一种超声波无损检测装置的制作方法

本发明属于超声波检测技术，尤其是涉及一种应用于曲面类和斜面类零件的超声波无损检测装置。

背景技术：

超声波无损检测是在不损坏零件或原材料状态的前提下，利用超声波能在弹性介质中传播，在界面上产生反射、折射等特性来检测材料内部或表面缺陷的检测方法。超声检测技术一般是通过超声换能器向被测对象内部发送超声波，超声波波长短、频率高，具有很好的方向性和穿透性，其在被测对象内部传播时，到达材料内部的缺陷、裂纹等位置时，因为材料内部结构的变化，会使得超声波的传播特性发生改变，例如，材料内有缺陷时，超声波反射的能量将变大，而透射的能量变低，通过对反射或透射的超声波信号进行采集、分析、处理，将能够对缺陷的类型、大小、取向、位置等信息进行一定程度的判断，实现对被测对象的质量控制。超声波检测因其对人体无害、灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低等优点在无损检测领域得到了广泛的应用。

传统的超声波检测通常采用人工检测的方式，由检测人员手持探头在涂有耦合剂的零件上往复运动，进行检验标准规定的检测，并进行记录和标记。手工检测对检测存在劳动强度大，检测结果受操作者经验水平、疲劳程度和情绪等方面的影响，很难满足曲面斜面类零件高效率、高可靠度和高精度的检测要求。为提升超声检测自动化水平和精度，近年来提出了一些超声检测自动化装置，如申请号为cn201010603984.4的中国发明专利公开了一种应用于重型回转体空心、封头类零件的超声波检测设备，采用垂直检测臂和水平检测臂的探头对零件内外表面进行检测。再如cn201310413376.0申请号为中国发明专利公开了一种超声波探头加压固定装置，通过旋转控制螺母和位移计控制加压的位移量，进而控制同刚度弹簧的拉力实现试件相同的加压力。在这两种超声检测自动化装置中，前者仅实现了回转类零件内外表面检测，检测零件大小也受龙门架尺寸的限制，并且没有对加压力进行控制，检测精度难以保证。后者检测件适应性差，缺乏灵活的角度和自由度控制，限制了加压装置的应用范围，另一方面加压力为开环控制，受同一刚度弹簧的制造误差和精度的限制，只控制位移量并不能保证加压力的精度。

因此研发出能灵活适应不同类型零件并通过力反馈控制提高检测装置的精度的超声检测自动化装置是超声检测领域迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超声波无损检测装置，其具有能够显著改善超声检测的效率和精度，减轻操作工劳动强度，适用性强、操作简便的特点，以解决现有技术中零件超声波无损检测存在的上述问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种超声波无损检测装置，其包括移动平台、立柱、转动臂、压力传感器、超声波换能器和控制系统，其中，所述移动平台上安装有所述立柱，所述立柱内安装有升降机构和升降配重模块，所述转动臂的一端连接于所述升降机构上，所述升降机构控制所述转动臂进行升降加压运动，所述转动臂的另一端设置有自控锁紧球铰链，所述压力传感器连接于所述自控锁紧球铰链的下方，所述超声换能器通过弹簧导柱连接机构与压力传感器连接，所述控制系统控制整个检测装置各执行部件动作。

特别地，所述升降机构通过第一基板和立柱相连接，其用于承载转动臂和超声换能器，升降配重模块通过轴承光轴机构固定在立柱内侧面，钢丝绳经第一吊环、顶部绳轮和第二吊环相连，所述升降机构包括主动升降机构、被动升降机构和助力系统，所述助力系统辅助实现超声换能器10n以下的手动升降操作力。

特别地，所述被动升降机构包括固定在第一基板上的第一导轨、布置在左右导轨内测四角的若干个导轨调节定位块和布置在第一基板四角的若干个弹性缓冲块，导轨调节定位块用以调整导轨的平行度和垂直度，弹性缓冲块用以限制第一滑块组的行程；第二基板和第一滑块组固定并在第一导轨的约束下上下滑动，所述第二基板上装有若干个吊环通过钢丝绳绕过顶部绳轮和第二吊环相连，实现配重平衡，顶部绳轮位于右立板和左立板之间，两个立板均固定在顶板上，助力电机和顶部绳轮同轴设置，提供升降助力。

