛的优点。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，包括：基座(100)、头架(200)、环缝夹具(300)、支撑托架(400)、尾架(500)、龙门扫查平台以及火箭贮箱(800)；
所述头架(200)和尾架(500)设置在基座(100)上；
所述火箭贮箱(800)与头架(200)、尾架(500)紧固连接；
所述环缝夹具(300)及内部内撑机构固定火箭贮箱(800)待焊接环缝区域；
所述环缝夹具(300)包括：环缝夹具内撑机构；
所述环缝夹具内撑机构设置于环缝夹具(300)的内部；
所述火箭贮箱(800)包括：火箭贮箱待焊接环缝区域；
所述环缝夹具(300)与待焊接环缝区域紧固连接；
所述支撑托架(400)设置于火箭贮箱环缝超声检测设备的底部；
所述龙门扫查平台设置于火箭贮箱环缝超声检测设备的下部。
2.根据权利要求1所述的火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，还包括：回抽式搅拌头(600)；
所述回抽式搅拌头(600)及所述的头架(200)和尾架(500)绕X轴旋转，配合完成对火箭贮箱(800)的环缝搅拌摩擦焊接；
所述火箭贮箱(800)通过所述的头架(200)和尾架(500)固定；
所述支撑托架(400)的数量为两个；
所述两个支撑托架(400)设置于所述的基座(100)上；
所述两个支撑托架(400)能够在基座(100)上移动；
所述支撑托架(400)的设置能够对火箭贮箱(800)进行支撑以及搅拌摩擦焊环缝(801)的X方向移动。
3.根据权利要求1所述的火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，所述龙门扫查平台采用相控阵列超声三轴龙门扫查平台(700)；
所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台(700)设置于基座(100)上；
所述火箭贮箱(800)包括：磨擦焊环缝(801)；
所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台(700)设置于搅拌磨擦焊环缝(801)正下方。
4.根据权利要求3所述的火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，所述的相控阵列超声三轴龙门扫查平台(700)包括：工业相机(710)、光源(711)、超声探头组件(720)、运动轴X1轴(740)、运动轴X2轴(741)、运动轴Y轴(730)、运动轴Z轴(750)；
所述超声探头组件(720)包括：接触式编码器(723)、超声波探头(721)、压力传感器(724)、压缩弹簧(725)、拉伸弹簧(726)、导柱(727)、耦合机构(722)；
所述超声波探头(721)设置于压力传感器(724)上；
所述压力传感器(724)向下连接压缩弹簧(725)；
所述压力传感器(724)向上连接拉伸弹簧(726)；
所述接触式编码器(723)设置于压力传感器(724)上；
所述导柱(727)设置于压缩弹簧(725)的内部；
所述超声波探头(721)与搅拌摩擦焊环缝(801)恒压力接触；
所述的接触式编码器(723)与所述的搅拌摩擦焊环缝(801)恒压力接触。
5.根据权利要求4所述的火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，还包括：超声检测控制系统(900)；
所述的接触式编码器(723)与所述的搅拌摩擦焊环缝(801)恒压力接触，反馈数值电连接至超声检测控制系统(900)；
所述压力传感器(724)的数量为两个；
所述两个压力传感器(724)分别检测超声波探头(721)和接触式编码器(723)与搅拌摩擦焊环缝(801)的压力值并传输至超声检测控制系统(900)；
所述耦合机构(722)能够将耦合介质喷出；
所述耦合机构(722)喷出的耦合介质作为超声波探头(721)的耦合剂。
6.根据权利要求5所述的火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台(700)通过所述的超声探头组件(720)采集火箭贮箱(800)上搅拌摩擦焊环缝(801)超声检测数据，并将采集数据结果电传输至所述的超声检测控制系统(900)；
所述相控阵列超声三轴龙门扫查平台(700)通过所述运动轴X1轴(740)、运动轴X2轴(741)、运动轴Y轴(730)、运动轴Z轴(750)带动超声探头组件(720)实现三轴位姿调整。
7.根据权利要求5所述的火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，所述的超声检测控制系统(900)包括：伺服运动控制系统、位置反馈系统、视频监控系统、相控阵超声转换系统、HMI界面；
所述伺服运动控制系统包括对运动轴X1轴(740)与运动轴X2轴(741)同步运动控制、运动轴Y轴(730)、运动轴Z轴(750)的运动控制，运动轴Z轴在Z方向通过PID控制实现超声波探头(721)、接触式编码器(723)分别与所述的搅拌摩擦焊环缝(801)恒压力接触；
所述位置反馈系统读取解析接触式编码器(723)的数据信号；
所述视频监控系统读取工业相机(710)的视频数据；
所述相控阵超声转换系统读取解析超声波探头(721)的检测数据；
将相控阵超声转换系统的数据和位置反馈系统的位置数据进行拟合，形成相控阵超声C扫描成像、三维成像和缺陷评定界面；
通过视频监控系统的数据实现对检测过程中超声探头组件(720)和搅拌摩擦焊环缝(801)位置实时监控。
8.根据权利要求5所述的火箭贮箱环缝超声检测设备，其特征在于，所述的火箭贮箱(800)采用直径大于3m的舱段。
9.一种火箭贮箱环缝超声检测设备控制方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的火箭贮箱环缝超声检测设备实现，包括如下步骤：
步骤S1：火箭贮箱(800)通过头架(200)和尾架(500)固定；
步骤S2：环缝夹具(300)及内部内撑机构固定火箭贮箱(800)待焊接环缝区域，回抽式搅拌头(600)及头架(200)和尾架(500)绕X轴旋转配合完成对火箭贮箱(800)的环缝搅拌摩擦焊；
步骤S3：支撑托架(400)支撑拖动火箭贮箱(800)向X方向移动,使搅拌摩擦焊环缝(801)处于阵列超声三轴龙门扫查平台(700)正上方；
步骤S4：阵列超声三轴龙门扫查平台(700)通过运动轴X1轴(740)、运动轴X2轴(741)、运动轴Y轴(730)、运动轴Z轴(750)进行三轴位姿调整，使超声波探头(721)、接触式编码器(723)与搅拌摩擦焊环缝(801)直接接触，超声检测控制系统(900)启动PID压力调整，实时检测压力传感器(724)数值作为反馈值动态PID调整Z轴位置保证超声波探头(721)、接触式编码器(723)分别与所述的搅拌摩擦焊环缝(801)恒压力接触；
步骤S5：头架(200)和尾架(500)带动火箭贮箱(800)绕X轴即A轴旋转，超声探头组件(720)扫查搅拌摩擦焊环缝(801)，并将扫查数据传输至超声检测控制系统(900)；
步骤S6：超声检测控制系统(900)对环缝扫查检测过程进行视频实时监控，HMI界面实现对超声扫查数据进行解析、位置拟合、C扫描成像以及三维成像显示，自动进行缺陷判定，完成一条搅拌摩擦焊环缝的超声缺陷检测。
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