三层板点焊接头的超声波自动检测装置及方法

摘要

本发明涉及一种三层板点焊接头的超声波自动检测装置及方法，属于超声波质量检测领域。装置的二维滑移台固定在焊接件固定旋转机构的支架上，探头夹具固定在二维滑移台上，通过步进电机、同步带传动实现X向及Y向定量移动；步进电机、微型电动机与伺服电机驱动器相连，超声探头激励信号通过网线与超声波微处理器相连。通过焊接件固定旋转机构的旋转运动将焊接件翻转，实现从焊接件的上表面（A面）和下表面（B面）分别进行超声检测；通过特定的运动控制方法保证上表面（A面）和下表面（B面）检测路径的一致性及检测点的一一对应。本发明实现了三层板点焊的自动化超声波检测，提高了三层板点焊质量检测的可靠性。

权利要求

1.一种三层板点焊接头的超声波自动检测装置，其特征在于：包括工业计算机（1）、伺服电机驱动器（2）、超声波微处理器（3）、二维滑移台（4）、焊接件安装机构（5）、探头夹具（6）、超声探头（7）、水槽（8）和检测操作台面（9）；

所述超声探头（7）固定在探头夹具（6）上；探头夹具（6）固定在二维滑移台（4）的探头夹具固定支架（4‑1）上；二维滑移台（4）固定在焊接件安装机构（5）的支架（5‑1）上；焊接件安装机构（5）放置在检测操作台面（9）上；水槽（8）放置在检测操作台面（9）上；

所述工业计算机（1）通过导线与超声波微处理器（3）相连；超声波微处理器（3）通过导线与超声探头（7）相连；

所述工业计算机（1）通过导线与伺服电机驱动器（2）相连；伺服电机驱动器（2）通过导线与二维滑移台（4）上的X向步进电机（4‑2）和Y向步进电机（4‑3）相连；伺服电机驱动器（2）通过导线与焊接件安装机构（5）上的微型电动机（5‑2）相连；伺服电机驱动器（2）通过导线与探头夹具（6）上的Z向步进电机（6‑1）相连；

所述工业计算机（1）通过导线与二维滑移台（4）上的X向行程开关（4‑4）和Y向行程开关（4‑5）相连；

所述的焊接件安装机构（5）包括支架（5‑1）、微型电动机（5‑2）、同步带轮（5‑3）、同步带（5‑4）、焊接件固定夹具（5‑5）、轴承（5‑6）、轴承连杆（5‑7），所述微型电动机（5‑2）固定在支架（5‑1）内，微型电动机（5‑2）的输出轴与同步带轮（5‑3）连接，同步带轮（5‑3）通过同步带（5‑4）与轴承（5‑6）连接，焊接件固定夹具（5‑5）安装在轴承连杆（5‑7）上，在微型电动机（5‑

2）和同步带（5‑4）的驱动下绕轴承连杆（5‑7）的轴心线旋转，实现从焊接件的上表面及下表面分别进行超声检测。

2.根据权利要求1所述的三层板点焊接头的超声波自动检测装置，其特征在于：所述的二维滑移台（4）包括探头夹具固定支架（4‑1）、X向步进电机（4‑2）、Y向步进电机（4‑3）、X向行程开关（4‑4）、Y向行程开关（4‑5）、X向同步带（4‑6）、Y向同步带（4‑7）、Y向滑移台（4‑8）、X向滑移台（4‑9）和固定支座（4‑10），所述探头夹具固定支架（4‑1）固定在Y向滑移台（4‑8）上，并与Y向滑移台（4‑8）一起在Y向步进电机（4‑3）和Y向同步带（4‑7）的驱动下实现Y向运动；所述Y向滑移台（4‑8）安装在X向滑移台（4‑9）上；所述X向滑移台（4‑9）安装在固定支座（4‑10）上，并与X向同步带（4‑6）固定在一起，并在X向步进机（4‑2）及X向同步带（4‑6）的驱动下实现X向运动；所述X向行程开关（4‑4）与X向滑移台（4‑9）固定在一起，实现X向移动起始点的定位；所述Y向行程开关（4‑5）与Y向滑移台（4‑8）固定在一起，实现Y向移动起始点的定位。

3.根据权利要求1所述的三层板点焊接头的超声波自动检测装置，其特征在于：所述的探头夹具（6）包括Z向步进电机（6‑1）、齿条（6‑2）、探头连接支座（6‑3）、齿轮（6‑4）、Z向行程开关（6‑5）；超声波探头通过顶丝固定在探头连接支座（6‑3）中；齿条（6‑2）固定在探头连接支座（6‑3）上；Z向步进电机（6‑1）固定在探头连接支座（6‑3）上；Z向步进电机（6‑1）的输出轴与齿轮（6‑4）相连，并通过齿轮（6‑4）与齿条（6‑2）的啮合作用驱动探头连接支座（6‑3）进行Z向运动，从而驱动超声波探头进行Z向运动；Z向行程开关（6‑5）安装在探头连接支座（6‑

