CN209085569U - 一种爬壁检测机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大型承压设备的检测装置。技术方案是：一种爬壁检测机器人，其特征在于：包括车架、对称安装在车架底部的检测轮、用于驱动检测轮的动力模块、用于控制机器人动作的控制模块、固定在车架上并与检测轮接触的吸水软刷以及通过喷水管向吸水软刷喷射水耦合剂的水泵；所述检测轮由一对用于检测工件厚度的超声测厚检测轮和一对用于检测工件缺陷的TOFD检测轮组成；超声测厚检测轮或TOFD检测轮均安装有用于吸附在工件表面的磁轮以及用于引入驱动力的大锥齿轮，并且均通过空心轴固定在车架上。该爬壁检测机器人能自动对工件进行超声测厚和TOFD检测，减少人工操作劳动量，并能保证探头的超声耦合效果，提高探头检测灵敏度。

Description

一种爬壁检测机器人

技术领域

本实用新型涉及一种大型承压设备的检测装置，具体是一种能实现超声测厚和TOFD检测功能的爬壁检测机器人。

背景技术

大型承压设备的工作环境非常苛刻，许多设备需要在高温、高压、腐蚀介质下长时间连续运行，如炼油厂的加氢裂化装置，需要在高温、高压、临氢状态下操作，容易产生高温损伤、高温临氢损伤、高温介质腐蚀、堆焊层氢致裂纹、铬钼钢的回火脆性、堆焊层剥离等多重失效。因此在设备的生产制造和服役期内，需要对设备进行无损检测与监控，以便提前检测设备的内部缺陷，保证设备安全运行。我国在大型承压设备的高效检测技术方面自动化水平较低，目前绝大多数情况下对大型承压设备的检测还依赖于人工检测，在检测时需要搭脚手架，不仅工作量大、检测效率低，作业周期长、费用高，而且容易发生人身安全事故，难以满足工作需求。因此，需要设计一种具有超声测厚和TOFD检测功能的爬壁机器人来替代人工完成工作。

目前，国内已经研制出外加超声检测设备的爬壁机器人，其中的超声波探头需要在机器人的压紧拖动下实现检测和移动，这种机器人具有以下缺点：一方面实现探头的超声耦合较为困难，另一方面在压紧拖动过程中探头容易受到磨损，压紧力难以控制，从而导致探头的检测灵敏度降低。因此，需要对现有的爬壁检测机器人进行改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种爬壁检测机器人，该爬壁检测机器人能够自动对工件进行超声测厚和TOFD检测，减少人工操作劳动量，并能够保证探头的超声耦合效果，提高探头的检测灵敏度。

本实用新型提供的技术方案是：

一种爬壁检测机器人，其特征在于：包括车架、对称安装在车架底部的检测轮、用于驱动检测轮的动力模块、用于控制机器人动作的控制模块、固定在车架上并与检测轮接触的吸水软刷以及通过喷水管向吸水软刷喷射水耦合剂的水泵；

所述检测轮由一对用于检测工件厚度的超声测厚检测轮和一对用于检测工件缺陷的TOFD检测轮组成；超声测厚检测轮或TOFD检测轮均安装有用于吸附在工件表面的磁轮以及用于引入驱动力的大锥齿轮，并且均通过空心轴固定在车架上；

所述动力模块包括齿轮轴、与齿轮轴固定连接并与大锥齿轮啮合的小锥齿轮以及固定在车架上以驱动齿轮轴转动的步进电机；

所述控制模块由控制箱和操纵台组成；所述控制箱包括电源、单片机以及用于对超声波信号进行处理的超声仪；所述操纵台包括用于显示检测结果的显示设备和通过单片机对机器人进行操控的外部输入设备。

每个超声测厚检测轮包括可转动地定位在空心轴上的两个轴承、定位在两个轴承之间的测厚探头、对称安装在测厚探头两侧且安装在轴承外周的轴承压盖、固定套设在轴承压盖外周的磁轮、可转动地套设在测厚探头外周并与轴承压盖固定连接的聚苯乙烯轮以及固定在轴承压盖外侧且与动力模块配合的大锥齿轮；所述空心轴、聚苯乙烯轮、轴承压盖、磁轮和大锥齿轮同轴布置；

