钛/铝合金T型接头背面筋板位置的检测方法和检测装置与流程
本发明涉及一种钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测方法和检测装置，属于焊接自动化技术领域。
背景技术：
三明治结构板是一种新的夹层结构形式，一般由上下两块面板和中间筋板构成，具有比强度高、比刚度大等优点，在火箭发动机制造、造船、海洋平台制造等行业有良好的应用前景。但其制造过程比较复杂，特别是面板和筋板的连接成为阻碍其广泛应用的最大障碍。目前一般采用焊接工艺进行面板与筋板的连接，常采用的主要是深熔焊接，形成的焊缝由于形似字母t所以称为t型接头。但由于焊接过程中上面板遮挡了筋板，因此如何在快速准确的检测到t型接头背面筋板的位置并引导相关加工设备尤其是焊接设备的运动就成为了该结构制造过程的关键。
中国专利《借助于电磁辐射测定一细长物体相对于一障碍体表面位置用的方法和装置》(专利号：008000166)提出了一种测定一细长而狭窄的物体相对于一障碍体表面位置的方法，该方法提出，在沿着该物体纵向方向作逼近运动的情况下，一被精确准直的辐射束从远离该物体的障碍体一侧被倾斜照准到物体上，同时以直角在其上面进行振荡或扫描运动；从物体反向散射的辐射在物体的同一侧被收集起来，通过收集到的信号的峰值变化可以确定物体也就是筋板的中心位置。该发明还提出一种实现这种方法的装置。但是该方法提到的电磁辐射(实际生产中经常使用包括x射线、γ射线等)均有一定辐射性，容易对现场技术人员的身体健康产生较大影响，同时对现场的各类防护设施有一定的要求，无形中提高了成本，不利于方法的应用和推广；另外，上述方法要求电磁辐射源发出的辐射束与探测装置观察区之间相干的位置必须位于障碍物之下的一段距离，以确保探测装置能够收集到来自于需探测的细长筋板反向散射的辐射信号，这就对辐射源以及探测装置与障碍物的相对位置提出了限制要求；同时，由于电磁辐射等在障碍物中的吸收衰减再加上反向散射较弱等原因，上述方法也并不适用于检测障碍物和筋板间隙较大的情况，因为这种情况下有可能导致探测装置无法收集到筋板反向散射的信号。而且该电磁辐射束检测方法由于射线束直径较小、反向散射较弱等，对于筋板与上面板间隙较为敏感，
另有中国专利《前置式双传感器涡流传感焊缝自动跟踪控制方法》(授权公开号：104070267b)，该专利提出了一种前置式双传感器涡流传感焊缝自动跟踪控制方法，该方法利用到达双传感器涡流传感器头部线圈的阻抗z，由该线圈的测量值与金属板间距离h和相对面积s的变化值所构成的电压值信号u输出，从而获得焊接过程中电压值信号u与金属板间距离h以及电压值信号u与相对面积s的线性关系，从而实现焊缝自动跟踪控制。该方法仅实现了表面焊缝的定位，未能支持背面筋板之类结构的检测。上述方法中使用两个传感器分别测量与金属板间的距离h和相对面积s，将高度传感器探测的距离h补偿给面积传感器，再通过面积传感器的左右面积变化来明确焊缝位置，该方法中位置信息获取路径需经过一定的运算，信息获取略有延迟；此外，跟踪过程中有可能会出现误差现象，比如当高度传感器探测到了焊缝的深度信息，但是面积传感器还未探测该深度信息，这时如果将h补偿给面积传感器，则会造成获取到的一些位置信息不够准确。
技术实现要素：
本发明的目的是提出钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测方法和检测装置，针对已有技术的不足之处，通过一种相对安全的方法，快速准确检测到钛/铝合金t型接头背面筋板的位置，以便引导相应的加工设备进行夹板结构的制造。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测方法，包括以下步骤：
(1)在待检测钛/铝合金t型接头面板的上方布置一个扫描机构，扫描机构中的检测传感器包括激励线圈和探测线圈对，使扫描机构的轴线与待检测钛/铝合金t型接头的面板垂直；探测线圈对的中心连线与待检测钛/铝合金t型接头的筋板垂直，探测线圈对的一对同名端进行等电势连接，探测线圈对的另一对同名端用于探测待检测钛/铝合金t型接头的筋板中的涡流信号uin；
(2)对检测传感器中的激励线圈施加一个低频高幅值正弦交流激励信号iin；