3）上，实现Z向移动起始点的定位。

4.一种三层板点焊接头的超声波自动检测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、系统连接：将超声探头（7）激励信号输入输出端与超声波微处理器（3）网口相连；伺服电机驱动器（2）通过导线与X向步进电机（4‑2）、Y向步进电机（4‑3）和微型电动机（5‑2）和Z向步进电机（6‑1）相连，将伺服电机驱动器（2）安装在工业计算机（1）的PCI插口上，将X向行程开关（4‑4）、Y向行程开关（4‑5）和Z向行程开关（6‑5）与工业计算机（1）相连；

S2、调节超声波探头高度：包括以下步骤：S2.1、启动系统，工业计算机（1）对Z向步进电机（6‑1）发出脉冲信号，将超声波探头的Z向高度调节至初始高度h0，初始高度h0的设定方式为：h0＞tmax                                     (1)其中，tmax为待测工件的最大板厚；

当超声波探头调节至初始高度h0时，Z向行程开关（6‑5）压入，到达Z向移动起始点；

S2.2、在工业计算机（1）中输入焊接件的上层板厚t1，中间层板厚t2和下层板厚t3，工业计算机（1）根据板厚值自动计算超声波探头在焊接件上表面检测高度h上；Z向的初始高度h0与焊接件上表面检测高度h上之间的差值即为超声波探头的下移距离hm正；工业计算机（1）根据超声波探头的下移距离hm正对Z向步进电机（6‑1）发出脉冲信号，将超声波探头移动至焊接件上表面；

S3、焊接件上表面X、Y向检测起始点的确定：包括以下步骤：S3.1、工业计算机（1）通过伺服电机驱动器（2）分别对X向步进电机（4‑2），Y向步进电机（4‑3）发出电动脉冲信号，通过X向同步带（4‑6）和Y向同步带（4‑7）传动从而驱使探头夹具（6）在二维滑移台（4）上分别沿X向、Y向移动；当X向行程开关（4‑4）和Y向行程开关（4‑5）均压入，超声探头（7）到达系统零点；

S3.2、在工业计算机（1）中输入焊点距系统零件的X向和Y向距离Lx和Ly，工业计算机（1）通过伺服电机驱动器（2）驱使探头夹具（6）在二维滑移台（4）上分别沿X向、Y向移动Lx0和Ly0，使超声探头到达检测起始点O（a 0，0，h上）；

S4、焊接件上表面超声波扫描检测：在工业计算机（1）中输入X向扫描距离Lx1和Y向扫描距离Ly1；工业计算机（1）通过伺服电机驱动器（2）驱使探头夹具（6）在二维滑移台（4）上分别沿X向、Y向在焊接件上表面上进行往复扫查运动，使探头分别到达检测极限点O（b Lx1，0，h上），O（c 0，Ly1，h上），并最终到达检测终点O（d Lx1，Ly1，h上）；

在X向步进电机（4‑2），Y向步进电机（4‑3）运动的每个步进点，工业计算机（1）通过超声波微处理器（3）对超声波探头（7）发出激励信号，超声波探头（7）发射并接收超声波信号，并将反射回波信号反馈回工业计算机（1）；直至超声波探头（7）移动到检测终点O（d Lx1，Ly1,h上），焊接件上表面的超声波扫描检测完成；

S5、焊接件翻转：包括以下步骤：

S5.1、工业计算机（1）通过伺服电机驱动器（2）控制超声波探头（7）向上移动，直至Z向行程开关（6‑5）压入，到达Z向移动起始点；

S5.2、工业计算机（1）通过伺服电机驱动器（2）控制微型电动机（5‑2），带动焊接件安装机构（5）旋转，使焊接件下表面朝上；

S5.3、工业计算机（1）根据板厚值自动计算超声波探头在焊接件下表面检测高度h下；Z向的初始高度h0与焊接件下表面检测高度h下之间的差值即为超声波探头（7）的下移距离hm反；工业计算机（1）根据超声波探头的下移距离hm反对Z向步进电机（6‑1）发出脉冲信号，将超声波探头（7）移动至焊接件下表面；此时，由于焊接件的翻转，焊接件上、下表面与超声波探头（7）的相对位置改变，因此，超声波探头位于焊接件下表面的检测极限点Ob’（Lx1，0，h下）；

S5.4、工业计算机（1）通过伺服电机驱动器（2）驱使探头夹具（6）在二维滑移台（4）上分别沿‑X向移动Lx1，使超声探头到达检测起始点Oa’（0，0，h下）；

S6、焊接件下表面超声波扫描检测：工业计算机（1）通过伺服电机驱动器（2）驱使探头夹具（6）在二维滑移台（4）上分别沿X向、Y向在焊接件下表面上进行往复扫查运动，使探头分别到达检测极限点Ob’（Lx1，0，h下），Oc’（0，Ly1，h下），并最终到达检测终点Od’（Lx1，Ly1，h下）；

