CN115541720A - 离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置及定位方法，属于焊接结构件超声波无损检测技术领域。基座通过上法兰安装伺服电机，伺服电机轴端通过联轴节与驱动叉的旋转轴端部相连，从而带动驱动叉沿旋转轴进行周向运动及定位；超声探头在直径方向上的位置通过平衡弹簧的压缩力与超声探头离心力的平衡自动调节；不同转速对应不同的旋转半径，从而实现固定区域内以电机轴为极坐标原点的超声探头二维机械扫描及定位。本发明实现了单电机驱动条件下超声探头的连续圆周旋转及径向、周向二维定位，扫描检测过程中电机始终为单向转动，无需换向，不存在惯性冲击，且极大降低了二维超声机械扫描装置的体积，提升超声成像技术的适用性及便利性。
Description
技术领域
本发明涉及焊接结构件超声波无损检测技术领域，特别涉及一种二维超声扫查及控制技术，尤指一种离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置及扫描定位方法。
背景技术
在汽车、轨道客车等装备制造领，域焊接结构的应用非常广泛，其焊接质量的检验越来越依靠超声、涡流、射线等现代化无损检测手段。目前，基于B扫描、C扫描的超声成像无损检测技术因其具有成像直观化、目标适用性强等优点，广泛应用于各种焊接结构的焊后无损检测环节。超声波B扫描、C扫描成像需要探头相对于工件进行一维或二维的相对运动及定位，从而获得不同检测点的声波信号，为后续的图像构建提供位置信息。
目前，在超声探头的机械扫描系统中，一般采用电机、传动机构、编码器等运动组件实现，且每一个维度的运动均需要一套相应的运动组件。此类扫查器方案存在机械及控制系统复杂、体积庞大、空间适应性差等缺点。因此，研发结构紧凑、体积小、重量轻的超声机械扫查控制技术一直是该领域的技术热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置及定位方法，旨在解决现有机械扫查式超声成像技术中扫描装置结构尺寸大、效率低等问题。本发明针对现阶段薄板搭接焊接结构常用的电阻点焊、电弧点焊、搅拌摩擦点焊等连接工艺的焊缝特点及无损检测需求，实现单电机驱动条件下超声探头在二维方向上的驱动、定位，从而达到超声扫描成像过程中的探头的运动控制、超声波收发及耦合。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置，包括伺服电机1、基座2、联轴节3、接触网4、超声探头5、驱动叉6、平衡弹簧7、端盖8，所述基座2通过上法兰安装伺服电机1，伺服电机1轴端通过联轴节3与驱动叉6的旋转轴61端部相连，从而带动驱动叉6沿旋转轴61进行周向运动及定位；超声探头5在直径方向上的位置通过平衡弹簧7的压缩力与超声探头5离心力的平衡自动调节；不同转速对应不同的旋转半径，从而实现固定区域内以电机轴为极坐标原点的超声探头二维机械扫描及定位。
所述的驱动叉6上设置有横梁62，横梁62轴线与旋转轴61垂直；超声探头5安装在驱动叉6的横梁62上，沿横梁62进行直线滑动；驱动叉6的横梁62端部与超声探头5之间安装有平衡弹簧7，向超声探头5提供指向旋转轴61轴线的压紧力。
所述的超声探头5由受电弓51、导向滑块52及探头本体53构成，在超声探头5的连续周向运动过程中，受电弓51的触点始终与上方的接触网4的正极41、负极42贴合，构成超声探头5的信号通路； 在整个扫描检测过程中，伺服电机1始终处于单向转动状态，无换向、无惯性冲击，扫描速度快，过程平稳。
所述的接触网4安装在基座2上，接触网4的正极41与负极42由两个同心圆环构成，下端分别与受电弓51的正极、负极接触，上端延伸至基座2外部，与超声探头5的信号线连接。
本发明的另一目的在于提供一种离心力定位式单电机驱动二维超声扫描定位方法，伺服电机1以设定的转速旋转，在平衡弹簧7的压力与离心力平衡的条件下，超声探头5维持恒定的旋转半径；在任意半径的探头圆周运动过程中，根据设定的角步距进行该圆周上的逐点超声检测；完成该半径的圆周扫描后，调节伺服电机1转速，使得超声探头5平衡在新的半径位置，并进行此半径的圆周扫描。