(3)使检测传感器沿旋转底盘的圆周运动，对待检测钛/铝合金t型接头的筋板进行扫描，在待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板中产生可检测的远场涡流，待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板中的远场涡流在探测线圈对中产生一个探测信号uin，探测线圈对输出探测信号uin，信号处理系统对探测信号uin进行前置放大、带通滤波、自动平衡、程控放大、相敏检测、低通滤波和矢量合成，得到电压信号uout；
(4)记录扫描过程中各检测时刻的检测传感器的中心位置坐标{xt,zt}以及相应的电压信号uout，其中下标t为检测时刻，当检测传感器沿着旋转底盘的圆周运动垂直通过待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板时，与两个最大电压信号中间的最小电压信号uout相对应的坐标{xmin,zmin}，即为待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板的位置。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测装置，包括扫描机构、滑块、x向导轨、y向导轨、z向导轨和控制与信号处理系统；所述的扫描机构安装在y向导轨的下部，所述的滑块安装在x向导轨上，所述的y向导轨通过滑块沿x向导轨移动，所述的x向导轨架设在z向导轨上；所述的扫描机构由旋转底盘和检测传感器组成，旋转底盘安装在y向导轨的下端部，检测传感器通过滚动轴承安装在旋转底盘的圆周上，检测过程中检测传感器沿旋转底盘的圆周运动；所述的检测传感器由激励线圈和探测线圈对组成，激励线圈和探测线圈对由上而下同轴安装在旋转底盘的圆周上，激励线圈和探测线圈对共用一套磁芯，激励线圈的高度大于检测线圈对，激励线圈的下部围绕于探测线圈对的外侧；所述的扫描机构位于待检测钛/铝合金t型接头的上部。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测方法和检测装置，其优点是：
(1)本发明的检测方法，可以透过较厚的上面板准确的检测到钛/铝合金t型接头背面筋板位置，提高焊接的准确度。
(2)本发明的检测方法可以降低筋板与上面板的间隙波动对检测精度的影响，因此大大提高了钛/铝合金t型接头背面筋板位置检测的可靠性。
(3)本发明的方法和装置中，由于电磁场的扩散速度等于光速，远远大于机械运动的速度，因此本发明方法可以实现检测传感器的高速扫描运动，能够在动态中快速定位到筋板的中心位置，因此可以胜任高速焊接过程的筋板检测与跟踪，提升了检测方法的应用范围。
(4)本发明的检测装置，是一种较为安全的无损检测手段，相比较现有检测方法来说没有辐射危害，更加方便和安全，便于普及推广。
(5)本发明检测装置较现有检测设备，体积小，因此降低产品成本，而且操作方便，易于维护。
附图说明
图1是本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测装置的结构示意图。
图2是图1所示的检测装置中，扫描机构与筋板的位置关系示意图。
图3是本发明输出信号uout幅值随时间(位置)变化示意图。
图1和图2中，1是检测传感器，2是激励线圈，3是探测线圈对，4是滑块，5是x向导轨，6是z向导轨，7是扫描机构，8是旋转底盘，9是滚动轴承，10是y向导轨，11是控制与信号处理系统，12是t型接头，13是上面板，14是筋板。
具体实施方式
本发明提出的一种钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测方法，包括以下步骤：
(1)在待检测钛/铝合金t型接头面板13的上方布置一个扫描机构，扫描机构中的检测传感器包括激励线圈和探测线圈对，使扫描机构的轴线与待检测钛/铝合金t型接头的面板垂直；探测线圈对的中心连线与待检测钛/铝合金t型接头12的筋板14垂直，探测线圈对的一对同名端进行等电势连接，探测线圈对的另一对同名端用于探测待检测钛/铝合金t型接头的筋板中的涡流信号uin；单个探测线圈的直径大于筋板厚度的一半且小于筋板厚度的两倍，以便获得高的检测灵敏度和精度。