每个TOFD检测轮包括可转动地定位在空心轴上的两个轴承、定位在两个轴承之间的TOFD探头、对称安装在TOFD探头两侧且安装在轴承外周的轴承压盖、固定套设在轴承压盖外周的磁轮、可转动地套设在TOFD探头外周并与轴承压盖固定连接的聚苯乙烯轮以及固定在轴承压盖外侧且与动力模块配合的大锥齿轮；所述空心轴、聚苯乙烯轮、轴承压盖、磁轮和大锥齿轮同轴布置。

所述超声测厚检测轮中的测厚探头包括穿套固定在空心轴上的圆柱体形阻尼块、固定在圆柱体形阻尼块外圆周面的一个平面上以发射及接收超声波的测厚晶片以及一端与测厚晶片连接且另一端通过开设在空心轴上的穿孔与超声仪连接的测厚探头线；所述测厚晶片平行工件表面布置，以保证超声波的发射方向垂直工件表面。

所述TOFD检测轮中的TOFD探头包括穿套固定在空心轴上的圆锥体形阻尼块、固定在圆锥体形阻尼块外圆锥面的一个平面上以发射及接收超声波的TOFD晶片以及一端与TOFD晶片连接且另一端通过开设在空心轴上的穿孔与超声仪连接的TOFD探头线；所述TOFD晶片倾斜于工件表面布置，以保证超声波的发射方向与工件表面呈一定角度；同一空心轴上安装的一对TOFD检测轮的两个TOFD探头，其中一个发射超声波而另一个则接收超声波。

所述聚苯乙烯轮的外径与磁轮的外径相同，以保证检测轮的外周面平齐；所述磁轮和聚苯乙烯轮外周粘接有一层具有一定弹性和透声性的聚苯乙烯保护膜；所述聚苯乙烯轮与磁轮的半径之差约等于聚苯乙烯保护膜波长的一半。

所述磁轮外表面加工有金属纹路，以增加磁轮与工件的摩擦力。

所述测厚探头或TOFD探头与聚苯乙烯轮之间填充有润滑剂油，润滑剂油兼作测厚探头或TOFD探头与聚苯乙烯轮之间的传声介质；所述润滑剂油为甘油。

所述聚苯乙烯轮与轴承压盖之间安装有密封圈；所述测厚探头或TOFD探头与轴承之间设置有嵌入透盖以防止润滑剂油泄漏。

所述车架上还安装有视频摄像头。

所述水泵、步进电机、外部输入设备和视频摄像头分别与单片机电连接。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的检测轮集驱动、转向、壁面吸附和检测功能于一体。超声测厚检测轮和TOFD检测轮可分别对工件进行测厚和TOFD检测，其中的聚苯乙烯轮、轴承压盖和磁轮固定连接为一体，动力模块与固定在轴承压盖上的大锥齿轮啮合传动，从而驱使机器人进行移动和转向；机器人吸附于工件表面则通过磁轮实现。

2、本实用新型中测厚探头或TOFD探头与聚苯乙烯轮之间填充有甘油，一方面起到润滑作用，另一方面晶片与聚苯乙烯轮之间的甘油薄层相当于一个凸面声透镜，能够传播超声波并将超声波进行聚焦，提高探头的检测灵敏度。

3、本实用新型的测厚探头或TOFD探头安装在检测轮中，不直接与工件接触，探头发射的超声波通过润滑剂油进入聚苯乙烯轮，再通过聚苯乙烯保护膜和水耦合剂进入工件，避免了探头的磨损。

4、本实用新型中的吸水软刷将喷落的水耦合剂吸收并涂抹在检测轮的聚苯乙烯保护膜上，同时擦除粘在聚苯乙烯保护膜上的杂物，保证了探头的超声耦合效果。

5、本实用新型的爬壁机器人结构简单，体积小，使用方便，检测效果好，适合推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的主视结构示意图(处于工作状态)。

图2为本实用新型的右视结构示意图。

图3为本实用新型中超声测厚检测轮的立体结构示意图。

图4为本实用新型的超声测厚检测轮中测厚探头的主视结构示意图。

图5为本实用新型的超声测厚检测轮中测厚探头的仰视结构示意图。

图6为本实用新型中TOFD检测轮的立体结构示意图。

图7为本实用新型的TOFD检测轮中TOFD探头的主视结构示意图。

图8为本实用新型的TOFD检测轮中TOFD探头的仰视结构示意图。

图9是本实用新型中检测轮与动力模块的动力传递关系的立体结构示意图。

图10是本实用新型中TOFD检测的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

如图1所示的爬壁检测机器人，包括车架5、检测轮、动力模块4、控制模块、吸水软刷9、水泵11和视频摄像头3，其中检测轮由一对用于检测工件厚度的超声测厚检测轮1和一对用于检测工件缺陷的TOFD检测轮2组成；所述视频摄像头安装在车架上。

