复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法制造方法及图纸

本公开提供了一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法，通过控制六轴机械手带动柔性水包耦合滚轮在复合材料待测表面上运动，使其到达相应的待测点，控制六轴机械手改变姿态，以设定角度发射并接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划，解决了现有曲面复合材料超声检测技术难以实时、准确地跟踪曲面曲率的问题；解决了现有大型曲面复合材料超声检测方法难以对不可拆卸的在役复合材料进行检测的问题，同时提高检测速率，增加系统的自动化程度。

Automatic Nondestructive Testing Device and Method for Composite Curved Surface Structures

【技术实现步骤摘要】
复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法
本公开属于自动化检测领域，涉及一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。复合材料拥有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、新能源汽车、高铁、船舶制造、石油、化工等领域。复合材料在制造和在役过程中，不可避免会出现分层、夹杂、纤维断裂、孔洞等缺陷。据专利技术人了解，目前，一般采用超声波检测的方法对复合材料的质量进行检测。超声检测在针对小型平面等一些形状规则的复合材料时容易实现，但随着复合材料技术的发展，汽车、高铁的车体等一些大型复杂曲面结构的的材料将被复合材料替代。在大型复合材料曲面结构的无损检测领域，公告号为CN102721746A的中国专利技术专利，公开了“一种双机械手超声透射检测装置”，其通过双6自由度的机械手采用超声透射法检测大型曲面复合材料。此种方法采用喷水耦合，增加了实施难度。另外，通常情况下大型曲面复合材料在使用过程中难以拆卸，而此种方法需要同时在复合材料内外两侧安装机械手，并需要导轨带动复合材料运动，所以其难以应用于在役过程中的大型曲面结构复合材料的检测。在对曲面结构的复合材料进行检测时，为保证检测的准确性，需要时刻保持超声探头与曲面法线方向相同。但是，现有的技术都只是依照预先输入的待测复合材料三维模型，此种只采用前馈控制的方法对三维模型的精度要求较高，且检测时容易出现偏差。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法，本公开能够解决现有的超声检测喷水耦合方式难以实施、曲面复合材料超声检测技术难以实时、准确地跟踪曲面曲率，以及现有大型曲面复合材料超声检测方法难以对不可拆卸的在役复合材料进行检测的问题，同时提高检测速率，增加系统的自动化程度，降低检测人员的操作难度和工作强度。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，包括超声检测单元、运动单元以及信号处理单元，其中：所述超声检测单元包括超声收发装置、相控阵传感器和柔性水包耦合滚轮，所述柔性水包耦合滚轮能够沿所述复合材料表面转动而移动，所述相控阵传感器设置于柔性水包耦合滚轮内部轴线上，所述超声收发装置依据相控阵聚焦规则产生激励信号，并接受超声回波信号；所述运动单元包括移动导轨和六轴机械手，所述移动导轨设置在复合材料待测表面上端或旁边，所述六轴机械手能够沿所述移动导轨运动，并带动所述柔性水包耦合滚轮沿检测路径运行，以指定角度检测指定位置复合材料表面；所述信号处理单元，被配置为接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划。作为可能的实施方式，所述柔性水包耦合滚轮为圆柱形结构，且中心轴位置中空且密封，所述超声相控阵传感器设置于所述中心轴处，且除中空部分，柔性水包耦合滚轮内部填充有水。作为可能的实施方式，所述移动导轨的设置位置能够保证不阻挡所述复合材料的待测表面，且所述六轴机械手的活动空间能够覆盖所述待测表面。作为可能的实施方式，所述六轴机械手包括设置于底座上的第一可转动关节，与第一可转动关节转动连接的第二可转动关节，第三可转动关节，以及连接在第二可转动关节和第三可转动关节之间的第一机械臂，连接在第三可转动关节的第二机械臂，与第二机械臂可转动连接的第三机械臂和第四机械臂，所述第三机械臂和第四机械臂之间通过第四可转动关节连接，所述第四机械臂的断臂设置有可转动的机械手，具有六个运行自由度。所述底座设置于移动导轨上，且能够沿移动导轨运动。作为可能的实施方式，所述六轴机械手在移动过程中，保证所述超声相控阵传感器的移动路径与复合材料表面法线方向相同。作为可能的实施方式，所述超声相控阵传感器与所述超声收发装置通过连接线缆连接。作为可能的实施方式，所述信号处理单元对检测路径的控制利用前馈加反馈方法，根据待测曲面复合材料工件的三维模型与相对位置确定初始检测路径以及路径上各点的超声相控阵传感器方向。作为可能的实施方式，通过检测到的各个超声回波飞行时间和幅值实时调整检测路径和传感器角度。作为可能的实施方式，所述信号处理单元与运动控制器连接，所述运动控制器控制所述运动单元的动作，所述运动控制器通过伺服电机驱动所述六轴机械手在所述移动导轨上的移动。基于上述装置的方法，控制六轴机械手带动柔性水包耦合滚轮在复合材料待测表面上运动，使其到达相应的待测点，控制六轴机械手改变姿态，以设定角度发射并接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划。