通过控制伺服电机1的调速方式，进行径向、周向两个方向上的等间距或不等间距的扫描与定位，既能够实现同心圆式的逐级扫描，也可以实现螺旋线式的连续扫描，扫描方式灵活。
本发明的有益效果在于：本发明通过离心式超声探头旋转驱动与位置平衡装置、接触网式超声信号受流装置的机械结构设计，实现了单电机驱动条件下超声探头的连续圆周旋转及径向、周向二维定位，扫描检测过程中电机始终为单向转动，无需换向，不存在惯性冲击，且可以极大降低二维超声机械扫描装置的体积，提升超声成像技术的适用性及便利性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置的立体结构示意图；
图2为本发明的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置的剖视结构示意图；
图3为本发明的驱动叉的结构示意图；
图4为本发明的超声探头的结构示意图；
图5为本发明的接触网的结构示意图；
图6至图8为本发明的探头径向定位原理示意图；
图9为本发明的二维扫描模式示意图（同心圆逐级扫描）；
图10为本发明的二维扫描模式示意图（螺旋线连续扫描）。
图中：1、伺服电机；2、基座；3、联轴节；4、接触网；41、正极；42、负极；5、超声探头；51、受电弓；52、导向滑块；53、探头本体；6、驱动叉；61、旋转轴；62、横梁；7、平衡弹簧；8、端盖。
具体实施方式
下面将结合附图，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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图10所示，本发明的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置及定位方法，包括伺服电机1、基座2、联轴节3、接触网4、超声探头5、驱动叉6、平衡弹簧7、端盖8，该装置通过伺服电机1进行驱动，超声探头5在驱动叉6的带动下围绕电机轴线进行周向运动及定位；同时，依靠平衡弹簧7的压缩力与超声探头5离心力的平衡自动调节探头在圆周运动直径方向上的位置，从而实现固定区域内以电机轴为极坐标原点的超声探头二维机械扫描及定位。基座2通过上法兰安装伺服电机1，电机轴端通过联轴节3与驱动叉6的旋转轴61端部相连，从而带动驱动叉6沿其旋转轴61进行圆周运动。
参见图3所示，驱动叉6上设置有横梁62，横梁62轴线与旋转轴61垂直。超声探头5安装在驱动叉6的横梁62上，可沿横梁62进行直线滑动。驱动叉6的横梁62端部与超声探头5之间安装有平衡弹簧7，向超声探头5提供指向旋转轴61轴线的压紧力。
参见图4所示，超声探头5由探头本体53及其上的受电弓51、导向滑块52构成。在超声探头5的连续周向运动过程中，受电弓51的正极、负极始终与上方的接触网4贴合，构成超声探头5的信号通路。
参见图5所示，接触网4安装在基座2上，其正极41与负极42由两个同心圆环构成，下端分别与受电弓51的正极、负极接触，上端延伸至基座2外部，与超声探头5的信号线连接。
端盖8安装在基座2的下法兰上，将超声探头5包裹在其内部。在扫描检测过程中，端盖8下端与待测工件接触并保持相对静止，超声探头5在端盖8内部进行运动，超声波通过端盖8下方的透声材料进行传递。
参见图6至图8所示，本发明的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置通过伺服电机1进行驱动，超声探头5在驱动叉6的带动下围绕伺服电机1的轴线进行周向运动；在一定的旋转角速度下，超声探头5圆周运动产生的离心力与平衡弹簧7产生的压缩力达到平衡，使得超声探头5与驱动叉6的横梁62保持相对位置，超声探头5以特定的半径R围绕驱动叉6的旋转轴61进行圆周运动。
