一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统.pdf

本发明公开了一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，该系统主要由移动平台、定位杆、探头、夹具、控制台、超声检测设备六个部分组成；该系统是为了克服汽轮机焊接转子的TOFD超声检测手工作业中遇到的困难，以及现有检测设备方案的不足，本套系统的优点在于延伸了作业范围，精确定位焊缝位置，可以在狭小的空间进行检测操作；夹具可以带有多组探头，一次检测可以完成多组探头的检测，提高了检测效率。

权利要求书
1.  一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，其特征在于：所述系统主要包括移动平台（1）、定位杆（5）、TOFD探头（4）、TOFD探头夹具（2）、控制台（6）及超声检测设备（7）；所述移动平台（1）吸附在焊接转子表面；所述定位杆（5）共有四组，其中移动平台（1）的前后部位具有两组，TOFD探头夹具（2）的前后部位具有两组；定位杆（5）与焊接转子两边侧壁（10）接触；所述TOFD探头（4）被TOFD探头夹具（2）夹持；所述TOFD探头夹具（2）与移动平台（1）通过球铰连接器（3）进行连接；所述超声检测设备（7）通过探头连线（9）与TOFD探头（4）连接；所述控制台（6）和移动平台（1）通过电源和通讯电缆（8）进行连接。

2.  如权利要求1所述的一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，其特征在于：所述移动平台（1）的底部由永磁磁铁（11）和防滑轮（12）构成，所述永磁磁铁（11）间隙吸附在焊接转子的表面。

3.  如权利要求1所述的一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，其特征在于：所述TOFD探头夹具（2）至少能够夹持一组TOFD探头（4），每组TOFD探头（4）分别位于TOFD探头夹具（2）左右两侧。

4.  如权利要求1至3所述的任一一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，其特征在于：所述TOFD探头夹具（2）包括夹具骨架（13）、探头支撑架（20）、探头夹持器（18）、探头固定架（19）、万向轮（17）、滚动轮（16）及把手（15）；所述夹具骨架（13）的前后端分别安装了两个万向轮（17）和两个滚动轮（16）；所述夹具骨架（13）上固定安装了五根探头支撑架（20），每根探头支撑架（20）的两侧固定两个探头固定架（19）；TOFD探头（4）通过探头夹持器（18）进行连接，探头夹持器（18）和探头固定架（19）之间通过的滑轨进行连接。

5.  如权利要求1至3所述的任一一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，其特征在于：所述移动平台（1）的内部还包括直流有刷电机、编码器、驱动器、ARM控制板；所述驱动器用于驱动直流有刷电机；所述ARM控制板通过RS232与驱动器连接，所述ARM控制板发送运动指令，并且读取驱动器状态，完成运动控制的功能；所述编码器安装于电机轴进行速度反馈。

6.  如权利要求1至3所述的任一一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，其特征在于：所述控制台（6）包括电源部分、ATOM电脑和控制系统软件；所述电源部分用于电源的转换和保护功能，为ARM控制板和驱动器提供电源供给；所述ATOM电脑作为上位机，运行控制系统软件，完成移动平台（1）的控制。

7.  如权利要求6所述的一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，其特征在于：所述控制系统软件采用分层的软件结构，分为驱动接口、运动控制、上位机通讯、人机交互四个功能层次。