(2)对检测传感器中的激励线圈施加一个低频高幅值正弦交流激励信号iin；激励线圈在空间产生较强的磁场，从而在待测件上引起电涡流。由于频率较低，电涡流的集肤效应相对较弱，保证了涡流能够穿过面板而到达筋板。
(3)使检测传感器沿旋转底盘的圆周运动，对待检测钛/铝合金t型接头的筋板进行扫描，在待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板中产生可检测的远场涡流，待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板中的远场涡流在探测线圈对中产生一个探测信号uin，探测线圈对输出探测信号uin，信号处理系统对uin进行前置放大、带通滤波、自动平衡、程控放大、相敏检测、低通滤波和矢量合成，得到电压信号uout；
(4)记录扫描过程中各检测时刻的检测传感器的中心位置坐标{xt,zt}以及相应的电压信号uout，其中下标t为检测时刻，当检测传感器沿着旋转底盘的圆周运动垂直通过待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板时，与两个最大电压信号中间的最小电压信号uout相对应的坐标{xmin,zmin}，即为待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板的位置。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置的检测装置，其结构示意图如图1所示，特征在于，该检测装置包括扫描机构7、滑块4、x向导轨5、y向导轨10、z向导轨6和控制与信号处理系统11。扫描机构7安装在y向导轨10的下部，滑块4安装在x向导轨5上，y向导轨10通过滑块4沿x向导轨5移动。x向导轨5架设在z向导轨6上。扫描机构7由旋转底盘8和检测传感器1组成，旋转底盘8安装在y向导轨10的下端部，检测传感器1通过滚动轴承9安装在旋转底盘8的圆周上，检测过程中检测传感器1沿旋转底盘8的圆周运动。检测传感器1由激励线圈2和探测线圈对3组成，激励线圈2和探测线圈对3由上而下同轴安装在旋转底盘8的圆周上，激励线圈2和探测线圈对3共用一套磁芯，激励线圈2的高度大于探测线圈对3，激励线圈2的下部围绕于探测线圈对3的外侧。扫描机构7位于待检测钛/铝合金t型接头12的上部，如图2所示。
下面结合附图，对本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置检测方法的原理作进一步说明。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置检测方法中，控制与信息处理系统11中的单片机控制激励单元基于dds产生低频稳幅的正弦交流激励信号，该信号经过带通滤波和功率放大后得到低频高幅值正弦交流激励iin，该信号作用于检测传感器1中的激励线圈2在空间产生稳定的交变电磁场。本发明的一个实施例中，控制与信息处理系统11采用型号为aduc812，由analogdevices公司生产的微处理器产品为核心构成。
检测传感器1在扫描机构7带动下作圆周运动，垂直通过待检测t型接头背面筋板14的上方区域时，检测传感器1的激励线圈2产生的磁场在待检测t型接头背面筋板14中产生可检测的远场涡流，检测传感器1中的探测线圈对3探测到待检测t型接头背面筋板14中的远场涡流信号uin，控制与信息处理系统11中的信息处理系统对探测信号uin进行前置放大、带通滤波、自动平衡、程控放大、相敏检测、低通滤波、矢量合成，得到电压信号uout。
控制与信息处理系统11中的单片机采集和记录扫描过程中各检测时刻的检测传感器1的中心位置坐标{xt,zt}以及相应的电压信号uout，其中下标t为检测时刻；当检测传感器1沿着旋转底盘8的圆周运动垂直通过待检测钛/铝合金t型接头12的背面筋板14时，单片机判定与最小uout相对应的{xmin,zmin}即为待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板14的中心坐标。
