利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法技术

本发明专利技术属于TKY管的相控阵检测技术领域，公开了一种利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，确定焊缝检测位置、通过模型获取其对应的位置参数，并对探头进行调整；在焊缝的截面上获取当前检测点上支管表面的曲率，并获得其法线与切线方向；以探头中心点为参考点，探头中心线为对象进行偏转；移动探头，利用压力传感器监测当前探头与工件表面的接触状况，与支管表面接触时，停止探头移动；通过控制相控阵探头的晶片激发编号控制楔块中扇扫声束的起始晶片，调整楔块中声束的传播路径。本发明专利技术解决了声束偏转问题，提高了信号质量，并且实现了变截面焊缝检测中，焊缝与截面的一一对应，为后续信号处理提供了便利。

【技术实现步骤摘要】
利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法
本专利技术属于TKY管的相控阵检测
，尤其涉及一种利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法。
技术介绍
目前，超声检测时，探头与工件的耦合效果会对检测的精度产生很大的影响，传统平面工件的耦合会利用耦合剂排出探头与工件之间的空气层，提高检测的质量。而对于曲面工件的耦合，现有方法常常使用特殊设计的曲面楔块，通过底面与工件曲率一致的曲面探头进行检测，从而实现较好的检测效果。但对于TKY管节点焊缝，不同相位角的截面形状在不断的发生变化，同时，检测面的曲率也在不断变化，无法通过某一特定曲率的楔块进行检测，在一些曲率变化较大的位置，相对于普通平面探头，曲面探头所带来的耦合影响可能会更大。而选择使用平面探头，需要通过外加压力来实现探头与工件的紧密接触，但在压紧的过程中可能会发生位置的偏移，导致声束的偏移，进而影响检测的精度。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：平面探头检测曲面工件时发生的声束偏转，同时检测结果不准确，检测精度不高。探头与工件表面无法完全耦合，探头底面与工件之间的空气层会对声束的传播产生影响，影响检测的精度。对于变截面焊缝而言，需要获得与检测信号相对应的焊缝(截面)形状才能进行后续的信号处理。检测的需求是对信号进行定性和定位，从而进一步对缺陷信号进行定量。所以无法分析的信号只是无效信号。解决以上问题为及缺陷的难度：一般检测曲面工件时，会针对于检测对象的曲率进行楔块的设计从而解决耦合问题，但对于一些变截面焊缝(如Y型管节点焊缝)，不同位置截面的曲率也在不断发生变化，使用固定曲率的探头也许能解决某些位置的耦合问题，但在曲率不断变化的过程中，在某些位置反而会起到负面效果，而在检测过程中不断更换不同曲率的楔块也使得检测过程过于复杂，且大大提高了检测成本。使用平面探头进行TKY管的检测时，人工检测时，通过对信号的实时观察和探头的实时调整，可以保证检测信号与截面的对应关系，但对于一些特殊环境，比如水下，管内等，人工检测无法进行，需要进行自动检测，此时再通过外加压力的方法保证探头与工件的接触，可能会导致探头的偏移，影响信号的质量，同时也会影响信号与截面的对应关系。变截面焊缝的焊缝形状在不断的发生变化，无法获得与检测信号相对应的截面，也就无法进行信号的后续处理，在手动检测中，一般采用实时检测，实时获取截面的方法，但在一些特殊环境或是自动检测中，无法实时获得与检测信号相对应的截面，那么如何实现检测信号与截面的一一对应，也是目前变截面焊缝检测中的一个难题。解决以上问题及缺陷的意义为：通过对检测对象(TKY)管的数学三维建模，进行了截面相关参数的计算以及截面的绘制，针对于检测时探头的姿态进行了设计，即，探头与焊缝垂直，探头以中心点与管表面相切，而经过工艺设计，得到探头的位置参数，并设计一种特定的机械结构实现了对探头位姿的精确控制。同时利用相控阵技术的特点，通过对激发晶片的调整，控制声束在探头楔块中的传播轨迹，使声束能以设计的探头与工件的切点入射，最大程度减小了探头与工件无法耦合对声束传播的影响。探头的位姿参数，同时也是当前探头所检测截面的特征参数，即截面与探头的位姿是一一对应的，而探头位姿同时与检测信号一一对应，进而实现了检测信号与截面的一一对应。利用压力传感器实时监控探头与工件的接触关系，同时在对某一截面的检测过程中，探头的姿态以设计参数被精确固定，探头与工件表面的接触点已知可控，解决了可能出现的声束偏转问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法。