在X向步进电机（4‑2），Y向步进电机（4‑3）运动的每个步进点，工业计算机（1）通过超声波微处理器（3）对超声波探头（7）发出激励信号，超声波探头（7）发射并接收超声波信号，并将反射回波信号反馈回工业计算机（1）；直至超声波探头移动到检测终点Od’（Lx1，Ly1，h下），焊接件下表面的超声波扫描检测完成；

S7、工业计算机（1）根据焊接件上表面和焊接件下表面上各个步进点的超声A回波信号，对三层板点焊的焊接件上、下连接界面分别进行信号分析和处理，输出焊接件的质量分析结果。

5.根据权利要求4所述的三层板点焊接头的超声波自动检测方法，其特征在于：在步骤S2及步骤S5中，超声波探头（7）在焊接件上表面检测高度h上及焊接件下表面的检测高度h下根据焊接件的板厚以及焊接件与轴承连杆（5‑7）轴心线的相对位置来确定，其计算方法如下：

h上=s                                      (2)h下=t1+t2+ t3 ‑s                                 (3)其中s代表当焊接件上表面朝上装配时，轴承连杆（5‑7）轴心线与焊接件上表面的垂直距离。

6.根据权利要求4所述的三层板点焊接头的超声波自动检测方法，其特征在于：在步骤S4及S6中，为了确保超声波探头（7）在焊接件上表面和焊接件下表面的检测步距点一一对应，超声波探头（7）在焊接件上表面和焊接件下表面的扫查路径关系为：a、当超声波探头（7）在焊接件上表面的移动顺序为：X向移动Lx1→Y向移动Ly1 / Ny，Ny为Y向的步进点数量→X向移动‑Lx1→Y向移动Ly / Ny→X向移动Lx 1……，直至移动至扫描终点O（d Lx1，Ly1，h上）；

则超声波探头（7）在焊接件下表面的移动顺序为：X向移动Lx1→Y向移动‑Ly1 / Ny，Ny为Y向的步进点数量→X向移动‑Lx1→Y向移动‑Ly / Ny→X向移动Lx1 ……，直至移动至扫描终点’

Od（Lx1，Ly1，h下）；

b、当超声波探头（7）在焊接件上表面的移动顺序为：X向移动Lx1/ Nx，Nx为X向的步进点数量→Y向移动Ly1→X向移动Lx1/ Nx→Y向移动‑Ly1→X向移动Lx1/ Nx……，直至移动至扫描终点O（d Lx1，Ly1，h上）；

则超声波探头（7）在焊接件下表面的移动顺序为：X向移动Lx1/ Nx，Nx为X向的步进点数量→Y向移动‑Ly1→X向移动Lx1/ Nx→Y向移动Ly1→X向移动Lx1/ Nx……，直至移动至扫描终，

点Od（Lx1，Ly1，h下）。

说明书

三层板点焊接头的超声波自动检测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超声波质量检测领域，特别涉及一种等厚或不等厚的三层板点焊接头的超声波自动检测装置及方法，辅助超声探头定量移动从而扫描焊点所在区域。

背景技术

[0002] 电阻点焊在不锈钢车体焊装制造过程中占有极大的比重，是车身制造中的一项关键技术，大量车身构件之间的连接都是采用电阻点焊来完成的。在汽车结构中，由于设计条
件的限制，有时在一定的位置使用三层薄板进行点焊。应对汽车节能减排与车身轻量化的
技术需求，以双相钢为代表的先进高强钢材料在车身中的应用越来越多，在车身前纵梁、A，
B，C 柱等很多部位会出现强度、厚度都不同的三层板电阻点焊应用情况，且应用的比例正
在逐年增加。受材料属性、板材厚度的影响，不等厚三层板电阻点焊通电过程中，上下板材
与中间板材接触面电流密度分布不均，随着通电时间增加，上下接触面间生热不一致，焊点
熔核向厚板侧会发生偏移，故三层板点焊质量检测尤为重要。

[0003] 国内外常用的电阻点焊接头质量评估方法主要有两种：第一种方法是基于焊接过程参数的在线评估，然而，由于电阻点焊是一个非线性、多变量耦合作用且大量不确定因素
相互影响的复杂过程，上述方法只能提供部分可靠的质量信息，并不能完全准确地对点焊
质量进行评估。第二种方法是焊后破坏性检测，该方法需要对焊点进行剥离、扭转等破坏，
获得熔核直径和接头强度的大致信息，但破坏性检测消耗成本大。三层板的超声波检测研
究尤为重要。由于三层有两个焊板接触面，每个接触面的熔核直径不同，常规的检测方法容
易造成检测盲区，所以波三层板点焊超声波检测装置的研究有极大意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种三层板点焊接头的超声波自动检测装置及方法，解决了现有技术存在的三层板点焊超声波检测时容易出现检测盲区的问题。本发明可检测等厚
或不等厚三层板点焊，能够对三层板焊点进行双面依次检测分析，解决了检测盲区问题。通
过触碰启动x、y、z方向行程开关实现扫描起始点定位，通过特定的运动方法使得双面扫描
点一一对应；最后得到三层板焊点内部的三维视图，可以更加直观的地得到检测结果。

