CN112730633B - 一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法，属于超声检测装置和方法；一种不规则曲面工件的超声自动检测装置，包括有工作台架，工作台架的上固定安装有传送带，工作台架上表面一侧还固定安装有第一伺服电机，第一伺服电机的输出轴与传送带的驱动辊固定连接；第一安装架的顶端固定连接有第一固定横杆，第一固定横杆的下端固定连接有阵列式激光传感器；工作台架顶面远离第一安装架一端固定连接有第二安装架，第二安装架的顶端设置有第二伺服电机，第二伺服电机上固定连接有第二固定横杆，第二固定横杆上连接有超声探测机构；本发明有效解决了现有设计无法很好胜任不规则曲面工件的超声检测工作，影响检测数据的可靠性的问题。

Description

一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法

技术领域

本发明涉及超声检测装置和方法，具体为一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法。

背景技术

超声检测是利用超声波的折射、反射、衍射、衰减、谐振等特性，通过观察显示在超声检测仪上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。

对于普通的表面平整的工件，可以直接利用超声探头悬停接触带有涂层表面的工件进行检测即可，但是对于不规则曲面工件，现有的超声检测装置就无法准确很好的胜任检测工作了，影响检测数据的可靠性，为了更好的适应不规则曲面工件的超声检测工作，我们提出一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法。

发明内容

1、本发明要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题：

现有设计无法很好胜任不规则曲面工件的超声检测工作，影响检测数据的可靠性的问题。

2、技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种不规则曲面工件的超声自动检测装置，包括有工作台架，所述工作台架的上固定安装有传送带，所述工作台架上表面一侧还固定安装有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出轴与传送带的驱动辊固定连接；所述工作台架上表面靠近第一伺服电机一侧固定连接有第一安装架，所述第一安装架的顶端固定连接有第一固定横杆，所述第一固定横杆的下端固定连接有阵列式激光传感器；所述工作台架顶面远离第一安装架一端固定连接有第二安装架，所述第二安装架的顶端设置有第二伺服电机，所述第二伺服电机上固定连接有第二固定横杆，所述第二固定横杆上连接有超声探测机构。

优选的，所述传送带上固定连接有工件夹具，所述工件夹具之间卡接有待检测工件。

优选的，所述第二伺服电机滑动安装在第二安装架的顶端侧壁上，所述第二伺服电机的输出轴上固定连接有齿轮，所述第二安装架的顶面上设置有齿轮槽，所述齿轮与齿轮槽啮合连接。

优选的，所述超声探测机构包括有第一电动推杆，所述第一电动推杆固定连接在第二固定横杆上，所述第一电动推杆的底端活动连接有万向节，所述万向节上固定连接有探头夹具，所述探头夹具上夹持有超声探头，所述第一电动推杆上还固定连接有第二电动推杆，所述第二电动推杆的底端固定连接有第三电动推杆，所述第三电动推杆远离第二电动推杆一端与万向节侧壁活动连接。

优选的，所述工作台架上还固定安装有控制模块，所述控制模块包括有滤波单元以及控制信号生成单元，所述控制模块与第一伺服电机、第二伺服电机、阵列式激光传感器、第一电动推杆、第二电动推杆和第三电动推杆电性连接。

一种不规则曲面工件的超声自动检测方法，应用于权利要求1-5中所述的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置，包括有以下步骤：

S1、将待检测工件放置在传送带上的工件夹具之间夹紧；

S2、启动第一伺服电机，带动传送带匀速运转，带动待检测工件从阵列式激光传感器下方匀速通过；

S3、通过阵列式激光传感器获得待检测工件表面各点的距离信号，进而形成待检测工件表面的形状信号；

S4、将阵列式激光传感器获得的距离信号和形状信号传输给控制模块，控制模块的滤波单元将接收到的距离信号和形状信号进行滤波，再通过控制信号生成单元来生成控制信号；

S5、控制模块将控制信号传输给第二伺服电机、第一电动推杆、第二电动推杆以及第三电动推杆，对探头夹具上的超声探头的位置和状态进行调节，保证待检测工件通过时超声探头能够完全贴合在待检测工件表面对其进行检测。

