专利名称：用于检测不同直径管材和平板工件的自动扫查系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一 种自动扫查系统，特别是一种用于检测不同直径管材和平板工件的自动扫查系统，也可应用于对不同直径管材和平板件的超声或涡流检测，属核工业无损检测领域。
背景技术：
超声无损检测在许多工业领域中的产品质量检测、设备安全性能检查方面有着不可替代的重要作用。在无损检测领域，检测人员大都采用手持式探头或扫查架对焊缝进行常规超声检测。采用手持式探头或扫查架对焊缝进行检测，劳动强度大，易产生漏检区而且检测效率有限，检测数据受许多主客观因素的影响，例如操作人员的经验、检测手法等。此夕卜，手动检测无法对超声波数据进行成像记录，给检测工作带来了极大的不便。此外，扫查架末端活动范围的自由度和灵活性，以及其在三维空间中位移量的检测准确程度将会直接影响检测结果的真实性和可靠性。目前的这类机械扫查器，如在专利94215676. 5,97237408. 6中涉及的，扫查臂多为带转折关节的悬臂式，末端设置的探头也多为直立式的，活动范围的局限性较大，影响最终的检测结果准确度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于不同直径管材和平板工件的自动扫查系统。该系统能够对不同直径的管材进行水浸超声检测，管材直径在60mm-300mm范围内变化，提供管材旋转运动和探头轴向运动，并对检出缺陷进行定位。也可以对不同尺寸的平板工件进行检测，提供X/Y向的平面内运动，并对检出缺陷进行定位。本发明是这样实现的它包括视频定位系统、由支撑架、板材工件、脚轮构成的平板工件托架和由支撑架、管材工件、水槽、脚轮构成的管材检测机构及由支撑架、脚轮、X轴丝杠、Y轴丝杠、Z轴丝杠构成的三轴运动平台组成的自动扫查装置、控制箱、交换机、超声检测仪器、PC计算机、以太网/光纤；在所述自动扫查装置中的平板工件托架的支撑架的上端安装有托板，在所述托板上安装有压紧气缸、所述的板材工件放置在所述托板上，在所述支撑架下端的横梁上设置有定位孔、导向条和搭扣勾；在所述自动扫查装置中的管材检测机构的支撑架的下端横梁上设置有定位孔、导向条和搭扣勾，所述的管材工件放置在所述水槽内，在水槽内设置有由主动轴、主动轴滚轮组件、轴承支架、丝杠螺母副、手柄、从动轴、从动轴滚轮组件构成的托轮机构，其中所述的主动轴滚轮组件安装在所述主动轴上，所述从动轴滚轮组件安装在所述从动轴上，主动轴、从动轴架设在所述轴承支架上，所述丝杠螺母副的螺母与所述从动轴相连接，丝杠螺母副中的丝杠与所述手柄相连接，在所述水槽外设置有由罩壳、减速机、无刷直流电机、旋转变压器、密封件、悬臂轴承支架、链传动构成的电机传动组件，其中所述的罩壳连接到所述水槽上，所述减速机、无刷直流电机和所述旋转变压器三者是依次相互联接的，所述密封件连接到水槽上，所述链传动架设在所述悬臂轴承支架上；在所述自动扫查装置中的三轴运动平台的支撑架下端的横梁上设置有导向槽、定位孔、定位销、搭扣扳手，在所述支撑架的上端设置有所述的X轴丝杠、Y轴丝杠、气缸、Z轴移动滑块、Z轴丝杠、Z轴固定支架、视频相机、Z轴固定基座，同步带、探头组件、X轴横梁，其中所述X轴丝杠架设在所述的X轴横梁上，所述Y轴丝杠由所述同步带传动，所述气缸安装在所述Z轴移动滑块的下部，所述视频相机由所述Z轴固定基座固定，Z轴固定基座固定在所述Z轴移动滑块的下部，所述的探头组件安装在所述气缸的末端，所述Z轴丝杠架设在所述Z轴固定支架上，Z轴丝杠与Z轴移动滑块由丝杠螺母联接，所述Z轴固定支架与所述X轴丝杠由丝杠螺母联接，所述X轴横梁与所棕Y轴丝杠由丝杠螺母联接；所述的控制箱由CPU主控板、运动控制模块、同步板卡、IO模块、伺服放大器组成，其中所述的CPU主控板输出控制信号到所述的运动控制模块，运动控制模块输出信号到所述伺服放大器用以输出电机驱动信号，CPU主控板连接到所述同步板卡，所述IO模块的输入端连接到现场设备，其输出端与CPU主控板连接，所述控制箱中的所述CPU主控板输出端通过所述以太网/光纤与所述交换机连接，所述控制箱还分别与所述自动扫查装置、所述 