一種工業級的超聲自動掃描成像檢測設備的製作方法

2023-04-23 22:54:11

專利名稱：一種工業級的超聲自動掃描成像檢測設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於無損檢測技術，涉及一種用於航空、航天、電子、兵器、船舶、冶金、鋼鐵、交通、建築等領域中複合材料及金屬材料大型結構的工業級的超聲自動化掃描成像檢測設備。
背景技術：
目前複合材料等大型結構主要採用脈衝超聲垂直縱波穿透/反射檢測方法，通過超聲換能器向被檢測零件發射/接收聲波信號，實現缺陷檢測。這種檢測方法要求超聲換能器發射的聲波信號沿零件被檢測位置點法向方向傳播。採用手動和自動兩種掃描方式， 通過移動超聲換能器實現對被檢測零件進行掃描，確保實現100%覆蓋檢測。在手工掃查檢測時，主要是基於超聲A-顯示信號的變化，由檢測人員進行缺陷判別；自動掃描檢測時， 則需要通過設計專門的掃描機構和數控系統，對超聲換能器進行實時位置、姿態和接近距離的控制，使聲波入射方向與被檢測零件每個檢測位置點法向一致，然後通過專門的信號處理技術和成像技術，以圖像方式再現檢測結果。掃描控制與掃描軌跡生成方法主要有三種方法示教編程、仿形測量和CAD數模。自動掃描檢測設備主要有兩大類穿透式和反射式。穿透式超聲檢測設備採用單通道檢測方式；反射式檢測設備以單通道為主。針對複合材料等大型結構超聲自動掃描檢測，現有的超聲自動掃描檢測設備設計採用剛性超聲換能器作為掃描聲學單元發射/接收聲波信號，換能器自身沒有任何姿態與位置調節自適應能力。在掃查過程中，當被檢測點位置形面法向改變時，需要通過複雜的數控系統和運動機構實現換能器的姿態和位置調節、控制。其突出的不足是由於飛機複合材料等大型結構幾乎沒有微觀平面特徵，在自動掃描過程中，需要不斷地實時調節和控制換能器的姿態和掃描位置，才能確保入射聲波的方向與當前位置的形面方向一致，實現超聲檢測信號的發射和接收，被檢測零件形面越複雜，換能器的姿態和位置調節複雜，技術成本越高，對設備的數控和坐標軸要求越高，對於翼類複合材料結構，通常至少需要5-6軸聯動的複雜掃描機構，才能實現換能器姿態和位置的調節，設備的技術成本和維護成本高，而且這種調節方式，需要先生成掃描軌跡才能實現掃描，工程適用性差。為了實現大型翼類複合材料等結構的100%覆蓋檢測，現有的超聲自動掃描檢測設備，首先根據被檢測複合材料形面結構幾何特徵，按給定的缺陷檢出要求，按照入射聲束取向法則生成掃描軌跡，然後通過超聲檢測設備數控編程和掃查機構，驅動換能器按生成的掃描軌跡進行掃描檢測。現有的超聲掃描軌跡生成方法主要有3種(a)示教編程；(b) 仿形測量；(c)利用被檢測零件的CAD數模。其顯著的不足是掃描跟蹤效率十分低，且工程實用性差，複合材料等大型結構在離開模具工裝後，零件處於自由狀態，其外形與理論模型相差甚遠；實際仿形測量和示教編程，效率太低，而且為了防止出錯，撞傷零件，必須對所生成的掃描軌跡進行示教測試，例如，對於一個L(長)XW(寬)的大型複合材料結構，需要生成的掃描軌跡M條，每條掃描軌跡需要仿形和測量點的為K，則將有MXLXWXK，在即使對於7000 X 3000mm的翼類複合材料結構，在掃描步距為2mm時，每條掃描軌跡按平均20個特徵點採樣，則會30000點測量示教點，其測量示教的工作量將十分耗時低效。目前翼類複合材料等大型結構超聲自動掃描檢測設備主要採用單通道檢測，其突出的不足是檢測效率非常低，而且被檢測零件越複雜，檢測效率越低。