一种基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机的制作方法

本发明涉及到土木工程技术领域，具体涉及到一种基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机。

背景技术：

混凝土结构常常由于碳化、氯离子侵入、酸性介质腐蚀等原因达不到预期使用年限，为了研究其破坏机理，实验室中需要对立方体混凝土试件分层取粉，并对粉末进行化学反应以测定其成分的变化。值得关注的是取粉深度、路径和每一次取粉的相对位置有很高的要求。

目前还没有统一的规范和仪器用来对混凝土试件进行取粉，现存的混凝土粉末打磨装置多存在如下问题：(1)打磨时安全性不高，容易对操作人员造成伤害。(2)取粉钻头在试件工作面的定位精度较差。(3)试件在打磨时产生的粉末容易飞扬于空中。(4)每一批次的粉末收集时会受到其他批次的残留粉末干扰，对分析结果造成误差。(5)对混凝土试件夹持的牢固性差。(6)使用方便性较差。(7)室内噪声较大。本发明针对以上存在的缺点和不足，对现有的试验仪器进行改装，发明了集磨粉和收集于一体的高安全、自动定位混凝土取粉机。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机，包括支撑底座，所述支撑底座上设有垂直升降杆；所述垂直升降杆上活动连接有试件固定台，所述试件固定台上设有纵横移动机构，所述纵横移动机构上方设有可调节夹块；所述垂直升降杆顶端还设有安装台，所述安装台下方设有取粉钻头操作控制器，所述取粉钻头操作控制器底部设有电连接的钻头行走模块,所述钻头行走模块下方连接有取粉钻头，所述取粉钻头上设有超声波扫描器；所述取粉钻头附近还设有自动粉末收集器，所述自动粉末收集器与所述安装台连接。所述取粉钻头操作控制器包括外部的取粉钻头操作模块屏幕和内部电连接的计算模块。

本混凝土取粉机通过超声波扫描器扫描试件工作面，测得工作面尺寸并将信息发给取粉钻头操作控制器，操作器中的计算模块以混凝土试块工作面中心为原点建立坐标系，使用者在取粉钻头操作模块屏幕中给出取粉末钻孔个数及取粉坐标点等信息。取粉钻头操作控制器根据给出的相关信息自动规划出钻头行走路线，进行自动取粉；操作简单，取粉速度快，减轻了劳动强度。

同时在取粉过程中，通过取粉钻头附近的自动粉末收集器收集粉末，不仅保证了粉末的纯度，提高了粉末收集效率，而且避免了扬尘，改善了取粉环境。可调节的夹块能够适应各种规格的试块尺寸，对于所要取粉的试块具有广泛的适用性。

进一步的，所述超声波扫描器固定在所述取粉钻头的连接杆下方，所述超声波扫描器上固定设置有相控阵矩阵探头；所述超声波扫描器通过信号线与所述取粉钻头操作控制器相连。采用本设置，保证了超声波扫描器能够随取粉钻头一起移动，实时扫描工件状况，方便路径规划。采用相控阵矩阵探头能够在所要扫描的空间范围内实现波束的连续电扫描，非常灵活高效。

其中，相控阵即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转,在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿,即可获得多波束。超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

进一步的，所述纵横移动机构包括固定安装在所述试件固定台上的纵向移动轨道，所述纵向移动轨道上方安装有纵向移动调节器，所述纵向移动调节器上设有横向移动轨道，所述横向移动轨道上安装有横向移动调节器，所述横向移动调节器上方设置所述夹块；所述横向移动调节器上还设有夹块调节器，所述夹块调节器与所述夹块相连。所述纵向移动轨道配合纵向移动调节器使用，实现了试件的纵向位移调节；所述横向移动轨道配合横向移动调节器使用，实现了试件的横向位移调节。

进一步的，所述自动粉末收集器包括内部设置的真空泵与粉末收集盒，所述真空泵一端连接至所述粉末收集盒，另一端通过管路连接至所述取粉钻头附近，所述粉末收集盒上还设有空气滤芯。靠近所述取粉钻头的管路为粉末吸取软管，附着于取粉钻头周边。钻孔产生的混凝土粉末在真空泵负压作用下自动被内置的粉末收集盒收集，粉末收集盒上布置的空气滤芯，可以排出多余的空气，保留下吸入的粉末，提高了粉末的收集效率和纯度。