超声检测仪器连接，所述自动扫查装置与所述超声检测仪器连接，所述交换机通过所述以太网/光纤与所述PC计算机连接；所述视频定位系统由所述控制箱中的CPU主控板、视频采集卡、所述PC计算机中的定位计算软件、所述三轴运动平台中的视频相机组成，所述视频采集卡是安装在CPU主控板上，所述定位计算软件是安装在所述PC计算机内，所述视频相机是安装在三轴运动平台中的Z轴固定基座的下端。所述的脚轮分别安装在所述支撑架的下端。本发明的自动扫查系统，可以实现对不同直径的管材、平板工件的超声波自动化检测过程。本发明的自动扫查系统采用手动/自动切换运动控制，当自动运行控制时，通过伺服电机配合旋转变压器进行闭环反馈控制，可以在恶劣环境或辐射性环境下实现定位准确、运行稳定。本发明的自动扫查系统采用以太网/光纤连接的控制方式，可以适用于需要长距离远程控制的应用场合，只要接入控制箱所在的网段，即可进行扫查过程的自动控制。本发明的自动扫查系统可以通过调整主动轴和从动轴的间距可以实现对不同直径管材的检测，同时针对不同管材或平板工件的高度，通过调节Z轴电机和比例阀，控制气缸压力，进而控制压紧力。同时本发明的扫查系统提供视频系统，通过安装在三轴平台上的视频相机，可以实现被检工件的基准定位和缺陷位置的定位信息，即便在被检工件和三轴平台存在一定夹角的情况下，也可以提供缺陷定位信息。该装置提供四个自由度，操作灵活性强，而且对不同管材具有适应性，可以用于实现自动化的超声检测，提高了系统操作的自动化水平，该系统可以用于不同直径管材和平板工件的自动超声扫查，也可用于其他类似试块无损检测方法的自动化扫查。
图I为本发明的原理方框2为本发明的控制箱结构方框3为本发明的自动扫查装置结构示意图
图4为本发明的自动扫查装置中管材检测机构水箱内托轮机构结构示意5为本发明的自动扫查装置中管材检测机构水箱外电机传动组件结构示意6为本发明的自动扫查装置中三轴运动平台结构示意7为本发明的视频定位系统结构方框8为本发明的一实施例示意9为本发明的另一实施例示意I-图7中1.视频定位系统2.自动扫查装置3.控制箱4.交换机5.超声检测仪器6. PC计算机7. CPU主控板8.运动控制模块9.同步板卡10. IO模块11.伺服放大器12.支撑架13.压紧气缸14.板材工件15.托板16.支撑架17.管材工件18.水 槽19.支撑架20.导向槽21.平板工件托架22.定位孔23.脚轮24.导向条25.搭扣勾26.脚轮27.定位孔28.导向条29.管材检测机构30.搭扣勾31.脚轮32.定位孔33.定位销34.三轴运动平台35.搭扣扳手36.主动轴37.主动轴滚轮组件38.轴承支架39.丝杠螺母副40.手柄41.从动轴42.从动轴滚轮组件43.罩壳44.减速机45.无刷直流电机46.旋转变压器47.密封件48.悬臂轴承支架49.链传动50. X轴丝杠51. Y轴丝杠52.气缸53. Z轴移动滑块54. Z轴丝杠55. Z轴固定支架56.视频相机57. Z轴固定基座58.同步带59.探头组件60. X轴横梁61.定位计算软件62.视频采集卡。
