基于圆柱槽凸轮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，特别涉及一种基于圆柱槽凸轮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被测样品的检测。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。

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圆柱槽凸轮实现快速同步扫描的装置，摒弃了常规的技术思路，能够快速有效的实现快速同步扫描，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：

一种基于圆柱槽凸轮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、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部件、所述检测样品实现第一方向的往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹；

所述第一运动机构为圆柱槽凸轮机构，包括第一驱动部件、圆柱槽凸轮、第一拨杆和第一连杆，其中：所述圆柱槽凸轮的一端连接于所述第一驱动部件的输出轴上，所述第一驱动部件驱动所述圆柱槽凸轮运动；所述圆柱槽凸轮上设置有凸轮凹槽，所述第一拨杆的一端插设于所述凸轮凹槽内并于所述凸轮凹槽内滑动；所述第一拨杆的另一端与所述第一连杆连接，所述检测部件或检测样品与所述第一连杆连接固定；

所述第一驱动部件驱动所述圆柱槽凸轮旋转，所述第一拨杆沿着所述圆柱槽凸轮的凸轮凹槽滑动，并带动所述第一连杆做往复直线运动，进而带动固定在所述第一连杆上的所述检测部件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：

所述第二驱动部件通过连接轴与所述水平转盘连接，检测样品或检测部件放置在所述水平转盘上；

所述第二驱动部件驱动所述水平转盘绕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，所述检测样品或检测部件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：

所述第三驱动部件通过连接轴与所述垂直转盘连接，检测样品或检测部件放置在所述垂直转盘上；

所述第三驱动部件驱动所述垂直转盘绕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，所述检测样品或检测部件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。

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

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平衡机构，所述平衡机构与所述第一运动机构对称布置，且与所述第一运动机构的方向运动相反，从而产生与所述第一运动机构大小相等、方向相反的作用力，以抵消所述第一运动机构的作用力。

优选地，所述平衡机构包括平衡拨杆、平衡连杆和平衡质量块，其中：

所述平衡拨杆的一端插设于所述圆柱槽凸轮上的凸轮凹槽内并于凸轮凹槽内滑动；所述平衡拨杆的另一端与所述平衡连杆连接，所述平衡连杆安装在支撑部件的导槽内并沿导槽往复直线运动，所述平衡质量块与所述平衡连杆连接固定；

所述第一驱动部件驱动所述圆柱槽凸轮旋转，所述平衡拨杆沿着所述圆柱槽凸轮的凸轮凹槽滑动，并带动所述平衡连杆沿所述支撑部件上的导槽方向做往复直线运动，进而带动固定在所述平衡连杆上的所述平衡质量块往复直线运动。

优选地，所述圆柱槽凸轮上的凸轮凹槽具有设定的曲线轨迹，所述第一拨杆和所述平衡拨杆沿所述凸轮凹槽设定的曲线轨迹移动。

优选地，所述支撑部件上设置有导槽，所述第一连杆、所述平衡拨杆安装在导槽内并沿导槽做往复直线运动。

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，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，对整个行业的发展具有重要意义。

2.本实用新型的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往复直线运动和第二方向运动。

3.本实用新型基于圆柱槽凸轮实现快速同步扫描，结构简单紧凑，设计简单，节省成本。

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，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为本实用新型一实施例中的装置结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中第二运动机构的示意图；

图3为本实用新型另一实施例中第二运动机构的示意图；

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的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、圆柱槽凸轮3、第一拨杆4、第一连杆5、检测部件6、检测样品7、第二运动机构8、第二驱动电机9、水平转盘10、第三驱动电机11、垂直转盘12、平衡拨杆13、平衡连杆14、平衡质量块15。

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。

如图1所示，为本实用新型所述基于圆柱槽凸轮实现快速同步扫描的装置的优选实施例，所述装置包括：机架1、第一运动机构、检测部件6、第二运动机构8和平衡机构；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8沿第二方向运动；所述检测部件6与所述第一运动机构、所述第二运动机构8中一个连接，检测样品7则与所述第一运动机构、所述第二运动机构8中另一个连接，所述第一运动机构、所述第二运动机构8带动所述检测部件6、所述检测样品7实现第一方向的往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构8结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹；

所述平衡机构与所述机架1连接，平衡机构与所述第一运动机构运动方向相反，从而抵消所述第一运动机构的作用力。

在本实施例中，所述第一运动机构为圆柱槽凸轮机构，所述圆柱槽凸轮机构包括第一驱动电机2、圆柱槽凸轮3、第一拨杆4、第一连杆5，其中：

所述圆柱槽凸轮3的两端支撑在所述机架1上，所述圆柱槽凸轮3的一端连接所述第一驱动电机2的输出轴并在所述第一驱动电机2的驱动下运动；所述圆柱槽凸轮3上开设有凹槽，所述第一拨杆4的一端插设于所述凹槽内并于所述凹槽内滑动，所述第一拨杆4的另一端与所述第一连杆5连接；所述机架1上设置有导槽，第一连杆5安装在所述机架1上的导槽内并可沿导槽往复运动，所述检测部件6与所述第一连杆5连接固定。