在进行扫描时，当超声探头5的瞬时时角速度为ω0时，超声探头5所产生的离心力F0与平衡弹簧7的预压缩力F′0相等，超声探头5处于初始径向位置（驱动叉6的横梁62内极限位置），超声探头5围绕驱动叉6的旋转轴61轴线的旋转半径为R0。当超声探头5的瞬时时角速度提高至ω1时，产生的离心力变大，平衡弹簧7被进一步压缩，直到其产生的压缩力F′1与超声探头5的离心力F1相等，超声探头5达到新的平衡状态，此时其围绕驱动叉6的旋转轴61轴线的旋转半径为R1。通过调节不同的转速ω，可以实现超声探头5与驱动叉6的横梁62相对位置的调节，从而达到超声探头径向位置的调节。
参见图9及图10所示，超声探头周向位置根据设定的角步距θ确定，即在每次圆周运动过程中，每旋转一个固定的步距角度收发一次超声波，从而实现周向定位。进行完所有不同半径的圆周扫描后，获得整个扫描区域内的各检测点的位置信息及超声检测信号，从而满足后续超声成像的需求。
本发明的离心力定位式单电机驱动二维超声扫描定位方法是：在进行二维机械运动扫描时，伺服电机带动驱动叉旋转，进行以驱动叉轴线为原点的极坐标扫描及定位。超声探头跟随驱动叉的横梁进行旋转，在设定转速下超声探头产生的离心力与平衡弹簧的压紧力相等，使得超声探头与横梁保持相对位置关系，计算公式如下：
离心力：F=m×ω2×R
弹簧压缩力：F′=k×Δx
式中，F为超声探头旋转运动产生的离心力，m为超声探头的总质量，ω为瞬时角速度，R为旋转半径；F′为平衡弹簧的压缩力，k为弹簧弹性系数，Δx为弹簧的压缩量。
当超声探头的瞬时角速度为ω0时，超声探头所产生的离心力F0与平衡弹簧的预压缩力F′0相等，超声探头处于初始径向位置（驱动叉横梁内极限位置），超声探头围绕驱动叉轴线的旋转半径为R0。当超声探头的瞬时角速度提高至ω1时，产生的离心力变大，平衡弹簧被进一步压缩，直到其产生的压缩力F′1与超声探头离心力F1相等，超声探头达到新的平衡状态，此时其围绕驱动叉轴线的旋转半径为R1。通过调节不同的转速ω，可以实现超声探头与驱动叉横梁相对位置的调节。
可根据实际的扫描检测需求，通过调节转速实现超声探头在R方向上的位置。在任意半径的超声探头圆周运动过程中，可根据设定的角步距θ进行该圆周上的逐点超声检测。在R0圆周上，探头位置坐标为（R0，θ0），（R0，θ1），…，（R0，θn）；在R1圆周上，超声探头位置坐标为（R1，θ0），（R1，θ1），…，（R1，θn）；以此类推，在Rn圆周上，超声探头位置坐标为（Rn，θ0），（Rn，θ1），…，（Rn，θn）。在完成所有的R调节及角步距θ逐点扫描检测后，获得该检测区域内的所有检测点坐标信息，从而实现后续的超声图像构建。
本发明的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置及控制方法，可以进行径向R、周向θ两个方向上的等间距或不等间距的定位，既能够实现同心圆式的逐级扫描，也可以实现螺旋线式的连续扫描，扫描方式灵活。
实施例1：
等间距同心圆逐级扫描，步骤如下：
（1）、超声探头初始径向位置： R0=5mm，最大径向移动量10mm；平衡弹簧压缩系数：k=5N/mm，初始压缩量：1mm，超声探头总质量：m=100g。
（2）、根据弹簧压缩力公式，平衡弹簧的初始压紧力为5N。在此条件下，当超声探头的圆周运动速度达到3.162rad/s时，其产生的离心力与平衡弹簧的初始压紧力相等，此时超声探头仍位于初始径向位置，旋转半径为5mm。
（3）、在初始旋转半径5mm时，伺服电机转速保持恒定，且每转动10°进行一次超声波收发检测，在该圆周上共计进行36次扫描，在以电机轴线为原点的极坐标系下各扫描点的位置坐标依次为：（5,0°）、（5,10°）、（5,20°）、，…，（5,350°）；
（4）、调节伺服电机转速提升达4.082rad/s的角速度时，平衡弹簧的的压缩量达到2mm，此时超声探头产生的离心力与平衡弹簧的压紧力仍相等，平衡弹簧的压缩量为2mm，探头的旋转半径为6mm。
