CN207049538U - 基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，装置包括第一运动机构、第二运动机构、检测部件，其中：第一运动机构为齿轮齿条机构，第一运动机构沿第一方向做往复直线运动，第二运动机构沿第二方向运动；检测部件、检测样品分别与第一运动机构、第二运动机构其中一个连接，第一运动机构、第二运动机构带动检测样品、检测部件实现第一方向往复直线运动、第二方向运动；第一运动机构与第二运动机构结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹。本实用新型能够实现快速同步扫描，能保证良好的扫描效果，同时大大提高扫描速度。

Description

基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置

技术领域

本实用新型属于无损检测技术领域，特别涉及一种基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置。

背景技术

无损检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息。它与破坏性检测相比，无损检测有以下特点。第一是具有非破坏性，因为它在做检测时不会损害被检测对象的使用性能；第二具有全面性，由于检测是非破坏性，因此必要时可对被检测对象进行100％的全面检测，这是破坏性检测办不到的；第三具有全程性，破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测，如机械工程中普遍采用的拉伸、压缩、弯曲等，破坏性检验都是针对制造用原材料进行的，对于产成品和在用品，除非不准备让其继续服役，否则是不能进行破坏性检测的，而无损检测因不损坏被检测对象的使用性能。所以，它不仅可对制造用原材料，各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测，也可对服役中的设备进行检测。

无损检测部件包括超声波显微镜、电磁、X射线等设备。广泛应用于电接触触点焊接质量检测、关键电子器件和精密机械部件的无损检测与评估，同时也广泛用于生物组织的显微观测。

无损检测部件中，常采用二维机械扫描机构携带检测模块完成对整个被测样品的检测。扫描机构的执行器一般都采用直线电机或旋转电机加精密滚珠丝杠。传统的二维机械扫描模式为栅格扫描模式，扫描轴负责扫描，每扫描完一行，步进轴运动一次，步进大小为一个像素所对应的大小。

为了提高扫描超声波显微成像的速度，德国KSI公司采用了多探头同时扫描方案，即每个探头扫描一个子区域，然后将各个子区域拼接起来，形成最终的扫描结果。采用N个探头，那么扫描时间就可以节约N倍。但是这种方法明显增加了成本。

公开号为102608208B的中国发明专利，公开了一种基于双轴联动式的栅格扫描模式，该方法通过两轴联动缩短了扫描和步进的时间，但是本质上仍然是步进栅格扫描模式，提升的扫描效率有限。

目前，国外大公司提高效率的方式都是在现有的栅格扫描模式下对每个电机的硬件结构提出优化，在满足运动精度的前提下，尽可能地提高X或Y电机的速度。但是这种方式不能根本性的显著提高电机速度，电机速度的最大值受限于光栅频率和分辨率。

因此，采用常规的技术思路即通过栅格扫描模式下的技术改进，已经很难再提升扫描速度，这制约了整个行业的进一步发展，成为了整个行业的技术难题。

实用新型内容

针对上述现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是设计一种基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，摒弃了常规的技术思路，能够快速有效的实现快速扫描，既能保证良好的扫描效果，又能大大提高扫描速度。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，包括第一运动机构、第二运动机构、检测部件，其中：

所述第一运动机构沿第一方向做往复直线运动，所述第二运动机构沿第二方向运动；所述检测部件与所述第一运动机构、所述第二运动机构中一个连接，检测样品则与所述第一运动机构、所述第二运动机构中另一个连接，所述第一运动机构、所述第二运动机构带动所述检测样品、所述检测部件实现第一方向往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹；

所述第一运动机构为齿轮齿条机构，包括：第一驱动部件、齿轮、第一导向部件和第一齿条，其中：所述齿轮的安装孔连接所述第一驱动部件的输出轴，所述齿轮与第一齿条啮合，所述第一齿条安装在所述第一导向部件内并在所述第一导向部件内往复运动，所述检测部件或检测样品固定于所述第一齿条的一端；

所述第一驱动部件正反转循环运动驱动所述齿轮正反方向旋转，所述齿轮与所述第一齿条啮合，从带动所述第一齿条在所述第一导向部件内实现往返直线运动，进而带动所述检测部件或检测样品完成第一方向往复直线运动。

