CN113820469A - 一种球管相贯焊缝检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球管相贯焊缝检测设备，包括升降模块、径向扫查模块、探头夹持模块；探头夹持模块包括基座、转动架和滑动导轨，探头与滑动导轨之间的转动副轴线穿过探头的中心点，滑动导轨与转动架之间具有绕探头中心点转动的转动副，转动架与基座沿管的轴线方向滑动连接，转动架与基座之间安装有弹簧；径向扫查模块，用于驱动基座沿管的径向移动；升降模块，用于驱动基座及径向扫查模块共同沿管的轴向移动。本发明的探头自适应焊缝的复杂曲面，定位准确，检测精度高，体积小，能够应用于球管相贯的内部狭小空间，安全、高效。

Description

一种球管相贯焊缝检测设备

技术领域

本发明属于焊缝检测技术领域，一种球管相贯焊缝检测设备。

背景技术

在石油、电力、锅炉等行业的设备加工过程中，经常会遇到球管插接时形成的相贯线焊接情况。相对于管管相贯模型而言，球管插接相贯线是更为典型、复杂的空间曲线。在实际应用中往往对焊缝处的气密性和耐高压性要求较高，因此，焊接质量的好坏将直接影响相关设备的质量。定期的对球管焊缝进行检查是保障设备安全运行的重要保障，但是球管相贯焊缝为球面与管型圆柱面相交形成的空间相贯型焊缝，焊缝位置空间狭小、结构复杂，检测难度大。而且在一些高腐蚀性、高放射性的应用场合，无法进行人工检测。有鉴于此，确有必要发明一种安全、高效的球管相贯焊缝检测设备。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种球管相贯焊缝检测设备，探头自适应焊缝的复杂曲面，定位准确，检测精度高，体积小，能够应用于球管相贯的内部狭小空间，安全、高效，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种球管相贯焊缝检测设备，包括升降模块、径向扫查模块、探头夹持模块；

所述探头夹持模块，包括基座、转动架和弧形的滑动导轨，探头与滑动导轨之间的转动副轴线穿过探头的中心点，滑动导轨与转动架之间具有绕探头中心点转动的转动副，转动架与基座沿管的轴线方向滑动连接，转动架与基座之间安装有弹簧；

所述径向扫查模块，用于驱动基座沿管的径向移动；

所述升降模块，用于驱动基座及径向扫查模块共同沿管的轴向移动。

进一步的，所述滑动导轨为圆弧形，滑动导轨与转动架转动连接，探头转动安装于滑动导轨的直径上，探头的中心位于滑动导轨的圆心上。

进一步的，所述转动架的对应位置通过连接轴转动连接有多个滑轮，多个滑轮分布于滑动导轨的两侧，使得滑动导轨与转动架之间具有绕探头中心点转动的转动副。

进一步的，所述滑动导轨内部开有导向槽，导向槽内装有多个凸缘轴承，凸缘轴承通过固定轴与转动架连接；最外侧的凸缘轴承与导向槽直径小的一侧相接触，内侧的凸缘轴承与滑动导轨导向槽直径大的一侧相接触，凸缘轴承的凸缘部分与滑动导轨的端面相接触，用于限制滑动导轨沿凸缘轴承轴向的自由度，使得滑动导轨与转动架之间具有绕探头中心点转动的转动副。

进一步的，每个所述滑轮边缘的中部设有凹陷，滑动导轨上设有安装凸缘，滑动导轨上的安装凸缘延伸入滑轮的凹陷。

进一步的，所述升降模块上安装有能够反馈基座升降位置的编码器，径向扫查模块上安装有能够反馈基座在管的径向方向位置的编码器，基座上安装有能够反馈弹簧压缩量的直线编码器。

进一步的，所述转动架与直线导轨固连，直线导轨与导轨滑块滑动连接，导轨滑块与基座固连，使转动架沿管的轴线方向相对基座自由滑动。

进一步的，所述径向扫查模块包括沿管的径向设置的齿条，齿条与基座固定连接，齿条与齿轮啮合传动连接，齿轮与回转驱动装置的输出轴连接。

进一步的，所述升降模块通过沿管轴线布置的丝杠螺母机构将回转运动转换为直线运动，丝杠螺母机构的螺母与升降平台固定连接，升降平台与基座固定连接。

进一步的，所述升降模块包括基体，基体内安装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的轴线与管的轴线平行，滚珠丝杠外部螺纹传动连接的丝杠螺母通过支撑杆与升降平台固定连接，升降平台与滚珠丝杠的轴线垂直，升降平台与基座固定连接，滚珠丝杠与回转驱动装置的输出轴连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明实施例的探头夹持模块能够使探头与焊缝处的复杂曲面保持良好接触，同时，使探头与检测曲面接触的过程中探头的中心点保持不变，定位准确，提高了检测精度。

