本发明涉及过程控制领域，特别涉及焊接结构件超声波无损检测技术领域的一种笔式超声探头姿态自反馈闭环调节技术，尤指一种笔式超声探头姿态闭环调节装置及方法。
背景技术：
在汽车、轨道客车等装备制造领域薄板焊接结构的应用非常广泛，其焊接质量的超声波无损检测技术也越来越受到重视。目前，绝大多数薄板焊接接头的超声波无损检测一般都采用笔式聚焦探头。这种探头体积小，结构紧凑，且检测灵敏度较高。但是，笔式超声探头端部一般较细，与工件的接触面积小，探头的微小倾斜都会对其耦合状态造成影响，从而导致超声检测的准确度及可靠性降低。
目前，在手动的超声波无损检测应用中，笔式超声探头姿态一般由操作者根据自身经验或感觉来控制，在准确度及可重复性方面存在欠缺。在自动化、半自动化的超声波无损检测应用中，笔式超声探头和扫查器的连接一般为刚性或半刚性，其与工件的耦合状态取决于扫查器的适应能力，调节余地较小。薄板焊接结构件的焊缝及周边区域一般存在一定的焊接变形，如何自动调节笔式超声探头姿态适应这种变形，是目前亟待解决的技术难题。
超声检测的基本原理是由于耦合介质、工件及内部缺陷之间不同的声阻抗，导致超声波在耦合介质与工件上表面交界处，工件内部缺陷表面、工件下表面与耦合介质交界处均会发生反射。一般将超声波在耦合介质与工件上表面交界处反射的回波称为表面波，而当笔式超声探头在工件上进行移动扫描时，表面波不受工件内部状态的影响，其回波幅值则能够表征笔式超声探头与工件的耦合状态。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种笔式超声探头姿态闭环调节装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明以超声回波信号中的表面波幅值作为控制值，通过直线电机与夹持机构调节笔式超声探头轴线与工件表面的夹角，使得笔式超声探头与工件的耦合达到最佳状态。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
笔式超声探头姿态闭环调节装置，包括支撑座1、x向电机座2、y向电机座3、x向直线电机4、y向直线电机5、x向关节轴承6、y向关节轴承7、控制器8、压紧弹簧9，所述x向直线电机4、y向直线电机5分别通过x向电机座2、y向电机座3安装在支撑座1上，x向直线电机4、y向直线电机5的轴线呈90度布置；x向直线电机4、y向直线电机5的伸缩轴端部分别安装x向关节轴承6、y向关节轴承7；笔式超声探头10安装在x向关节轴承6和y向关节轴承7的内孔中；控制器8安装在支撑座1上，通过信号线分别与x向直线电机4、y向直线电机5、超声检测仪相连。
所述的x向关节轴承6的内圈与笔式超声探头10之间安装压紧弹簧9，对笔式超声探头10施加朝向工件11的压紧力。
所述的控制器8为嵌入式单板控制器，通过x向直线电机4、y向直线电机5控制x向关节轴承6、y向关节轴承7的相对位置关系，从而实现笔式超声探头10轴线倾角的调节。
本发明的另一目的在于提供一种笔式超声探头姿态闭环调节方法，包括如下步骤：
步骤（1）、在超声波无损检测过程中，笔式超声探头姿态闭环调节装置放置在被测的工件11表面；
步骤（2）、x向位置检测：控制器8通过x向直线电机4带动x向关节轴承6移动，在y向关节轴承7位置不变的条件下，x向关节轴承6的移动使得笔式超声探头10的轴线与工件11表面的x向夹角产生变化；夹角的变化即表示笔式超声探头10与工件11接触点的耦合状态存在变化，在此过程中控制器8不断接收超声检测仪发送过来的回波信号，并记录每个瞬时的表面波幅值ax；
步骤（3）：x向最佳姿态调节：控制器8对记录的各个瞬时表面波幅值ax进行比较，当表面波幅值ax达到最大值时，即表示笔式超声探头10轴线与工件11接触点在x方向上垂直，其耦合状态最好，此位置即为笔式超声探头10在x方向上的最佳姿态，控制器8记录x方向上最佳姿态时的x向直线电机4的调节距离，并通过调节x向直线电机4带动x向关节轴承6使其达到x方向上的最佳姿态；
