一种超声换能器自动校准装置的制作方法

本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种超声换能器自动校准装置。

背景技术

超声换能器，亦称超声波传感器，是一种进行声电信号相互转换的能量装置，是超声波应用设备产生超声波的核心部件。通过向其施加电脉冲信号，换能器可以发射出超声波，超声换能器是借助超声波在介质中的反射、折射等传播特性进行工作。为了保证超声检测系统检测结果的准确度，防止由于超声换能器实际性能偏离标称值而导致超声检测系统灵敏度、分辨率等检测指标的下降，必须在超声探伤仪换能器服役期间对其进行严格的计量校准。

截至目前，行业中超声换能器校准普遍采用传统的人工测量办法，这种检测方法需要用到多种专业测量仪器，要求操作人员要熟悉每种仪器的具体操作并人工处理计算过程，导致操作繁琐、效率低下，而且容易受到操作人员的影响，极易造成数据计算失误或处置不当，影响了校准对换能器的检测评估。因此，传统的手动方法已不能满足日益增加的工作任务。

基于此，机械自动校准装置应运而生，例如一种五自由度的超声换能器自动校准装置能模仿人手的操作，该装置采用各轴串联的设计方案，龙门结构的x轴和y轴可控制水平运动、与y轴相连的z轴控制探头升降、与z轴相连的a轴为旋转轴，与a轴相连的b轴控制探头的旋转。该装置存在如下缺陷：1、由于采用串联控制导致了对误差逐级放大，降低了控制精度；2、五维运动控制部件集中于待测换能器处，增加了末端执行器的负载，降低了系统运动稳定性；3、五个自由度集中在一起的结构会使离超声换能器较远的运动轴承受的质量是超声换能器与前端构件之和，为保证精度需要提高各个机械构件的设计指标，不可避免的使机械结构庞大笨重。

技术实现要素：

针对现有的技术存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种超声换能器自动校准装置，解决了现有校准的机械装置控制精度低且稳定性差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种超声换能器自动校准装置，包括支撑框架，还包括三维平移台、三维旋转台和换能器夹持装置，所述三维平移台安装在支撑框架上部，所述三维旋转台固定在支撑框架内部中央位置；所述换能器夹持装置安装在三维平移台上；三维旋转台上安装有试块。

进一步的，所述三维平移台包括x轴平移导轨、y轴平移导轨与z轴升降导轨；其中，所述x轴平移导轨包括相互平行的x轴主动导轨和x轴支撑导轨；所述x轴伺服电机安装在x轴主动导轨上，所述y轴平移导轨垂直安装在x轴主动导轨与x轴支撑导轨上方，x轴伺服电机通过第一丝杠连接y轴平移导轨，从而驱动y轴平移导轨沿x轴平移导轨移动；所述y轴伺服电机安装在y轴导轨上，z轴升降导轨竖直安装在y轴平移导轨丝杠螺母固定座上，y轴伺服电机通过第二丝杠连接z轴升降导轨，从而驱动z轴升降导轨沿y轴导轨平动；所述x轴伺服电机、y轴伺服电机和z轴伺服电机分别连接放大器控制箱。

进一步的，所述的换能器夹持装置包括快速卡盘、过渡夹头、压力加载组件和换能器夹具，所述快速卡盘安装在z轴升降导轨下部，z轴伺服电机通过丝杠连接快速卡盘，从而驱动快速卡盘沿z轴升降导轨上下运动；过渡夹头与快速卡盘通过快换接头连接；所述过渡夹头与压力加载组件连接，换能器夹具固定在压力加载组件与下端。

进一步的，所述的压力加载组件包括压力加载部和直线导轨，所述的压力加载部通过直线导轨安装在过渡夹头上。

进一步的，所述过渡夹头上有一竖直槽，竖直槽内设有l形的第二垫板，所述第二垫板的宽度小于直线导轨的宽度，直线导轨通过顶在第二垫板侧面的螺栓固定在竖直槽内。

进一步的，所述的压力加载部上设置有砝码托盘。

进一步的，所述的三维旋转台包括偏航转台、侧倾转台、俯仰转台(33)、试块夹持装置和数字水平仪，其中，所述俯仰转台、侧倾转台和偏航转台从上向下依次安装，且俯仰转台、侧倾转台的摆动平面相互垂直，同时，俯仰转台、侧倾转台和偏航转台分别连接工控机；试块夹持装置固定在俯仰转台上，试块夹持装置中夹持有试块；数字水平仪安装在试块夹持装置上且连接工控机。