如图2、图3和图6所示，所述超声测厚检测轮对称安装在车架底部两侧，每个超声测厚检测轮包括测厚探头18、轴承压盖24、磁轮25、聚苯乙烯轮16和大锥齿轮26，并通过空心轴20固定在车架上。所述空心轴沿轴向贯通且通过轮轴架7固定在车架上，空心轴中部开有穿孔27。所述测厚探头固定套设在空心轴上，以便发射和接收超声波。所述轴承压盖对称安装在测厚探头两侧且通过轴承23可转动地定位在空心轴上。所述磁轮固定套设在轴承压盖的外周，以便将机器人吸附在工件13表面；磁轮的外表面加工有金属纹路，以增加磁轮与工件表面的摩擦力。所述聚苯乙烯轮可转动地套设在测厚探头的外周；聚苯乙烯轮与轴承压盖通过螺栓固定连接，从而将聚苯乙烯轮、轴承压盖和磁轮固定连接为一体。所述大锥齿轮固定在轴承压盖外侧并与动力模块配合传动。所述空心轴、聚苯乙烯轮、轴承压盖、磁轮和大锥齿轮同轴布置。工作时，动力模块驱动大锥齿轮转动，大锥齿轮再通过轴承压盖带动磁轮和聚苯乙烯轮转动，从而实现机器人的移动和转向。

TOFD检测轮的结构与超声测厚检测轮相同，只是用TOFD探头21取代了测厚探头；具体结构不再一一细述。

每个超声测厚检测轮的测厚探头均包括圆柱体形阻尼块31(阻尼块材料优选环氧树脂)、测厚晶片28、测厚探头线30。该阻尼块的外圆周面制作有一个平面(平面平行于空心轴轴线，也平行于工件表面)，测厚晶片安装在该平面上以发射及接收超声波；该阻尼块的轴线部位开设有轴孔以穿套固定在空心轴上。也可采用一圆柱面形的测厚探头外壳29用于包覆固定阻尼块(该测厚探头外壳对应于晶片的部位则开设有与平面大小匹配的缺口，以避免干涉超声波的发射)，该测厚探头外壳(优选铝合金壳体)可穿套固定在空心轴上。所述测厚探头线一端与测厚晶片连接，另一端穿过穿孔与超声仪连接。

每个TOFD检测轮的TOFD探头均包括圆锥体形阻尼块34、TOFD晶片32、TOFD探头线33。该阻尼块的外圆周面制作有一个平面(平面倾斜于空心轴轴线，也倾斜于工件表面；倾斜角度根据需要确定)，TOFD晶片安装在该平面上以发射及接收超声波；该阻尼块的轴线部位开设有轴孔以穿套固定在空心轴上。也可采用一圆锥面形的TOFD探头外壳35用于包覆固定阻尼块(该TOFD探头对应于TOFD晶片的部位则开设有与平面大小匹配的缺口，以避免干涉超声波的发射)，该TOFD探头外壳可穿套固定在空心轴上。所述TOFD探头线一端与TOFD晶片连接，另一端穿过穿孔与超声仪连接。

所述超声测厚检测轮与TOFD检测轮的区别在于晶片的安装方式不同。其中，超声测厚检测轮中的测厚晶片面向工件且平行工件表面布置，从而使超声波的发射方向垂直工件表面；当超声波接触到工件的内壁后会产生反射波，反射波沿原路返回并被测厚晶片接收，根据接收反射波的时间即可测量出工件的厚度。所述TOFD检测轮的TOFD晶片虽面向工件但倾斜布置，从而使超声波的发射方向与工件表面呈一定的倾斜角度；两个TOFD检测轮还安装在同一空心轴上成对配合；其中一个TOFD检测轮中TOFD晶片发射的超声波遇到裂纹等缺陷时，将在缺陷尖端产生衍射波，衍射波将被对称安装的另一个TOFD检测轮中的TOFD晶片接收，根据TOFD晶片接收衍射波的不同声程和位置，从而得到缺陷的高度和深度(如图10所示)。另外，可以通过调整两个TOFD检测轮之间的间距来满足不同缺陷的检测需求。

