[发明专利]一种工业级的超声自动扫描成像检测设备

摘要

本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域中复合材料及金属材料大型结构的工业级的超声自动化扫描成像检测设备。检测设备包括超声自动扫描系统、超声自动扫描控制与成像系统和多通道超声系统。本发明设计采用多轴并行数控上浮式超静稳扫描机构和超声柔性自适应跟踪阵列声学扫描技术，极大地提高了大型结构的超声自动化扫描成像检测效率和成像质量，可实现不同规格大型复合材料等结构的工业级高效超声自动扫描成像检测，检测分辨率和表面盲区达0.13mm，在20通道检测时，比手工扫查检测效率至少提高50倍，比传统单通道超声自动扫描检测提高20倍。

主权项

一种工业级的超声多通道自动扫描成像检测设备，其特征是，检测设备包括超声自动扫描系统、超声自动扫描控制与成像系统和多通道超声系统三部分，其中，超声自动扫描系统包括Z向驱动系统(2)、Z向扫描机构(3)、Y向驱动系统(4)、X向驱动系统(5)、Y向扫描机构(6)、X向扫描机构(8)、X向辅助支撑(9)、X扫描机构立柱(10)、零件工作台(11)和地基(12)；超声自动扫描控制与成像系统包括：操作台(13)、超声信号处理及显示计算机单元(14和15)、XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)、Z向距离控制及计算机单元(17)、现场视频监视单元(18)和电气操作面板区(19)；多通道超声单元包括多通道超声发/收单元(1)和超声自适应跟踪阵列换能器(7)；1.)超声自动扫描系统1.1)Z向扫描运动机构Z向扫描运动机构由Z向驱动系统(2)和Z向扫描机构(3)组成，其中，Z向驱动系统(2)包括Z向伺服电机(20)、Z向减速机(21)和Z向联轴器(22)；Z向扫描机构(3)包括Z向上机械限位器(23)、Z向丝杠座(24)、Z向安装座(25)、Z向上行程限位器(26)、Z向下行程限位器(27)、Z向丝杠(28)、Z向导轨副(29)、Z向滑枕(30)、Z向下机械限位器(31)、Z向连接轴(32)和Z向机械自适应调整机构(33)；Z向伺服电机(20)通过安装在Z向安装座(24)上的Z向减速机(21)与Z向丝杠(28)连接，Z向减速机(21)的上端与Z向伺服电机(20)连接，Z向减速机(21)的下端与Z向联轴器(22)上端连接，Z向联轴器(22)的下端与Z向丝杆(28)上端连接；Z向丝杆(28)通过两端的Z向丝杠座(24)安装固定，Z向丝杠座(24)通过螺钉与Z向安装座(25)连接；Z向安装座(25)固定在Z向托板(36)上；Z向托板(36)通过导轨滑块与Y向导轨副(35)连接；Z向导轨副(29)通过螺纹/螺钉安装在Z向安装座(25)上，且与Z向丝杠(28)同轴平行；Z向滑枕(30)通过丝杠螺母与Z向丝杠(28)连接，并通过滑动轴承安装在Z向导轨副(29)上，在Z向滑枕(30)两端分别设计安装有Z向上机械限位器(23)、Z向下机械限位器(31)、Z向上行程限位器(26)和Z向下行程限位器(27)，Z向上行程限位器(26)和Z向下行程限位器(27)通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的Z向距离控制及计算机单元(17)对应的接口端连接；Z向连接轴(32)一端与Z向滑枕(30)连接，另一端与Z向机械自适应调整机构(33)连接；Z向机械自适应调整机构(33)的上端通过螺母/螺钉与Z向滑枕(30)连接，Z向机械自适应调整机构(33)的下端与超声自适应跟踪阵列换能器(7)连接；1.2)Y向扫描运动机构Y向扫描运动机构由Y向驱动系统(4)和Y向扫描机构(6)组成，其中，Y向驱动系统(4)包括Y向伺服电机(37)和Y向减速机(38)；Y向扫描机构(6)包括Y梁(34)、Y向导轨副(35)、Z向托板(36)、Y向伺服电机(37)、Y向驱动安装座(39)、Y向齿条(40)、Y向齿轮(41)、Y向行程限位器(42)、Y向缓冲器(43)和Y向机械限位器(44)；Y向伺服电机(37)与Y向减速机(38)上端连接，Y向减速机(38)下端安装在Y向驱动安装座(39)上，Y向驱动安装座(39)与Z向托板(36)连接，Y向伺服电机(37)动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；Y梁(34)的两端分别与Y梁托板(47)连接