粉末收集器在内置真空泵的风机叶轮的高速驱动下，将管道中的空气高速排出风机，同时使吸取粉末部分的空气不断补充进风机，与外界形成较高的压差，混凝土粉末经过管道被吸入粉末收集盒中。

进一步的，靠近所述取粉钻头的管路上设有粉尘传感器，所述粉末感应器在感应到所述取粉钻头扬出的粉末后，给出电信号，连通所述真空泵进行工作。

进一步的，所述垂直升降杆上套设有升降调节器，所述试件固定台与所述升降调节器相连接。所述升降杆与所述升降调节器为电动升降杆及控制器，电动控制所述试件固定台上下移动；或者，所述升降调节器为手摇式调节，通过垂直升降杆与升降调节器的配合，上下调整试件固定台的位置。

进一步的，所述垂直升降杆两端分别通过轴承与所述支撑底座和所述安装台连接，所述垂直升降杆两端还设有旋转环，所述旋转环一端套设在所述垂直升降杆上，另一端固定连接在所述支撑底座或所述安装台上。所述垂直升降杆能够相对支撑底座旋转，从而使得试件固定台能相对支撑底座和安装台旋转，便于错开取粉钻头，进行试件的更换和安装。

进一步的，所述支撑底座的底端四角均设有防滑垫片，防滑垫片的作用是加大了支撑底座与地面的摩擦力，保证钻孔取粉时设备的稳定性；所述安装台下方固定安装有电机，所述取粉钻头连接所述电机，由电机为取粉钻头提供动力进行钻孔取粉。

使用该自动定位混凝土取粉机时，首先把混凝土试件放置于夹块中，通过固定台升降调节器控制试件固定台使其上升，通过固定台旋转环、夹块调节器、固定台横向移动调节器、固定台纵向移动调节器控制试件使其处于适当位置，通过内置真空泵控制粉末收集器、电机驱动取粉钻头开始工作。

进一步的，基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机的钻孔取粉方法，包括如下步骤：

步骤1：超声波传感器扫描试件尺寸，得到试块的直径或边长，并将试块的直径或边长信息发给取粉钻头操作控制器，所述取粉钻头操作控制器中的计算模块以该试块中心为坐标原点，建立相关坐标系；

步骤2：在所述取粉钻头操作控制器中输入所要取粉部位距试件中心的坐标以及所要的取粉点个数，所述取粉钻头操作控制器中的计算模块规划出取粉钻头的行走路线并将指令发送给钻头行走模块，所述钻头行走模块控制取粉钻头行走至规定的第一个取粉点下探钻动取粉；

步骤3：在取粉过程中，所述取粉钻头外周管路在真空气压泵的作用下自动吸取扬出的粉末，输送至粉末收集器；

步骤4：下钻规定的深度后，所述取粉钻头操作控制器给出信号，所述取粉钻头自动抬起并移动至所述取粉钻头操作控制器计算出的下一个取粉点位置；继续取粉操作；

步骤5：当最后一个取粉点取粉结束后，所述取粉钻头自动回归到最初位置。

具体的，所述步骤1中的所述坐标系为笛卡尔坐标系或极坐标系，便于准确输入取粉点信息，控制取粉钻头的行走路径，从而控制取粉钻头和粉末收集器精确定位取粉；所述步骤3中的所述粉末收集器在吸取同一批次试验粉末后，对所述粉末收集器中的粉末收集盒进行更换；避免受到其他批次残留粉末的干扰，对试件分析结果造成误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本混凝土取粉机安全性高，能够自动定位取粉，钻孔准确性高、取粉效率高；2、自动规划出钻头行走路线，进行自动取粉，操作简单，减轻了劳动强度；3、自动粉末收集器收集粉末，不仅保证了粉末的纯度，提高了粉末收集效率，而且避免了扬尘，保证了安全，改善了取粉环境；4、粉末收集盒便于更换；避免受到其他批次残留粉末的干扰，以免对试件分析结果造成误差；5、可调节的夹块能够适应各种规格的试块尺寸，夹持牢靠、适用性广泛。