当所述检测部件6设置在第一运动机构上，则检测样品7设置在所述第二运动机构8上；相反的，如所述检测样品7设置在第一运动机构上，则所述检测部件6设置在所述第二运动机构8上，从而通过所述第一运动机构与所述第二运动机构8带动所述检测样品7、所述检测部件6实现不同方向的运动。

在本实施例中，所述平衡机构包括：平衡拨杆13、平衡连杆14和平衡质量块15；其中：

所述平衡拨杆13的一端插设于所述圆柱槽凸轮3上的凹槽内并于凹槽内滑动；所述平衡拨杆13的另一端与所述平衡连杆14连接，所述平衡连杆14安装在所述机架1的导槽内并沿导槽往复直线运动，所述平衡质量块15与所述平衡连杆14连接固定。

当所述第一驱动电机驱动2工作时，所述第一驱动电机驱动2所述圆柱槽凸轮3旋转，所述第一拨杆4沿着所述圆柱槽凸轮3的凹槽滑动，并带动所述第一连杆5在所述机架1的导槽内做往复直线运动，进而带动所述检测部件6完成第一方向往复直线运动；

同时，所述第一驱动电机驱动2所述圆柱槽凸轮3旋转，所述平衡拨杆13沿着所述圆柱槽凸轮3的凹槽滑动，并带动所述平衡连杆14在所述机架1的导槽内做往复直线运动，进而带动所述平衡质量块15完成往复直线运动。所述平衡连杆14与所述第一连杆5的运动方向相反，所述平衡质量块15与所述检测部件6的运动方向相反，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。

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、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，所述圆柱槽凸轮3的凹槽具有设定的曲线轨迹，所述第一拨杆4和所述平衡连杆14沿所述凹槽设定的曲线轨迹移动。

本实施例中，所述检测部件6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。采用圆柱槽凸轮实现快速同步扫描，结构简单紧凑，设计简单，节省成本。

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，所述装置包括：机架1、第一运动机构、检测部件6、第二运动机构8，所述第一运动机构、第二运动机构设置在机架1上，其他结构与实施例1中类似。

其中：第一运动机构、第二运动机构8设置在机架上，所述检测部件6与所述第一运动机构、所述第二运动机构8中一个连接，检测样品7则与所述第一运动机构、所述第二运动机构8中另一个连接，所述第一运动机构、所述第二运动机构8带动所述检测部件6、所述检测样品7实现第一方向的往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构8结合同步扫描，合成预定的扫描轨迹。

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，所述装置包括：第一运动机构、检测部件6、第二运动机构8，此实施例适用于第一运动机构、第二运动机构本身是具有支撑功能的，其他结构与实施例1中类似。

所述检测部件6与所述第一运动机构、所述第二运动机构8中一个连接，检测样品7则与所述第一运动机构、所述第二运动机构8中另一个连接，所述第一运动机构、所述第二运动机构8带动所述检测部件6、所述检测样品7实现第一方向的往复直线运动、第二方向运动；所述第一运动机构与所述第二运动机构8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8的一种实施例，所述第二运动机构8包括：第二驱动电机9、水平转盘10，其中：

所述第二驱动电机9的底部连接固定于所述机架1，所述水平转盘10通过连接轴与所述第二驱动电机9连接，所述检测样品7放置在所述水平转盘10上；

当所述第二驱动电机9工作时，所述第二驱动电机9驱动所述水平转盘10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7随所述水平转盘10在水平面内第二方向做步进运动、匀速圆周运动或变速圆周运动；由于所述水平转盘10所选取的半径足够大，因此在所述检测部件6的运动范围内，所述检测样品7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8的另一实施例，所述第二运动机构8包括：第三驱动电机11、垂直转盘12，其中：

所述第三驱动电机11的底部连接固定与所述机架1上，所述垂直转盘12通过连接轴与所述第三驱动电机11连接，所述检测样品7放置在所述垂直转盘12上；

当所述第三驱动电机11工作时，所述第三驱动电机11驱动所述垂直转盘12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7随所述垂直转盘12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；由于所述垂直转盘12的半径足够大，因此在所述检测部件6的运动范围内，所述检测样品7的第二方向运动可以近似为直线运动。

以上实施例4、5为所述第二运动机构8的优选实施方式。在其他实施例中，所述第二运动机构8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、槽条机构以及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，当第一运动机构往复运动的同时，第二运动机构8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驱动圆柱槽凸轮3旋转，通过第一拨杆4带动第一连杆5进行直线往返运动，进而带动检测部件6进行第一方向直线往复运动。同时，第二驱动电机9或第三驱动电机11驱动水平转盘10或垂直转盘12使检测样品7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连杆5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，利用所述第一驱动电机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，采用光栅尺测量所述第二运动机构8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，利用所述第二驱动电机9或所述第三驱动电机11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8同时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7，在步骤三之后，可以通过第二运动机构8调节检测样品7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7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。