一种工业级的超声自动扫描成像检测设备制造技术

本发明专利技术属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域中复合材料及金属材料大型结构的工业级的超声自动化扫描成像检测设备。检测设备包括超声自动扫描系统、超声自动扫描控制与成像系统和多通道超声系统。本发明专利技术设计采用多轴并行数控上浮式超静稳扫描机构和超声柔性自适应跟踪阵列声学扫描技术，极大地提高了大型结构的超声自动化扫描成像检测效率和成像质量，可实现不同规格大型复合材料等结构的工业级高效超声自动扫描成像检测，检测分辨率和表面盲区达0.13mm，在20通道检测时，比手工扫查检测效率至少提高50倍，比传统单通道超声自动扫描检测提高20倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域中复合材料及金属材料大型结构的工业级的超声自动化扫描成像检测设备。
技术介绍
目前复合材料等大型结构主要采用脉冲超声垂直纵波穿透/反射检测方法，通过超声换能器向被检测零件发射/接收声波信号，实现缺陷检测。这种检测方法要求超声换能器发射的声波信号沿零件被检测位置点法向方向传播。采用手动和自动两种扫描方式， 通过移动超声换能器实现对被检测零件进行扫描，确保实现100%覆盖检测。在手工扫查检测时，主要是基于超声A-显示信号的变化，由检测人员进行缺陷判别；自动扫描检测时， 则需要通过设计专门的扫描机构和数控系统，对超声换能器进行实时位置、姿态和接近距离的控制，使声波入射方向与被检测零件每个检测位置点法向一致，然后通过专门的信号处理技术和成像技术，以图像方式再现检测结果。扫描控制与扫描轨迹生成方法主要有三种方法示教编程、仿形测量和CAD数模。自动扫描检测设备主要有两大类穿透式和反射式。穿透式超声检测设备采用单通道检测方式；反射式检测设备以单通道为主。针对复合材料等大型结构超声自动扫描检测，现有的超声自动扫描检测设备设计采用刚性超声换能器作为扫描声学单元发射/接收声波信号，换能器自身没有任何姿态与位置调节自适应能力。在扫查过程中，当被检测点位置形面法向改变时，需要通过复杂的数控系统和运动机构实现换能器的姿态和位置调节、控制。其突出的不足是由于飞机复合材料等大型结构几乎没有微观平面特征，在自动扫描过程中，需要不断地实时调节和控制换能器的姿态和扫描位置，才能确保入射声波的方向与当前位置的形面方向一致，实现超声检测信号的发射和接收，被检测零件形面越复杂，换能器的姿态和位置调节复杂，技术成本越高，对设备的数控和坐标轴要求越高，对于翼类复合材料结构，通常至少需要5-6轴联动的复杂扫描机构，才能实现换能器姿态和位置的调节，设备的技术成本和维护成本高，而且这种调节方式，需要先生成扫描轨迹才能实现扫描，工程适用性差。为了实现大型翼类复合材料等结构的100%覆盖检测，现有的超声自动扫描检测设备，首先根据被检测复合材料形面结构几何特征，按给定的缺陷检出要求，按照入射声束取向法则生成扫描轨迹，然后通过超声检测设备数控编程和扫查机构，驱动换能器按生成的扫描轨迹进行扫描检测。现有的超声扫描轨迹生成方法主要有3种(a)示教编程；(b) 仿形测量；(c)利用被检测零件的CAD数模。其显著的不足是扫描跟踪效率十分低，且工程实用性差，复合材料等大型结构在离开模具工装后，零件处于自由状态，其外形与理论模型相差甚远；实际仿形测量和示教编程，效率太低，而且为了防止出错，撞伤零件，必须对所生成的扫描轨迹进行示教测试，例如，对于一个L(长)XW(宽)的大型复合材料结构，需要生成的扫描轨迹M条，每条扫描轨迹需要仿形和测量点的为K，则将有MXLXWXK，在即使对于7000 X 3000mm的翼类复合材料结构，在扫描步距为2mm时，每条扫描轨迹按平均20个特征点采样，则会30000点测量示教点，其测量示教的工作量将十分耗时低效。目前翼类复合材料等大型结构超声自动扫描检测设备主要采用单通道检测，其突出的不足是检测效率非常低，而且被检测零件越复杂，检测效率越低。超声自动扫描过程中，要求换能器与被检测零件之间的接近距离稳定，以获取正确稳定的检测信号，同时防止扫描过程中伤及零件。现有检测设备中，对换能器与被检测零件表面之间的接近距离没有专门的闭环控制。