步骤（4）、y向位置检测：控制器8通过y向直线电机5带动y向关节轴承7移动，在x向关节轴承6位置不变的条件下，y向关节轴承7的移动使得笔式超声探头10的轴线与工件11表面的y向夹角产生变化；夹角的变化即表示笔式超声探头10与工件11接触点的耦合状态存在变化，在此过程中控制器8不断接收超声检测仪发送过来的回波信号，并记录每个瞬时的表面波幅值ay；
步骤（5）、y向最佳姿态调节：控制器8对记录的各个瞬时表面波复制ay进行比较，当表面波幅值ay达到最大值时，即表示笔式超声探头10轴线与工件11接触点在y方向上垂直，其耦合状态最好，此位置即为笔式超声探头10在y方向上的最佳姿态，控制器8记录y方向上最佳姿态时的y向直线电机5的调节距离，并通过调节y向直线电机5带动y向关节轴承7使其达到y方向的最佳姿态。
此时，笔式超声探头10姿态的闭环调节完成，笔式超声探头轴线与工件11接触点达到最佳耦合状态。
本发明的有益效果在于：针对采用笔式超声探头进行超声波无损检测的操作要求，本发明通过精密直线电机及关节轴承夹持机构装置，以超声回波信号中的表面波幅值作为控制值，对笔式超声探头姿态进行闭环调节，使得笔式超声探头与工件的耦合达到理想状态。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的笔式超声探头姿态闭环调节装置结构示意图；
图2为本发明的笔式超声探头姿态闭环调节装置结构的工作原理示意图；
图3为本发明的激光焊缝检测时调节前示意图；
图4为本发明的激光焊缝检测时调节后示意图。
图中：1、支撑座；2、x向电机座；3、y向电机座；4、x向直线电机；5、y向直线电机；6、x向关节轴承；7、y向关节轴承；8、控制器；9、压紧弹簧；10、笔式超声探头；11、工件。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，笔式超声探头姿态闭环调节装置及方法，以超声回波信号中的表面波幅值作为控制值，通过直线电机与夹持机构调节笔式超声探头轴线与工件表面的夹角，使得笔式超声探头与工件的耦合达到最佳状态。本发明的笔式超声探头姿态闭环调节装置，包括支撑座1、x向电机座2、y向电机座3、x向直线电机4、y向直线电机5、x向关节轴承6、y向关节轴承7、控制器8、压紧弹簧9，所述x向直线电机4、y向直线电机5分别通过x向电机座2、y向电机座3安装在支撑座1上，x向直线电机4、y向直线电机5的轴线呈90度布置；x向直线电机4、y向直线电机5的伸缩轴端部分别安装x向关节轴承6、y向关节轴承7；笔式超声探头10安装在x向关节轴承6和y向关节轴承7的内孔中；控制器8安装在支撑座1上，通过信号线分别与x向直线电机4、y向直线电机5、超声检测仪相连。控制器通过x、y向直线电机控制x、y向关节轴承的相对位置关系，从而改变笔式超声探头轴线倾角，最终实现笔式超声探头与工件耦合状态的闭环调节。
所述的压紧弹簧9安装在x向关节轴承6的内圈和笔式超声探头10之间，负责对笔式超声探头10施加朝向工件11的压紧力。
所述的控制器8为嵌入式单板控制器，可以记录超声检测仪发送的表面波幅值并进行对比，求出最大值；可以通过x向直线电机4、y向直线电机5控制x向关节轴承6、y向关节轴承7的相对位置关系，从而实现笔式超声探头10轴线倾角的调节。
参见图2所示，本发明的笔式超声探头姿态闭环调节方法，包括如下步骤：
步骤（1）、在超声波无损检测过程中，笔式超声探头姿态闭环调节装置放置在被测的工件11表面；
步骤（2）、x向位置检测：控制器8通过x向直线电机4带动x向关节轴承6在一个微小范围内移动，在y向关节轴承7位置不变的条件下，x向关节轴承6的移动使得笔式超声探头10的轴线与工件11表面的x向夹角产生变化；夹角的变化即表示笔式超声探头10与工件11接触点的耦合状态存在变化，在此过程中控制器8不断接收超声检测仪发送过来的回波信号，并记录每个瞬时的表面波幅值ax；
步骤（3）：x向最佳姿态调节：控制器8对记录的各个瞬时表面波幅值ax进行比较，当表面波幅值ax达到最大值时，即表示笔式超声探头10轴线与工件11接触点在x方向上垂直，其耦合状态最好，此位置即为笔式超声探头10在x方向上的最佳姿态，控制器8记录x方向上最佳姿态时的x向直线电机4的调节距离，并通过调节x向直线电机4带动x向关节轴承6使其达到x方向上的最佳姿态；