所述测厚探头与聚苯乙烯轮之间，或者TOFD探头与聚苯乙烯轮之间均填充有润滑剂油；所述润滑剂油为甘油。采用甘油作为润滑剂油，主要有以下几点原因：首先甘油的声阻抗与聚苯乙烯相差很小，一次声压反射率只有8％，二次声压反射率不到千分之一，因此超声波大部分能够透入聚苯乙烯中，并且甘油薄层不会造成多次声压反射和检测盲区；其次甘油具有一定的润滑性能，且不会大量流失，便于聚苯乙烯轮顺利转动；其三，测厚晶片与对应测厚晶片的聚苯乙烯轮内圆周面部位为凸面空隙，TOFD晶片与对应TOFD晶片的聚苯乙烯轮内圆周面部位也为凸面空隙，填充进入凸面空隙的甘油形成凸面薄层；甘油的声速要小于聚苯乙烯，这样呈凸面的甘油薄层相当于一个凸面声透镜，在聚苯乙烯聚焦的超声波进入钢中，声束会进一步聚焦，这样可提高检测探头的检测灵敏度。为了防止润滑剂油泄漏，轴承压盖与聚苯乙烯轮之间设置有密封圈19，测厚探头或TOFD探头与轴承之间设置有用于密封的嵌入透盖22(轴承的两个端面均设置有嵌入透盖)。

所述聚苯乙烯轮的外径与磁轮的外径相同，以保证检测轮的外周面平齐。所述磁轮和聚苯乙烯轮外周粘接有一层具有一定弹性和透声性的聚苯乙烯保护膜17。工作时，探头发出的超声波通过润滑剂油进入聚苯乙烯轮，再通过聚苯乙烯保护膜和水耦合剂进入工件，从而避免了探头的磨损。另外，在磁轮的吸附力作用下，受到压缩的聚苯乙烯保护膜与工件表面接触的部分为面接触，从而使得穿过聚苯乙烯保护膜的超声波与工件也为面接触。所述聚苯乙烯轮与磁轮的半径之差约等于聚苯乙烯保护膜波长的一半，保证聚苯乙烯保护膜在完全压紧状态下，其厚度正好为波长的一半，达到半波透声层的作用。

为了提高超声耦合效果，每个检测轮的侧面均设置有固定在机架上的吸水软刷9(现有技术)，吸水软刷与检测轮相接触。所述进水泵通过喷水管15和安装在喷水管末端的喷嘴8向吸水软刷喷射水耦合剂，吸水软刷将喷落的水耦合剂吸收并涂抹在检测轮的聚苯乙烯保护膜上，同时擦除粘在聚苯乙烯保护膜上的杂物，从而提高超声耦合效果。

所述动力模块用于驱动检测轮运动，包括齿轮轴49、小锥齿轮50和步进电机51。所述小锥齿轮通过联轴器48与齿轮轴固定连接，且小锥齿轮与大锥齿轮啮合传动；所述步进电机固定在车架上以驱使齿轮轴转动，进而带动小锥齿轮和检测轮转动。本实施例中每个检测轮均由一个动力模块带动，控制模块可通过控制步进电机的转速和转向对每个检测轮进行控制，从而实现机器人的移动和转向。

所述控制模块用于控制机器人的动作，由控制箱6和操纵台12组成。所述控制箱包括电源、单片机和超声仪(图中均未显示)；所述操纵台包括用于显示检测结果的显示设备(本实用新型采用显示器，图中未显示)和通过单片机对机器人进行操控的外部输入设备(本实用新型采用操作手柄，图中未显示)。所述超声仪分别与探头和显示设备相连接，以便对超声波信号进行处理后将检测结果实时显示在显示设备上。所述水泵、摄像头、步进电机和外部输入设备通过组合电缆10分别与单片机电连接，喷水管也可包装在组合电缆内。

上述所有元件均可通过外购获得。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种爬壁检测机器人，其特征在于：包括车架(5)、对称安装在车架底部的检测轮、用于驱动检测轮的动力模块(4)、用于控制机器人动作的控制模块、固定在车架上并与检测轮接触的吸水软刷(9)以及通过喷水管(15)向吸水软刷喷射水耦合剂的水泵(11)；