[0005] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

[0006] 三层板点焊接头的超声波自动检测装置，所述超声探头7固定在探头夹具6上；探头夹具6固定在二维滑移台4的探头夹具固定支架4‑1上；二维滑移台4固定在焊接件安装机
构5的支架5‑1上；焊接件安装机构5放置在检测操作台面9上；水槽8放置在检测操作台面9
上。所述工业计算机1通过导线与超声波微处理器3相连；超声波微处理器3通过导线与超声
探头7相连；所述工业计算机1通过导线与伺服电机驱动器2相连；伺服电机驱动器2通过导
线与二维滑移台4上的X向步进电机4‑2和Y向步进电机4‑3相连；伺服电机驱动器2通过导线
与焊接件安装机构5上的微型电动机5‑2相连；伺服电机驱动器2通过导线与探头夹具6上的
Z向步进电机6‑1相连。所述工业计算机1通过导线与二维滑移台4上的X向行程开关4‑4和Y
向行程开关4‑5相连。

[0007] 所述的二维滑移台4包括探头夹具固定支架4‑1、X向步进电机4‑2、Y向步进电机4‑3、X向行程开关4‑4、Y向行程开关4‑5、X向同步带4‑6、Y向同步带4‑7、Y向滑移台4‑8、X向滑
移台4‑9和固定支座4‑10，所述探头夹具固定支架4‑1固定在Y向滑移台4‑8上，并与Y向滑移
台4‑8一起在Y向步进电机4‑3和Y向同步带4‑7的驱动下实现Y向运动；所述Y向滑移台4‑8安
装在X向滑移台4‑9上；所述X向滑移台4‑9安装在固定支座4‑10上，并与X向同步带4‑6固定
在一起，并在X向步进机4‑2及X向同步带4‑6的驱动下实现X向运动；所述X向行程开关4‑4与
X向滑移台4‑9固定在一起，实现X向移动起始点的定位；所述Y向行程开关4‑5与Y向滑移台
4‑8固定在一起，实现Y向移动起始点的定位。

[0008] 所述的焊接件安装机构5的所述的焊接件安装机构5包括支架5‑1，微型电动机5‑2，同步带轮5‑3，同步带5‑4，焊接件固定夹具5‑5，轴承5‑6，轴承连杆5‑7。所述微型电动机
5‑2固定在支架5‑1内，微型电动机5‑2的输出轴与同步带轮5‑3连接，同步带轮5‑3通过同步
带5‑4与轴承5‑6连接，焊接件固定夹具5‑5安装在轴承连杆5‑7上，在微型电动机5‑2和同步
带5‑4的驱动下绕轴承连杆5‑7的轴心线旋转。

[0009] 所述的探头夹具6包括Z向步进电机6‑1、齿条6‑2、探头连接支座6‑3、齿轮6‑4、Z向行程开关6‑5；超声波探头通过顶丝固定在探头连接支座6‑3中；齿条6‑2固定在探头连接支
座6‑3上；Z向步进电机6‑1固定在探头连接支座6‑3上；Z向步进电机6‑1的输出轴与齿轮6‑4
相连，并通过齿轮6‑4与齿条6‑2的啮合作用驱动探头连接支座6‑3进行Z向运动，从而驱动
超声波探头进行Z向运动；Z向行程开关6‑5安装在探头连接支座6‑3上，实现Z向移动起始点
的定位。

[0010] 本发明的另一目的在于提供一种三层板点焊接头的超声波自动检测方法，包括以下步骤：

[0011] S1、系统连接：将超声探头7激励信号输入输出端与超声波微处理器3网口相连；伺服电机驱动器2通过导线与X向步进电机4‑2、Y向步进电机4‑3和微型电动机5‑2和Z向步进
电机6‑1相连，将伺服电机驱动器2安装在工业计算机1的PCI插口上，将X向行程开关4‑4、Y
向行程开关4‑5和Z向行程开关6‑5与工业计算机1相连；

[0012] S2、调节超声波探头高度：包括以下步骤：

[0013] S2.1、启动系统，工业计算机1对Z向步进电机6‑1发出脉冲信号，将超声波探头的Z向高度调节至初始高度h0，初始高度h0的设定方式为：

[0014] h0＞tmax                                  (1)

[0015] 其中，tmax为待测工件的最大板厚。

[0016] 当超声波探头调节至初始值h0时，Z向行程开关6‑5压入，到达Z向移动起始点；

[0017] S2.2、在工业计算机1中输入焊接件的上层板厚t1，中间层板厚t2和下层板厚t3，工业计算机1根据板厚值自动计算超声波探头在焊接件上表面（A面）检测高度h上。Z向初始值
h0与焊接件上表面（A面）检测高度h上之间的差值即为超声波探头的下移距离hm正；工业计算
机1根据超声波探头的下移距离hm正对Z向步进电机6‑1发出脉冲信号，将超声波探头移动至
焊接件上表面；