本专利技术是这样实现的，一种利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法包括：步骤一，确定焊缝检测位置；基于确定的检测位置，通过模型获取其对应的位置参数；基于获取的位置参数利用机械装置移动探头至相应位置，并对探头进行调整；步骤二，在焊缝的截面上获取当前检测点上支管表面的曲率，并获得其法线与切线方向；以探头中心点为参考点，探头中心线为对象进行偏转，令探头中心线与支管在焊缝法平面方向上的切线平行；步骤三，保持探头当前朝向与底面方向不变，竖直向下移动，利用压力传感器监测当前探头与工件表面的接触状况，与支管表面接触时，停止探头移动；步骤四，通过控制相控阵探头的晶片激发编号控制楔块中扇扫声束的起始晶片，调整楔块中声束的传播路径，令相控阵扇形多角度声束的中心以相控阵探头的中心点出射，从工件与探头的切点入射。进一步，步骤一中，所述确定焊缝检测位置包括：通过相贯线的方程，计算得到焊缝在该位置对应的截面方向即与焊缝垂直的方向，并得到焊缝在该位置上的法平面；法平面与支管表面所交得到的曲线，即为该检测面所对应的一系列检测位置。进一步，步骤一中，所述位置参数包括：周向方向上所处的相位角，支管轴线方向到焊缝的距离。进一步，步骤一中，所述基于获取的位置参数利用机械装置移动探头至相应位置，并对探头进行调整包括：通过机械装置将探头移动到获取的位置参数对应的位置，保持探头底面水平即探头底面始终与支管轴线的切面保持平行，与支管表面处于非接触状态；偏转使探头的中心轴线与焊缝的法平面重合同时保持探头底面水平。进一步，步骤一中，所述机械装置包括：具有四个自由度的控制探头夹具的扫查架；所述探头夹具通过平行于支管表面第一转轮与第三滑轨；所述第一转轮中心与探头中心重合，用于控制探头在360度方向上旋转；所述第三滑轨与第二滑轨相连；所述第三滑轨垂直于所述第二滑轨；所述第三滑轨用于控制探头靠近或远离支管外壁；所述第二滑轨，用于控制探头在支管轴线方向上到焊缝的距离；所述第二滑轨在与第一环形滑轨相连的支管周向上；所述第一环形滑轨于支管外侧周向上，用于控制探头在支管周向上的移动。进一步，所述探头夹具由探头长度方向、宽度方向上相互对称的四根机械轴以及一个用于调节探头底面方向的转轮组成；所述四根机械轴的延长线交于探头的中心点，所述机械轴上设有用于固定探头的松紧调节旋钮；所述探头宽度方向上的两根机械轴接于第二转轮的中心，用于固定；所述长度方向上的两根机械轴接于第二转轮的边缘，随第二个转轮的转动而摆动，用于调节探头底面的方向。本专利技术提供一种管节点焊缝的相控阵检测方法，包括：(1)根据检测对象的尺寸进行三维数学建模，并选择焊缝任意一处作为检测目标，将焊根部位设为零度点，检测目标在周向上所处相位角为(2)基于焊缝相贯线的参数方程，将检测对象所处相位角代入得到焊缝当前位置的切线方向，得到法平面方向，并根据其法线得到法平面方程；计算焊缝法平面与支管轴线的夹角α；(3)法平面与TKY管模型相交得到焊缝检测目标处的二维截面，确定检测工艺以及探头到焊缝的距离d、探头到焊缝的距离d1、探头在周向上所处的相位角(4)利用扫查机构进行探头的移动；在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，其特征在于，所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法包括：/n确定焊缝检测位置；基于确定的检测位置，通过模型获取其对应的位置参数；基于获取的位置参数利用机械装置移动探头至相应位置，并对探头进行调整；/n在焊缝的截面上获取当前检测点上支管表面的曲率，并获得其法线与切线方向；以探头中心点为参考点，探头中心线为对象进行偏转，令探头中心线与支管在焊缝法平面方向上的切线平行；/n保持探头当前朝向与底面方向不变，竖直向下移动，利用压力传感器监测当前探头与工件表面的接触状况，与支管表面接触时，停止探头移动；/n通过控制相控阵探头的晶片激发编号控制楔块中扇扫声束的起始晶片，调整楔块中声束的传播路径，令相控阵扇形多角度声束的中心以相控阵探头的中心点出射，从工件与探头的切点入射。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，其特征在于，所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法包括：
确定焊缝检测位置；基于确定的检测位置，通过模型获取其对应的位置参数；基于获取的位置参数利用机械装置移动探头至相应位置，并对探头进行调整；
在焊缝的截面上获取当前检测点上支管表面的曲率，并获得其法线与切线方向；以探头中心点为参考点，探头中心线为对象进行偏转，令探头中心线与支管在焊缝法平面方向上的切线平行；
保持探头当前朝向与底面方向不变，竖直向下移动，利用压力传感器监测当前探头与工件表面的接触状况，与支管表面接触时，停止探头移动；
通过控制相控阵探头的晶片激发编号控制楔块中扇扫声束的起始晶片，调整楔块中声束的传播路径，令相控阵扇形多角度声束的中心以相控阵探头的中心点出射，从工件与探头的切点入射。