步骤（4）、y向位置检测：控制器8通过y向直线电机5带动y向关节轴承7在一个微小范围内移动，在x向关节轴承6位置不变的条件下，y向关节轴承7的移动使得笔式超声探头10的轴线与工件11表面的y向夹角产生变化；夹角的变化即表示笔式超声探头10与工件11接触点的耦合状态存在变化，在此过程中控制器8不断接收超声检测仪发送过来的回波信号，并记录每个瞬时的表面波幅值ay；
步骤（5）、y向最佳姿态调节：控制器8对记录的各个瞬时表面波复制ay进行比较，当表面波幅值ay达到最大值时，即表示笔式超声探头10轴线与工件11接触点在y方向上垂直，其耦合状态最好，此位置即为笔式超声探头10在y方向上的最佳姿态，控制器8记录y方向上最佳姿态时的y向直线电机5的调节距离，并通过调节y向直线电机5带动y向关节轴承7使其达到y方向的最佳姿态。
此时，笔式超声探头10姿态的闭环调节完成，笔式超声探头轴线与工件11接触点达到最佳耦合状态。
实施例：
下面以半熔透型激光焊搭接接头的超声波检测为例进行说明：
笔式超声探头10的型式为带延迟块聚焦式笔式超声探头，外壳直径φ8mm，长度130mm，中心频率15mhz。两套直线电机90度相互垂直布置，x向直线电机4、y向直线电机5的电机轴伸缩范围±2.5mm，两个直线电机轴高度差25mm。单个单机在行程范围内移动时，笔式超声探头10在相应方向上的倾角变化范围为±5.25°。
参见图3及图4所示：调节方法如下：
步骤（1）、在超声波无损检测过程中，调节装置放置在被测工件11表面，笔式超声探头10端部与工件11表面相接触。由于工件11表面焊缝区域附近存在微小变形，笔式超声探头轴线与工件11接触面不完全垂直。笔式超声探头此状态时获得的表面波幅值a为170mv。
步骤（2）、x向位置检测：控制器8通过x向直线电机4带动x向关节轴承6在一个微小范围内移动，在y向关节轴承7位置不变的条件下，x向关节轴承6的移动使得笔式超声探头10的轴线与工件11表面的x向夹角产生变化（±5.25°）。在此过程中，表面波幅值ax随角度变化而变化，夹角的变化即表示笔式超声探头10与工件11接触点的耦合状态存在变化，在此过程中控制器8不断接收超声检测仪发送过来的回波信号，并记录每个瞬时的表面波幅值ax。
步骤（3）、x向最佳姿态调节：控制器8对记录的各个瞬时表面波幅值ax进行比较，当表面波幅值ax达到最大值220mv时，即表示笔式超声探头10轴线与工件11接触点在x方向上垂直，其耦合状态最好，此位置即为笔式超声探头10在x方向上的最佳姿态，控制器8记录x方向上最佳姿态时的x向直线电机的调节距离，并通过调节x向直线电机4带动x向关节轴承6使其达到x方向上的最佳姿态。
步骤（4）、y向位置检测：控制器8通过y向直线电机5带动y向关节轴承7在一个微小范围内移动，在x向关节轴承6位置不变的条件下，y向关节轴承7的移动使得笔式超声探头的轴线与工件11表面的y向夹角产生变化。夹角的变化即表示笔式超声探头与工件11接触点的耦合状态存在变化，在此过程中控制器8不断接收超声检测仪发送过来的回波信号，并记录每个瞬时的表面波幅值ay。
步骤（5）、y向最佳姿态调节：控制器8对记录的各个瞬时表面波复制ay进行比较，当表面波幅值ay达到最大值时，即表示笔式超声探头轴线与工件11接触点在y方向上垂直，其耦合状态最好，此位置即为笔式超声探头在y方向上的最佳姿态，控制器8记录y方向上最佳姿态时的y向直线电机的调节距离，并通过调节y向直线电机5带动y向关节轴承7使其达到y方向的最佳姿态。
此时，笔式超声探头姿态的闭环调节完成，笔式超声探头轴线与工件11接触点达到最佳耦合状态。
在本实例所述的正常使用条件下，工件11局部表面存在±5.25°的变形时，笔式超声探头在自适应调节装置的控制下仍可以达到最佳的耦合状态。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。