[0018] S3、焊接件上表面X、Y向检测起始点的确定：包括以下步骤：

[0019] S3.1、工业计算机1通过伺服电机驱动器2分别对X向步进电机4‑2，Y向步进电机4‑3发出电动脉冲信号，通过X向同步带4‑6和Y向同步带4‑7传动从而驱使探头夹具6在二维滑
移台4上分别沿X向、Y向移动；当X向行程开关4‑4和Y向行程开关4‑5均压入，超声探头7到达
系统零点；

[0020] S3.2、在工业计算机1中输入焊点距系统零件的X向和Y向距离Lx和Ly，工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别沿X向、Y向移动Lx0和Ly0，使超
声探头到达检测起始点O（a 0，0，h上）；

[0021] S4、焊接件上表面（A面）超声波扫描检测：在工业计算机1中输入X向扫描距离Lx1和Y向扫描距离Ly1；工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别
沿X向、Y向在焊接件上表面（A面）上进行往复扫查运动，使探头分别到达检测极限点O（b Lx1，
0，h上），O（c 0，Ly1，h上），并最终到达检测终点O（d Lx1，Ly1，h上）；

[0022] 在X向步进电机4‑2，Y向步进电机4‑3运动的每个步进点，工业计算机1通过超声波微处理器3对超声波探头7发出激励信号，超声波探头7发射并接收超声波信号，并将反射回
波信号反馈回工业计算机1；直至超声波探头7移动到检测终点O（d Lx1，Ly1,h上），焊接件上表
面的超声波扫描检测完成；

[0023] S5、焊接件翻转：包括以下步骤：

[0024] S5.1、工业计算机1通过伺服电机驱动器2控制超声波探头7向上移动，直至Z向行程开关6‑5压入，到达Z向移动起始点；

[0025] S5.2、工业计算机1通过伺服电机驱动器2控制微型电动机5‑2，带动焊接件安装机构5旋转，使焊接件下表面（B面）朝上；

[0026] S5.3、工业计算机1根据板厚值自动计算超声波探头在焊接件下表面（B面）检测高度h下。Z向初始值h0与焊接件下表面（B面）检测高度h下之间的差值即为超声波探头7的下移
距离hm反；工业计算机1根据超声波探头的下移距离hm反对Z向步进电机6‑1发出脉冲信号，将
超声波探头7移动至焊接件下表面（B面）；此时，由于焊接件的翻转，焊接件上、下表面与超
声波探头7的相对位置改变，因此，超声波探头位于焊接件下表面（B面）的检测极限点Ob’
（Lx1，0，h下）；

[0027] S5.4、工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别沿‑X向移动Lx1，使超声探头到达检测起始点Oa’（0，0，h下）；

[0028] S6、焊接件下表面（B面）超声波扫描检测：工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别沿X向、Y向在焊接件下表面（B面）上进行往复扫查运动，使
探头分别到达检测极限点Ob’（Lx1，0，h下），Oc’（0，Ly1，h下），并最终到达检测终点Od’（Lx1，Ly1，
h下）；

[0029] 在X向步进电机4‑2，Y向步进电机4‑3运动的每个步进点，工业计算机1通过超声波微处理器3对超声波探头7发出激励信号，超声波探头7发射并接收超声波信号，并将反射回
波信号反馈回工业计算机1；直至超声波探头移动到检测终点Od’（Lx1，Ly1，h下），焊接件下表
面（B面）的超声波扫描检测完成；

[0030] S7、工业计算机1根据焊接件上表面（A面）和焊接件下表面（B面）上各个步进点的超声A回波信号，对三层板点焊的焊接件上、下连接界面分别进行信号分析和处理，输出焊
接件的质量分析结果。

[0031] 在步骤S2及步骤S5中，超声波探头7在焊接件上表面（A面）检测高度h上及焊接件下表面（B面）的检测高度h下根据焊接件的板厚以及焊接件与轴承连杆5‑7轴心线的相对位置
来确定，其计算方法如下：

[0032] h上=s                                    (2)

[0033] h下=t1+t2+ t3 ‑s                               (3)

[0034] 其中s代表当焊接件上表面（A面）朝上装配时，轴承连杆5‑7轴心线与焊接件上表面（A面）的垂直距离。

[0035] 在步骤S4及S6中，为了确保超声波探头7在焊接件上表面（A面）和焊接件下表面（B面）的检测步距点一一对应，超声波探头7在焊接件上表面（A面）和焊接件下表面（B面）的扫
查路径关系为：