优选的，所述S3中提到的测量待检测工件表面的形状信号的具体方法为：

以第一电动推杆向下为Z轴(上下)正方向，垂直Z轴向里为X轴(前后)正方向，垂直Z、X轴向左为Y轴(左右)正方向；

定义阵列式激光传感器到工件夹具底面的距离为L，阵列式激光传感器每个单元测得的从激光传感器到待检测工件的距离为h_nn；

这时，可得待检测工件表面的形状矩阵

该形状矩阵与待检测工件的表面形状的对应规则：

点位数值较大时，该点位就较为凸起；点位数值较小时，该点位就较为内凹；

控制模块根据该对应规则，在控制模块中生成待测工件的形状。

优选的，所述S5中提到的控制模块对超声探头位置和状态的调节控制方法，包括以下步骤：

N1、在控制模块对待检测工件的表面形状进行检测区域块位划分，并在控制模块中生成块位标记矩阵

任取其中一检测区域块记为O；

N2、控制模块中根据生成的待检测工件的表面形状，在任选位置根据该处的法线和Z轴之间的夹角α；

N3、依据三维坐标系，角度α偏向左时为正，偏向右时为负，和ΔL的正负性相同，根据公式

计算得出

ΔL＝K tanα

式中：α为任选位置的法线和Z轴之间的夹角；

ΔL为第三电动推杆在该处检测位置的长度改变量；

K为第三电动推杆和万向节固定点到万向节关节处的距离；

N4、控制模块根据N3中提到的公式，控制第三电动推杆的长度改变，进而控制超声探头的角度改变；

N5、再根据阵列式激光传感器测的高度，控制第一电动推杆、第二电动推杆改变相同的长度，使得超声探头可以完全贴合该检测位置。

3、有益效果

(1)本发明与现有设计相比，将超声检测技术与激光定位技术相结合，使用时，先将待检测工件放置在传送带上的工件夹具之间，然后通过第一伺服电机驱动传送带匀速运动，传送带上方的阵列式激光传感器通过激光测的工件各个位置的高度，形成整个工件表面的形状信号，控制模块将形状信号转化为控制信号，控制第二伺服电机以及超声探测机构的第一电动推杆、第二电动推杆和第三电动推杆根据控制信号适时调节超声探头的位置和状态，保证待检测工件通过时超声探头能够完全贴合在待检测工件表面对其进行检测，利用上述设计，更好的提升了超声探测的效果，有效的解决了现有设计无法很好胜任不规则曲面工件的超声检测工作，影响检测数据的可靠性的问题。

(2)本发明所提出的不规则曲面工件的超声自动检测方法与不规则曲面工件的超声自动检测装置相匹配，该方法与现有设计相比，创造性的将激光传感检测技术与超声检测技术相结合，使用时，先通过阵列式激光传感器对待检测工件的表面数据进行检测，形成形状信号，再控制超声探测机构贴着工件表面进行超声检测，与现有设计相比，更好的提升超声检测的效果，保证了检测数据的可靠性。

附图说明

图1为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置的结构示意图；

图2为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置图1中A部分的放大结构示意图；

图3为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置的超声探测机构的结构示意图；

图4为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测方法的流程示意图；

图5为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法的实施例3中待检测工件的结构示意图；

图6为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法的实施例3中超声探头开始检测区域的示意图；

图7为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法的实施例3中第二阶段检测开始区域的示意图；

图8为本发明提出的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法的实施例4中工作原理示意图。

图中标号说明：

1、工作台架；2、传送带；3、第一伺服电机；4、第一安装架；5、第一固定横杆；6、阵列式激光传感器；7、第二安装架；8、第二伺服电机；9、第二固定横杆；10、第一电动推杆；11、第二电动推杆；12、工件夹具；13、待检测工件；14、超声探测机构；15、万向节；16、探头夹具；17、超声探头；18、第三电动推杆。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1：

