程控分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的超聲探測柱坐標(biāo)掃描裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬涉及無損檢測及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，具體為一種用于超聲探測的分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維柱坐標(biāo)機(jī)械掃描裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲探測從探頭的控制方式上可以分為手動(dòng)掃描探測與自動(dòng)掃描探測。手動(dòng)探測即用手工握持探頭完成一定區(qū)域的掃描，如醫(yī)學(xué)的B超檢測。手動(dòng)掃描探測靈活方便，但是無法精確控制探頭在三維空間中的位置并進(jìn)行量化，因此難于進(jìn)行多區(qū)域圖像合成拼接成像。機(jī)械掃描方式基于程控機(jī)械裝置帶動(dòng)超聲探頭在一定空間內(nèi)進(jìn)行掃描，探頭每次移動(dòng)的坐標(biāo)精確可控，其探測的結(jié)果方便后期高精度合成拼接成像。
[0003]機(jī)械掃描裝置是完成自動(dòng)掃描的核心部件之一，為使得移動(dòng)端的探頭在空間的坐標(biāo)已知，這種裝置一般基于某種坐標(biāo)體系設(shè)計(jì)，常見的有柱坐標(biāo)和直角坐標(biāo)。例如公布專利CN104786215A，CN1258590等是基于圓柱坐標(biāo)的機(jī)器人或機(jī)械臂。但是這些基于圓柱坐標(biāo)裝置的中心設(shè)有轉(zhuǎn)軸并且作為底座支持整個(gè)裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示(來源:專利CN104786215A附圖)。這樣中軸所在的底座占用區(qū)域是掃描移動(dòng)端探頭無法到達(dá)的，即形成掃描盲區(qū)。另外，這種依靠中心轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的裝置，當(dāng)機(jī)械臂比較長時(shí)，機(jī)械臂對于中軸處的作用力矩較大，因此轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂所需扭矩較高，造成電機(jī)的成本高，體積大。
[0004]基于直角坐標(biāo)系的裝置不存在中心軸，可避免中軸區(qū)域掃描盲區(qū)問題，但是基于直角坐標(biāo)系的掃描裝置要給掃描移動(dòng)端上的電機(jī)、電路板及其他附屬模塊預(yù)留出相應(yīng)的空間，當(dāng)探頭掃描到待測區(qū)域邊緣時(shí)，附屬電路等模塊會(huì)移出待測區(qū)域，使得整個(gè)裝置占用的區(qū)域變大。而基于柱坐標(biāo)系的裝置中，只要探頭徑向的有效移動(dòng)距離大于半徑，便可以通過旋轉(zhuǎn)覆蓋整個(gè)掃描圓面，其余地方均可以放置附屬電路模塊而不影響掃描的有效區(qū)域，即裝置的有效掃描面積與整個(gè)裝置占用的面積相比，基于柱坐標(biāo)的比值更大。為了更清楚的解釋這一點(diǎn)，我們結(jié)合圖2進(jìn)行解釋:圖2中分別列出了基于直角坐標(biāo)和基于圓柱坐標(biāo)的一個(gè)二維掃描平面。圖中附屬模塊與掃描探頭會(huì)隨著機(jī)械裝置移動(dòng)，而掃描探頭經(jīng)過的區(qū)域便是有效掃描區(qū)域。直角坐標(biāo)系中，當(dāng)探頭移動(dòng)到掃描區(qū)域的左端和底端時(shí)，附屬模塊會(huì)移出掃描區(qū)域，因此整個(gè)裝置需為這個(gè)附屬模塊經(jīng)過的非掃描區(qū)域預(yù)留空間。而圓柱坐標(biāo)中，由于探頭的移動(dòng)是旋轉(zhuǎn)的，附屬模塊占據(jù)的區(qū)域，可以通過旋轉(zhuǎn)使掃描探頭覆蓋。實(shí)際上，圖2中圓柱坐標(biāo)情況下的附屬模塊可以更大，只要保證掃描探頭的有效移動(dòng)距離覆蓋圓心到圓周(即半徑)的長度，便可以通過以圓心為軸旋轉(zhuǎn)覆蓋整個(gè)圓面。這樣就給電機(jī)、電路板等留下更多空間，便于掃描裝置一體化，減少其裝置整體的體積。
[0005]總結(jié)現(xiàn)有機(jī)械掃描裝置，主要由以下不足:
(I)現(xiàn)有基于圓柱坐標(biāo)的機(jī)械掃描裝置的中軸區(qū)域?yàn)閽呙杳^(qū)，且對提供中軸動(dòng)力的電機(jī)扭矩要求高。
[0006](2)基于直角坐標(biāo)的機(jī)械掃描裝置有效掃描區(qū)域相較于裝置占用的范圍比例不高，不適合裝置的一體小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所述的程控分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲探測機(jī)械掃描裝置主要分為機(jī)械掃描模塊，程控驅(qū)動(dòng)模塊以及超聲探測模塊組成。