特别地，所述第二基板的四角均安装有磁吸制动机构，第一导轨的限制确保磁吸制动机构只能沿上下方向运动，磁吸制动机构包括导向轴、压缩弹簧、铜套、电磁吸盘和调节螺母，铜套与第二基板固定，调节螺母和导向轴螺纹配合，通过旋转螺母可调节电磁吸盘与第一基板间气隙和压缩弹簧的回复力，制动过程中吸盘与第一基板贴合，弹簧被压缩，释放时吸盘断电，弹簧回复力使吸盘与第一基板脱开。

特别地，所述主动升降机构包括设置于第二基板上的第二导轨、导轨中间位的伺服电机、联轴器、丝杆螺母、滑块连接板和第二滑块组固定于第二基板上，在伺服电机驱动下，滑块连接板能沿第二导轨方向上下运动，实现连接臂的加减压，第二基板左侧设置有用于滑块连接板限位的光电开关组。

特别地，所述转动臂包括若干个连接臂，相邻连接臂之间或连接臂与升降机构之间通过转动关节连接，所述转动关节包括关节臂基座和设置于关节臂基座上的第一制动器或伺服电机、第一传动轴和第一减速器，连接臂和第一减速器的输出法兰连接，实现连接臂沿第一传动轴的轴向转动和制动。

特别地，所述自控锁紧球铰链包括电动推杆、模具弹簧、球铰压头，摩擦镶块、球铰头和下球碗，所述电动推杆由定位销钉安装于转动臂的圆柱筒内，电动推杆推挤模具弹簧使得摩擦镶块和球铰头之间产生需要的摩擦力，进而实现超声换能器在球铰60°包络角内任意角度的锁止。

特别地，所述压力传感器设置于上侧板和下侧板之间，上、下侧板通过导轴导套连接，下侧板和超声换能器之间通过弹簧导柱机构进行柔性连接。

特别地，所述立柱上设置有立柱定位块，所述立柱定位块底面和移动平台螺纹固定，侧面和立柱螺纹固定，所述移动平台的底座上固定有作为整机配重的一部分的控制柜。

特别地，所述控制系统包括单片机、红外接收模块、直流/步进电机驱动电路、压力传感器、ad转换器、液晶显示器和上位机，单片机输出信号控制步进电机并接收压力传感器的反馈信号，所述单片机控制转动臂、升降机构及超声换能器各执行部件的动作，所述上位机负责处理检测信息和存储缺陷图像。

本发明的有益效果为，与现有技术相比所述超声波无损检测装置具有如下优点：

1)较大程度上改善了传统的人工检测过程中劳动强度大、检测效率低、检测精度难以保证等问题，提高了超声检测的自动化程度、加压精度和检测质量。

2)升降机构将转动臂加压的主动升降与转动臂手动操作的被动升降两者有效结合，不仅实现了两种运动的无缝配合，而且将加压机构集成在转动臂端部并包括在立柱内部，使得整体结构简洁紧凑。

3)转动臂具有足够数量的转动关节，扩展了待检测工件的形貌和范围，自控锁紧功能的球铰链可实现超声换能器在60°角范围内的灵活调整，根据超声换能器的更换特性可将加压支撑臂设备应用于大型斜面类、曲面类零件的超声检测。

4)基于压力传感器的反馈控制系统和主动加压升降系统相配合，输出灵敏度达1.0～2.0mv/v，可实现综合精度千分之一的精确压力反馈，相比于控制线性弹簧位移量此类开环压力控制具有一定的先进性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的超声波无损检测装置的立体结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的超声波无损检测装置的剖面图；

图3是本发明具体实施方式提供的超声波无损检测装置的升降机构的正视图；

图4是本发明具体实施方式提供的超声波无损检测装置的升降机构的侧视图；

图5是本发明具体实施方式提供的超声波无损检测装置的旋转臂的剖面图；

图6是本发明具体实施方式提供的超声波无损检测装置的控制系统的方框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1至图6所示，本实施例中，一种超声波无损检测装置包括移动平台10、基于助力系统40的升降机构、升降配重模块20、具有足够数量转动关节和冗余自由度的转动臂60、自控锁紧球铰链70、压力传感器80、超声换能器90和控制系统。

所述升降机构通过第一基板38和立柱12相连接，其用于承载转动臂60和超声换能器90。升降配重模块20在轴承光轴机构22上滑动，有轨光轴固定于立柱12内侧面。钢丝绳41经第一吊环21、顶部绳轮42和第二吊环37相连，并实现升降机构至超声换能器90部分重量与升降配重模块20平衡，在助力系统40的辅助下实现超声换能器90于10n以下的手动升降操作力。