进一步的，所述试块夹持装置采用快速夹紧虎钳，能够保证快速且稳定夹持试块。

进一步的，所述试块夹持装置的夹持部位内侧设有与试块形状相匹配的第一垫板。

进一步的，所述工控机安装在z轴上。

相较于现有技术，本申请存在如下优点：

1、通过分别控制待测换能器平动与试块转动，尤其是三维旋转台在测试前工作，校准过程中只有三维平移台工作，减少了平台运动的耦合次数，降低了测量误差，提高了测量精度，同时增强了系统的工作稳定性。

2、通过所述过渡夹头能够从快速卡盘上快速拆卸，且换能器能够从换能器夹具上快速拆卸，简化了便校准人员的操作，实现对不同外形、尺寸换能器的快速更换，降低了装置的复杂度。

3、工控机安装在z轴上，能够大大减少现有技术中由于工控机距离换能器过大而出现的信号衰竭，从而使得检测结果更加准确。

附图说明

图1为本发明的超声换能器自动校准装置结构示意图；

图2为机械部分系统连接示意图；

图3为换能器夹持装置连接快换卡盘的示意图；

图4为换能器夹持装置未连接快换卡盘的示意图；

图5为换能器夹持装置的结构示意图；

图6为过渡夹头示意图；

图7为三维旋转台与试块安装示意图；

图8是试块保护垫板的示意图。

附图中各标号的含义：

1-支撑框架、2-三维平移台、3-三维旋转台、4-换能器夹持装置、5-转台支架、6-工控机；

21-x轴平移导轨、22-y轴平移导轨、23-z轴升降导轨；31-偏航转台、32-侧倾转台、33-俯仰转台、34-试块夹持装置；41-快速卡盘、42-过渡夹头、43-压力加载组件、44-换能器夹具；

211-x轴主动导轨、212-x轴支撑导轨；341-第一垫板、342-试块；421-第二垫板；431-压力加载部、432-直线导轨、433-砝码托盘。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

如图1、图2所示，本发明公开了一种超声换能器自动校准装置，包括支撑框架1、三维平移台2、三维旋转台3和换能器夹持装置4，所述三维平移台2安装在支撑框架1上部，所述三维旋转台3固定在支撑框架1内部中央位置；换能器夹持装置4安装在三维平移台2上；三维旋转台3上安装有试块342；三维旋转台3用于将试块342上表面调节水平。

上述方案中，具体工作过程为：首先将待测的超声换能器安装在换能器夹持装置4上，将试块343安装在三维旋转台3上；然后将三维旋转台3调整至水平，即保证试块343与待测换能器的下表面保持平行，并通过三维平移台2将带动超声波换能器移动到试块343上表面且在试块检测面进行平移采集，在每个采集点上，系统协调控制激励换能器发射超声波与采集超声回波数据，期间三维平移台2要保证换能器底面与试块检测面之间的紧密耦合与恒定的垂向压力。该技术方案中，实现了待测换能器与试块342之间的六自由度相对运动，具体是三维平移台2与三维旋转台3将待测换能器相对于试块342的空间六维运动拆分为两个三维运动，其中，三维平移台2控制待测超声换能器4进行x、y、z三个方向的平行移动，能以三自由度机床系统为参考实现位置控制，三维旋转台3控制试块342进行旋转以及双维度的角度调节运动实现试块342上表面的调平。上述方案通过分别控制待测换能器平动与试块342转动，尤其是三维旋转台在测试前工作，校准过程中只有三维平移台工作，减少了平台运动的耦合次数，降低了测量误差，提高了测量精度，同时增强了系统的工作稳定性。

优选的，所述的三维平移台2包括x轴平移导轨21、y轴平移导轨22与z轴升降导轨23；其中，x轴平移导轨21包括相互平行的x轴主动导轨211和x轴支撑导轨212；x轴伺服电机安装在x轴主动导轨211上，y轴平移导轨22垂直安装在x轴主动导轨211与x轴支撑导轨212上方，x轴伺服电机通过第一丝杠连接y轴平移导轨22，从而驱动y轴平移导轨22沿x轴平移导轨21移动；y轴伺服电机安装在y轴导轨上，z轴升降导轨23竖直安装在y轴平移导轨22丝杠螺母固定座上，y轴伺服电机通过第二丝杠连接z轴升降导轨，从而驱动z轴升降导轨23沿y轴导轨平动；采用丝杠传动效率高且摩擦阻力小，提高了测量精度；x轴伺服电机、y轴伺服电机和z轴伺服电机分别连接工控机6。