具体实施例方式下面结合附图举实施例对本发明作进一步说明。如图I所示，自动扫查系统包括视频定位系统I、自动扫查装置2、控制箱3、交换机4、超声检测仪器5、PC计算机6，其中，控制箱3、PC计算机6都是通过以太网/光纤连接到交换机4上，控制箱3、自动扫查装置2通过主线缆连接。PC计算机6上运行控制软件、所有控制指令及信号数据均通过交换机4与控制箱3进行交互，控制箱3根据接收到的指令驱动自动扫查装置2上的电机、气缸等执行部件，完成自动扫查动作。自动扫查装置2将超声信号反馈给超声检测仪器5，同时将各电机的当前状态信息经由控制箱3、交换机4返回到PC计算机6。在执行自动扫查动作的同时，PC计算机6的控制软件经交换机4和控制箱3将同步脉冲信号输出到超声检测仪器5，用于检测信号的位置定位，视频定位系统I将采集到的视频信号经交换机4传送回PC计算机6内，用于操作人员远端实时观测。视频定位系统I用于实时监测扫查装置运动状态及对被检管材或平板工件的基准零点标定。如图2所示，控制箱3包括CPU主控板7、运动控制模块8、同步板卡9、IO模块10、伺服放大器11。CPU主控板7通过控制箱3面板上的以太网/光纤连接到交换机4、PC计算机6，根据从PC计算机6接收到的控制指令，发送相应的控制信号和数据到运动控制模块8，驱动伺服放大器11输出电机驱动信号，经由主线缆驱动电机动作，同时，将自动扫查装置2上各轴电机的状态信息经由交换机4反馈给PC计算机6用于监测和界面显示。CPU主控板7连接到同步板卡9，通过运行软件控制同步板卡9的输出同步信号用于触发检测仪器，IO模块10将采集到的现场设备的信号输送到CPU主控板7，通过运行软件控制现场设备信号用于监测检测信号。如图3所示，自动扫查装置2是由平板工件托架21、管材检测机构29、三轴运动平台34三大部分组成的，且系独立设计。构成三大部分的部件之一的支撑架12、16、19都是采用金属材料加工而成，在本实施例中每个支撑架是用12根左右的铝合金型材制成的，各自的形状、尺寸大小按需而定，在各支撑架下端的定位孔22、27、32，定位销33、导向条24、28，导向槽20，搭扣勾25、30，搭扣扳手35是在加工铝合金型材时压制而成的，脚轮23、26、31，都分别安装在支撑架12、16、19的下端。平板工件托架21中的托板15安装在支撑架12的上端，压紧气缸13、板材工件14都安装在托板15上。管材检测机构29中的水槽18是在加工好的支撑架16的四周嵌封透明板材制成即可，在本实施例中是用有机玻璃加工成的，管材工件17在水槽18内旋转，X轴丝杠50、Y轴丝杠51、Z轴丝杠54都设置在支撑架19的上端。自动扫查装置2采用分体式设计，包括平板工件托架21、管材检测机构29、三轴运动平台34三大部分，支撑架12、16、19为独立设计，均采用底部脚轮23、26、31方式，便于移动。支撑架之间可通过导向机构、锁紧定位机构进行组合，如三轴运动平台34和平板工件托架21/管材检测机构29之间锁紧定位，可分别进行平板工件14/管材工件17的检测，导向机构包括三轴运动平台34下部的导向槽20和平板工件托架21或管材检测机构29下部的导向条24、28，通过导向条和导向槽的贴合，将三轴运动平台34推进预定的锁紧位置。锁 紧定位机构包括三轴运动平台34下部的定位销33、搭扣扳手35和平板工件托架21或管材检测机构29下部的定位孔22、27，搭扣勾25、30，在三轴运动平台34推进预定锁紧位置后，进行锁紧固定，确保不会出现相对滑动。图4为自动扫查装置2中的管材检测机构29中水槽18内托轮机构，包括由主动轴36、主动轴滚轮组件37、从动轴41、从动轴滚轮组件42、轴承支架38构成的旋转传动机构，由手柄40、丝杠螺母副39和与其相连的从动轴41构成的从动轴调整机构，通过摇动旋转手柄40可以将从动轴41及所配滚轮组件42进行平行移位。主动轴滚轮组件37安装在主动轴36上，从动轴滚轮组件42安装在从动轴41上，主动轴36、从动轴42都架设在轴承支架38上。图5为自动扫查装置2中管材检测机构29中水槽18外的电机传动组件结构，主要由罩壳43、减速机44、无刷直流电机45、旋转变压器46、密封件47、悬臂轴承支架48、链传动49等组成。