基于凸轮连杆机构实现快速同步扫描的装置的制作方法

本实用新型属于无损检测技术领域，特别涉及一种基于凸轮连杆机构实现快速同步扫描的装置。

背景技术：

无损检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小、位置、性质和数量等信息。它与破坏性检测相比，无损检测有以下特点：第一是具有非破坏性，因为它在做检测时不会损害被检测对象的使用性能；第二具有全面性，由于检测是非破坏性，因此必要时可对被检测对象进行100％的全面检测，这是破坏性检测办不到的；第三具有全程性，破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测，如机械工程中普遍采用的拉伸、压缩、弯曲等，破坏性检验都是针对制造用原材料进行的，对于产成品和在用品，除非不准备让其继续服役，否则是不能进行破坏性检测的，而无损检测因不损坏被检测对象的使用性能。所以，它不仅可对制造用原材料，各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测，也可对服役中的设备进行检测。

无损检测部件包括超声波显微镜、电磁、X射线等设备。广泛应用于电接触触点焊接质量检测、关键电子器件和精密机械部件的无损检测与评估，同时也广泛用于生物组织的显微观测。

无损检测部件中，常采用二维机械扫描机构携带检测模块完成对整个检测样品的检测。扫描机构的执行器一般都采用直线电机或旋转电机加精密滚珠丝杠。传统的二维机械扫描模式为栅格扫描模式，扫描轴负责扫描，每扫描完一行，步进轴运动一次，步进大小为一个像素所对应的大小。

经检索，为了提高扫描超声波显微成像的速度，德国KSI公司采用了多探头同时扫描方案，即每个探头扫描一个子区域，然后将各个子区域拼接起来，形成最终的扫描结果。采用N个探头，那么扫描时间就可以节约N倍。但是这种方法明显增加了成本。

公开号为CN102608208A的中国发明专利，公开了一种基于双轴联动式的栅格扫描模式，该方法通过两轴联动缩短了扫描和步进的时间，但是本质上仍然是步进栅格扫描模式，提升的扫描效率有限。

目前，国外大公司提高效率的方式都是在现有的栅格扫描模式下对每个电机的硬件结构提出优化，在满足运动精度的前提下，尽可能地提高X或Y电机的速度。但是这种方式不能根本性的显著提高电机速度，电机速度的最大值受限于光栅频率和分辨率。

因此，采用常规的技术思路即通过栅格扫描模式下的技术改进，已经很难再提升扫描速度，这制约了整个行业的进一步发展，成为了整个行业的技术难题。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是设计一种基于凸轮连杆机构实现快速同步扫描的装置，摒弃了常规的技术思路，能够实现快速同步扫描，既能保证良好的扫描效果，又能大大提高扫描速度。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于凸轮连杆机构实现快速同步扫描的装置，包括：第一运动机构、第二运动机构和检测部件，其中：

所述第一运动机构沿第一方向做往复直线运动，所述第二运动机构沿第二方向运动；所述检测部件与所述第一运动机构、所述第二运动机构中一个连接，检测样品则与所述第一运动机构、所述第二运动机构中另一个连接，所述第一运动机构、所述第二运动机构带动所述检测样品、所述检测部件实现第一方向往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构同步扫描，合成预定的扫描轨迹；

所述第一运动机构为凸轮连杆机构，包括：第一驱动部件、第一凸轮、第一滚子、第一弹簧、第一连杆、第一滑动部件和第一导向部件，其中：所述第一驱动部件的输出轴与所述第一凸轮的一侧连接，所述第一连杆的一端连接所述第一滚子，所述第一连杆与所述第一滚子之间设置所述第一弹簧，所述第一弹簧使所述第一滚子与所述第一凸轮的轮廓保持接触；所述第一导向部件与所述第一滑动部件配合，所述第一滑动部件在所述第一导向部件内往复运动；所述第一连杆与所述第一滑块固定连接，所述检测部件或检测样品与所述第一连杆连接。