优选地，所述第二运动机构为实现第二方向步进运动、匀速直线运动或变速直线运动的装置，带动检测样品或所述检测部件实现第二方向步进运动、匀速直线运动或变速直线运动。

更优选地，所述第二运动机构包括：第二驱动部件和水平转盘，其中：

所述第二驱动部件的输出端连接所述水平转盘并驱动所述水平转盘，所述水平转盘在水平面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，检测样品或检测部件放置在所述水平转盘上并随所述水平转盘在水平面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动。

更优选地，所述第二运动机构包括：第三驱动部件和垂直转盘，其中：

所述第三驱动部件的输出端连接所述垂直转盘并驱动所述垂直转盘，所述垂直转盘在竖直面内进行步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，检测样品放置在所述垂直转盘上并随所述垂直转盘在竖直面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动。

优选地，所述第一驱动部件、第二驱动部件、第三驱动部件采用电机，或者是气压、液压等其他形式的驱动部件，或者是由其他机构传动得到的驱动机构，或者是手动驱动的形式。

优选地，所述第一导向部件为直线导槽。

优选地，所述装置进一步包括支撑部件，所述支撑部件用于支撑所述第一运动机构、所述第二运动机构。

优选地，所述装置进一步包括平衡机构，所述平衡机构与所述第一运动机构对称布置，并与所述第一运动机构运动方向相反，以产生与所述第一运动机构大小相等、方向相反的作用力，从而抵消所述第一运动机构的作用力。

更优选地，所述平衡机构包括：平衡齿条、平衡导向部件和平衡质量块，其中：

所述平衡齿条与所述第一运动机构的齿轮啮合，所述平衡齿条安装在所述平衡导向部件内并在所述平衡导向部件内往复运动，所述平衡质量块固定于所述平衡齿条的一端；

所述第一驱动部件正反转循环运动驱动所述齿轮正反方向旋转，所述齿轮与所述平衡齿条啮合，从而带动所述平衡齿条在所述平衡导向部件内实现往返直线运动，进而带动所述平衡质量块做往复直线运动。

更优选地，优选地，所述平衡齿条在所述平衡导向部件内的往返直线运动方向与所述第一齿条在所述第一导向部件内的往返直线运动方向相反，从而所述平衡质量块与所述检测部件或检测样品的运动方向相反。

更优选地，所述平衡导向部件为直线导槽。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型装摒弃了常规的技术思路即通过栅格扫描模式下的改进，而是第一方向运动和第二方向运动由不同的机构执行，结合同步扫描，可以合成预定的扫描轨迹，从而克服了制约整个行业进一步发展的技术难题，对整个行业的发展具有重要的意义。

2.本实用新型的装置采用齿轮齿条机构，结构简单，成本较低，运动平稳。

3.本实用新型的第一运动机构和第二运动机构可以带动扫描部件或检测样品实现第一方向的运动和第二方向的运动。

4.进一步的，本实用新型第二方向运动为步进运动、匀速运动或变速运动，第一方向运动为快速往返直线运动，提高了扫描速度。

5.进一步的，本实用新型平衡机构可以提高装置整体的稳定性，减小了振动，保证了检测的精度。

6.进一步的，采用本实用新型的装置可以集成到在线检测并实现全检，即将所述装置和生产工件的设备连接之后，可以对生产的每一个工件进行检测。

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，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型一实施例中的装置结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中第二运动机构的示意图；

图3为本实用新型另一实施例中第二运动机构的示意图；

图4为现有技术栅格扫描方式示意图；

图5为本实用新型一实施例的三角形扫描轨迹采样点第一方向等间距分布示意图；

图6为本实用新型一实施例的最终位图阵列矩阵合成像素图像示意图；

图中：机架1、第一驱动电机2、齿轮3、第一齿条4、检测部件5、检测样品6、第二运动机构7、第二驱动电机8、水平转盘9、第三驱动电机10、垂直转盘11、平衡齿条12、平衡质量块13。

具体实施方式

以下对本实用新型的技术方案作进一步的说明，以下的说明仅为理解本实用新型技术方案之用，不用于限定本实用新型的范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