附图说明

图1为本发明一种基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机整体结构示意图；

图2为本发明试件固定台的结构示意图；

图3为本发明粉末收集系统示意图；

图中：1、取粉钻头操作模块屏幕；2、电机；3、粉末吸取软管；4、超声波扫描器；5、取粉钻头；6、旋转环；7、垂直升降杆；8、自动粉末收集器；9、升降调节器；10、夹块；11、夹块调节器；12、横向移动调节器；13、纵向移动调节器；14、试件固定台；15、纵向移动轨道；16、横向移动轨道；17、支撑底座；18、防滑垫片；19、混凝土粉末；20、粉尘传感器；21、真空泵；22、粉末收集盒；23、空气滤芯；24、安装台。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1～图3所示，一种基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机，包括支撑底座17，所述支撑底座17上设有垂直升降杆7；所述垂直升降杆7上活动连接有试件固定台14，所述试件固定台14上设有纵横移动机构，所述纵横移动机构上方设有可调节夹块10；所述垂直升降杆7顶端还设有安装台24，所述安装台24下方设有取粉钻头操作控制器，所述取粉钻头操作控制器底部设有电连接的钻头行走模块,所述钻头行走模块下方连接有取粉钻头5，所述取粉钻头5上设有超声波扫描器4；所述取粉钻头5附近还设有自动粉末收集器8，所述自动粉末收集器8与所述安装台24连接。所述取粉钻头操作控制器包括外部的取粉钻头操作模块屏幕1和内部的计算模块，所述计算模块与所述钻头行走模块电连接。所述钻头行走模块包括cam数控系统及钻头主轴的x、y、z三向移动机构和钻头主轴旋转机构(图中为示出)，以实现所述取粉钻头5的移动和旋转钻孔。

本混凝土取粉机通过超声波扫描器4扫描试件工作面，测得工作面尺寸并将信息发给取粉钻头操作控制器，操作器中的计算模块以混凝土试块工作面中心为原点建立坐标系，使用者在取粉钻头操作模块屏幕1中给出取粉末钻孔个数及取粉坐标点等信息。取粉钻头操作控制器根据给出的相关信息自动规划出钻头行走路线，进行自动取粉；操作简单，取粉速度快，减轻了劳动强度。

同时在取粉过程中，通过取粉钻头5附近的自动粉末收集器收集粉末，不仅保证了粉末的纯度，提高了粉末收集效率，而且避免了扬尘，改善了取粉环境。可调节的夹块10能够适应各种规格的试块尺寸，对于所要取粉的试块具有广泛的适用性。

进一步的，所述超声波扫描器4固定在所述取粉钻头5的连接杆下方，所述超声波扫描器4上固定设置有相控阵矩阵探头；所述超声波扫描器4通过信号线与所述取粉钻头操作控制器相连。采用本设置，保证了超声波扫描器4能够随取粉钻头5一起移动，实时扫描工件状况，方便路径规划。采用相控阵矩阵探头能够在所要扫描的空间范围内实现波束的连续电扫描，非常灵活高效。

其中，相控阵即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转,在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿,即可获得多波束。超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

进一步的，所述纵横移动机构包括固定安装在所述试件固定台14上的纵向移动轨道15，所述纵向移动轨道15上方安装有纵向移动调节器13，所述纵向移动调节器13上设有横向移动轨道16，所述横向移动轨道16上安装有横向移动调节器12，所述横向移动调节器12上方设置所述夹块10；所述横向移动调节器12上还设有夹块调节器11，所述夹块调节器11与所述夹块10相连。所述纵向移动轨道15配合纵向移动调节器13使用，实现了试件的纵向位移调节；所述横向移动轨道16配合横向移动调节器12使用，实现了试件的横向位移调节。

进一步的，所述自动粉末收集器8包括内部设置的真空泵21与粉末收集盒22，所述真空泵21一端连接至所述粉末收集盒22，另一端通过管路连接至所述取粉钻头5附近，所述粉末收集盒22上还设有空气滤芯23。靠近所述取粉钻头5的管路为粉末吸取软管3，附着于取粉钻头5周边。钻孔产生的混凝土粉末19在真空泵21负压作用下自动被内置的粉末收集盒22收集，粉末收集盒22上布置的空气滤芯23，可以排出多余的空气，保留下吸入的粉末，提高了粉末的收集效率和纯度。