说明书一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统
技术领域
本发明属于检测机器人领域，特别是一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统。
背景技术
转子是汽轮机的核心部件，其结构形式很多，如整锻转子、套装转子、焊接转子和组合转子等。与常规火电机组汽轮机转子相比，核电站汽轮机转子体积和重量都大，加工精度要求高，一般均采用焊接转子。
为保证焊接转子的质量，在制过程中、制备完成后、在役过程中均需要进行焊缝的TOFD（超声波衍射时差法）超声波检测，TOFD超声检测覆盖范围大，检测所需时间多。特别是在制备完成后及在役过程中，由于转子装有叶片，作业空间变得极其狭小。
目前，针对TOFD超声检测已经具有成熟的夹具和检测系统，但由于焊接转子应用场合的特殊情况，现有方案都无法在焊接转子上进行使用。
如专利申请号为201010248503.2，申请日期为2010年8月14日，名为“焊缝超声检测扫查装置”的发明专利；以及申请号为201310685223.1，申请日期为2013年12月13日，名为“厚壁接管焊缝超声检测装置”，这两个方案均可以夹持超声探头进行检测，但两个方案均没有设计定位装置，在焊接转子的检测中，不能固定扫查的位置，使整个扫查数据不可靠；其次两套方案均无驱动机构，不能在工件上进行自动检查。基于以上两点，两个方案不能应用于焊接转子场合。
又如专利申请号为201210192602.2，申请日期为2012年6月12日，名为“焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统”的发明专利，该发明介绍了一种根据视觉传感器和测厚超声探头进行定位的超声检测机器人，由于焊接转子焊缝被加工后，无法通过视觉传感器进行识别，并且焊接转子厚度固定不变，所以视觉和测厚的方法无法在焊接转子的检测中进行使用，不适合焊接转子场合的使用。 
发明内容
为了克服背景技术中没有定位、驱动装置的缺陷以及利用视觉和测厚方法检测焊接转子焊缝的不足，本发明特提出一种新型的TOFD超声波无损检测机器人系统。
本发明是一种适用于汽轮机焊接转子的TOFD超声波无损检测机器人系统，所述系统主要包括移动平台（1）、定位杆（5）、TOFD探头（4）、TOFD探头夹具（2）、控制台（6）及超声检测设备（7）；所述移动平台（1）吸附在焊接转子表面；所述定位杆（5）共有四组，其中移动平台（1）的前后部位具有两组，TOFD探头夹具（2）的前后部位具有两组；定位杆（5）与焊接转子两边侧壁（10）接触；所述TOFD探头（4）被TOFD探头夹具（2）夹持；所述TOFD探头夹具（2）与移动平台（1）通过球铰连接器（3）进行连接，TOFD探头夹具（2）本身没有驱动动力，可以自由移动，由移动平台（1）带动移动；所述超声检测设备（7）通过探头连线（9）与TOFD探头（4）连接；所述控制台（6）和移动平台（1）通过电源和通讯电缆（8）进行连接。
定位杆（5）通过转子的侧壁（10），将移动平台（1）和TOFD探头夹具（2）进行精确定位，移动平台（1）和TOFD探头夹具（2）在移动过程中不能左右移动，保证了检测过程中的位置要求；定位杆（5）的长度可以根据焊缝的位置进行自由的调节。
超声检测设备（7）和TOFD探头（4）之间通过探头连线（9）进行连接；超声检测设备（7）接受、处理TOFD探头（4）的信号，并且提供TOFD探头（4）的油路，排除TOFD探头（4）和焊接转子之间的空气。
进一步的，所述移动平台（1）的底部由永磁磁铁（11）和防滑轮（12）构成，所述永磁磁铁（11）间隙吸附在焊接转子的表面；采用永磁磁铁（11）间隙吸附在焊接转子的表面，永磁磁铁（11）与焊接转子表面不接触，留有间隙，依靠永磁磁铁的吸引力将移动平台（1）吸附在焊接转子的表面。
进一步的，所述TOFD探头夹具（2）至少能够夹持一组TOFD探头（4），每组TOFD探头（4）分别位于TOFD探头夹具（2）左右两侧。
进一步的，所述TOFD探头夹具（2）包括夹具骨架（13）、探头支撑架（20）、探头夹持器（18）、探头固定架（19）、万向轮（17）、滚动轮（16）及把手（15）；所述夹具骨架（13）的前后端分别安装了两个万向轮（17）和两个滚动轮（16），四个轮可以自由移动；所述夹具骨架（13）上固定安装了五根探头支撑架（20），每根探头支撑架（20）的两侧固定两个探头固定架（19）；TOFD探头（4）通过探头夹持器（18）进行连接，探头夹持器（18）和探头固定架（19）之间通过的滑轨进行连接；这样TOFD探头夹具（2）可以夹持五组TOFD探头（4），每组TOFD探头（4）分别位于TOFD探头夹具（2）左右两侧，当TOFD探头（4）与转子接触时，靠滑轨进行调节，确保TOFD探头（4）和转子进行充分接触。
进一步的，所述移动平台（1）的内部还包括直流有刷电机、编码器、驱动器、ARM控制板；所述驱动器用于驱动直流有刷电机；所述ARM控制板通过RS232与驱动器连接，所述ARM控制板发送运动指令，并且读取驱动器状态，完成运动控制的功能；所述编码器安装于电机轴进行速度反馈。
移动平台（1）内部采用两套驱动器驱动左右两个直流有刷电机；所述ARM控制板通过RS232与两台驱动器连接，通过内嵌软件发送运动指令，并且读取驱动器状态，完成运动控制的功能；所述编码器安装于电机轴进行速度反馈。