其中罩壳43连接水槽18上，减速机44、无刷直流电机45、旋转变压器46三者依次相互联接，密封件47连接到水槽18上，链传动49架设在悬臂轴承支架48上。工作时，电机的输出轴和主动轴36之间通过链传动49传递扭矩。由于从动轴41工作时浸在水中，故采用双侧密封件47密封，防止水通过缝隙浸入传动组件。通过主动轴36和从动轴41配合,完成管径在60mm-300mm范围内的管材工件旋转运动。位置反馈信息由安装在无刷直流电机45末端的旋转变压器46提供。由于手柄40、丝杠螺母副39与螺母相连的从动轴41构成了其丝杠调整机构，故只需人工摇动手柄40就带动丝杠转动，进而带动螺母和从动轴41沿轴线方向做横向移动，实现从动轴41和主动轴36间距的连续调节。根据两轴间距的不同，管材检测机构29可用于检测管径范围在60mm-300mm之间的管材工件。图6为自动扫查装置2中三轴运动平台34的上部结构示意图。X/Y/Z三轴丝杠都设置在支撑架19的上端，X轴丝杠50架设在X轴横樑60上，Y轴丝杠51由同步带58传动，气缸52安装在Z轴移动滑块53的下部，视频相机56由Z轴固定基座57固定，Z轴固定基座57固定在Z轴移动滑块53的下部，探头组件59安装在气缸52的末端，Z轴丝杠54架设在Z轴固定支架55上，Z轴丝杠54与Z轴移动滑块53由丝杠螺母联接，Z轴固定支架55与X轴丝杠50、X轴横梁60与Y轴丝杠51也都分别由丝杠螺母联接。三轴运动平台34为X/Y/Z三轴坐标机构，均采用电机丝杠传动，采用旋转变压器(图中没有给出标号)提供位置反馈信息，在各轴的行程限位位置均加装霍尔传感器(图中没有给出标号)用于限位检测，Y轴采用其丝杠51由同步带58传动，因X轴横梁60与Y轴丝杠51、Z轴固定支架55与X轴丝杠50都由丝杠螺母联接，故X/Y轴能提供平面内的双自由度运动。又Z轴丝杠54与Z轴移动滑块53由丝杠螺母联接，故能提供竖直运动。探头组件59安装在气缸52的末端，通过Z轴方向安装的气缸52贴紧到被检工件，气缸压力可通过比例阀(图中没有给出标号)进行连续调节，同时安装有压力传感器(图中没有给出标号)提供反馈信息。视频相机56安装在Z轴固定基座57上，在对平板工件进行检测时，通过视频图像的中心交叉线对准工件边缘，确定为基准零点，以此进行缺陷在X/Y平面内的 定位。在对管材工件进行检测时，通过视频图像的中心线对准管材轴线方向两侧的母线，通过探头组件中心和视频相机的安装偏移量，可计算得到探头组件对准管材中心的坐标。通过视频图像的中心线对准管材端面的边线，由此确定缺陷轴向位置的计算。缺陷周向位置的计算由电机后的旋转变压器提供反馈信息计算得到。如图7所示，视频定位系统由安装在三轴运动平台34上的视频相机56、视频采集卡62、CPU主控板7和PC计算机6中的定位计算软件61组成。视频采集卡62安装在CPU主控板7上，采集由视频相机56捕获的视频信号。CPU主控板7将视频信号通过以太网/光纤经交换机4发送给PC计算机6。定位计算软件61在PC计算机6上运行，根据收到的视频信号进行定位信息计算。视频系统的功能为结合竖直安装在运动平台上的相机56移动，确定被检平板工件或管材工件的定位坐标，从而确定扫查点的坐标。如图8所示，在对平板工件进行检测时，操作人员控制三轴运动平台，使视频图像的中心交叉线对准工件边缘，确定为平板检测的基准零点。在对管材工件进行检测时，通过视频图像的中心交叉线对准管材轴向方向两侧的母线，可得到探头组件对准管材中心线的坐标，以此作为管材检测的基准零点。缺陷周向和轴向位置的计算可以通过旋转电机、和X轴电机后的旋转变压器提供反馈信息计算得到。如图9所示，在被检工件和三轴运动平台坐标存在一定夹角的情况下，视频系统同样可以为缺陷位置提供定位信息。分别将视频图像中心交叉线对准被检工件的四个端角，通过斜率计算可确定工件相对三轴平台坐标的偏转角。