请参阅图1-3，一种不规则曲面工件的超声自动检测装置，包括有工作台架1，工作台架1的上固定安装有传送带2，工作台架1上表面一侧还固定安装有第一伺服电机3，第一伺服电机3的输出轴与传送带2的驱动辊固定连接；工作台架1上表面靠近第一伺服电机3一侧固定连接有第一安装架4，第一安装架4的顶端固定连接有第一固定横杆5，第一固定横杆5的下端固定连接有阵列式激光传感器6；工作台架1顶面远离第一安装架4一端固定连接有第二安装架7，第二安装架7的顶端设置有第二伺服电机8，第二伺服电机8上固定连接有第二固定横杆9，第二固定横杆9上连接有超声探测机构14。

传送带2上固定连接有工件夹具12，工件夹具12之间卡接有待检测工件13。

第二伺服电机8滑动安装在第二安装架7的顶端侧壁上，第二伺服电机8的输出轴上固定连接有齿轮，第二安装架7的顶面上设置有齿轮槽，齿轮与齿轮槽啮合连接。

超声探测机构14包括有第一电动推杆10，第一电动推杆10固定连接在第二固定横杆9上，第一电动推杆10的底端活动连接有万向节15，万向节15上固定连接有探头夹具16，探头夹具16上夹持有超声探头17，第一电动推杆10上还固定连接有第二电动推杆11，第二电动推杆11的底端固定连接有第三电动推杆18，第三电动推杆18远离第二电动推杆11一端与万向节15侧壁活动连接。

工作台架1上还固定安装有控制模块，控制模块包括有滤波单元以及控制信号生成单元，控制模块与第一伺服电机3、第二伺服电机8、阵列式激光传感器6、第一电动推杆10、第二电动推杆11和第三电动推杆18电性连接。

本发明与现有设计相比，将超声检测技术与激光定位技术相结合，使用时，先将待检测工件13放置在传送带2上的工件夹具12之间，然后通过第一伺服电机3驱动传送带2匀速运动，传送带2上方的阵列式激光传感器6通过激光测的工件各个位置的高度，形成整个工件表面的形状信号，控制模块将形状信号转化为控制信号，控制第二伺服电机8以及超声探测机构14的第一电动推杆10、第二电动推杆11和第三电动推杆18根据控制信号适时调节超声探头17的位置和状态，保证待检测工件13通过时超声探头17能够完全贴合在待检测工件13表面对其进行检测，利用上述设计，更好的提升了超声探测的效果，有效的解决了现有设计无法很好胜任不规则曲面工件的超声检测工作，影响检测数据的可靠性的问题。

实施例2：

请参阅图4，结合实施例1的基础有所不同之处在于，一种不规则曲面工件的超声自动检测方法，应用于权利要求1-5中的一种不规则曲面工件的超声自动检测装置，包括有以下步骤：

S1、将待检测工件13放置在传送带2上的工件夹具12之间夹紧；

S2、启动第一伺服电机3，带动传送带2匀速运转，带动待检测工件13从阵列式激光传感器6下方匀速通过；

S3、通过阵列式激光传感器6获得待检测工件13表面各点的距离信号，进而形成待检测工件13表面的形状信号；

S4、将阵列式激光传感器6获得的距离信号和形状信号传输给控制模块，控制模块的滤波单元将接收到的距离信号和形状信号进行滤波，再通过控制信号生成单元来生成控制信号；

S5、控制模块将控制信号传输给第二伺服电机8、第一电动推杆10、第二电动推杆11以及第三电动推杆18，对探头夹具16上的超声探头17的位置和状态进行调节，保证待检测工件13通过时超声探头能够完全贴合在待检测工件13表面对其进行检测。