进一步的，所述控制台（6）包括电源部分、ATOM电脑和控制系统软件；所述电源部分用于电源的转换和保护功能，为ARM控制板和驱动器提供电源供给；所述ATOM电脑作为上位机，运行控制系统软件，完成移动平台（1）的控制。
移动平台（1）内部包含了电机和驱动电路，可带动防滑轮进行转动；通过控制台（6）可以控制移动平台（1）以给定速度，前后进行移动；移动平台（1）是整套系统的移动主体；TOFD探头（4）前后移动主要靠移动平台进行带动；移动平台（1）上设计了把手（14），方便移动平台（1）的拆装。
进一步的，所述控制台（6）包括电源部分、ATOM电脑和控制系统软件；所述电源部分用于电源的转换和保护功能，为ARM控制板和驱动器提供电源供给；所述ATOM电脑作为上位机，运行控制系统软件，完成移动平台（1）的控制。
控制台（6）是整套系统的控制部件，提供了机器人系统的电源和人机交互功能，通过控制台可以设定切换机器人的工作模式，设定机器人的工作参数。
进一步的，所述控制系统软件采用分层的软件结构，分为驱动接口、运动控制、上位机通讯、人机交互四个功能层次。
在以上阐述的控制结构下，可以方便的实现焊接转子的自动化TOFD超声波无损检测，这套机器人系统的工作步骤为：
1、通过探头连线将TOFD探头和超声检测设备进行连接，探头可以正常进行检测。
2、固定TOFD探头在夹具上，每次可以固定多组TOFD探头，并且根据工艺要求，调整TOFD探头之间的距离。
3、将TOFD探头夹具和移动平台进行固定连接。
4、根据焊缝位置，调整移动平台和夹具左右两边的定位杆。
4、将移动平台和控制台进行连接，移动平台能够根据控制台的指令进行移动。
5、将移动平台和探头夹具一同放置于焊接转子的表面，通过控制台控制机器人的行走，并且观察TOFD检测的结果。
本发明的优点在于：
1、本套系统通过在焊接转子狭小的作业空间部署超声检测机器人系统来延伸作业空间，极大简化了焊接转子的TOFD超声检测。
2、本套系统具有吸附在焊接转子表面的移动平台，该移动平台根据设定速度移动，检测过程中，无需人工的干预，极大的减轻了作业强度，提高了检测的精度。
3、本套系统采用定位杆进行定位，这种方式简单，可靠，精度高，特别适合焊接转子这种环境的自动化超声检测。
4、 TOFD探头夹具，可以夹持多组TOFD探头，一次检测作业，可以完成多组探头的检测，提高了检测的效率。
附图说明
图1 本发明设计的TOFD超声波无损检测机器人系统连接图。
图中，1是移动平台，2是TOFD探头夹具，3是球铰连接器，4是TOFD探头，5是定位杆，6是控制台，7是超声检测设备，8是电源和通讯电缆，9是探头连线，10是焊接转子侧壁，20是探头支撑架
图2 本发明设计的TOFD超声波无损检测机器人结构示意图。
图中， 4是TOFD探头，11是永磁磁铁，12是移动平台防滑轮，13是夹具骨架，14是移动平台把手，15是夹具把手，16是滚动轮，17是万向轮，18是探头夹持器，19是探头固定架，20是探头支撑架
图3 本发明设计的机器人控制系统硬件结构图。
图4 本发明设计的机器人控制系统软件结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对发明进行详细实施，进一步详细描述本发明。
如图1、2所示，移动平台1采用四个防滑轮12进行驱动，接触在焊接转子的表面，防滑轮通过控制系统的电机进行带动，移动平台1的底部安装有永磁磁铁11，永磁磁铁11与焊接转子表面留有间隙，依靠永磁磁铁11的吸引力将移动平台1吸附在焊接转子的表面，保证移动平台1与工件的接触；TOFD探头夹具2中的夹具骨架13是TOFD探头夹具2的纵向支撑结构，在夹具骨架13上固定了五根探头支撑架20，探头支撑架20提供了横向支撑结构；每根探头支撑架20的两侧都固定了两个探头固定架19，探头4由探头夹持器18通过螺栓固定，探头固定架19和探头夹持器18通过滑轨连接，滑轨提供一定的适应能力，可以将探头充分接触在转子的表面。移动平台1和TOFD探头夹具2通过定位杆5和转子两边侧壁10进行接触定位，保证了TOFD探头探头4相对于焊缝的位置。
如图3，TOFD超声波无损检测机器人采用左右两个直流有刷电机，并且在电机轴安装有编码器进行速度反馈；机器人集成2套驱动器，驱动左右两个直流电机；以ARM控制板为主控板，完成运动控制的功能；ARM控制板通过RS232与两台驱动器进行连接，发送驱动的指令，并且读取驱动器的状态，直流有刷电机、编码器、驱动器、ARM控制板都在移动平台的内部。
在控制台中的有电源部分，负责进行电源的转换和保护功能，提供给ARM板、驱动器电源的供给。ATOM电脑则作为上位机，运行控制系统软件，完成移动平台的控制。
如图4，控制系统软件分为四个层次，分别为驱动接口、运动控制、上位机通讯、人机交互四个功能层次。控制系统软件运行于ATOM电脑，其他层次的软件运行于ARM板；驱动器接口完成ARM板和驱动器之间的数据交换，可以控制驱动器和电机、并且读取驱动器的状态；运动控制完成移动平台的控制，完成不同速度下前进、后退的控制；上位机通讯和人机交互进行通讯，接受上位机的命令，并且反馈机器人的状态；人机交互完成参数配置，状态显示、机器人控制的功能。
对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。