实施例1

如图1所示，为本实用新型所述快速同步扫描的装置的优选实施例，所述装置包括：机架1、第一运动机构、检测部件5、第二运动机构7和平衡机构，其中：

所述第一运动机构即扫描机构与所述机架1连接；所述检测部件5与所述第一运动机构连接，并随所述第一运动机构实现第一方向往复直线运动；所述第二运动机构7即步进机构与所述机架1连接；检测样品6与所述第二运动机构7连接，并在所述第二运动机构7的带动下实现第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构7结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹；

所述平衡机构与所述机架1连接并与所述第一运动机构对称布置，所述平衡机构与所述第一运动机构运动方向相反，从而产生与所述第一运动机构大小相等、方向相反的作用力，抵消所述第一运动机构的作用力。

如图1所示，所述第一运动机构包括第一驱动电机2、齿轮3、第一齿条4，其中：

所述第一驱动电机2与所述机架1连接固定，所述齿轮3的一端与所述第一驱动电机2的输出端连接，所述齿轮3通过安装孔安装在所述支架1上，所述第一齿条4安装在所述支架1上设置的直线导槽(第一导向部件)内，且所述第一齿条4与所述齿轮3啮合，所述检测部件5通过夹具固定在所述第一齿条4的一端；

上述结构中，当检测部件5设置在第一运动机构上，则检测样品6设置在第二运动机构7上；相反的，如检测样品6设置在第一运动机构上，则检测部件5设置在第二运动机构7上，从而通过上述的第一运动机构与所述第二运动机构7带动检测样品6、检测部件5实现不同方向的运动。

如图1所示，所述平衡机构包括：平衡齿条12和平衡质量块13，其中：

所述平衡齿条12与所述齿轮3啮合，所述平衡齿条安装在所述机架1上设置的直线导槽(第二导向部件)内并在所述直线导槽内往复运动，所述平衡质量块13固定于所述平衡齿条12的一端；如装置中没有所述机架1，所述平衡导轨16可以固定在第一运动机构、第二运动机构9自身的支撑部件上。

当所述第一驱动电机2工作时，所述第一驱动电机2正反运动带动所述齿轮3正反转动，所述齿轮3与所述第一齿条4啮合，从而带动所述第一齿条4沿所述直线导槽进行往复直线运动，进而带动安装在所述第一齿条4一端的所述检测部件5进行第一方向往复直线运动；

同时，所述第一驱动电机2正反转循环运动驱动所述齿轮3正反方向旋转，所述齿轮3与所述平衡齿条12啮合，从而带动所述平衡齿条12在所述机架1的直线导槽内实现往返直线运动，进而带动所述平衡质量块13做往复直线运动。所述平衡齿条12与所述第一齿条4往相反方向运动，从而所述平衡质量块13与所述检测部件5的运动方向相反。

本实施例中，所述检测部件5可以为超声换能器，也可以是其他的形式，包括发射和接收光或电磁波或诸如中子、电子、或者其他粒子或者流体、气体或声波或者磁场或电场的装置，或者其他可以检测或影响目标物的媒介。

所述机架1可以是一个整体，所述第二运动机构7、所述第一运动机构以及平衡机构均与所述机架1连接，并使平衡机构与第一运动机构之间形成力平衡。

本实施例中，第一运动机构和第二运动机构可以带动扫描部件或检测样品实现第一方向的运动和第二方向的运动。采用齿轮齿条机构实现快速同步扫描，结构简单，成本较低，运动平稳，同时采用平衡机构可以提高装置整体的稳定性，减小了振动，保证了检测的精度。

实施例2

本实施例与实施例1不同在于，取消图1中所示的平衡机构，所述装置包括：机架1、第一运动机构、检测部件5、第二运动机构7，所述第一运动机构、第二运动机构设置在机架1上；其他结构与实施例1中类似。

所述第一运动机构即扫描机构与所述机架1连接；所述检测部件5与所述第一运动机构连接，并随所述第一运动机构实现第一方向往复直线运动；所述第二运动机构7即步进机构与所述机架1连接；检测样品6与所述第二运动机构7连接，并在所述第二运动机构7的带动下实现第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构7结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹。