所述升降机构包括主动升降机构50和被动升降机构30，所述被动升降机构30包括固定在第一基板38上的第一导轨33、布置在左右导轨内测四角的多个导轨调节定位块31和布置在第一基板四角的多个弹性缓冲块32，导轨调节定位块31用以调整导轨的平行度和垂直度，弹性缓冲块32用以限制第一滑块组34的行程；第二基板35和第一滑块组34固定并在第一导轨33的约束下上下滑动，所述第二基板35上装有多个吊环37通过钢丝绳41绕过顶部绳轮42和第二吊环37相连，实现配重平衡，顶部绳轮42位于右立板和左立板之间，两个立板均固定在顶板44上，助力电机43和顶部绳轮42同轴设置，提供升降助力。

所述第二基板35装有多个磁吸制动机构36，他们分别布置在第二基板35的四个角，第一导轨33的限制确保磁吸制动机构只能沿上下方向运动，磁吸制动机构36包括导向轴361、压缩弹簧362、铜套363、电磁吸盘364和调节螺母365，铜套363与第二基板35固定，调节螺母365和导向轴361螺纹配合，通过旋转螺母可调节电磁吸盘364与第一基板38之间气隙和压缩弹簧362的回复力，制动过程中吸盘与第一基板贴合，弹簧被压缩，释放时吸盘断电，弹簧回复力使吸盘与第一基板脱开。

所述主动升降机构50包括设置于第二基板35上的第二导轨56、导轨中间位的第一伺服电机51、联轴器52、丝杆螺母53、滑块连接板54和第二滑块组55固定于第二基板35上，在第一伺服电机51驱动下，滑块连接板54可以沿第二导轨方向上下运动，实现连接臂的加减压，第二基板35左侧设置有光电开关组57，用于滑块连接板54的限位。

所述转动臂60设置有两个转动关节，包括第二伺服电机61、第一传动轴、第一减速器62、第一臂关节63、第三伺服电机64、第二减速器65和第二臂关节66，第一关节臂基座67与滑块连接板54固定，以第一关节臂基座67为基体，设置有第二伺服电机61、第一传动轴和第一减速器62，第一臂关节63和第一减速器62的输出法兰连接，实现第一臂关节63沿第一传动轴的轴向转动和制动，另一转动关节结构与第一转动关节类似(在此不再详述)。所述自控锁紧球铰链70通过由定位销钉安装于第二臂关节66的圆柱筒内的电动推杆71挤压模具弹簧72使得摩擦镶块74和球铰头75间产生需要的摩擦力，进而实现超声换能器90在球铰60°包络角内任意角度的锁止。压力传感器80通过导轴导套710消除偏载影响，弹簧导柱机构79使超声换能器90和工件间耦合为柔性。

控制系统包括单片机、红外接收模块、直流/步进电机驱动电路、压力传感器、ad转换器、液晶显示器和上位机等，单片机输出信号控制步进电机并接收压力传感器的反馈信号。所述单片机控制连接臂设备及超声换能器各执行部件的动作，所述上位机负责处理检测信息和存储缺陷图像。

下面将对上述组件的工作过程进行说明：

将上述超声波检测无损检测装置移动至任意待检测工位，锁定脚轮(放下支脚)实现设备定位；手动轻便调节超声换能器90高度，放置待检工件；

设备上电自动复位，磁吸制动机构36、第二伺服电机61、第三伺服电机64、自控锁紧球铰链70自动锁定，转动臂60在第一伺服电机51的带动下持续上升至光电开关组57上限位停止，各执行器件松开，手动轻便调整超声换能器90至待测工件上方贴合；

控制系统具有锁紧、加压和减压按钮，锁紧按钮可以实现转动臂60、磁吸制动机构36、自控锁紧球铰链70等在加锁和解锁间切换，加锁状态下超声换能器90保持不动，在非锁紧状态下误操作加压按钮，设备会自动进入锁紧状态。

手动调整超声换能器90后按锁紧按钮设备进入锁紧状态，按下加压按钮，超声换能器90和工件在第一伺服电机51的带动下实现柔性压接，压力传感器80实时反馈压力值至控制系统，检测到压力值达到该类共件加压预定值(如80.00n)，控制系统发送停止信号给第一伺服电机51和上位机系统，保持加压力的同时进入超声检测程序，检测完成后设备自动解锁，进入下一个检测循环。

更进一步，对于不同类型的工件在下位机控制系统中可以设置不同的扫查路径，控制系统发送信号给第二伺服电机61和第三伺服电机64控制转动臂60关节的角度，可以实现扫查路径内各检测点的自动化超声检测。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。