，Y梁托板(47)通过滑块与X向导轨副(52)连接，Y向导轨副(35)为双滑轨，安装在Y梁(34)上；Y向齿条(40)安装在Y梁(34)的侧面，Y向齿条(40)与Y向齿轮(41)通过齿条‑齿轮咬合实现动态连接，Y向齿轮(41)与Y向减速机(38)连接；在Y梁(34)两端设计有Y向行程限位器(42)、Y向缓冲器(43)和Y向机械限位器(44)，Y向行程限位器(42)通过其连接线分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；1.3)X向扫描运动机构X向扫描运动机构由X向驱动系统(5)、X向扫描机构(8)、X向辅助支撑(10)、零件工作台(11)组成。其中，X向驱动系统(5)包括X向伺服电机(45)和X向减速机(46)，采用双边驱动形式，在X向扫描机构(8)的两平行X方向各一组；X向扫描机构(8)包括Y梁托板(47)、X向驱动安装座(48)、X向齿条(49)、X向齿轮(50)、光栅尺(51)、X向导轨副(52)、X梁(53)、X向行程限位器(54)、X向缓冲器(55)和X向机械限位器(56)，采用上浮式双边平行对称结构形式；X向伺服电机(45)与X向减速机(46)的一端连接，X向减速机(46)安装在X向驱动安装座(48)，X向减速机(46)的另一端与X向齿轮(50)，X向伺服电机(45)动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；X向驱动安装座(48)安装在Y梁托板(47)上；X向齿条(49)安装在X梁(53)外侧，齿条(49)与齿轮(50)咬合，光栅尺(51)安装在X梁(53)的上侧，光栅尺(51)编码输出与操作台中的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；X向导轨副(52)采用双导轨，X向导轨副(52)安装在X梁(53)上侧，通过导轨滑块与Y梁托板(47)连接；X梁(53)由两平行的钢制结构设计而成，安装在X扫描机构立柱(10)上端，并通过X向辅助支撑(9)将X梁(53)与X扫描机构立柱(10)连接，在X梁(53)上侧两端设计有X向行程限位器(54)、X向缓冲器(55)和X向机械限位器(56)，实现X方向极限位置机械保护和行程限位保护，X向行程限位器(54)通过其连接线分别与操作台中的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；X向辅助支撑(9)位于X梁(53)下方，通过螺母/螺栓分别与X梁(53)和X扫描机构立柱(10)连接；X扫描机构立柱(10)采用稳固钢制结构设计加工而成，双排平行布局，采用等距离均布，每个X扫描机构立柱(10)的上端与X梁(53)通过螺母/螺栓连接，每个X扫描机构立柱(10)的下端采用拉顶连接与地基(12)相连，立柱的数量可以根据被检测零件的大小确定；零件工作台(11)采用铝型材设计加工而成，组合式框架结构，分成两排多组，每组通过带自锁的滚轮可在地基(12)底面上的钢轨上移动和锁紧，每组工作台的台面均采用轻质铝蜂窝夹层结构制造而成，在台面设计有软泡沫层，被检测零件放置在工作台上，可以根据被检测零件的大小组合工作台；地基(12)包括X立柱基座、工作台滑轨和下水道，其中X立柱基座采用地坑钢筋水泥浇灌而成，通过预埋螺栓与安装面钢板连接，根据X梁立柱(10)布局，X扫描机构立柱(10)与各自对应的安装面钢板螺栓采用拉顶结构连接；工作台滑轨采用钢制结构，四排或多排，按工作台下方的滑轮位置，通过地面预埋螺栓连接固定；在X立柱基座内侧四周设计有回收地下水道，用于回收自动扫描检测过程中的水膜耦合产生的水；2.)超声自动扫描控制与成像系统2.1)操作台(13)采用组合式结构，分为5组，超声信号处理及显示计算机单元(14和15)、XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)、Z向距离控制及计算机单元(17)、现场视频监视单元(18)、电气操作面板区(19)；超声信号处理及显示计算机单元(14和15)包括超声信号数字化处理单元、信号I/O接口电路和计算机显示单元，来自多通道超声发/收单元(1)输出端口的超声信号分别与超声信号处理及显示计算机单元(14和15)连接，实现对每个检测通道的超声信号显示和超声特征参数的设置；2.2)XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