优选地，所述第一驱动部件驱动所述第一凸轮旋转，所述第一弹簧使得所述第一滚子与所述第一凸轮接触，带动所述第一连杆摆动，所述第一连杆带动所述第一滑动部件在所述第一导向部件内实现往复直线运动，进而带动所述检测部件或检测样品完成第一方向往复直线运动。

优选地，所述第二运动机构为实现第二方向步进运动、匀速直线运动或变速直线运动的装置，所述第二运动机构带动所述检测样品或检测部件实现第二方向步进运动、匀速直线运动或变速直线运动。

更优选地，所述第二运动机构包括：第二驱动部件和水平转盘，其中：

所述第二驱动部件连接所述水平转盘并驱动所述水平转盘，所述水平转盘在水平面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，所述检测样品或检测部件放置在所述水平转盘上并随所述水平转盘在水平面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动。

更优选地，所述第二运动机构包括：第三驱动部件和垂直转盘，其中：

所述第三驱动部件连接所述垂直转盘并驱动所述垂直转盘，所述垂直转盘在竖直面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，所述检测样品或检测部件放置在所述垂直转盘上并随所述垂直转盘在竖直面内做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动。

更优选地，所述第一驱动部件、第二驱动部件、第三驱动部件为电机，或者是气压、液压等其他形式的驱动部件，或者是由其他机构传动得到的驱动机构，或者是手动驱动的形式。

优选地，所述装置进一步包括支撑部件，所述支撑部件用于连接和支撑所述第一运动机构、第二运动机构。

优选地，所述装置进一步包括平衡机构，所述平衡机构与所述第一运动机构对称布置，并与所述第一运动机构运动方向相反，以产生与所述第一运动机构大小相等、方向相反的作用力，从而抵消所述第一运动机构的作用力。

更优选地，所述平衡机构包括：平衡凸轮、平衡滚子、平衡弹簧、平衡连杆、平衡滑动部件、平衡导向部件以及平衡质量块，其中：

所述平衡凸轮与所述第一驱动部件的输出轴连接，且所述平衡凸轮的安装方向与所述第一凸轮的安装方向相反；所述平衡连杆的一端连接所述平衡滚子；所述平衡滚子、所述平衡连杆之间设置平衡弹簧，所述平衡弹簧使得所述平衡滚子与所述平衡凸轮的轮廓保持接触；所述平衡导向部件与所述平衡滑动部件配合，所述平衡滑动部件在所述平衡导向部件内往复运动；所述平衡连杆与所述平衡滑块固定连接，所述平衡质量块与所述平衡连杆连接。

更优选地，所述第一驱动部件驱动所述平衡凸轮旋转，所述平衡弹簧使得所述平衡滚子与所述平衡凸轮接触，并带动所述平衡连杆摆动，所述平衡连杆带动所述平衡滑动部件在所述平衡导向部件内实现往复直线运动，进而带动所述平衡质量块完成往复直线运动。

更优选地，所述第一滑动部件和所述平衡滑动部件均为滑块，或者是其他形式的滑动部件。

更优选地，所述第一导向部件和所述平衡导向部件均为导轨，或者是其他形式的导向部件。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型摒弃了常规的技术思路即通过栅格扫描模式下的改进，而是将第一方向运动和第二方向运动由不同的机构执行，结合同步扫描，可以合成预定的扫描轨迹，从而克服了制约整个行业进一步发展的技术难题，对整个行业的发展具有重要意义。

2.本实用新型第一运动机构和第二运动机构可以带动扫描部件或检测样品实现第一方向的运动和第二方向的运动。

3.本实用新型的装置采用凸轮连杆机构实现快速同步扫描，结构简单紧凑，运动精度高，控制简单。

4.进一步的，本实用新型第二方向运动为步进运动、匀速运动或变速运动等，第一方向运动为快速往返直线运动，提高了扫描速度。

5.进一步的，本实用新型的平衡机构可以提高装置整体的稳定性，减小了振动，保证了检测的精度。

6.进一步的，本实用新型可以集成到在线检测并实现全检，即将所述装置和生产工件的设备连接之后，可以对生产的每一个工件进行检测。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型一优选实施例中装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中第二运动机构的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例中第二运动机构的结构示意图；