本发明所提出的不规则曲面工件的超声自动检测方法与不规则曲面工件的超声自动检测装置相匹配，该方法与现有设计相比，创造性的将激光传感检测技术与超声检测技术相结合，使用时，先通过阵列式激光传感器6对待检测工件13的表面数据进行检测，形成形状信号，再控制超声探测机构14贴着工件表面进行超声检测，与现有设计相比，更好的提升了超声检测的效果，保证了检测数据的可靠性。

实施例3：

请参阅图5-7，基于实施例1-2但有所不同之处在于，以不规则曲面工件的超声自动检测装置的超声探测机构14为基点建立三维坐标系，以第一电动推杆10向下为Z轴(上下)正方向，垂直Z轴向里为X轴(前后)正方向，垂直Z、X轴向左为Y轴(左右)正方向；

控制模块首先通过控制第一伺服电机3，控制待检测工件13通过阵列式激光传感器6，获取到待检测工件13表面的形状信号，阵列式激光传感器6到工作台架1的距离是一定的，控制模块接收到阵列式激光传感器6的形状信号，根据不同位置的距离差，生成整个检测过程的控制信号，以此来控制第一伺服电机3、第二伺服电机8、第一电动推杆10、第二电动推杆和第三电动推杆18；

超声探头17是嵌入到万向节15里，改变万向节15的角度，即可改变超声探头17的姿态；

第一伺服电机3，在检测阶段，是控制待检测工件13沿着Y轴(左右)的方向移动调整，通过速度调整，可以使得待检测工件13带有涂层的表面更好的贴合超声探头17；

第二伺服电机8，在检测的过程中，带动整个检测机构沿着X轴(前后)正负方向移动，使整个检测机构可以进行X轴方向的调整；

第一电动推杆10，控制下端连接的万向节15，使得超声探头17可以沿着Z轴(上下)向上向下移；

第二电动推杆，下端固定安装有第三电动推杆18，其通过收放，带动第三电动推杆18沿着Z轴(上下)向上向下移；

第三电动推杆18，滑动铰接在万向节15的侧壁上，第三电动推杆18伸长或缩短时，既能实现对万向节15以及超声探头17角度的调节，以此来使超声探头17实现贴合工件曲面，同时第三电动推杆18又能始终保持水平状态。

以图5为例，在对图5所示检测工件进行检测时，将该曲面涂上耦合剂，固定在工件夹具12上，控制模块控制第一伺服电机3带动传送带2运动，使得待检测工件13通过阵列式激光传感器6，控制模块获取到待检测工件13表面形状，经过滤波之后生成控制信号，控制模块通过控制信号，来控制第一伺服电机3、第二伺服电机8、第一电动推杆10、第二电动推杆11和第三电动推杆18来改变超声探头17的姿态；继续控制待检测工件13通过检测区域，当待检测工件13进入检测区域时，第一伺服电机3会暂停等待检测，第二伺服电机8会迅速根据控制信号到达预定的开始检测区域，然后控制模块控制第一电动推杆10、第二电动推杆11和第三电动推杆18，首先控制第三电动推杆18伸缩，以此来使得夹持住超声探头17的万向节15沿着Y轴(左右)改变适合的方向，以此来达到超声探头17可以很好的贴合该表面的目的；改变好方向之后，接着控制模块控制第一电动推杆10、第二电动推杆11伸缩相同的高度，这样就使得超声探头17能够很好的贴合待测区域。

检测过程中，首先第三电动推杆18会收缩，调整万向节15向右转动到可以贴合该工件表面的角度，然后第一电动推杆10、第二电动推杆11伸缩同样的长度，将超声探头17完美贴合在该曲面位置，进而进行超声检测；当该位置检测结束之后，控制模块控制第一伺服电机3继续运转，带动工件沿着Y轴(左右)正方向运动，进入到下一个位置，因为该位置和上一个位置位于同一个X轴平面，所以第二伺服电机8不需要调整位置，只需要第一电动推杆10、第二电动推杆11和第三电动推杆18来调整探头的状态，进而重新贴合另一个位置表面。