[0036] a、当超声波探头7在焊接件上表面（A面）的移动顺序为：X向移动Lx1→Y向移动Ly1 / N（y Ny为Y向的步进点数量）→X向移动‑Lx1→Y向移动Ly / Ny→X向移动Lx 1……，直至移动至
扫描终点O（d Lx1，Ly1，h上）；

[0037] 则超声波探头7在焊接件下表面（B面）的移动顺序为：X向移动Lx1→Y向移动‑Ly1 / N（y Ny为Y向的步进点数量）→X向移动‑Lx1→Y向移动‑Ly / Ny→X向移动Lx1 ……，直至移动
’
至扫描终点Od（Lx1，Ly1，h下）；

[0038] b、当超声波探头7在焊接件上表面（A面）的移动顺序为：X向移动Lx1/ N（x Nx为X向的步进点数量）→Y向移动Ly1→X向移动Lx1/ Nx→Y向移动‑Ly1→X向移动Lx1/ Nx ……，直至
移动至扫描终点O（d Lx1，Ly1，h上）；

[0039] 则超声波探头7在焊接件下表面（B面）的移动顺序为：X向移动Lx1/ N（x Nx为X向的步进点数量）→Y向移动‑Ly1→X向移动Lx1/ Nx→Y向移动Ly1→X向移动Lx1/ Nx ……，直至移
，
动至扫描终点Od（Lx1，Ly1，h下）。

[0040] 本发明的有益效果在于：检测装置传动方式为步进电机控制的同步带传动，扫描步长量程更小，扫描程度更精确；行程开关的使用使双面扫描的定位点在同一位置，大大降
低了数据分析的误差；三维视图的数据呈现方式使得检测结果更直观。将滑移台、旋转装置
与三层板点焊超声波检测系统相结合，实现自动检测，大大降低扫描误差，提高扫描效率。

附图说明

[0041] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0042] 图1为本发明的三层板点焊超声波全自动检测装置的结构示意图；

[0043] 图2为本发明的二维滑移台结构示意图；

[0044] 图3为本发明的焊接件安装机构结构示意图；

[0045] 图4为本发明的探头夹具结构示意图；

[0046] 图5为本发明的三层板点焊超声波全自动检测方法的数据分析三维图；

[0047] 图6、图7为本发明的三层板点焊超声波全自动检测方法的超声波探头扫描路径，其中图6为上表面（A面）扫描路径，图7为下表面（B面）扫描路径；

[0048] 图8为探头高度调节距离示意图。

[0049] 图中：1、工业计算机；2、伺服电机驱动器；3、超声波微处理器；4、二维滑移台；5、焊接件安装机构；6、探头夹具；7、超声探头；8、水槽；9、检测操作台面；4‑1、探头夹具固定支
架；4‑2、X向步进电机；4‑3、Y向步进电机；4‑4、X向行程开关；4‑5、Y向行程开关；4‑6、X向同
步带；4‑7、Y向同步带；4‑8、Y向滑移台；4‑9、X向滑移台；4‑10、固定支座；5‑1、支架；5‑2、微
型电动机；5‑3、同步带轮；5‑4、同步带；5‑5、焊接件固定夹具；5‑6、轴承；5‑7、轴承连杆；6‑
1、Z向步进电机；6‑2、齿条；6‑3、探头连接支座；6‑4、齿轮；6‑5、Z向行程开关。A1、上层板；
A2、中层板；A3、下层板；A4、熔核；B1、上层板与中层板界面熔核；B2、上层板与中层板界面；
B3、中层板与下层板界面熔核；B2、中层板与下层板界面；C1、探头；C2、夹具旋转轴线；D1、上
表面（A面）；D2、下表面（B面）。

具体实施方式

[0050] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

[0051] 参见图1至图8所示，本发明的三层板点焊接头的超声波自动检测装置及方法，适用于等厚或不等厚三层板点焊超声波检测。对于三层板点焊接头，采用原有的超声波检测
方法存在检测盲区，因此三层板点焊需要双面检测对照分析。本发明通过触碰启动x、y，z方
向行程开关实现扫描起始点定位；通过焊接件固定旋转机构的旋转运动将焊接件翻转，实
现从焊接件的上表面（A面）和下表面（B面）分别进行超声检测；通过特定的运动控制方法保
证上表面（A面）和下表面（B面）检测路径的一致性及检测点的一一对应；并以三维图表示三
层板焊点内部结构。其中检测装置的三维滑移台固定在焊接件固定旋转机构的支架上，探
头夹具固定在二维滑移台上，通过步进电机、同步带传动实现X轴、Y轴方向上的定量移动；
通过行程开关定位移动起始点；步进电机、微型电动机与伺服电机驱动器相连，超声探头激
励信号输入输出端通过网线与超声波微处理器相连。优点在于：解决三层板点焊在超声波
检测中检测盲区问题；采用步进电机，提高超声波检测扫描精度；双面检测点一一对应，减
小后续数据分析误差。思路清晰，设计新颖，便于应用，提高了三层板点焊质量检测的可靠
性与自动化水平。

