对角焊缝的超声相控阵自动检测系统及检测方法
【专利摘要】对角焊缝的超声相控阵自动检测系统及检测方法，涉及焊缝检测领域。本发明是为了解决现有常规的超声检测设备对工件进行检测时检测效率低，准确性差的问题。本发明的伺服电机位于小车前轮的后侧，与小车车轮的轴承通过齿轮连接；两个吸盘分别安装在小车导轨的两端，由于固定小车导轨；超声相控阵探头为斜探头；伺服电机与上位机无信号线收发装置及同步处理系统通过无线进行数据传输，上位机的控制信号输出端连接上位机无线信号收发装置及同步处理系统的控制信号输入端；使伺服电机、超声相控阵探头和上位机配合，实现对角焊缝的超声相控阵自动检测。本发明适用于对角焊缝检测。
【专利说明】 对角焊缝的超声相控阵自动检测系统及检测方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及焊缝检测领域。
【背景技术】
[0002]较长距离的角焊缝检测时，常规的超声检测设备的应用会受到很大限制，而且检测效率低，检测效果常常不甚理想。
【发明内容】
[0003]本发明为了解决现有常规的超声检测设备对工件进行检测时检测效率低，准确性差的问题，提出了对角焊缝的超声相控阵自动检测系统及检测方法。
[0004]对角焊缝的超声相控阵自动检测系统，它包括检测焊缝的行走装置，所述检测焊缝的行走装置包括小车、声透镜、声透镜夹具、编码器、编码轮和超声相控阵探头，所述编码轮为橡胶编码轮，所述小车包括底盘和四个车轮，底盘上安装有四个车轮，底盘上加工有第一开口和第二开口，所述声透镜为长方体形声透镜，第一开口为长方体形开口，声透镜通过声透镜夹具安装在第一开口处，且声透镜与声透镜夹具二者密封连接，声透镜的下表面的中部加工有半圆弧形凹槽，半圆弧形凹槽的长度方向与小车的行走方向相垂直，声透镜的上表面的一端加工有贯通半圆弧形凹槽的注水通孔，声透镜的另一端加工有贯通半圆弧形凹槽的出水通孔，声透镜的上表面上固定有超声相控阵探头，底盘的上表面上安装有编码器，编码轮安装在编码器的轴上，编码轮位于第二开口内；
[0005]它还包括伺服电机、上位机、上位机无线信号收发装置及同步处理系统、两个吸盘和小车导轨；
[0006]所述伺服电机位于小车前轮的后侧，与小车车轮的轴承通过齿轮连接；
[0007]两个吸盘分别安装在小车导轨的两端，由于固定小车导轨；
[0008]所述超声相控阵探头为斜探头；
[0009]伺服电机与上位机无信号线收发装置及同步处理系统通过无线进行数据传输，上位机的控制信号输出端连接上位机无线信号收发装置及同步处理系统的控制信号输入端。
[0010]对角焊缝的超声相控阵自动检测检测方法，该方法的具体步骤为:
[0011]步骤一、上位机向上位机无线信号收发装置及同步处理系统发送检测控制信号，上位机无线信号收发装置及同步处理系统接收到上位机发送的控制信号后向超声相控阵探头发送控制信号；
[0012]步骤二、超声相控阵探头对接收到的信号进行数模转换，并利用该转换后的模拟信号对超声相控阵探头的晶片进行激发；
[0013]步骤三、超声相控阵探头的晶片向待测器件发射出声波，并接收由待测器件表面返回的声波；
[0014]步骤四、超声相控阵探头将接收到的声波信号进行模数转换，并将转换后的数字信号发送至上位机无线信号收发装置及同步处理系统；[0015]步骤五、上位机无线信号收发装置及同步处理系统对由超声相控阵探头发送的数字信号进行处理，获得该次声波扫描的图像；并将该次扫描获得的图像发送至上位机；
[0016]步骤六、上位机向伺服电机发送开关命令，当伺服电机接收到上位机发送的开启命令后，伺服电机带动小车车轮旋转，小车在导轨上行进；同时编码器通过编码轮获得编码位置信息；
[0017]步骤七、编码器将获得的编码位置信息发送至上位机，上位机将该次扫描获得的图像与此时编码器的编码位置信息进行对应处理；获得此时编码位置工件表面扫描图像；
[0018]步骤八、随着小车的行进，获得该工件小车导轨处的扫描图像；实现该工件对角焊缝的超声相控阵自动检测。