考虑到极小值的定位存在误差，单片机判定通过两个最大uout检测时刻对应的位置坐标{xmax1,zmax1}和{xmax2,zmax2}分别为筋板14的两侧边缘，两个边缘的中点{(xmax1+xmax2‐)/2,(zmax1+zmax2)/2}即为背面筋板14中心的辅助坐标。
通过一定算法如均值法等，对背面筋板14的中心坐标和辅助坐标进行综合，得到更加准确的待检测t型接头背面筋板14的中心修正坐标。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置检测装置，包括检测传感器1、扫描机构7、滑块4、x向导轨5、y向导轨10、z向导轨6和控制与信号处理系统11。
检测传感器1包括激励线圈2和探测线圈对3。激励线圈2和探测线圈对3由上而下同轴安装在旋转底盘8的圆周上，激励线圈2和探测线圈对3共用一套磁芯，激励线圈2的高度大于探测线圈对3，激励线圈2的下部围绕于探测线圈对3的外侧。
扫描机构7包括检测传感器1、旋转底盘8、滚动轴承9。旋转底盘8带动检测传感器1在待检测t型接头12的上方作圆周运动，圆周运动的平面与待检测t型接头背面筋板14垂直，旋转底盘8的圆心位于筋板14中心的正上方，检测传感器1通过滚动轴承9与旋转底盘8连接，检测传感器1与旋转底盘8之间通过滚动轴承9进行相对转动，保持检测传感器1在圆周运动中对筋板14的姿态和角度不变以及检测传感器1的探测线圈对3始终以相同姿态经过待检测t型接头12的正上方区域。
扫描机构7安装在y向导轨10的下部，通过y向导轨10调整检测传感器1与筋板14的垂直间距。
滑块4安装在x向导轨5上，y向导轨10通过滑块4沿x向导轨5移动，x向导轨5根据检测到的筋板14中心坐标驱动滑块4移动，使扫描机构7中的旋转底盘8位于筋板14的正上方。
控制与信号处理系统11包括激励单元、信号处理系统和单片机。激励单元基于直接数字频率合成(dds)技术，选用ad9854芯片全数字式合成低频稳幅的正弦波信号，该信号经过带通滤波和lm1875功率芯片放大后，产生低频高幅值正弦交流激励信号iin，用于驱动激励线圈2，以便在t型接头背面筋板14中产生可检测的远场涡流。信号处理系统对探测线圈对3探测到t型接头背面筋板14中的远场涡流信号uin，进行前置放大、带通滤波后，得到一个不平衡的uin1信号，通过自动平衡电路合成一个与该信号相反的信号，该信号和uin1合成后，输出的uin2信号将平衡在0线附近；然后再对uin2信号进行程控放大、相敏检测、低通滤波、矢量合成后，输出电压信号uout，相对于uin，由于对uout的幅值变化和相位变化进行矢量相加，uout具有更高的信噪比和灵敏度。；单片机协调控制扫描机构7、激励单元、信号处理系统的工作，并采集检测传感器1的中心位置坐标{xt,zt}和对应的uout信号，通过分析扫描时电压信号uout的幅值‐时间曲线，定位极小值点，从而获得筋板中心时刻，此时刻对应的检测传感器1的中心位置坐标即筋板14中心坐标。
x向导轨5架设在z向导轨6上，z向导轨6可以驱动x向导轨5沿着焊接方向进行追踪。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置检测方法中，扫描机构7带动检测传感器1进行圆周扫描运动，扫描运动中检测传感器1与待检测t型接头背面筋板14的位置关系如图2所示。检测传感器1中的探测线圈的直径为dx，检测传感器1中心距离旋转底盘7的中心的距离为r1，筋板14厚度为d，扫描机构7中的旋转底盘8以角速度ω0带动检测传感器1经过筋板14的上方区域，从筋板14开始进入检测传感器1的检测范围(位置b)至检测传感器1的中心与筋板14的中心位置重合(位置c)转过的角度为α。
初始化时，检测传感器1处于位置a，如图2中所示，此时筋板14还未进入检测传感器1的检测范围，控制与信息处理系统12可获得电压信号为
检测传感器1继续移动，当到达位置b时，筋板14开始进入到检测传感器1的检测范围中，输出信号uout的幅值出现变化。