2、通过编码器能够自动记录探头中心检测位置，便于实现球管相贯焊缝的自动检测，能够应用于高腐蚀性、高放射性的应用场合的检修及焊缝可靠性评估，降低人工检测带来的危害。

3、体积小、重量轻，能够适应球管相贯焊缝周边空间狭小的环境。

4、通过弹簧及直线编码器，能够将探头与焊缝曲面的接触力控制转换为弹簧的位置控制，极大的简化了控制难度，提高了检测效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的组装示意图。

图2是本发明实施例中升降模块的组装示意图。

图3是本发明实施例中径向扫查模块的组装示意图。

图4是本发明实施例中的探头夹持模块的组装示意图。

图5是本发明实施例中滑动导轨、探头及转动架的运动副简图。

图6a是本发明另一实施例中滑动导轨与转动架的连接示意图。

图6b是图6a的侧视图。

图6c是图6a中A-A截面图。

图7是本发明实施例在顶盖内部检测时的示意图。

图中，10.升降模块，20.径向扫查模块，30.探头夹持模块，101.升降平台，102.滚珠丝杠，103.丝杠驱动电机，104.齿轮对，105.丝杠螺母，106.第一旋转编码器，107.基体，108.支撑杆，201.径向驱动电机，202.齿轮，203.第二旋转编码器，301.基座，302.转动架，303.滑动导轨，304.滑轮，305.弹簧，306.探头，307.直线编码器，308.齿条，309.直线导轨，310.导轨滑块，311.凸缘轴承，40.连接板，401.球管焊缝，402.球壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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，

一种球管相贯焊缝检测设备，如图1所示，包括升降模块10、径向扫查模块20、探头夹持模块30；

探头夹持模块30，包括基座301，基座301上沿管的轴线方向滑动连接有转动架302，转动架302用于固定探头306并使探头306具有两个绕探头中心点的旋转自由度；

径向扫查模块20，用于驱动基座301沿管的径向移动；

升降模块10，用于驱动基座301及径向扫查模块20一起沿管的轴向移动。

探头306能在一定范围内随升降模块10及径向扫查模块20移动，同时探头306的探测部与球管相贯焊缝接触，探头306采用涡流阵列探头，对焊缝涡流扫查。

如图2所示，升降模块10包括基体107、升降平台101、滚珠丝杠102和丝杠驱动电机103；基体107内安装有滚珠丝杠102，滚珠丝杠102的轴线与管的轴线平行，滚珠丝杠102外部螺纹传动连接的丝杠螺母105通过支撑杆108与升降平台101固定连接，升降平台101与滚珠丝杠102的轴线垂直，升降平台101与基座301固定连接，滚珠丝杠102与回转驱动装置的输出轴连接。

在一些实施例中，滚珠丝杠102通过齿轮对104与丝杠驱动电机103的输出轴传动连接，丝杠驱动电机103的输出轴与滚珠丝杠102的轴线平行；减小焊缝检测设备的体积，便于在狭小空间工作。齿轮对104包括小齿轮和大齿轮，丝杠驱动电机103的输出轴上安装有小齿轮，滚珠丝杠102一端安装有大齿轮，小齿轮与大齿轮内核传动。

在一些实施例中，滚珠丝杠102远离丝杠驱动电机103的一端与支座转动连接，支座固定与基体107内，支撑杆108贯穿支座，能够沿圆柱管轴向自由运动。

丝杠驱动电机103启动时，通过齿轮对104使滚珠丝杠102转动，丝杠螺母105与滚珠丝杠102配合，进而使得丝杠螺母105带动升降平台101在一定范围内沿管的轴向运动。

如图3~4所示，径向扫查模块20包括径向驱动电机201，径向驱动电机201的输出轴与管的轴线平行，径向驱动电机201的输出轴上安装有齿轮202，基座301的底部侧壁安装有齿条308，齿条308沿管的径向设置，齿条308与齿轮202啮合传动连接。

径向驱动电机201启动时，齿轮202转动并通过齿轮202和齿条308配合使探头夹持模块30能在一定范围内沿管的径向运动，径向驱动电机201与升降平台101固定连接。

如图4~5所示，探头夹持模块30包括基座301、转动架302和滑动导轨303，探头306与滑动导轨303之间为转动副，转动副轴线通过探头306的中心点，滑动导轨303与转动架302之间也为转动副，其转动中心与探头306的中心点重合，这样无论探头306如何偏转，探头306的中心点的位置始终不会改变。