)由X轴和Y轴伺服控制放大器、数控单元、超声数字信号变换单元、成像显示计算机组成；X轴伺服控制放大器和Y轴伺服控制放大器分别与X向伺服电机(45)和Y向伺服电机(37)配套，安装在操作台(13)内；数控单元采用开放式多轴数控系统，实现X轴和Y轴的扫描运动控制，数控主卡安装在工控机内部，接口板安装在机柜内，两者通过信号电缆连接，来自X、Y及Z向交流电机(45、37、20)的编码器和X向光栅尺(51)的位置反馈信号分别通过各自的线缆与对应的数控单元的中位置数据接口连接，获取位置反馈信号；来自X向行程限位器(54)和Y向行程限位器(42)的行程限位信号分别通过各自的线缆与对应的数控单元中限位控制接口连接；超声数字信号变换单元对经前置处理和特征信号变换后的多通道超声检测信号进行实时数字化处理；所述的多通道扫描超声检测信号实时数字化处理步骤是，1)并行数据单元频率、通道设置与通信自检；2)并行数据采集；3)各通道数据缓存/刷新；4)数据读请求判断；5)如无请求读数据，重复步骤2)～4)；6)如请求读数据，发送数据；7)扫描结束标志信号判断；8)如扫描结束，结束数据采集；9)如扫描未结束，重复步骤2)～5)；成像显示计算机通过计算机编程实现XY自动扫描检测参数设置与操作控制、超声数字信号变换以及自动扫描成像检测、结果显示、记录；所述的自动扫描成像检测流程步骤是，1)启动水膜耦合单元和多通道超声单元；2)扫描系统通信、闭环自检；3)设置检测特征参数；4)检测通道选择与参数设置；5)XYZ扫描系统通信自检；6)判断Z向跟踪标志信号；7)如Z向跟踪标志信号无效，按换能器Z向位置调节的步骤调节换能器Z向位置；8)如Z向跟踪标志信号有效，按多通道超声检测信号显示与参数设置步骤设置超声参数；9)设置XY扫描参数：起点/终点、步进、速度、扫描范围；10)选择插补扫描模式；11)设置扫描标志信号；12)开始扫描；13)扫描结束判断；14)如扫描结束，清除扫描标志信号；15)保存结果；16)结束；17)如扫描未结束，重复步骤12)和13)；所述的多通道超声检测信号显示与参数设置的步骤是，1)超声单元频率、增益、时序初始化与通信自检；2)判断Z向距离调节是否到位；3)如Z向距离调节不到位，进行Z向距离调节；4)如Z向距离调节到位，判断信号显示是否正常；5)如信号显示正常，设置每个检测通道增益、闸门、频率等参数；6)保存参数；7)结束；8)如信号显示不正常，检查超声单元及参数设置、换能器单元、水膜耦合回路，然后重复步骤5)～7)；2.3)Z向距离控制及计算机单元(17)Z向距离控制及计算机单元(17)包括Z轴伺服控制放大器、数控单元、Z轴激光测距单元及计算机，Z轴伺服控制放大器与Z向伺服电机(20)匹配，Z轴伺服控制放大器安装在操作台(13)内，通过动力线和编码线分别与Z向伺服电机(20)对应接口连接，Z轴伺服放大器的控制端通过接口电路与开放式数控单元连接；数控单元采用开放式数控系统，数控单元安装在工控机内部，数控单元与接口板通过信号电缆连接，Z向伺服电机(20)编码器的位置反馈信号通过线缆与数控单元中的位置数据接口连接，获取位置反馈信号，来自Z向上行程限位器(26)和Z向下行程限位器(27)的行程限位信号分别通过各自的线缆与数控单元中限位控制接口连接，实现Z向行程极限位置控制；由数控单元对超声自适应跟踪阵列换能器(7)在Z轴方向运动距离进行调节，或利用安装在超声自适应跟踪阵列换能器(7)上的激光测距信号，沿Z轴方向进行实时距离跟踪；所述的换能器Z轴方向运动距离调节的步骤是，1)Z向运动控制系统通信、闭环、I变量初始化；2)判断Z向距离是否合适；3)需要上移时设置上移范围；4)Z轴方向上移到设置的范围；5)需要下移时设置下移范围；6)Z轴方向下移到设置的范围；7)设置Z轴方向运动距离调节到位结束标志；8)结束Z轴方向位置调节；3.)多通道超声系统多通道超声系统由多通道超声发/收单元(1)和超声自适应跟踪阵列换能器(7)组成，多通道超声发/收单元(1)安装在Y梁(34)的一端，多通道超声发/收单元(1)的输出端通过屏蔽电缆与超声自动扫描控制与成像系统的操作台(13)上的超声信号处理及显示计算机单元(14、15)中相应的接口连接，多通道超声发/收单元(1)的输入端通过屏蔽信号电缆与超声自适应跟踪阵列换能器(7)中的各检测通道对应的超声换能器连接，超声自适应跟踪阵列换能器(7)通过连接接口与Z向机械自适应调整机构(33)连接。