超聲自動掃描過程中，要求換能器與被檢測零件之間的接近距離穩定，以獲取正確穩定的檢測信號，同時防止掃描過程中傷及零件。現有檢測設備中，對換能器與被檢測零件表面之間的接近距離沒有專門的閉環控制。現有的複合材料等結構超聲自動掃描機構主要採用型材框架結構，被檢測零件立式放置，其突出的不足是掃描機構的剛性不好，χ掃描方向長行程雙邊驅動同步困難，y方向大跨度撓度變形大，ζ方向掃描顫動大。現有的超聲自動掃描成像檢測設備，在檢測複合材料等大型結構時，其突出的不足是表面檢測盲區大、縱向檢測解析度低。目前複合材料等大型結構超聲自動掃描檢測，多以噴水方式實現聲波的耦合，其不足是需要專門的噴水和過濾裝置，檢測信號易受噴水質量和潔淨程度影響，而且往往工程現場水回收過濾困難。針對複合材料等大型結構的無損檢測，其突出的不足是需要根據被檢測複合材料等結構進行複雜繁瑣的數控軌跡編程，檢測效率低，工程適用性差，技術成本昂貴，成像效果差。

發明內容
本發明的目的是提供一種工程適用性好、檢測效率高、技術成本低及成像效果好的一種工業級的超聲自動掃描成像檢測設備。本發明的技術解決方案是檢測設備包括超聲自動掃描系統、超聲自動掃描控制與成像系統和多通道超聲系統三部分，其中，超聲自動掃描系統包括Z向驅動系統、Z向掃描機構、Y向驅動系統、X向驅動系統、Y向掃描機構、χ向掃描機構、χ向輔助支撐、χ掃描機構立柱、零件工作檯和地基； 超聲自動掃描控制與成像系統包括操作臺、超聲信號處理及顯示計算機單元、XY掃描控制及成像顯示計算機單元、Z向距離控制及計算機單元、現場視頻監視單元和電氣操作面板區；多通道超聲單元包括多通道超聲發/收單元和超聲自適應跟蹤陣列換能器。1.)超聲自動掃描系統1.1) Z向掃描運動機構Z向掃描運動機構由Z向驅動系統和Z向掃描機構組成。其中，Z向驅動系統包括 Z向伺服電機、Z向減速機和Z向聯軸器；Z向掃描機構包括Z向上機械限位器、Z向絲槓座、 Z向安裝座、Z向上行程限位器、Z向下行程限位器、Z向絲槓、Z嚮導軌副、Z向滑枕、Z向下機械限位器、Z向連接軸和Z向機械自適應調整機構。Z向伺服電機通過安裝在Z向安裝座上的Z向減速機與Z向絲槓連接，Z向減速機的上端與Z向伺服電機連接，Z向減速機的下端與Z向聯軸器上端連接，Z向聯軸器的下端與Z向絲杆上端連接；Z向絲杆通過兩端的Z向絲槓座安裝固定，Z向絲槓座通過螺釘與Z 向安裝座連接；Z向安裝座固定在Z向託板上；Z向託板通過導軌滑塊與Y嚮導軌副連接；Z 嚮導軌副通過螺紋/螺釘安裝在Z向安裝座上，且與Z向絲槓同軸平行；Z向滑枕通過絲槓螺母與Z向絲槓連接，並通過滑動軸承安裝在Z嚮導軌副上，在Z向滑枕兩端分別設計安裝有Z向上機械限位器、Z向下機械限位器、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向下行程限位器通過連接線與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺上的Z向距離控制及計算機單元對應的接口端連接；Z向連接軸一端與Z向滑枕連接，另一端與Z向機械自適應調整機構連接；Z向機械自適應調整機構的上端通過螺母/螺釘與Z向滑枕連接，Z向機械自適應調整機構的下端與超聲自適應跟蹤陣列換能器連接。1. 2) Y向掃描運動機構Y向掃描運動機構由Y向驅動系統和Y向掃描機構組成。其中，Y向驅動系統包括 Y向伺服電機和Y向減速機；Y向掃描機構包括Y梁、Y嚮導軌副、ζ向託板、Y向伺服電機、 Y向驅動安裝座、Y向齒條、Y向齒輪、Y向行程限位器、Y向緩衝器和Y向機械限位器。