[0008]上述的機(jī)械掃描模塊基于柱坐標(biāo)體系，其機(jī)械裝置中移動(dòng)端的自由度，對應(yīng)于圖3所示的柱坐標(biāo)參數(shù)，分別為:角維度0、半徑維度^高度1!。三個(gè)自由度模塊分別通過各自的機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探頭端(P點(diǎn))在裝置內(nèi)部(圖中虛線圓柱體)各個(gè)位置的掃描。下面說明各個(gè)運(yùn)動(dòng)自由維度模塊:
角維度模塊負(fù)責(zé)控制參數(shù)Θ，其主要特征為:由一個(gè)內(nèi)沿具有齒槽的圓環(huán)與內(nèi)部多個(gè)小齒輪及其他固定裝置組成，內(nèi)部多個(gè)小齒輪分別由各自的電機(jī)帶動(dòng)，通過咬合圓環(huán)中內(nèi)環(huán)的齒槽，帶動(dòng)內(nèi)部整體旋轉(zhuǎn)，從而控制角維度參數(shù)Θ。外環(huán)上設(shè)有螺紋開孔，與后文介紹的高度模塊的螺桿相咬合，實(shí)現(xiàn)垂直位移。
[0009]半徑維度模塊負(fù)責(zé)控制參數(shù)r，其主要特征為:由螺桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)螺桿上的移動(dòng)端沿螺桿的軸向(即整體裝置的徑向)移動(dòng)。螺桿的旋轉(zhuǎn)可由多個(gè)分布式電機(jī)同時(shí)帶動(dòng)，從而分散每個(gè)電機(jī)對扭矩的需求。
[0010]高度模塊負(fù)責(zé)控制參數(shù)h，其主要特征為:有多個(gè)螺桿分布在裝置整體的外圍，從前文所述角維度模塊中外環(huán)的螺紋開孔中穿過并咬合。多個(gè)螺桿由各自的電機(jī)同時(shí)帶動(dòng)，從而能使與其咬合的外環(huán)上下移動(dòng)。另外，為了方便實(shí)際過程中的使用，垂直移動(dòng)模塊還添加了手動(dòng)調(diào)節(jié)功能，通過頂部的手動(dòng)旋鈕，與周圍若干個(gè)螺桿上的小齒輪咬合，帶動(dòng)小齒輪與螺桿的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)垂直方向的運(yùn)動(dòng)。
[0011]上述的程控驅(qū)動(dòng)模塊，負(fù)責(zé)給各個(gè)步進(jìn)電機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制電機(jī)順時(shí)針/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，從而帶動(dòng)角維度、半徑維度，高度機(jī)械模塊的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自由端在整個(gè)機(jī)械裝置掃描范圍內(nèi)的位移。
[0012]上述超聲探測模塊，有一超聲探頭，與機(jī)械模塊的運(yùn)動(dòng)端固定在一起，探頭垂直向下(-Z軸方向)發(fā)射探測超聲波，隨著機(jī)械掃描模塊的自由端運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對裝置底部接觸物體的探測。其中角維度和半徑維度的運(yùn)動(dòng)使得探頭可以完成某一圓形平面內(nèi)的探測，高度的運(yùn)動(dòng)能夠調(diào)節(jié)探頭距離探測物體的高度，從而控制探頭發(fā)射的超聲波焦點(diǎn)在被測物體內(nèi)的位置。
[0013]程控驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊通過無線通信方式連接機(jī)械掃描裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控機(jī)械裝置和后臺(tái)的信號(hào)處理成像。
[0014]發(fā)明所述的超聲探測自動(dòng)掃描裝置有如下特點(diǎn):
(I)無需中軸作為基座，因而避免了設(shè)置中軸后存在的掃描盲區(qū)。
[0015](2)每個(gè)機(jī)械自由度都由多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分散了每個(gè)電機(jī)對驅(qū)動(dòng)扭矩需求，并且多個(gè)電機(jī)的精度誤差疊加后可以相互抵消，增加了裝置的掃描運(yùn)動(dòng)精度。
[0016](3)掃描的有效區(qū)域與裝置占用的區(qū)域比值高，便于一體化集成設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0017]圖1為現(xiàn)有基于柱坐標(biāo)機(jī)械臂掃描盲區(qū)示意圖。
[0018]圖2為基于直角坐標(biāo)與圓柱坐標(biāo)掃描裝置掃描區(qū)域?qū)Ρ葓D。
[0019]圖3為圓柱坐標(biāo)系不意圖。