本实施例取消平衡机构，同样能实现快速同步扫描的目的，只是装置整体的稳定性比实施例1稍差。

实施例3

本实施例与实施例1不同在于，取消图1中所示的平衡机构和机架，所述装置包括：第一运动机构、检测部件5、第二运动机构7，此实施例适用于第一运动机构、第二运动机构11本身是具有支撑功能的，安装在实施例1机架上的部件可以对应安装在第一运动机构、第二运动机构11的支撑部分上。其他结构与实施例1中类似。

所述第一运动机构沿第一方向做往复直线运动，所述第二运动机构沿第二方向运动；所述检测部件与所述第一运动机构、所述第二运动机构中一个连接，检测样品则与所述第一运动机构、所述第二运动机构中另一个连接，所述第一运动机构、所述第二运动机构带动所述检测样品、所述检测部件实现第一方向往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹。

当然，本实施例也可以取消机架，保留平衡机构，所述平衡机构可以固定在第一运动机构、第二运动机构自身的支撑部分上。

本实施例效果与实施例2接近，结构简单，既能保证良好的扫描效果，又能大大提高扫描速度。

实施例4

本实施例中，对上述实施例中的第二运动机构的优选结构进行说明。

如图2所示，为第二运动机构的一实施例；所述第二运动机构7包括：第二驱动电机8、水平转盘9，其中：

所述第二驱动电机8的底部与所述机架1连接固定，所述水平转盘9通过连接轴与所述第二驱动电机8的输出轴连接，所述检测样品6放置在所述水平转盘9上；

当所述第二驱动电机8工作时，所述第二驱动电机8驱动所述水平转盘9绕所述连接轴在水平面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，所述检测样品6随所述水平转盘9在水平面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动；由于所述水平转盘9所选取的半径足够大，因此在检测部件5的运动范围内，所述检测样品6的第二方向运动可以近似为直线运动。

实施例5

本实施例中，对上述实施例中的第二运动机构的另一优选结构进行说明。

如图3所示，为第二运动机构的另一实施例，所述第二运动机构7包括：第三驱动电机10、垂直转盘11，其中：

所述第三驱动电机10的底部与所述机架1连接固定，所述垂直转盘11通过连接轴与所述第三驱动电机10的输出轴连接，所述检测样品6放置在所述垂直转盘11上；

当所述第三驱动电机10工作时，所述第三驱动电机10驱动所述垂直转盘11绕所述连接轴在竖直面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，所述检测样品6随所述垂直转盘11在竖直面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动；由于所述垂直转盘11的半径足够大，因此在检测部件5的运动范围内，所述检测样品6的第二方向运动可以近似为直线运动。

以上实施例4、5为所述第二运动机构7的优选实施方式。在其他实施例中，所述第二运动机构7也可以为凸轮连杆机构、曲柄滑块机构、圆柱凸轮机构、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构、同步带机构、圆柱端面凸轮机构、槽条机构、电动缸等可以实现直线运动的装置。

采用上述实施例中装置进行同步扫描，取消步进栅格的扫描方式(如图4所示)，而是采用双轴同步的方式，当第一运动机构往复运动的同时，第二运动机构同步运动以实现预设的轨迹。

为了进一步加深对本实用新型装置的理解，以下对本实用新型的工作步骤和原理进行描述：

步骤一、第一驱动电机2驱动齿轮3旋转，进而使第一齿条4带动检测部件5做高速往复运动，同时驱动第二运动机构7使被测样品6直线运动；扫描轨迹呈现三角形曲线、梯形曲线、正弦曲线或类似的各种曲线。

步骤二、采用光栅尺测量所述第一齿条4直线位置，等间距触发信号采集，从而实现第一运动方向等间距信号采集。利光栅尺每次往复固定触发采集卡采集信号N次必须满足以下公式，以保证第一运动方向检测分辨率满足需求：

N＞S*2/Y_resolution，

式中：S为扫描行程，Y_resolution为第一运动方向检测分辨率；

三角形扫描轨迹下的第一运动方向等间距信号采集如图5所示。

本步骤中，利用第一驱动电机2的旋转编码器信号，等间距触发信号采集，从而实现第一运动方向等间距信号采集。

本步骤中，采用光栅尺测量第二运动机构7的直线位置，等间距触发信号采集，从而实现第二运动方向等间距信号采集。

本步骤中，利用第二驱动电机8或第三驱动电机10的旋转编码器信号，等间距触发信号采集，从而实现第二运动方向等间距信号采集。

步骤三，将规划路径上的采集点所获取的电压值转换成图像灰度值并做插值计算，得出最终所需的位图阵列矩阵，合成像素图像如图6所示。

所述第二运动机构7同时提供第一运动方向步进功能，针对大小超出第一运动机构扫描范围的检测样品6，在步骤三之后，可以通过第二运动机构7调节检测样品6第一运动方向步进，使得未扫描部分处于扫描装置的扫描区域，再返回步骤三进行扫描(此时第二运动方向与前一次扫描相反)，重复直到整个检测样品6扫描完成，最后通过所记录的位置信息完成图像拼接。