（5）、在当前旋转半径条件下，伺服电机转速保持恒定，且每转动10°进行一次超声波收发检测，在该圆周上共计进行36次扫描，在以电机轴线为原点的极坐标系下各扫描点的位置坐标依次为：（6,0°）、（6,10°）、（6,20°）、，…，（6,350°）；
（5）、重复步骤（4）、（5）过程，使得超声探头的旋转半径依次增加1mm，直至达到极限位置即超声探头旋转半径达到15mm。
（6）、完成各旋转半径条件下的圆周检测后，共计获得36×11=396个扫描点的位置信息，所构建的超声图像覆盖了直径为Φ30的圆形检测区域。
在本实例所述的正常使用条件下，本装置可满足薄板搭接焊接结构常用的电阻点焊、电弧点焊、搅拌摩擦点焊等连接工艺的焊缝的超声C扫描成像，具有扫描过程中电机无换向、无机械惯性冲击等特点，极大提升超声机械扫描成像过程的稳定性及检测效率。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置，其特征在于：包括伺服电机（1）、基座（2）、联轴节（3）、接触网（4）、超声探头（5）、驱动叉（6）、平衡弹簧（7）、端盖（8），所述基座（2）通过上法兰安装伺服电机（1），伺服电机（1）轴端通过联轴节（3）与驱动叉（6）的旋转轴（61）端部相连，从而带动驱动叉（6）沿旋转轴（61）进行周向运动及定位；超声探头（5）在直径方向上的位置通过平衡弹簧（7）的压缩力与超声探头（5）离心力的平衡自动调节；不同转速对应不同的旋转半径，从而实现固定区域内以电机轴为极坐标原点的超声探头二维机械扫描及定位。
2.根据权利要求1所述的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置，其特征在于：所述的驱动叉（6）上设置有横梁（62），横梁（62）轴线与旋转轴（61）垂直；超声探头（5）安装在驱动叉（6）的横梁（62）上，沿横梁（62）进行直线滑动；驱动叉（6）的横梁（62）端部与超声探头（5）之间安装有平衡弹簧（7），向超声探头（5）提供指向旋转轴（61）轴线的压紧力。
3.根据权利要求1或2所述的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置，其特征在于：所述的超声探头（5）由探头本体（53）其及上的受电弓（51）、导向滑块（52）构成，在超声探头（5）的连续周向运动过程中，受电弓（51）的触点始终与上方的接触网（4）的正极（41）、负极（42）贴合，构成超声探头（5）的信号通路；在整个扫描检测过程中，伺服电机（1）始终处于单向转动状态。
4.根据权利要求3所述的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置，其特征在于：所述的接触网（4）安装在基座（2）上，接触网（4）的正极（41）与负极（42）由两个同心圆环构成，下端分别与受电弓（51）的正极、负极接触，上端延伸至基座（2）外部，与超声探头（5）的信号线连接。
5.一种利用权利要求1-3任一项所述的离心力定位式单电机驱动二维超声扫查装置实现的扫描定位方法，其特征在于：伺服电机（1）以设定的转速旋转，在平衡弹簧（7）的压力与离心力平衡的条件下，超声探头（5）维持恒定的旋转半径；在任意半径的探头圆周运动过程中，根据设定的角步距进行该圆周上的逐点超声检测；完成该半径的圆周扫描后，调节伺服电机（1）转速，使得超声探头（5）平衡在新的半径位置，并进行此半径的圆周扫描。
6.根据权利要求5所述的离心力定位式单电机驱动二维超声扫描定位方法，其特征在于：通过控制伺服电机（1）的调速方式，进行径向、周向两个方向上的等间距或不等间距的扫描与定位，既能够实现同心圆式的逐级扫描，也可以实现螺旋线式的连续扫描。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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