综合考虑测量偏差，可采用点(Xl，yi)、点(x2，y2)、点(x3，y3)进行两次测斜率求平均的方法，得到偏转角。示例如下theta^arctan ((γ2_Υι) / (x2_xi))theta2=arctan ((Y3-Y1) / (X3-X1))theta= (thetafthetafgO) / 2得到坐标偏转角后，可通过坐标旋转变换计算得到指定扫查路径点的实际坐标值。以点(x4，y4)为例，设定该扫查轨迹点距被检工件基准点(X1^1)的工件坐标偏移量分别为ΛΧ、ΔΥο则运动到指定轨迹点的实际坐标计算如下X4=X1+ Δ xcos (theta) - Δ ysin (theta) Y4=Y1+ Δ xsin (theta) + Δ ycos (theta)
下面结合图I-图9阐述自动扫查装置2的作业过程平板工件14检测过程。将平板工件14吊装到平板托架21上，用夹持气缸13进行夹紧固定。将三轴运动平台34沿平板工件托架的导向条推入，移动到预定锁紧位置，进行锁紧固定。驱动三轴运动平台34的X/Y的电机，通过视频相机56的中心线和工件边缘对准，设定为平面为X/Y方向的坐标零点，并以此作为扫查基准零点。然后依据预知工件尺寸，驱动电机到指定区域，执行自动扫查。各轴位置信息通过安装在电机末端后的旋转变压器提供反馈。管材工作检测过程首先根据被检管材直径，确定主动轴36与从动轴41的中心距，调整从动轴手柄40将从动轴41移动到预定位置。将管材工件17吊入，将其旋转在主动轴36和从动轴41的托轮组件上。向水槽18注水，使其浸没被检管材件。驱动三轴运动平台的X/Y向电机，通过视频相机56的中心线和管材端面、轴向两侧母线对准，确定被检件 的位置基准零点。驱动Y向电机，移动到被检管件的轴中心线位置，驱动X向电机，移动到扫查起始位置(根据距端面计算)。然后，根据设定扫查参数，驱动旋转电机和X向电机，执行自动扫查过程。各轴位置信息通过安装在电机末端后的旋转变压器提供反馈。
权利要求
1.用于检测不同直径管材和平板工件的自动扫查系统，包括视频定位系统(I)、由支撑架(12)、板材工件(14)、脚轮(23)构成的平板工件托架(21)和由支撑架(16)、管材工件(17)、水槽(18)、脚轮(26)构成的管材检测机构(29)及由支撑架(19)、脚轮(31)、X轴丝杠(50), Y轴丝杠(51)、Z轴丝杠(54)构成的三轴运动平台(34)组成的自动扫查装置(2)、控制箱(3)、交换机(4)、超声检测仪器(5)、PC计算机(6)、以太网/光纤，其特征在于 a.在所述自动扫查装置(2)中的平板工件托架(21)的支撑架(12)的上端安装有托板(15)，在所述托板(15)上安装有压紧气缸(13)、所述的板材工件(14)放置在所述托板(15)上，在所述支撑架(12)下端的横梁上设置有定位孔(22)、导向条(24)和搭扣勾(25)； 在所述自动扫查装置(2)中的管材检测机构(29)的支撑架(16)的下端横梁上设置有定位孔(27 )、导向条(28 )和搭扣勾(30 )，所述的管材工件(17)放置在所述水槽(18 )内，在 水槽(18 )内设置有由主动轴(36 )、主动轴滚轮组件(37 )、轴承支架(38 )、丝杠螺母副(39 )、手柄(40 )、从动轴(41)、从动轴滚轮组件(42 )构成的托轮机构，其中所述的主动轴滚轮组件(37)安装在所述主动轴(36)上，所述从动轴滚轮组件(42)安装在所述从动轴(41)上，主动轴(36)、从动轴(41)架设在所述轴承支架(38)上，所述丝杠螺母副(39)的螺母与所述从动轴(41)相连接，丝杠螺母副(39)中的丝杠与所述手柄(40)相连接，在所述水槽(18)外设置有由罩壳(43)、减速机(44)、无刷直流电机(45)、旋转变压器(46)、密封件(47)、悬臂轴承支架(48)、链传动(49)构成的电机传动组件，其中所述的罩壳(43)连接到所述水槽(18 )上，所述减速机(44 )、无刷直流电机(45 )和所述旋转变压器(46 )三者是依次相互联接的，所述密封件(47)连接到水槽(18)上，所述链传动(49)架设在所述悬臂轴承支架(48)上； 在所述自动扫查装置(2)中的三轴运动平台(34)的支撑架(19)下端的横梁上设置有导向槽(20)、定位孔(32)、定位销(33)、搭扣扳手(35)，在所述支撑架(19)的上端设置有所述的X轴丝杠(50)、Y轴丝杠(51)、气缸(52)、Z轴移动滑块(53)、Z轴丝杠(54)、Z轴固定支架(55)、视频相机(56)、Z轴固定基座(57)，同步带(58)、探头组件(59)、X轴横梁(60)，其中所述X轴丝杠(50)架设在所述的X轴横梁(60)上，所述Y轴丝杠(51)由所述同步带(58)传动，所述气缸(52)安装在所述Z轴移动滑块(53)的下部，所述视频相机(56)由所述Z轴固定基座(57)固定，Z轴固定基座(57)固定在所述Z轴移动滑块(53)的下部，所述的探头组件(59)安装在所述气缸(52)的末端，所述Z轴丝杠(54)架设在所述Z轴固定支架(55 )上，Z轴丝杠(54)与Z轴移动滑块(53 )由丝杠螺母联接，所述Z轴固定支架(55 )与所述X轴丝杠(50)由丝杠螺母联接，所述X轴横梁(60)与所述Y轴丝杠(51)由丝杠螺母联接； b.所述的控制箱(3)由CPU主控板(7 )、运动控制模块(8 )、同步板卡(9 )、IO模块(10 )、伺服放大器(11)组成，其中所述的CPU主控板(7)输出控制信号到所述的运动控制模块(8),运动控制模块(8)输出信号到所述伺服放大器(11)用以输出电机驱动信号，CPU主控板(7)连接到所述同步板卡(9)，所述IO模块(10)的输入端连接到现场设备，其输出端与(PU主控板(7 )连接，所述控制箱(3 )中的所述CPU主控板(7 )输出端通过所述以太网/光纤与所述交换机(4)连接，所述控制箱(3)还分别与所述自动扫查装置(2)、所述超声检测仪器(5)连接，所述自动扫查装置(2)与所述超声检测仪器(5)连接，所述交换机(4)通过所述以太网/光纤与所述PC计算机(6)连接；C.所述视频定位系统(I)由所述控制箱(3)中的CPU主控板(7)、视频采集卡(62)、所述PC计算机(6)中的定位计算软件(61)、所述三轴运动平台(34)中的视频相机(56)组成，所述视频采集卡(62)是安装在CPU主控板(7)上，所述定位计算软件(61)是安装在所述PC计算机(6)内，所述视频相机(56)是安装在三轴运动平台(34)中的Z轴固定基座(57)的下端。
2.根据权利要求I所述的用于检测不同直径管材和平板工件的自动扫查系统，其特征在于所述的脚轮(23、26、31)分别安装在所述支撑架(12、16、19)的下端。
全文摘要
本发明涉及一种用于不同直径管材和平板工件检测的自动扫查系统，包括视频定位系统、自动扫查装置、控制箱、交换机、超声检测仪器、PC计算机，而自动扫查装置主要由平板工件托架、管材检测机构、三轴运动平台组成，视频定位系统主要由CPU主控板、视频采集卡、定位计算软件、自动扫查装置中的视频相机组成，控制箱主要由CPU主控板、运动控制模块、同步板卡、IO模块、伺服放大器构成。本发明适用于自动化的超声检测，提高了系统操作的自动化水平，用于不同直径管材和平板工件的自动超声检测，也可用于其他类似试块无损检测的自动化检测。
文档编号G01N29/04GK102778506SQ201210273739
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者严智, 刘呈则, 刘震, 张宝军, 林明峰, 袁光华, 赵晓敏, 邓景珊, 陶泽勇 申请人:国核电站运行服务技术有限公司