[0019]本发明通过小车与检测系统结合，实现对工件对角焊缝的超声相控阵自动检测，通过采用上位机实现对检测图像与编码位置信息结合，准确的获得工件对角焊缝的缺陷位置信息，同时与常规的超声检测设备相比检测效率高，且准确性和效率与现有超声检测设备相比同比均提高了 10%左右。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为检测焊缝的行走装置的结构示意图；
[0021]图2为超声相控阵探头扫描声场示意图；
[0022]图3为晶片激发摆动示意图。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的对角焊缝的超声相控阵自动检测系统，它包括检测焊缝的行走装置，所述检测焊缝的行走装置包括小车1、声透镜2、声透镜夹具3、编码器4和编码轮5，所述编码轮5为橡胶编码轮，所述小车I包括底盘1-1和四个车轮1-2，底盘1-1上安装有四个车轮1-2，底盘1-1上加工有第一开口 1-3和第二开口 1-4，所述声透镜2为长方体形声透镜，第一开口 1-3为长方体形开口，声透镜2通过声透镜夹具3安装在第一开口 1-3处，且声透镜2与声透镜夹具3 二者密封连接，声透镜2的下表面的中部加工有半圆弧形凹槽，半圆弧形凹槽的长度方向与小车I的行走方向相垂直，声透镜2的上表面的一端加工有贯通半圆弧形凹槽的注水通孔2-1，声透镜2的另一端加工有贯通半圆弧形凹槽的出水通孔2-2，声透镜2的上表面上固定有超声相控阵探头6，底盘1-1的上表面上安装有编码器4，编码轮5安装在编码器4的轴上，编码轮5位于第二开口 1-4内，且编码轮5的下端面与底盘1-1的下表面齐平；
[0024]它还包括伺服电机、上位机、上位机无线信号收发装置及同步处理系统、两个吸盘和小车导轨；
[0025]所述伺服电机位于小车前轮的后侧，与小车车轮1-2的轴承通过齿轮连接；
[0026]两个吸盘分别安装在小车导轨的两端，由于固定小车导轨；
[0027]所述超声相控阵探头6为斜探头；
[0028]伺服电机与上位机无信号线收发装置及同步处理系统通过无线进行数据传输，上位机的控制信号输出端连接上位机无线信号收发装置及同步处理系统的控制信号输入端。
[0029]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的对角焊缝的超声相控阵自动检测系统的进一步说明，所述伺服电机的电源电压12V，功率为20W。
[0030]本发明所述的伺服电机的尺寸为尺寸100mm*40mm*40mm,中心转轴直径为6mm。
[0031]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的对角焊缝的超声相控阵自动检测系统的进一步说明，编码器4采用采用旋转式编码器。
[0032]【具体实施方式】四:本实施方式是采用【具体实施方式】一所述的对角焊缝的超声相控阵自动检测系统实现自动检测的方法，该方法的具体步骤为:
[0033]步骤一、上位机向上位机无线信号收发装置及同步处理系统发送检测控制信号，上位机无线信号收发装置及同步处理系统接收到上位机发送的控制信号后向超声相控阵探头发送控制信号；
[0034]步骤二、超声相控阵探头对接收到的信号进行数模转换，并利用该转换后的模拟信号对超声相控阵探头的晶片进行激发；
[0035]步骤三、超声相控阵探头的晶片向待测器件发射出声波，并接收由待测器件表面返回的声波；
[0036]步骤四、超声相控阵探头将接收到的声波信号进行模数转换，并将转换后的数字信号发送至上位机无线信号收发装置及同步处理系统；
[0037]步骤五、上位机无线信号收发装置及同步处理系统对由超声相控阵探头发送的数字信号进行处理，获得该次声波扫描的图像；并将该次扫描获得的图像发送至上位机；
[0038]步骤六、上位机向伺服电机发送开关命令，当伺服电机接收到上位机发送的开启命令后，伺服电机带动小车车轮旋转，小车在导轨上行进；同时编码器通过编码轮获得编码位置信息；