自动粉末收集器8在内置真空泵21的风机叶轮的高速驱动下，将管道中的空气高速排出风机，同时使吸取粉末部分的空气不断补充进风机，与外界形成较高的压差，混凝土粉末19经过管道被吸入粉末收集盒22中。

进一步的，靠近所述取粉钻头5的粉末吸取软管3上设有粉尘传感器20，所述粉末感应器20在感应到所述取粉钻头5扬出的粉末后，给出电信号，连通所述真空泵21进行工作。

进一步的，所述垂直升降杆7上套设有升降调节器9，所述试件固定台14固定安装在所述升降调节器9上。所述垂直升降杆7两侧开有滑槽，所述升降调节器9上的滑块卡在滑槽中上下滑动，升降杆7的杆体上设有若干限位块和挡块。

通过垂直升降杆7与升降调节器9的配合，方便上下调整试件固定台14的位置。

进一步的，所述垂直升降杆7两端分别通过轴承与所述支撑底座17和所述安装台24连接，所述垂直升降杆7两端还设有旋转环6，所述旋转环6一端套设在所述垂直升降杆7上，另一端固定连接所述支撑底座17或所述安装台24。所述垂直升降杆7能够相对支撑底座17旋转，从而使得试件固定台14能相对支撑底座17和安装台24旋转，便于错开取粉钻头5，进行试件的更换和安装。

进一步的，所述支撑底座17的底端四角均设有防滑垫片18，防滑垫片18的作用是加大了支撑底座17与地面的摩擦力，保证钻孔取粉时设备的稳定性；所述安装台24下方固定安装有电机2，所述取粉钻头5连接所述电机2，由电机2为取粉钻头5提供动力进行钻孔取粉。

使用该自动定位混凝土取粉机时，首先把混凝土试件放置于夹块10中，通过固定台升降调节器9控制试件固定台14使其上升，通过固定台旋转环6、夹块调节器11、固定台横向移动调节器12、固定台纵向移动调节器13控制试件使其处于适当位置，通过内置真空泵21控制自动粉末收集器8、电机2驱动取粉钻头5开始工作。

实施例2：

一种基于相控阵超声波扫描的自动定位混凝土取粉机的钻孔取粉方法，包括如下步骤：

步骤1：超声波传感器扫描试件尺寸，得到试块的边长(长度和宽度)及高度，并将试块的边长信息发给取粉钻头操作控制器，所述取粉钻头操作控制器中的计算模块以该试块中心为坐标原点，以试块的长度方向为x轴，以试块的宽度方向为y轴,以试块的高度方向为z轴，建立笛卡尔坐标系；

步骤2：在所述取粉钻头操作控制器中输入所要取粉部位距试件中心的坐标以及所要的取粉点个数，所述取粉钻头操作控制器中的计算模块规划出取粉钻头的行走路线并将指令发送给钻头行走模块，所述钻头行走模块控制取粉钻头行走至规定的第一个取粉点下探钻动取粉；

步骤3：在取粉过程中，所述取粉钻头外周管路在真空气压泵的作用下自动吸取扬出的粉末，输送至粉末收集器；

步骤4：下钻规定的深度后，所述取粉钻头操作控制器给出信号，所述取粉钻头自动抬起并移动至所述取粉钻头操作控制器计算出的下一个取粉点位置；继续取粉操作；

步骤5：当最后一个取粉点取粉结束后，所述取粉钻头自动回归到最初位置。

具体的，所述步骤1中的所述坐标系为笛卡尔坐标系，便于准确输入取粉点信息，控制取粉钻头的行走路径，从而控制取粉钻头和粉末收集器精确定位取粉；所述步骤3中的所述粉末收集器在吸取同一批次试验粉末后，对所述粉末收集器中的粉末收集盒进行更换；避免受到其他批次残留粉末的干扰，对试件分析结果造成误差。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。