通过检测到的各个超声回波飞行时间和幅值实时调整检测路径和传感器角度时，预先设定超声回波的幅值有效阈值-飞行时间曲线，认为若超声回波的幅值大于相应的飞行时间下的幅值有效阈值时，接收到的超声回波是有效的；或，当在某处接收到超声回波信号后首先计算其第一个波峰的飞行时间和幅值，若幅值大于其飞行时间对应的幅值有效阈值时，认为接收到的超声回波有效，正常进行下面的扫查和缺陷计算；相反，当幅值小于给定阈值时，认为接收到的超声回波无效，及时调整扫查路径和传感器角度重新对该位置进行扫查，直到接收到的超声回波幅值大于给定阈值；或，预先设定重复扫查次数最大值，当对某处重复扫查次数达到所述最大值时，对该位置进行标记，并将所得到的幅值最大的超声回波作为有效超声回波，继续进行下一测点的扫查。与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开采用柔性水包耦合装置解决了现有的喷水耦合技术实施难的问题，移动导轨和六轴机械手组成的7轴运动系统解决了无法拆卸的大型复合材料难以在役检测的问题，集成化的控制系统、缺陷识别定量分析和状态评估系统能降低检测人员的操作难度和工作强度。解决了现有的超声检测喷水耦合方式难以实施的问题；解决了现有曲面复合材料超声检测技术难以实时、准确地跟踪曲面曲率的问题；解决了现有大型曲面复合材料超声检测方法难以对不可拆卸的在役复合材料进行检测的问题，同时提高检测速率，增加系统的自动化程度。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为本实施例的复合材料曲面结构的自动化无损检测系统的结构图。图2为机械手的机械结构图，图中1-6为分别机械手的6个轴，7为机械手底盘。图3(a)(b)为柔性水包耦合装置的结构图；其中，i是充满水的圆柱形耦合水包；ii是探头轴；iii、iv为两个可调节滚轮；v为耦合水包中的超声相控阵探头；图4为本实施例的复合材料曲面结构的自动化无损检测装置工作场景图。其中，a为大型曲面复合材料，b为导轨，c为6轴机械手，d为柔性水包耦合的超声相控阵传感器，e为超声激励与采集装置、f为运动控制器、g为上位机，x为扫查轴，y为步进轴。图5为圆柱型滚轮与其底面平行的切面示意图。其中A是待测复合材料，B是圆柱型滚轮，C是圆柱型滚轮内部空间中装满的水、D是圆柱型滚轮内部空间中位于其轴线上的超声相控阵传感器、E是扫查方向。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本公开作进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：包括超声检测单元、运动单元以及信号处理单元，其中：所述超声检测单元包括超声收发装置、相控阵传感器和柔性水包耦合滚轮，所述柔性水包耦合滚轮能够沿所述复合材料表面转动而移动，所述相控阵传感器设置于柔性水包耦合滚轮内部轴线上，所述超声收发装置依据相控阵聚焦规则产生激励信号，并接受超声回波信号；所述运动单元包括移动导轨和六轴机械手，所述移动导轨设置在复合材料待测表面上端或旁边，所述六轴机械手能够沿所述移动导轨运动，并带动所述柔性水包耦合滚轮沿检测路径运行，以指定角度检测指定位置复合材料表面；所述信号处理单元，被配置为接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：包括超声检测单元、运动单元以及信号处理单元，其中：所述超声检测单元包括超声收发装置、相控阵传感器和柔性水包耦合滚轮，所述柔性水包耦合滚轮能够沿所述复合材料表面转动而移动，所述相控阵传感器设置于柔性水包耦合滚轮内部轴线上，所述超声收发装置依据相控阵聚焦规则产生激励信号，并接受超声回波信号；所述运动单元包括移动导轨和六轴机械手，所述移动导轨设置在复合材料待测表面上端或旁边，所述六轴机械手能够沿所述移动导轨运动，并带动所述柔性水包耦合滚轮沿检测路径运行，以指定角度检测指定位置复合材料表面；所述信号处理单元，被配置为接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划。2.如权利要求1所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述柔性水包耦合滚轮为圆柱形结构，且中心轴位置中空且密封，所述超声相控阵传感器设置于所述中心轴处，且除中空部分，柔性水包耦合滚轮内部填充有水。3.如权利要求1所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述移动导轨的设置位置能够保证不阻挡所述复合材料的待测表面，且所述六轴机械手的活动空间能够覆盖所述待测表面。4.如权利要求1所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述六轴机械手包括设置于底座上的第一可转动关节，与第一可转动关节转动连接的第二可转动关节，第三可转动关节，以及连接在第二可转动关节和第三可转动关节之间的第一机械臂，连接在第三可转动关节的第二机械臂，与第二机械臂可转动连接的第三机械臂和第四机械臂，所述第三机械臂和第四机械臂之间通过第四可转动关节连接，所述第四机械臂的断臂设置有可转动的机械手，具有六个运行自由度。5.如权利要求1所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述底座设置于移动导轨上，且能够沿移动导轨运动；或，所述六轴机械手在移...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜明顺，马蒙源，张法业，张雷，曹弘毅，苏晨辉，隋青美，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37