[0052] 参见图1至图4所示，本发明的三层板点焊接头的超声波自动检测装置，传动方式为步进电机控制的皮带传动，降低最小扫描步长，提高了超声波检测探头扫描的精度；焊接
件安装机构实现双面检测，行程开关的应用与特定的扫描路径保证三层板焊接件上下表面
扫描点一一对应关系，降低了数据分析的误差及繁琐程度。大大提高三层板点焊检测的自
动化程度及超声波检测准确度。本发明包括包括工业计算机1，伺服电机驱动器2，超声波微
处理器3，二维滑移台4，焊接件安装机构5，探头夹具6，超声探头7，水槽8和检测操作台面9。
所述所述工业计算机1通过导线与超声波微处理器3相连；超声波微处理器3通过导线与超
声探头7相连；所述工业计算机1通过导线与伺服电机驱动器2相连；伺服电机驱动器2通过
导线与二维滑移台4上的X向步进电机4‑2和Y向步进电机4‑3相连；伺服电机驱动器2通过导
线与焊接件安装机构5上的微型电动机5‑2相连；伺服电机驱动器2通过导线与探头夹具6上
的Z向步进电机6‑1相连。所述工业计算机1通过导线与二维滑移台4上的X向行程开关4‑4和
Y向行程开关4‑5相连。

[0053] 所述的二维滑移台4包括探头夹具固定支架4‑1、X向步进电机4‑2、Y向步进电机4‑3、X向行程开关4‑4、Y向行程开关4‑5、X向同步带4‑6、Y向同步带4‑7、Y向滑移台4‑8、X向滑
移台4‑9和固定支座4‑10，所述探头夹具固定支架4‑1固定在Y向滑移台4‑8上，并与Y向滑移
台4‑8一起在Y向步进电机4‑3和Y向同步带4‑7的驱动下实现Y向运动；所述Y向滑移台4‑8安
装在X向滑移台4‑9上；所述X向滑移台4‑9安装在固定支座4‑10上，并与X向同步带4‑6固定
在一起，并在X向步进机4‑2及X向同步带4‑6的驱动下实现X向运动；所述X向行程开关4‑4与
X向滑移台4‑9固定在一起，实现X向移动起始点的定位；所述Y向行程开关4‑5与Y向滑移台
4‑8固定在一起，实现Y向移动起始点的定位。

[0054] 所述的焊接件安装机构5的所述的焊接件安装机构5包括支架5‑1，微型电动机5‑2，同步带轮5‑3，同步带5‑4，焊接件固定夹具5‑5，轴承5‑6，轴承连杆5‑7。所述微型电动机
5‑2固定在支架5‑1内，微型电动机5‑2的输出轴与同步带轮5‑3连接，同步带轮5‑3通过同步
带5‑4与轴承5‑6连接，焊接件固定夹具5‑5安装在轴承连杆5‑7上，在微型电动机5‑2和同步
带5‑4的驱动下绕轴承连杆5‑7的轴心线旋转。

[0055] 所述的探头夹具6包括Z向步进电机6‑1、齿条6‑2、探头连接支座6‑3、齿轮6‑4、Z向行程开关6‑5；超声波探头通过顶丝固定在探头连接支座6‑3中；齿条6‑2固定在探头连接支
座6‑3上；Z向步进电机6‑1固定在探头连接支座6‑3上；Z向步进电机6‑1的输出轴与齿轮6‑4
相连，并通过齿轮6‑4与齿条6‑2的啮合作用驱动探头连接支座6‑3进行Z向运动，从而驱动
超声波探头进行Z向运动；Z向行程开关6‑5安装在探头连接支座6‑3上，实现Z向移动起始点
的定位。

[0056] 所述的X向和Y向运动的两个滑轨为微型精密滚珠滑组。X向和Y向的电机均为高精度步进电机。

[0057] 参见图4及图5所示，本发明的三层板点焊接头的超声波自动检测方法，该方法确定了上下表面的扫描点一一对应的关系。包括以下步骤：

[0058] S1、系统连接：将超声探头7激励信号输入输出端与超声波微处理器3网口相连；伺服电机驱动器2通过导线与X向步进电机4‑2、Y向步进电机4‑3和微型电动机5‑2和Z向步进
电机6‑1相连，将伺服电机驱动器2安装在工业计算机1的PCI插口上，将X向行程开关4‑4、Y
向行程开关4‑5和Z向行程开关6‑5与工业计算机1相连；

[0059] S2、调节超声波探头高度：包括以下步骤：

[0060] S2.1、启动系统，工业计算机1对Z向步进电机6‑1发出脉冲信号，将超声波探头的Z向高度调节至初始高度h0，初始高度h0的设定方式为：

[0061] h0＞tmax                                   (1)