这样连贯走完一个X轴平面过程，第二伺服电机8会继续根据控制信号到达如图7所示的第二阶段检测的开始区域，然后第一电动推杆10、第二电动推杆和第三电动推杆18继续调整探头的姿态，第一伺服电机3反转，进而如此完成整个第二阶段的检测，如此往复，完成整个工件的检测。

实施例4：

请参阅图8，基于实施例1-3但有所不同之处在于，测量待检测工件13表面的形状信号的具体方法为：

以第一电动推杆10向下为Z轴(上下)正方向，垂直Z轴向里为X轴(前后)正方向，垂直Z、X轴向左为Y轴(左右)正方向；

定义阵列式激光传感器6到工件夹具12底面的距离为L，阵列式激光传感器6每个单元测得的从激光传感器到待检测工件13的距离为h_nn；

这时，可得待检测工件13表面的形状矩阵

该形状矩阵与待检测工件13的表面形状的对应规则：

点位数值较大时，该点位就较为凸起；点位数值较小时，该点位就较为内凹；

控制模块根据该对应规则，在控制模块中生成待测工件13的形状。

以图8为例，如图所述，图上L为Z轴的平行线，F为该处的法线，α为法线F和L的夹角；Q为任取一段待测工件表面，O为其中的一个检测点，P为该点的切线；使用过程中，控制模块对超声探头17位置和状态的调节控制方法，包括以下步骤：

N1、在控制模块对待检测工件13的表面形状进行检测区域块位划分，并在控制模块中生成块位标记矩阵

任取其中一检测区域块记为O；

N2、控制模块中根据生成的待检测工件13的表面形状，在任选位置根据该处的法线和Z轴之间的夹角α；

N3、依据三维坐标系，角度α偏向左时为正，偏向右时为负，和ΔL的正负性相同，根据公式

计算得出

ΔL＝K tanα

式中：α为任选位置的法线和Z轴之间的夹角；

ΔL为第三电动推杆18在该处检测位置的长度改变量；

K为第三电动推杆18和万向节15固定点到万向节15关节处的距离；

N4、控制模块根据N3中提到的公式，控制第三电动推杆18的长度改变，进而控制超声探头17的角度改变；

N5、再根据阵列式激光传感器6测的高度，控制第一电动推杆10、第二电动推杆11改变相同的长度，使得超声探头17可以完全贴合该检测位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种不规则曲面工件的超声自动检测装置，包括有工作台架(1)，其特征在于：所述工作台架(1)的上固定安装有传送带(2)，所述工作台架(1)上表面一侧还固定安装有第一伺服电机(3)，所述第一伺服电机(3)的输出轴与传送带(2)的驱动辊固定连接；所述工作台架(1)上表面靠近第一伺服电机(3)一侧固定连接有第一安装架(4)，所述第一安装架(4)的顶端固定连接有第一固定横杆(5)，所述第一固定横杆(5)的下端固定连接有阵列式激光传感器(6)；所述工作台架(1)顶面远离第一安装架(4)一端固定连接有第二安装架(7)，所述第二安装架(7)的顶端设置有第二伺服电机(8)，所述第二伺服电机(8)上固定连接有第二固定横杆(9)，所述第二固定横杆(9)上连接有超声探测机构(14)；

所述传送带(2)上固定连接有工件夹具(12)，所述工件夹具(12)之间卡接有待检测工件(13)；

所述第二伺服电机(8)滑动安装在第二安装架(7)的顶端侧壁上，所述第二伺服电机(8)的输出轴上固定连接有齿轮，所述第二安装架(7)的顶面上设置有齿轮槽，所述齿轮与齿轮槽啮合连接；