[0039]步骤七、编码器将获得的编码位置信息发送至上位机，上位机将该次扫描获得的图像与此时编码器的编码位置信息进行对应处理；获得此时编码位置工件表面扫描图像；
[0040]步骤八、随着小车的行进，获得该工件小车导轨处的扫描图像；实现该工件对角焊缝的超声相控阵自动检测。
[0041]上位机无线信号收发装置及同步处理系统本发明所述的编码器的轮子与工件表面的接触使得编码器旋转从而返回编码位置信息，而该点位置信息所对应的扇扫图像也被相应采集出来，而扇扫图像中每一个sequence (激发阵列)取波幅最高的信号提取出来，然后在C扫描图像中即可获得一条竖线，随着小车不断行进，编码器所记录的位置也越来越长，竖直的线也逐渐累积进而形成一幅图像。
[0042]编码器在转动过程中可以不断发出矩形波，区分正反转可以采用上下矩形波优先产生的顺序，即:若上矩形波先于下矩形波产生则为正转；若下矩形波优先于上矩形波产生则为反转。若选用的编码器参数为500PA.，则意味着编码器转一周会产生500个脉冲，即在编码轮旋转一周的距离内采样点为500个，也就是前进有500个像素点。通过连续编码，即可按编码值由小到大顺序将信号进行连接。辅之以相控阵探头方向通过控制电路的延迟定律所产生的垂直于前进方向的像素，即可形成C扫描图像。
[0043]不同于传统的纵波直探头超声相控阵C扫描图像，该方法通过设计延迟定律的算法从而达到运用扇形扫查即横波声束对焊缝位置处。
[0044]延迟定律的设计如下:
[0045]由于每次激发16个晶片为一组，即工作中的晶片为16个，扇扫的目的是将16个晶片聚焦到一束上然后在一定角度上进行摆动。延迟法则的算法需要使16个晶片所形成的声束聚焦点按照一定方式在以某一点为圆心的圆弧上快速移动，其具体的实现方式为晶片激发的延迟，如图3所示:靠近A侧的晶片所发出的声波在工件中声程较小，激发时间靠后。B侧的由于要行走较大的声程，因此要优先激发，中间的晶片顺序和此类似。通过编程使得在Is内声束摆动位置在整个圆弧上进行变动，即可实现扇扫描。
[0046]检测时分辨率最小可以设置为0.2mm/s,扫查角度设置为20?60°。为了保证小车行走时按照一直线方向，小车按照导轨行进，考虑到小车运动时导轨不应运动，设计了一真空吸盘导轨，在导轨两端放置分别放置一个真空吸盘，吸盘与导轨相连，使用时寻找光滑平整表面，将吸盘固定在工件表面，小车靠着导轨行走。
[0047]超声相控阵探头的扫查精度为500?1000P/R，电压为5V左右，参数为500P/r ;超声相控阵探头为64晶片，探头中心频率为IOMhz。
[0048]编码器采用5V电源供电，可直接用模数转换模块供电，一根线接地，一根线接电源正极，信号线包括两根，一根用于传送正脉冲，一根用于传送负脉冲。
[0049]实际检测时，超声相控阵探头选用扇形扫查模式，选取16个晶片为一组，尽量选用二次波，从而通过一次反射后入射到焊缝位置处，如图2所示。声波模式选用横波入射，从而提高系统分辨率。为了提高检测效率，采取扇形扫查的C扫图像方式。为更好地采用横波对缺陷位置进行检测，采用一斜械块，使声波入射时具有较大折射角，同时再辅之以相控阵扫查角度，即可以获得较为理想的扫查范围。扫查角度选择不宜过大，会造成声束能量的降低，在检测前需先采用声场模拟软件对声场进行模拟，从而了解声场对待检测位置处结构的覆盖情况。检测应采用适当的聚焦深度，聚焦深度应设置在焊缝中间位置处，从而获得较强的扫查能量及缺陷回波。
[0050]检测时，上位机通过延迟法则来控制声束的摆动从而将信号发送给相控阵探头；当缺陷位置信号传回探头时探头再将声信号返回给上位机，从而将实时的检测信号送回。使用时将编码器与相控阵探头相连接，编码器旋转方向应平行于探头长度方向(即垂直于探头前进方向)。为防止在检测时编码轮打滑，编码器编码轮外侧应采用橡胶轮胎。
[0051]检测时需要对探头和工件进行耦合，若手工操作则可以考虑采用油耦合，而在实际检测过程中油耦合难以达到理想效果而且油的成本较高，因此考虑采用喷水耦合，械块两侧有注水孔从而在检测时水能够从探头下方缓缓流出，从而形成较薄水层，注意水层不能太厚，过厚的水层会影响检测效果，原因在于横波传播靠切向力，水传导切向力的能力较差，因此较厚的水层对横波传导影响很大。