Y向伺服電機與Y向減速機上端連接，Y向減速機下端安裝在Y向驅動安裝座上， Y向驅動安裝座與Z向託板連接，Y向伺服電機動力線和編碼器輸出分別與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺上的XY掃描控制及成像顯示計算機單元對應的接口端連接。Y梁的兩端分別與Y梁託板連接，Y梁託板通過滑塊與X嚮導軌副連接，Y嚮導軌副為雙滑軌，安裝在Y梁上；Y向齒條安裝在Y梁的側面，Y向齒條與Y向齒輪通過齒條-齒輪咬合實現動態連接，Y向齒輪與Y向減速機連接；在Y梁兩端設計有Y向行程限位器、Y向緩衝器和Y向機械限位器，Y向行程限位器通過其連接線分別與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺上的XY掃描控制及成像顯示計算機單元對應的接口端連接。1. 3) X向掃描運動機構X向掃描運動機構由X向驅動系統、X向掃描機構、X向輔助支撐、零件工作檯組成。 其中，X向驅動系統包括X向伺服電機和X向減速機，採用雙邊驅動形式，在X向掃描機構的兩平行X方向各一組；X向掃描機構包括Y梁託板、χ向驅動安裝座、χ向齒條、χ向齒輪、 光柵尺、χ嚮導軌副、χ梁、χ向行程限位器、X向緩衝器和X向機械限位器，採用上浮式雙邊平行對稱結構形式。X向伺服電機與X向減速機的一端連接，X向減速機安裝在X向驅動安裝座，X向減速機的另一端與X向齒輪，χ向伺服電機動力線和編碼器輸出分別與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺上的XY掃描控制及成像顯示計算機單元對應的接口端連接；X向驅動安裝座安裝在Y梁託板上；X向齒條安裝在X梁外側，齒條與齒輪通過齒條-齒輪咬合實現動態連接，光柵尺安裝在X梁的上側，光柵尺編碼輸出與操作臺中的XY掃描控制及成像顯示計算機單元對應的接口端連接；X嚮導軌副採用雙導軌，X嚮導軌副安裝在X梁上側，通過導軌滑塊與Y梁託板連接。X梁由兩平行的鋼製結構設計而成，安裝在X掃描機構立柱上端，並通過X向輔助支撐將X梁與X掃描機構立柱連接，在X梁上側兩端設計有X向行程限位器、X向緩衝器和 X向機械限位器，實現X方向極限位置機械保護和行程限位保護，X向行程限位器通過其連接線分別與操作臺中的XY掃描控制及成像顯示計算機單元對應的接口端連接。X向輔助支撐位於X梁下方，通過螺母/螺栓分別與X梁和X掃描機構立柱連接。X掃描機構立柱採用穩固鋼製結構設計加工而成，雙排平行布局，採用等距離均布，每個X掃描機構立柱的上端與X梁通過螺母/螺栓連接，每個X掃描機構立柱的下端採用拉頂連接與地基相連，立柱的數量可以根據被檢測零件的大小確定。
零件工作檯採用鋁型材設計加工而成，組合式框架結構，分成兩排多組，每組通過帶自鎖的滾輪可在地基底面上的鋼軌上移動和鎖緊，每組工作檯的臺面均採用輕質鋁蜂窩夾層結構製造而成，在臺面設計有軟泡沫層，被檢測零件放置在工作檯上，可以根據被檢測零件的大小組合工作檯。地基包括X立柱基座、工作檯滑軌和下水道，其中X立柱基座採用地坑鋼筋水泥澆灌而成，通過預埋螺栓與安裝面鋼板連接，根據X梁立柱布局，X掃描機構立柱與各自對應的安裝面鋼板螺栓採用拉頂結構連接；工作檯滑軌採用鋼製結構，四排或多排，按工作檯下方的滑輪位置，通過地面預埋螺栓連接固定；在X立柱基座內側四周設計有回收地下水道， 用於回收自動掃描檢測過程中的水膜耦合產生的水，設計水膜耦合，耗水量很小，無需水循環過濾系統。