如图4、图5所示，所述的换能器夹持装置4，包括快速卡盘41、过渡夹头42、压力加载组件43和换能器夹具44，所述快速卡盘41安装在z轴升降导轨23下部，z轴伺服电机通过丝杠连接快速卡盘41，从而驱动快速卡盘41沿z轴升降导轨23上下运动；过渡夹头42与快速卡盘41通过快换接头连接，可实现过渡夹头42在快速卡盘41上快速拆卸更换，从而在提高了对不同待测换能器的适配程度的同时，降低了结构复杂度；过渡夹头42与压力加载组件43连接，换能器夹具44固定在压力加载组件43与下端。

如图5所示，所述的压力加载组件43包括压力加载部431和直线导轨432，所述的压力加载部431通过直线导轨432安装在过渡夹头42上。在调整待测超声换能器与试块342对准过程中，当换能器与试块342还未接触时，换能器及其夹具与压力加载部431在重力作用下拖动直线导轨432运动至过渡夹头42的底部，在压力加载部431上加载重物，一般为2kg。直线导轨432的特性是在轴线方向上运动摩擦非常小确保横向力摆动量微弱，可以保证其平移方向的稳定和施压力方向的顺畅。当z轴升降导轨23带动换能器夹持装置4带动换能器触到试块检测面时，此时，在接触压力作用下，试块342将会托举换能器及其夹具、压力加载部431及直线导轨432共同向上运动，当过渡夹头42上设置的压力传感器检测到其与压力加载部431间的压力为零时，工控机6控制z轴升降导轨23停止调整。压力加载组件43的设计能够确保竖直方向的压力不受z轴行程微小变化或试块检测面不平度的影响，保证待测换能器与试块342之间严密的面接触，提高了夹持的稳定性，同时，在换能器与试块接触后，适当的压力能够有效测量回波信号，从而有效检测换能器性能。

如图6所示，所述过渡夹头42上有一竖直槽，竖直槽内设有l形的第二垫板421，第二垫板421的宽度小于直线导轨432的宽度，直线导轨432通过顶在第二垫板421侧面的螺栓固定在竖直槽内；第二垫板421能够保护直线导轨432不受损伤且使直线导轨432的固定更加牢固。

优选的，所述的压力加载部431上设置有砝码托盘433，通过在砝码托盘433中加载不同重量的砝码，能够调节不同的待测换能器与试块342之间的压力，满足不同种测量的要求。

如图7所示，所述的三维旋转台3，包括偏航转台31、侧倾转台32、俯仰转台33、试块夹持装置34和数字水平仪，其中，所述俯仰转台33、侧倾转台32和偏航转台31从上向下依次安装，且俯仰转台33、侧倾转台32的摆动平面相互垂直，同时，俯仰转台33、侧倾转台32和偏航转台31分别连接工控机6；试块夹持装置34固定在俯仰转台33上，试块夹持装置34中夹持有试块342；数字水平仪安装在试块夹持装置34上且连接工控机6，用于保证试块342上表面处于水平，调平完成后数字水平仪从试块夹持装置34上拿下来；所述偏航转台31用于调节试块342在水平面上轴向旋转，侧倾转台32、俯仰转台33用于调节试块342在两个不同维度上的角度，由此，通过三个维度的配合调节控制试块342的调平。优选的，数字水平仪可采用双轴数字水平仪。优选的，俯仰转台33和侧倾转台32采用电动角位移台，偏航转台31采用电动方位转台。实施例中选用hg30ga15系列角位移台和hg10ra200系列方位转台；

优选的，所述三维转台3中的偏航转台31通过转台支架5固定在支撑框架1内，转台支架5能够在保证转台稳定的前提下节省用材。

优选的，所述试块夹持装置34采用快速夹紧虎钳，能够保证快速且稳定夹持试块342。

优选的，所述试块夹持装置34的夹持部位内侧设有与试块342形状相匹配的第一垫板341，以保护试块342表面不受损伤。

优选的，换能器夹具44上设有换能器安装口以及位于安装口上的两个夹片，两个夹片之间通过螺钉固定夹紧待测换能器，通过所述过渡夹头42能够从快速卡盘上快速拆卸，且换能器能够从换能器夹具44上快速拆卸，简化了便校准人员的操作，实现对不同外形、尺寸换能器的快速更换，降低了装置的复杂度。

优选的，工控机6安装在z轴上，能够大大减少现有技术中由于工控机距离换能器过大而出现的信号衰竭，从而使得检测结果更加准确。

经试验，本发明的方案通过分别控制待测换能器平动与试块转动，尤其是三维旋转台在测试前工作，校准过程中只有三维平移台工作，减少了平台运动的耦合次数，降低了测量误差，提高了测量精度，同时增强了系统的工作稳定性。