检测传感器1由位置b→c，输出信号uout的幅值逐渐增大，到达高值umax后，又开始逐渐减小。当检测传感器1的中心与筋板14的中心位置重合(即检测传感器1到达位置c)时，输出信号uout的幅值降到最低值u1。
此时sinα＝(0.5·d+dx)/r1
所以转过的角度
该过程持续时间
检测传感器1逐渐离开位置c，输出信号uout会经历与之前对称的幅值-时间变化过程：幅值逐渐增大到一定程度后再逐渐降低。当筋板14离开检测传感器1的检测范围后，输出信号uout的幅值恢复到低值u1。
上述扫描过程持续时间为
上述扫描过程中，dx与d接近时检测效果最好。因为dx大于d时输出信号uout的两个峰值之间的距离t增加，图3所示的特性曲线在筋板14中心时刻处的信号变化较平缓，不易获取特性曲线的筋板中心时刻或者获取的中心位置时刻不准确；当dx小于d时，会导致电压信号uout的两个峰值umax较小，峰值到谷地的变化较缓，从而导致筋板中心位置的定位困难；当dx小于d/2时，探测输出的电压信号uout特性曲线在中心时刻附近会出现一段持续的低值，此时将不易获取中心位置时刻。
如图2所示，焊接根据工艺要求确定的相关加工设备移动速度为v，位置c和d是圆周扫描过程中筋板14上检测传感器两个相邻的检测采样点，当检测传感器1由位置c→d，传感器远东时间为t1＝π/ω0，由于检测传感器1需要将筋板14的中心位置作为控制信号提前传输给焊接设备，因此要求焊接设备移动到位置d的时间t2≥t1，可知t2＝2r1/v，所以检测传感器1的扫描速度至少ω0≥πv/2r1。而为了提高检测精度，焊接设备的移动时间t2应该取t1的n倍，这样在传感器就能在焊接设备到筋板14某一位置之前就能获得该位置之前的n个检测采样点，提高筋板14位置的检测精度。
本发明提出的钛/铝合金t型接头背面筋板位置检测装置，其工作流程包括以下几个步骤：
步骤一、确定扫描机构7与待检测钛/铝合金t型接头背面筋板14的合适垂直间距和激励信号iin的合适频率。
扫描机构7带动检测传感器1进行圆周扫描运动，如果运动一周后电压信号uout的幅值无明显变化，则通过y向导轨10减小扫描机构7与待检测钛/铝合金t型接头背面筋板14的垂直间距，或通过控制与信号处理系统11中的激励单元降低激励信号iin的频率，直到电压信号uout的幅值出现明显变化时，保持此时扫描机构7与待检测钛/铝合金t型接头背面筋板14的垂直间距和激励信号iin的频率不变。
步骤二、记录圆周扫描过程中各检测时刻的检测传感器1的中心位置坐标{xt,zt}以及相应的电压信号uout
扫描机构7带动检测传感器1从待检测钛/铝合金t型接头背面筋板14上方区域垂直通过，电压信号uout有如下变化：当筋板14开始进入检测传感器1的检测范围，uout的幅值会由开始的低值u1开始增大，当到达某一高值后，随着检测传感器1逐渐接近筋板14的中心位置，uout的幅值又开始逐渐减小。当检测传感器1的中心与筋板14的中心位置重合时uout的幅值降到最低u1。检测传感器1继续移动，输出信号uout会经历与之前对称的幅值-时间变化过程：uout幅值又开始逐渐增大到一定程度后再逐渐降低，当检测传感器1逐渐离开筋板14的边缘后，电压信号uout的幅值恢复到低值。检测传感器1继续转动，
控制与信息处理系统12中记录圆周扫描过程中各检测时刻的检测传感器1的中心位置坐标{xt,zt}以及相应的电压信号uout，最小uout相对应的{xmin,zmin}即为待检测钛/铝合金t型接头的背面筋板14的中心位置坐标。
步骤三、通过x向导轨5跟踪筋板的同时通过z向导轨6追踪焊接方向。
将筋板14中心的位置坐标作为控制信号传送给单片机以及未表示出的为上述控制与信息处理系统11所控制的焊接设备。
单片机根据获得的筋板14中心位置坐标驱动滑块4沿x向导轨5调整检测扫描机构7与筋板14的相对位置，使扫描机构7始终位于筋板14的正上方，保持检测传感器1和筋板14的相对位姿不变。同时，在焊接设备按照传送的筋板14中心坐标进行移动的同时，单片机驱动z向导轨6带动扫描机构7沿焊接的方向进行移动，移动过程中沿z向的筋板各点的中心位置的信息被逐个采集和记录，引导焊接设备的运动。
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