所述超声探测机构(14)包括有第一电动推杆(10)，所述第一电动推杆(10)固定连接在第二固定横杆(9)上，所述第一电动推杆(10)的底端活动连接有万向节(15)，所述万向节(15)上固定连接有探头夹具(16)，所述探头夹具(16)上夹持有超声探头(17)，所述第一电动推杆(10)上还固定连接有第二电动推杆(11)，所述第二电动推杆(11)的底端固定连接有第三电动推杆(18)，所述第三电动推杆(18)远离第二电动推杆(11)一端与万向节(15)侧壁活动连接；

所述工作台架(1)上还固定安装有控制模块，所述控制模块包括有滤波单元以及控制信号生成单元，所述控制模块与第一伺服电机(3)、第二伺服电机(8)、阵列式激光传感器(6)、第一电动推杆(10)、第二电动推杆(11)和第三电动推杆(18)电性连接；

一种应用于不规则曲面工件的超声自动检测装置的检测方法，其特征在于：包括有以下步骤：

S1、将待检测工件(13)放置在传送带(2)上的工件夹具(12)之间夹紧；

S2、启动第一伺服电机(3)，带动传送带(2)匀速运转，带动待检测工件(13)从阵列式激光传感器(6)下方匀速通过；

S3、通过阵列式激光传感器(6)获得待检测工件(13)表面各点的距离信号，进而形成待检测工件(13)表面的形状信号；

S4、将阵列式激光传感器(6)获得的距离信号和形状信号传输给控制模块，控制模块的滤波单元将接收到的距离信号和形状信号进行滤波，再通过控制信号生成单元来生成控制信号；

S5、控制模块将控制信号传输给第二伺服电机(8)、第一电动推杆(10)、第二电动推杆(11)以及第三电动推杆(18)，对探头夹具(16)上的超声探头(17)的位置和状态进行调节，保证待检测工件(13)通过时超声探头(17)能够完全贴合在待检测工件(13)表面对其进行检测；

所述S3中提到的测量待检测工件(13)表面的形状信号的具体方法为：

以第一电动推杆(10)向下为Z轴(上下)正方向，垂直Z轴向里为X轴(前后)正方向，垂直Z、X轴向左为Y轴(左右)正方向；

定义阵列式激光传感器(6)到工件夹具(12)底面的距离为L，阵列式激光传感器(6)每个单元测得的从激光传感器到待检测工件(13)的距离为h_nn；

这时，可得待检测工件(13)表面的形状矩阵

该形状矩阵与待检测工件(13)的表面形状的对应规则：

点位数值较大时，该点位就较为凸起；点位数值较小时，该点位就较为内凹；

控制模块根据该对应规则，在控制模块中生成待测工件(13)的形状；

所述S5中提到的控制模块对超声探头(17)位置和状态的调节控制方法，包括以下步骤：

N1、在控制模块对待检测工件(13)的表面形状进行检测区域块位划分，并在控制模块中生成块位标记矩阵

任取其中一检测区域块记为O；

N2、控制模块中根据生成的待检测工件(13)的表面形状，在任选位置根据该处的法线和Z轴之间的夹角α；

N3、依据三维坐标系，角度α偏向左时为正，偏向右时为负，和ΔL的正负性相同，根据公式

计算得出

ΔL＝Ktanα

式中：α为任选位置的法线和Z轴之间的夹角；

ΔL为第三电动推杆(18)在该处检测位置的长度改变量；

K为第三电动推杆(18)和万向节(15)固定点到万向节(15)关节处的距离；

N4、控制模块根据N3中提到的公式，控制第三电动推杆(18)的长度改变，进而控制超声探头(17)的角度改变；

N5、再根据阵列式激光传感器(6)测的高度，控制第一电动推杆(10)、第二电动推杆(11)改变相同的长度，使得超声探头(17)可以完全贴合该检测位置。

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