[0052]上位机通过上位机无线信号收发装置及同步处理系统与编码器及伺服电机进行通讯，编码器数据通讯时要注意采用两相编码器，通过脉冲传播的先后来区分是正转还是反转从而精确地将探头位置信息与检测结果进行同步。
【权利要求】
1.对角焊缝的超声相控阵自动检测系统，它包括检测焊缝的行走装置，所述检测焊缝的行走装置包括小车(1)、声透镜(2)、声透镜夹具(3)、编码器(4)、编码轮(5)和超声相控阵探头(6)，所述编码轮(5)为橡胶编码轮，所述小车(I)包括底盘(1-1)和四个车轮(1-2)，底盘(1-1)上安装有四个车轮(1-2)，底盘(1-1)上加工有第一开口(1-3)和第二开口(1-4)，所述声透镜(2)为长方体形声透镜，第一开口(1-3)为长方体形开口，声透镜(2)通过声透镜夹具(3)安装在第一开口( 1-3)处，且声透镜(2)与声透镜夹具(3)二者密封连接，声透镜(2)的下表面的中部加工有半圆弧形凹槽,半圆弧形凹槽的长度方向与小车(I)的行走方向相垂直，声透镜(2)的上表面的一端加工有贯通半圆弧形凹槽的注水通孔(2-1)，声透镜(2)的另一端加工有贯通半圆弧形凹槽的出水通孔(2-2)，声透镜(2)的上表面上固定有超声相控阵探头(6)，底盘(1-1)的上表面上安装有编码器(4)，编码轮(5)安装在编码器(4)的轴上，编码轮(5)位于第二开口(1-4)内； 其特征在于，它还包括伺服电机、上位机、上位机无线信号收发装置及同步处理系统、两个吸盘和小车导轨； 所述伺服电机位于小车前轮的后侧，与小车车轮(1-2)的轴承通过齿轮连接； 两个吸盘分别安装在小车导轨的两端，由于固定小车导轨； 所述超声相控阵探头(6)为斜探头； 伺服电机与上位机无信号线收发装置及同步处理系统通过无线进行数据传输，上位机的控制信号输出端连接上位机无线信号收发装置及同步处理系统的控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的对角焊缝的超声相控阵自动检测系统，其特征在于，所述伺服电机的电源电压12V，功率为20W。
3.根据权利要求1所述的对角焊缝的超声相控阵自动检测系统，其特征在于，编码器4采用旋转式编码器。
4.对角焊缝的超声相控阵自动检测方法，其特征在于，该方法的具体步骤为: 步骤一、上位机向上位机无线信号收发装置及同步处理系统发送检测控制信号，上位机无线信号收发装置及同步处理系统接收到上位机发送的控制信号后向超声相控阵探头发送控制信号； 步骤二、超声相控阵探头对接收到的信号进行数模转换，并利用该转换后的模拟信号对超声相控阵探头的晶片进行激发； 步骤三、超声相控阵探头的晶片向待测器件发射出声波，并接收由待测器件表面返回的声波； 步骤四、超声相控阵探头将接收到的声波信号进行模数转换，并将转换后的数字信号发送至上位机无线信号收发装置及同步处理系统； 步骤五、上位机无线信号收发装置及同步处理系统对由超声相控阵探头发送的数字信号进行处理，获得该次声波扫描的图像；并将该次扫描获得的图像发送至上位机； 步骤六、上位机向伺服电机发送开关命令，当伺服电机接收到上位机发送的开启命令后，伺服电机带动小车车轮旋转，小车在导轨上行进；同时编码器通过编码轮获得编码位置信息； 步骤七、编码器将获得的编码位置信息发送至上位机，上位机将该次扫描获得的图像与此时编码器的编码位置信息 进行对应处理；获得此时编码位置工件表面扫描图像；步骤八、随着小车的行进，获得该工件小车导轨处的扫描图像；实现该工件对角焊缝的 超声相控阵自 动检测。
【文档编号】G01N29/04GK103808798SQ201410061957
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】刚铁, 王常玺, 王龙, 冯伟, 张佳莹 申请人:哈尔滨工业大学