[0062] 其中，tmax为待测工件的最大板厚。

[0063] 当超声波探头调节至初始值h0时，Z向行程开关6‑5压入，到达Z向移动起始点；

[0064] S2.2、在工业计算机1中输入焊接件的上层板厚t1，中间层板厚t2和下层板厚t3，工业计算机1）据板厚值自动计算超声波探头在焊接件上表面（A面）检测高度h上。Z向初始值h0
与焊接件上表面（A面）检测高度h上之间的差值即为超声波探头的下移距离hm正；工业计算机
1根据超声波探头的下移距离hm正对Z向步进电机6‑1发出脉冲信号，将超声波探头移动至焊
接件上表面；

[0065] S3、焊接件上表面X、Y向检测起始点的确定：包括以下步骤：

[0066] S3.1、工业计算机1通过伺服电机驱动器2分别对X向步进电机4‑2，Y向步进电机4‑3发出电动脉冲信号，通过X向同步带4‑6和Y向同步带4‑7传动从而驱使探头夹具6在二维滑
移台4上分别沿X向、Y向移动；当X向行程开关4‑4和Y向行程开关4‑5均压入，超声探头7到达
系统零点；

[0067] S3.2、在工业计算机1中输入焊点距系统零件的X向和Y向距离Lx和Ly，工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别沿X向、Y向移动Lx0和Ly0，使超
声探头到达检测起始点O（a 0，0，h上）；

[0068] S4、焊接件上表面（A面）超声波扫描检测：在工业计算机1中输入X向扫描距离Lx1和Y向扫描距离Ly1；工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别
沿X向、Y向在焊接件上表面（A面）上进行往复扫查运动，使探头分别到达检测极限点O（b Lx1，
0，h上），O（c 0，Ly1，h上），并最终到达检测终点O（d Lx1，Ly1，h上）；

[0069] 在X向步进电机4‑2，Y向步进电机4‑3运动的每个步进点，工业计算机1通过超声波微处理器3对超声波探头7发出激励信号，超声波探头7发射并接收超声波信号，并将反射回
波信号反馈回工业计算机1；直至超声波探头7移动到检测终点O（d Lx1，Ly1,h上），焊接件上表
面的超声波扫描检测完成；

[0070] S5、焊接件翻转：包括以下步骤：

[0071] S5.1、工业计算机1通过伺服电机驱动器2控制超声波探头7向上移动，直至Z向行程开关6‑5压入，到达Z向移动起始点；

[0072] S5.2、工业计算机1通过伺服电机驱动器2控制微型电动机5‑2，带动焊接件安装机构5旋转，使焊接件下表面B面朝上；

[0073] S5.3、工业计算机1根据板厚值自动计算超声波探头在焊接件下表面（B面）检测高度h下。Z向初始值h0与焊接件下表面（B面）检测高度h下之间的差值即为超声波探头7的下移
距离hm反；工业计算机1根据超声波探头的下移距离hm反对Z向步进电机6‑1发出脉冲信号，将
超声波探头7移动至焊接件下表面（B面）；此时，由于焊接件的翻转，焊接件上、下表面与超
声波探头7的相对位置改变，因此，超声波探头位于焊接件下表面（B面）的检测极限点Ob’
（Lx1，0，h下）；

[0074] S5.4、工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别沿‑X向移动Lx1，使超声探头到达检测起始点Oa’（0，0，h下）；

[0075] S6、焊接件下表面（B面）超声波扫描检测：工业计算机1通过伺服电机驱动器2驱使探头夹具6在二维滑移台4上分别沿X向、Y向在焊接件下表面（B面）上进行往复扫查运动，使
探头分别到达检测极限点Ob’（Lx1，0，h下），Oc’（0，Ly1，h下），并最终到达检测终点Od’（Lx1，Ly1，
h下）；

[0076] 在X向步进电机4‑2，Y向步进电机4‑3运动的每个步进点，工业计算机1通过超声波微处理器3对超声波探头7发出激励信号，超声波探头7发射并接收超声波信号，并将反射回
波信号反馈回工业计算机1；直至超声波探头移动到检测终点Od’（Lx1，Ly1，h下），焊接件下表
面（B面）的超声波扫描检测完成；

[0077] S7、工业计算机1根据焊接件上表面（A面）和焊接件下表面（B面）上各个步进点的超声A回波信号，对三层板点焊的焊接件上、下连接界面分别进行信号分析和处理，输出焊
接件的质量分析结果。

[0078] 在步骤S2及步骤S5中，超声波探头7在焊接件上表面（A面）检测高度h上及焊接件下表面（B面）的检测高度h下根据焊接件的板厚以及焊接件与轴承连杆5‑7轴心线的相对位置
来确定，其计算方法如下：

[0079] h上=s                                     (2)

[0080] h下=t1+t2+ t3 ‑s                               (3)

[0081] 其中s代表当焊接件上表面（A面）朝上装配时，轴承连杆（5‑7）轴心线与焊接件上表面（A面）的垂直距离。

[0082] 以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，
均应包含在本发明的保护范围之内。