图4为现有技术栅格扫描方式示意图；

图5为本实用新型一实施例三角形扫描轨迹采样点第一方向等间距分布示意图；

图6为本实用新型一实施例的最终位图阵列矩阵合成像素图像示意图；

图中：机架1、第一驱动电机2、第一凸轮3、第一滚子4、第一弹簧5，第一导轨6、第一滑块7、第一连杆8、第一检测部件9、第一检测样品10、第二运动机构11、第二驱动电机12、水平转盘13、第三驱动电机14、垂直转盘 15、平衡凸轮16、平衡滚子17、平衡弹簧18、平衡导轨19、平衡滑块20、平衡连杆21、平衡质量块22。

具体实施方式

以下对本实用新型的技术方案作进一步的说明，以下的说明仅为理解本实用新型技术方案之用，不用于限定本实用新型的范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

实施例1

如图1所示，为本实用新型所述基于凸轮连杆机构实现快速同步扫描的装置的优选实施例，包括机架1、第一运动机构、检测部件9、第二运动机构11 和平衡机构，所述第一运动机构、第二运动机构11和平衡机构设置在机架1上；

所述第一运动机构与所述机架1连接，所述第二运动机构11与所述机架1 连接，所述检测部件9与所述第一运动机构、所述第二运动机构11中一个连接，检测样品则与所述第一运动机构、所述第二运动机构11中另一个连接，所述第一运动机构连接并带动所述检测部件9或者检测样品10实现第一方向运动，所述第二运动机构11带动所述检测样品10或者所述检测部件9实现第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构11结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹；

所述平衡机构与所述第一运动机构对称布置并与所述第一运动机构运动方向相反，以产生与所述第一运动机构大小相等、方向相反的作用力，从而抵消所述第一运动机构的作用力。

在本实施例中，所述第一运动机构采用凸轮连杆机构，所述第一运动机构包括：第一驱动电机2、第一凸轮3、第一滚子4、第一弹簧5、第一导轨6、第一滑块7、第一连杆8，其中：

所述第一驱动电机2与所述机架1固定连接，所述第一驱动电机2的输出端与所述第一凸轮3的一侧连接，所述第一连杆8的一端安装有第一滚子4，所述第一连杆8与所述第一滚子4之间设置所述第一弹簧5，所述第一弹簧5 使得所述第一滚子4始终与所述第一凸轮3的边缘接触；所述第一连杆8的另一端与所述第一滑块7连接，所述第一导轨6固定在所述机架1上，所述第一滑块7与所述第一导轨6配合并沿所述第一导轨6方向运动；所述检测部件9 安装在所述第一连杆8上；

当检测部件9设置在第一运动机构上，则检测样品10设置在第二运动机构 11上；相反的，如检测样品10设置在第一运动机构上，则检测部件9设置在第二运动机构11上，从而通过上述的第一运动机构与所述第二运动机构11带动检测样品10、检测部件9实现不同方向的运动。

本实施例中，所述平衡机构包括：平衡凸轮16、平衡滚子17、平衡弹簧18、平衡导轨19、平衡滑块20、平衡连杆21、平衡质量块22；其中：

所述平衡凸轮16与所述第一驱动电机2的输出轴连接，且平衡凸轮16的安装方向与所述第一凸轮3的安装方向相反，所述平衡连杆21的一端连接所述平衡滚子17，所述平衡滚子17、所述平衡连杆21之间设置有平衡弹簧18，所述平衡滚子17与所述平衡凸轮16的轮廓保持接触，所述平衡导轨19固定在所述机架1上并与所述平衡滑块20配合，所述平衡滑块20在所述平衡导轨19内往复运动；所述平衡质量块22与所述平衡连杆21连接。

当所述第一驱动电机2工作时，所述第一驱动电机2驱动所述第一凸轮3 转动，所述第一凸轮3通过所述第一滚子4、弹簧5带动所述第一连杆8摆动，所述第一连杆8带动所述第一滑块7沿所述第一导轨6方向实现往复直线运动，从而带动安装在所述第一连杆8上的检测部件9或检测样品10作往复直线运动；