如图4所示，转动架302上滑动安装有弧形的滑动导轨303，滑动导轨303能够沿自身圆弧方向自由滑动，探头306转动安装于滑动导轨303的直径上，探头306的中心位于滑动导轨303的弧形圆心上；转动架302与基座301沿管的轴线方向滑动连接，转动架302与基座301之间安装有弹簧305，即弹簧305一端与基座301固连，弹簧305另一端与转动架302固连，当探头306与被检测曲面接触时弹簧305被压缩，其弹性力反作用于转动架302上并使探头306始终与被检测曲面接触。

在检测的过程中探头306能够绕滑动导轨303的直边自由转动，同时能够与滑动导轨303一起绕探头306的中心（即滑动导轨303的圆心）做圆周偏转，两个运动过程中探头306的中心始终保持不变，即使得探头306可绕自身中心点实现两个方向的偏转以适应复杂曲面，同时能够精确记录检测位置，提高检测精度。

转动架302上对应位置通过连接轴固定安装有多个滑轮304，连接轴与滑轮304转动连接，连接轴与转动架302固定连接；多个滑轮304分布于滑动导轨303的两侧，实施例中设有三个滑轮304，使得滑动导轨303能够沿自身圆弧方向自由滑动。每个滑轮304边缘的中部设有凹陷，滑动导轨303上设有安装凸缘，滑动导轨303上的安装凸缘延伸入滑轮304的凹陷，使得滑动导轨303稳定滑动，提高了探头306稳定性。

滑轮304的数量没有特殊的限定，只要保证探头306偏转到所需最大的偏转角度时探头与其他部件不发生干涉即可。

如图6a~6c，弧形的滑动导轨303内部开有导向槽，导向槽内装有多个凸缘轴承311，凸缘轴承311通过固定轴与转动架302转动连接；最外侧的两个凸缘轴承311与导向槽的上部（直径小的一侧）相接触，内侧的两个凸缘轴承311与滑动导轨303导向槽的下部（直径大的一侧）相接触，凸缘轴承311的凸缘部分与滑动导轨303的端面相接触，用于限制滑动导轨303沿凸缘轴承311轴向的自由度；这样通过凸缘轴承311将滑动导轨303支撑起来，滑动导轨303与转动架302之间也形成了绕探头306中心点的转动副。

在一些实施例中，转动架302的底部与直线导轨309固连，直线导轨309上滑动连接有导轨滑块310，导轨滑块310与基座301固连，使转动架302沿管的轴线方向相对基座301自由滑动。

在一些实施例中，升降模块10上安装有能够反馈基座301升降位置的编码器，径向扫查模块20上安装有能够反馈基座301在管的径向方向位置的编码器。具体的，滚珠丝杠102末端安装有第一旋转编码器106，用于反馈滚珠丝杠102的位置，进而推导出探头306在竖直方向上（即管的轴向）的位置；径向驱动电机201的输出端安装有第二旋转编码器203，用于反馈齿轮202的位置，进而推导出探头306在管的径向方向上的位置；基座301上安装有能够反馈弹簧305压缩量的直线编码器307。

本发明实施例通过第一旋转编码器106、第二旋转编码器203和直线编码器307的数据，能够计算出滑动导轨303的圆心；通过第一旋转编码器106推导出探头306的沿管轴向位置减去直线编码器307反馈的弹簧305压缩量则为探头306的实际沿管轴向位置；通过第二旋转编码器203推导出探头306在管的径向方向上的位置； 至此，探头306的位置信息便可确定。

由于探头306的中心在检测过程中始终位于滑动导轨303的圆心上，从而能够准确定位探头306的中心位置；如果转动过程中探头306的中心点发生位置改变，则会导致探头定位出现错误，对检测的精度产生较大的影响。

在一些实施例中，直线编码器307与升降模块10的驱动电机连接，直线编码器307用于测量弹簧305的压缩量，进而得到探头306与检测曲面的接触力。由胡克定律知，F=kx，其中，F为弹簧的弹力，k为弹簧的弹性系数，x为弹簧的压缩量，在本发明实施例中，探头306与检测曲面接触会导致弹簧305的压缩，直线编码器307检测的弹簧305的压缩量，通过额外控制器控制丝杠驱动电机103，进而控制升降平台101的位置，便能控制弹簧305的压缩量，从而控制探头306与检测曲面的接触力。

在一些实施例中，第一旋转编码器106、第二旋转编码器203的型号均为雷尼绍RM22，为绝对式旋转编码器，具有体积小、防水等级可达IP68、定位精度高等特点。

在一些实施例中，直线编码器307的型号为雷尼绍LM13，其是非接触式、高速直线磁编码器系统，可在恶劣环境中用于直线感应。具有紧凑型读数头、优异的抗污能力、采用成熟的非接触式感应技术，可靠性强、采用行业标准的数字和模拟输出等优点。