对于上述步骤三，可以采用图像处理设备实现，从而完成第一方向运动、第二方向运动同步扫描轨迹的处理和图像拼接，得到所需的图像。

本实用新型创造性地提出采用不同运动机构带动检测样品、检测部件实现不同方向的运动，通过第一方向运动、第二方向运动，在结合同步扫描，可以合成预定的扫描轨迹，提高了扫描速度。

进一步的，采用平衡机构可以提高装置整体的稳定性，减小了振动，保证了检测的精度。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：包括第一运动机构、第二运动机构、检测部件，其中：

所述第一运动机构沿第一方向做往复直线运动，所述第二运动机构沿第二方向运动；所述检测部件与所述第一运动机构、所述第二运动机构中一个连接，检测样品则与所述第一运动机构、所述第二运动机构中另一个连接，所述第一运动机构、所述第二运动机构带动所述检测样品、所述检测部件实现第一方向往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹；

所述第一运动机构为齿轮齿条机构，包括：第一驱动部件、齿轮、第一导向部件和第一齿条，其中：所述齿轮的安装孔连接所述第一驱动部件的输出轴，所述齿轮与第一齿条啮合，所述第一齿条安装在所述第一导向部件内并在所述第一导向部件内往复运动，所述检测部件或检测样品固定于所述第一齿条的一端。

2.根据权利要求1所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述第二运动机构为实现第二方向步进运动、匀速直线运动或变速直线运动的装置，所述第二运动机构带动检测样品或所述检测部件实现第二方向步进运动、匀速直线运动或变速直线运动。

3.根据权利要求2所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述第二运动机构包括：第二驱动部件和水平转盘，其中：

所述第二驱动部件的输出端连接所述水平转盘并驱动所述水平转盘，所述水平转盘在水平面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，检测样品或检测部件放置在所述水平转盘上并随所述水平转盘在水平面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动。

4.根据权利要求2所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述第二运动机构包括：第三驱动部件和垂直转盘，其中：

所述第三驱动部件的输出端连接所述垂直转盘并驱动所述垂直转盘，所述垂直转盘在竖直面内进行步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，检测样品放置在所述垂直转盘上并随所述垂直转盘在竖直面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动。

5.根据权利要求1所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述第一导向部件为直线导槽。

6.根据权利要求1所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述装置进一步包括支撑部件，所述支撑部件用于支撑所述第一运动机构、所述第二运动机构。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述装置进一步包括平衡机构，所述平衡机构与所述第一运动机构对称布置，并与所述第一运动机构运动方向相反，以产生与所述第一运动机构大小相等、方向相反的作用力，从而抵消所述第一运动机构的作用力。

8.根据权利要求7所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述平衡机构包括：平衡齿条、平衡导向部件和平衡质量块，其中：

所述平衡齿条与所述第一运动机构的齿轮啮合，所述平衡齿条安装在所述平衡导向部件内并在所述平衡导向部件内往复运动，所述平衡质量块固定于所述平衡齿条的一端；

所述第一驱动部件正反转循环运动驱动所述齿轮正反方向旋转，所述齿轮与所述平衡齿条啮合，从而带动所述平衡齿条在所述平衡导向部件内实现往返直线运动，进而带动所述平衡质量块做往复直线运动。

9.根据权利要求8所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述平衡齿条在所述平衡导向部件内的往返直线运动方向与所述第一齿条在所述第一导向部件内的往返直线运动方向相反，从而所述平衡质量块与所述检测部件或检测样品的运动方向相反。

10.根据权利要求8所述的基于齿轮齿条实现快速同步扫描的装置，其特征在于：所述平衡导向部件为直线导槽。