同时，所述第一驱动电机2驱动所述平衡凸轮16转动，所述平衡弹簧18 使得所述平衡滚子17与所述平衡凸轮16接触，并带动所述平衡连杆21摆动，所述平衡连杆21带动所述平衡滑块20在所述平衡导轨19内实现往复直线运动，进而带动所述平衡质量块22完成往复直线运动。所述平衡连杆21与所述第一连杆8运动方向相反，从而所述平衡质量块22与检测部件9或者检测样品 10运动方向相反。

本实施例中，所述机架1可以是一个整体，所述第二运动机构11、所述第一运动机构以及平衡机构均与所述机架1连接，并使平衡机构与第一运动机构之间形成力平衡。

本实施例中，所述检测部件9可以为超声换能器，也可以是其他的形式，包括发射和接收光或电磁波或诸如中子、电子、或者其他粒子或者流体、气体或声波或者磁场或电场的装置，或者其他可以检测或影响目标物的媒介。

本实施例中，第一运动机构和第二运动机构可以带动扫描部件或检测样品实现第一方向的运动和第二方向的运动。采用凸轮连杆机构实现快速同步扫描，结构简单紧凑，运动精度高，控制简单。

本实施例中，采用平衡机构可以提高装置整体的稳定性，减小了振动，保证了检测的精度。

实施例2

本实施例与实施例1不同在于，取消图1中所示的平衡机构，即所述基于凸轮连杆机构实现快速同步扫描的装置，包括机架1、第一运动机构、检测部件9、第二运动机构11，所述第一运动机构、第二运动机构11设置在机架1上；其他结构与实施例1中类似。

当所述第一驱动电机2工作时，所述第一驱动电机2驱动所述第一凸轮3 转动，所述第一凸轮3通过所述第一滚子4、弹簧5带动所述第一连杆8摆动，所述第一连杆8带动所述第一滑块7沿所述第一导轨6方向实现往复直线运动，从而带动安装在所述第一连杆8上的检测部件9或检测样品10作往复直线运动。

本实施例取消平衡机构，同样能实现快速同步扫描的目的，只是装置整体的稳定性比实施例1稍差。

实施例3

本实施例与实施例1不同在于，取消图1中所示的平衡机构和机架，即所述基于凸轮连杆机构实现快速同步扫描的装置，包括第一运动机构、检测部件 9、第二运动机构11。此实施例适用于第一运动机构、第二运动机构11本身是具有支撑功能的，安装在实施例1机架上的部件可以对应安装在第一运动机构、第二运动机构11的支撑部分上。其他结构与实施例1中类似。

所述检测部件9与所述第一运动机构、所述第二运动机构11中一个连接，检测样品则与所述第一运动机构、所述第二运动机构11中另一个连接，所述第一运动机构连接并带动所述检测部件9或者检测样品10实现第一方向运动，所述第二运动机构11带动所述检测样品10或者所述检测部件9实现第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构11结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹。

当然，本实施例也可以取消机架，保留平衡机构，所述平衡机构可以固定在第一运动机构、第二运动机构自身的支撑部分上。

本实施例效果与实施例2接近，结构简单，既能保证良好的扫描效果，又能大大提高扫描速度。

实施例4

本实施例中，对上述实施例中的第二运动机构的优选结构进行说明。

如图2所示，为第二运动机构11的一种实施例，所述第二运动机构11包括：第二驱动电机12、水平转盘13，其中：

所述第二驱动电机12的一端固定在所述机架1上，所述第二驱动电机12 的输出端通过连接轴连接所述水平转盘13，检测样品10放置在所述水平转盘 13上；

当所述第二驱动电机12工作时，所述第二驱动电机12驱动所述水平转盘 13绕所述连接轴在水平面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，所述检测样品10随所述水平转盘13做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动；由于所述水平转盘13所选取的半径足够大，因此在所述检测部件9的运动范围内，所述检测样品10的第二方向运动可以近似为直线运动。

采用本实施例中的第二运动机构，结合实施例1-3中的结构，摒弃了栅格扫描模式下的改进，采用第一方向运动和第二方向运动由不同的机构执行，结合同步扫描，可以合成预定的扫描轨迹，从而克服了制约整个行业进一步发展的技术难题。