本发明实施例的工作过程：

如图7所示，实施例1中球管相贯焊缝检测设备的基体107可通过连接板40安装于多自由度运动检测平台末端（未图示），顶盖的球壳402与管的圆柱面相交形成的球管焊缝401，即球管相贯焊缝，为形状复杂的空间曲面；探头306的尺寸小于被检测曲面，需要控制探头306随多自由度运动检测平台在一定范围内沿管的轴向移动及绕管轴线转动，通过积分式的完成整个被检测曲面的检测。在检测过程中，探头306可绕自身中心点实现两个方向的偏转以适应复杂曲面，在弹簧305的作用下使探头306始终与被检测曲面接触，同时，通过丝杠驱动电机103控制升降平台101的位置，能控制弹簧305的压缩量，从而控制探头306与检测曲面的接触力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，包括升降模块（10）、径向扫查模块（20）、探头夹持模块（30）；

所述探头夹持模块（30），包括基座（301）、转动架（302）和弧形的滑动导轨（303），探头（306）与滑动导轨（303）之间的转动副轴线穿过探头（306）的中心点，滑动导轨（303）与转动架（302）之间具有绕探头（306）中心点转动的转动副，转动架（302）与基座（301）沿管的轴线方向滑动连接，转动架（302）与基座（301）之间安装有弹簧（305）；

所述径向扫查模块（20），用于驱动基座（301）沿管的径向移动；

所述升降模块（10），用于驱动基座（301）及径向扫查模块（20）共同沿管的轴向移动。

2.根据权利要求1所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述滑动导轨（303）为圆弧形，滑动导轨（303）与转动架（302）转动连接，探头（306）转动安装于滑动导轨（303）的直径上，探头（306）的中心位于滑动导轨（303）的圆心上。

3.根据权利要求2所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述转动架（302）的对应位置通过连接轴连接有多个滑轮（304），多个滑轮（304）分布于滑动导轨（303）的两侧，使得滑动导轨（303）与转动架（302）之间具有绕探头（306）中心点转动的转动副。

4.根据权利要求2所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述滑动导轨（303）内部开有导向槽，导向槽内装有多个凸缘轴承（311），凸缘轴承（311）通过固定轴与转动架（302）转动连接；最外侧的凸缘轴承（311）与导向槽直径小的一侧相接触，内侧的凸缘轴承（311）与滑动导轨（303）导向槽直径大的一侧相接触，凸缘轴承（311）的凸缘部分与滑动导轨（303）的端面相接触，用于限制滑动导轨（303）沿凸缘轴承（311）轴向的自由度，使得滑动导轨（303）与转动架（302）之间具有绕探头（306）中心点转动的转动副。

5.根据权利要求3所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，每个所述滑轮（304）边缘的中部设有凹陷，滑动导轨（303）上设有安装凸缘，滑动导轨（303）上的安装凸缘延伸入滑轮（304）的凹陷。

6.根据权利要求1所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述升降模块（10）上安装有能够反馈基座（301）升降位置的编码器，径向扫查模块（20）上安装有能够反馈基座（301）在管的径向方向位置的编码器，基座（301）上安装有能够反馈弹簧（305）压缩量的直线编码器（307）。

7.根据权利要求1所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述转动架（302）与直线导轨（309）固连，直线导轨（309）与导轨滑块（310）滑动连接，导轨滑块（310）与基座（301）固连，使转动架（302）沿管的轴线方向相对基座（301）自由滑动。

8.根据权利要求1所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述径向扫查模块（20）包括沿管的径向设置的齿条（308），齿条（308）与基座（301）固定连接，齿条（308）与齿轮（202）啮合传动连接，齿轮（202）与回转驱动装置的输出轴连接。

9.根据权利要求1所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述升降模块（10）通过沿管轴线布置的丝杠螺母机构将回转运动转换为直线运动，丝杠螺母机构的螺母与升降平台（101）固定连接，升降平台（101）与基座（301）固定连接。

10.根据权利要求1所述一种球管相贯焊缝检测设备，其特征在于，所述升降模块（10）包括基体（107），基体（107）内安装有滚珠丝杠（102），滚珠丝杠（102）的轴线与管的轴线平行，滚珠丝杠（102）外部螺纹传动连接的丝杠螺母（105）通过支撑杆（108）与升降平台（101）固定连接，升降平台（101）与滚珠丝杠（102）的轴线垂直，升降平台（101）与基座（301）固定连接，滚珠丝杠（102）与回转驱动装置的输出轴连接。

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