所述检测轮由一对用于检测工件(13)厚度的超声测厚检测轮(1)和一对用于检测工件缺陷的TOFD检测轮(2)组成；超声测厚检测轮或TOFD检测轮均安装有用于吸附在工件表面的磁轮(25)以及用于引入驱动力的大锥齿轮(26)，并且均通过空心轴(20)固定在车架上；

所述动力模块包括齿轮轴(49)、与齿轮轴固定连接并与大锥齿轮啮合的小锥齿轮(50)以及固定在车架上以驱动齿轮轴转动的步进电机(51)；

所述控制模块由控制箱(6)和操纵台(12)组成；所述控制箱包括电源、单片机以及用于对超声波信号进行处理的超声仪；所述操纵台包括用于显示检测结果的显示设备和通过单片机对机器人进行操控的外部输入设备。

2.根据权利要求1所述的爬壁检测机器人，其特征在于：每个超声测厚检测轮包括可转动地定位在空心轴上的两个轴承(23)、定位在两个轴承之间的测厚探头(18)、对称安装在测厚探头两侧且安装在轴承外周的轴承压盖(24)、固定套设在轴承压盖外周的磁轮(25)、可转动地套设在测厚探头外周并与轴承压盖固定连接的聚苯乙烯轮(16)以及固定在轴承压盖外侧且与动力模块配合的大锥齿轮(26)；所述空心轴、聚苯乙烯轮、轴承压盖、磁轮和大锥齿轮同轴布置；

每个TOFD检测轮包括可转动地定位在空心轴上的两个轴承(23)、定位在两个轴承之间的TOFD探头(21)、对称安装在TOFD探头两侧且安装在轴承外周的轴承压盖(24)、固定套设在轴承压盖外周的磁轮(25)、可转动地套设在TOFD探头外周并与轴承压盖固定连接的聚苯乙烯轮(16)以及固定在轴承压盖外侧且与动力模块配合的大锥齿轮(26)；所述空心轴、聚苯乙烯轮、轴承压盖、磁轮和大锥齿轮同轴布置。

3.根据权利要求2所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述超声测厚检测轮中的测厚探头包括穿套固定在空心轴上的圆柱体形阻尼块(31)、固定在圆柱体形阻尼块外圆周面的一个平面上以发射及接收超声波的测厚晶片(28)以及一端与测厚晶片连接且另一端通过开设在空心轴上的穿孔(27)与超声仪连接的测厚探头线(30)；所述测厚晶片平行工件表面布置，以保证超声波的发射方向垂直工件表面。

4.根据权利要求3所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述TOFD检测轮中的TOFD探头包括穿套固定在空心轴上的圆锥体形阻尼块(34)、固定在圆锥体形阻尼块外圆锥面的一个平面上以发射及接收超声波的TOFD晶片(32)以及一端与TOFD晶片连接且另一端通过开设在空心轴上的穿孔与超声仪连接的TOFD探头线(33)；所述TOFD晶片倾斜于工件表面布置，以保证超声波的发射方向与工件表面呈一定角度；同一空心轴上安装的一对TOFD检测轮的两个TOFD探头，其中一个发射超声波而另一个则接收超声波。

5.根据权利要求4所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述聚苯乙烯轮的外径与磁轮的外径相同，以保证检测轮的外周面平齐；所述磁轮和聚苯乙烯轮外周粘接有一层具有一定弹性和透声性的聚苯乙烯保护膜(17)；所述聚苯乙烯轮与磁轮的半径之差约等于聚苯乙烯保护膜波长的一半。

6.根据权利要求5所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述磁轮外表面加工有金属纹路，以增加磁轮与工件的摩擦力。

7.根据权利要求6所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述测厚探头或TOFD探头与聚苯乙烯轮之间填充有润滑剂油，润滑剂油兼作测厚探头或TOFD探头与聚苯乙烯轮之间的传声介质；所述润滑剂油为甘油。

8.根据权利要求7所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述聚苯乙烯轮与轴承压盖之间安装有密封圈(19)；所述测厚探头或TOFD探头与轴承之间设置有嵌入透盖(22)以防止润滑剂油泄漏。

9.根据权利要求8所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述车架上还安装有视频摄像头(3)。

10.根据权利要求9所述的爬壁检测机器人，其特征在于：所述水泵、步进电机、外部输入设备和视频摄像头分别与单片机电连接。