2.如权利要求1所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，其特征在于，所述确定焊缝检测位置包括：
通过相贯线的方程，计算得到焊缝在该位置对应的截面方向即与焊缝垂直的方向，并得到焊缝在该位置上的法平面；法平面与支管表面所交得到的曲线，即为该检测面所对应的一系列检测位置。


3.如权利要求1所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，其特征在于，所述位置参数包括：周向方向上所处的相位角，支管轴线方向到焊缝的距离。


4.如权利要求1所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，其特征在于，所述基于获取的位置参数利用机械装置移动探头至相应位置，并对探头进行调整包括：
通过机械装置将探头移动到获取的位置参数对应的位置，保持探头底面水平即探头底面始终与支管轴线的切面保持平行，与支管表面处于非接触状态；偏转使探头的中心轴线与焊缝的法平面重合同时保持探头底面水平。


5.如权利要求1所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，其特征在于，所述机械装置包括：
具有四个自由度的控制探头夹具的扫查架；所述探头夹具通过平行于支管表面第一转轮与第三滑轨；所述第一转轮中心与探头中心重合，用于控制探头在360度方向上旋转；
所述第三滑轨与第二滑轨相连；所述第三滑轨垂直于所述第二滑轨；所述第三滑轨用于控制探头靠近或远离支管外壁；
所述第二滑轨，用于控制探头在支管轴线方向上到焊缝的距离；所述第二滑轨在与第一环形滑轨相连的支管周向上；
所述第一环形滑轨于支管外侧周向上，用于控制探头在支管周向上的移动。


6.如权利要求5所述利用机械辅助的管节点焊缝与相控阵探头耦合的方法，其特征在于，所述探头夹具由探头长度方向、宽度方向上相互对称的四根机械轴以及一个用于调节探头底面方向的转轮组成；
所述四根机械轴的延长线交于探头的中心点，所述机械轴上设有用于固定探头的松紧调节旋钮；
所述探头宽度方向上的两根机械轴接于第二转轮的中心，用于固定；
所述长度方向上的两根机械轴接于第二转轮的边缘，随第二个转轮的转动而摆动，用于调节探头底面的方向。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张俊，曹健铖，李晓红，徐万里，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42