现有的复合材料等结构超声自动扫描机构主要采用型材框架结构，被检测零件立式放置，其突出的不足是扫描机构的刚性不好，χ扫描方向长行程双边驱动同步困难，y方向大跨度挠度变形大，ζ方向扫描颤动大。现有的超声自动扫描成像检测设备，在检测复合材料等大型结构时，其突出的不足是表面检测盲区大、纵向检测分辨率低。目前复合材料等大型结构超声自动扫描检测，多以喷水方式实现声波的耦合，其不足是需要专门的喷水和过滤装置，检测信号易受喷水质量和洁净程度影响，而且往往工程现场水回收过滤困难。针对复合材料等大型结构的无损检测，其突出的不足是需要根据被检测复合材料等结构进行复杂繁琐的数控轨迹编程，检测效率低，工程适用性差，技术成本昂贵，成像效果差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工程适用性好、检测效率高、技术成本低及成像效果好的一种工业级的超声自动扫描成像检测设备。本专利技术的技术解决方案是检测设备包括超声自动扫描系统、超声自动扫描控制与成像系统和多通道超声系统三部分，其中，超声自动扫描系统包括Z向驱动系统、Z向扫描机构、Y向驱动系统、X向驱动系统、Y向扫描机构、χ向扫描机构、χ向辅助支撑、χ扫描机构立柱、零件工作台和地基； 超声自动扫描控制与成像系统包括操作台、超声信号处理及显示计算机单元、XY扫描控制及成像显示计算机单元、Z向距离控制及计算机单元、现场视频监视单元和电气操作面板区；多通道超声单元包括多通道超声发/收单元和超声自适应跟踪阵列换能器。1.)超声自动扫描系统1.1) Z向扫描运动机构Z向扫描运动机构由Z向驱动系统和Z向扫描机构组成。其中，Z向驱动系统包括 Z向伺服电机、Z向减速机和Z向联轴器；Z向扫描机构包括Z向上机械限位器、Z向丝杠座、 Z向安装座、Z向上行程限位器、Z向下行程限位器、Z向丝杠、Z向导轨副、Z向滑枕、Z向下机械限位器、Z向连接轴和Z向机械自适应调整机构。Z向伺服电机通过安装在Z向安装座上的Z向减速机与Z向丝杠连接，Z向减速机的上端与Z向伺服电机连接，Z向减速机的下端与Z向联轴器上端连接，Z向联轴器的下端与Z向丝杆上端连接；Z向丝杆通过两端的Z向丝杠座安装固定，Z向丝杠座通过螺钉与Z 向安装座连接；Z向安装座固定在Z向托板上；Z向托板通过导轨滑块与Y向导轨副连接；Z 向导轨副通过螺纹/螺钉安装在Z向安装座上，且与Z向丝杠同轴平行；Z向滑枕通过丝杠螺母与Z向丝杠连接，并通过滑动轴承安装在Z向导轨副上，在Z向滑枕两端分别设计安装有Z向上机械限位器、Z向下机械限位器、Z向上行程限位器和Z向下行程限位器，Z向上行程限位器和Z向下行程限位器通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台上的Z向距离控制及计算机单元对应的接口端连接；Z向连接轴一端与Z向滑枕连接，另一端与Z向机械自适应调整机构连接；Z向机械自适应调整机构的上端通过螺母/螺钉与Z向滑枕连接，Z向机械自适应调整机构的下端与超声自适应跟踪阵列换能器连接。1. 2) Y向扫描运动机构Y向扫描运动机构由Y向驱动系统和Y向扫描机构组成。其中，Y向驱动系统包括 Y向伺服电机和Y向减速机；Y向扫描机构包括Y梁、Y向导轨副、ζ向托板、Y向伺服电机、 Y向驱动安装座、Y向齿条、Y向齿轮、Y向行程限位器、Y向缓冲器和Y向机械限位器。Y向伺服电机与Y向减速机上端连接，Y向减速机下端安装在Y向驱动安装座上， Y向驱动安装座与Z向托板连接，Y向伺服电机动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台上的XY扫描控制及成像显示计算机单元对应的接口端连接。Y梁的两端分别与Y梁托板连接，Y梁托板通过滑块与X向导轨副连接，Y向导轨副为双滑轨，安装在Y梁上；Y向齿条安装在Y梁的侧面，Y向齿条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘松平，郭恩明，刘菲菲，马志涛，谢富原，赵林，李维涛，孙岩，李乐刚，白金鹏，曹正华，孟秋杰，李冰，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：