实施例5

本实施例中，对上述实施例中的第二运动机构的另一优选结构进行说明。

如图3所示，为第二运动机构11的另一实施例，所述第二运动机构11包括：第三驱动电机14、垂直转盘15，其中：

所述第三驱动电机14的一端与所述机架1固定连接，所述第三驱动电机 14的输出端通过连接轴与所述垂直转盘15连接，检测样品10放置在所述垂直转盘15的圆周外侧面上；

当所述第三驱动电机14工作时，所述第三驱动电机14驱动所述垂直转盘 15绕所述连接轴在竖直面内进行第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动，所述检测样品10随所述垂直转盘15做第二方向步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动；由于所述垂直转盘15的半径足够大，因此在所述检测部件 9的运动范围内，所述检测样品10的第二方向运动可以近似为直线运动。

以上实施例4、5为本实用新型所述第二运动机构11的两种优选结构，在其他实施例中，所述第二运动机构11也可以为凸轮连杆机构、曲柄滑块机构、圆柱凸轮机构、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构、同步带机构、圆柱端面凸轮机构、槽条机构、电动缸等可以实现直线运动的装置。

采用上述实施例中装置进行同步扫描，取消步进栅格的扫描方式(图4所示)，而是采用双轴同步的方式，当所述第一运动机构往复运动的同时，所述第二运动机构11同步运动以实现预设的轨迹。

为了进一步加深对本实用新型装置的理解，以下对本实用新型的工作步骤和原理进行描述：

步骤一、第一驱动电机2驱动第一凸轮3旋转，进而使第一连杆8带动第一滑块7在第一导轨6内进行往复运动，进而带动检测部件9进行往复运动；同时，第二驱动电机12或第三驱动电机14驱动第二运动机构11的水平转盘 13或垂直转盘15使检测样品10做直线运动，扫描轨迹呈现三角形曲线、梯形曲线、正弦曲线或类似的各种曲线；

步骤二、采用光栅尺测量第一滑块7直线位置，等间距触发信号采集，从而实现第一运动方向等间距信号采集；光栅尺每次往复固定触发采集卡采集信号N次必须满足以下公式，以保证第一运动方向检测分辨率满足需求：

N＞S*2/Y_resolution，

式中：S为扫描行程，Y_resolution为第一运动方向检测分辨率；

三角形扫描轨迹下的第一运动方向等间距信号采集如图5所示。

本步骤中，利用第一驱动电机2的旋转编码器信号，等间距触发信号采集，从而实现第一运动方向等间距信号采集。

本步骤中，采用光栅尺测量第二运动机构11的直线位置，等间距触发信号采集，从而实现第二运动方向等间距信号采集。

本步骤中，利用第二驱动电机12或第三驱动电机14的旋转编码器信号，等间距触发信号采集，从而实现第二运动方向等间距信号采集。

步骤三、将规划路径上的采集点所获取的电压值转换成图像灰度值并做插值计算，得出最终所需的位图阵列矩阵，合成像素图像如图6所示。

所述第二运动机构11同时能提供第一运动方向步进功能，针对大小超出第一运动机构扫描范围的检测样品，在步骤三之后，可以通过第二运动机构11调节检测样品10第一运动方向步进，使得未扫描部分处于扫描装置的扫描区域，再返回步骤三进行扫描(此时第二运动方向与前一次扫描相反)，重复直到整个检测样品10扫描完成，最后通过所记录的位置信息完成图像拼接。

对于上述步骤三，可以采用图像处理设备实现，从而完成第一方向运动、第二方向运动同步扫描轨迹的处理和图像拼接，得到所需的图像。

本实用新型创造性地提出采用不同运动机构带动检测样品、检测部件实现不同方向的运动，通过第一方向运动、第二方向运动，在结合同步扫描，可以合成预定的扫描轨迹，提高了扫描速度。

进一步的，采用平衡机构可以提高装置整体的稳定性，减小了振动，保证了检测的精度。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。