2.)超聲自動掃描控制與成像系統2. 1)操作臺採用組合式結構，分為組，超聲信號處理及顯示計算機單元、XY掃描控制及成像顯示計算機單元、Z向距離控制及計算機單元、現場視頻監視單元、電氣操作面板區；超聲信號處理及顯示計算機單元包括超聲信號數位化處理單元、信號I/O接口電路和計算機顯示單元，來自多通道超聲發/收單元1輸出埠的超聲信號分別與超聲信號處理及顯示計算機單元連接，實現對每個檢測通道的超聲信號顯示和超聲特徵參數的設置。2. 2) XY掃描控制及成像顯示計算機單元XY掃描控制及成像顯示計算機單元由X軸和Y軸伺服控制放大器、數控單元、超聲數位訊號變換單元、成像顯示計算機組成。X軸伺服控制放大器和Y軸伺服控制放大器分別與X向伺服電機和Y向伺服電機配套，安裝在操作臺內；數控單元採用開放式多軸數控系統，實現X軸和Y軸的掃描運動控制，數控主卡安裝在工控機內部，接口板安裝在機櫃內，兩者通過信號電纜連接，來自X、Y 及Z向交流電機的編碼器和X向光柵尺的位置反饋信號分別通過各自的線纜與對應的數控單元的中位置數據接口連接，獲取位置反饋信號；來自X向行程限位器和Y向行程限位器的行程限位信號分別通過各自的線纜與對應的數控單元中限位控制接口連接。超聲數位訊號變換單元對經前置處理和特徵信號變換後的多通道超聲檢測信號進行實時數位化處理；所述的多通道掃描超聲檢測信號實時數位化處理步驟是，1)並行數據單元頻率、通道設置與通信自檢；幻並行數據採集；；3)各通道數據緩存/刷新；4)數據讀請求判斷；5)如無請求讀數據，重複步驟2) 4) ； (6)如請求讀數據，發送數據；7)掃描結束標誌信號判斷；8)如掃描結束，結束數據採集；(8)如掃描未結束，重複步驟2) 5)。成像顯示計算機通過計算機編程實現XY自動掃描檢測參數設置與操作控制、超聲數位訊號變換以及自動掃描成像檢測、結果顯示、記錄；所述的自動掃描成像檢測流程步驟是，1)啟動水膜耦合單元和多通道超聲單元；幻掃描系統通信、閉環自檢；幻設置檢測特徵參數；4)檢測通道選擇與參數設置；5)XYZ掃描系統通信自檢；6)判斷Z向跟蹤標誌信號；7)如Z向跟蹤標誌信號無效，按換能器Z向位置調節的步驟調節換能器Z向位置；8)如 Z向跟蹤標誌信號有效，按多通道超聲檢測信號顯示與參數設置步驟設置超聲參數；9)設置XY掃描參數起點/終點、步進、速度、掃描範圍；10)選擇插補掃描模式；11)設置掃描標誌信號；12)開始掃描；13)掃描結束判斷；14)如掃描結束，清除掃描標誌信號；15)保存結果；16)結束；17)如掃描未結束，重複步驟12)和13)。所述的多通道超聲檢測信號顯示與參數設置的步驟是，1)超聲單元頻率、增益、時序初始化與通信自檢；2)判斷Z向距離調節是否到位；3)如Z向距離調節不到位，進行Z向距離調節；4)如Z向距離調節到位，判斷信號顯示是否正常；5)如信號顯示正常，設置每個檢測通道增益、閘門、頻率等參數；6)保存參數；7)結束；8)如信號顯示不正常，檢查超聲單元及參數設置、換能器單元、水膜耦合迴路，然後重複步驟幻 7)。2. 3) Z向距離控制及計算機單元Z向距離控制及計算機單元包括Z軸伺服控制放大器、數控單元、Z軸雷射測距單元及計算機，Z軸伺服控制放大器與Z向伺服電機匹配，Z軸伺服控制放大器安裝在操作臺內，通過動力線和編碼線分別與Z向伺服電機對應接口連接，Z軸伺服放大器的控制端通過接口電路與開放式數控單元連接。數控單元採用開放式數控系統，數控單元安裝在工控機內部，數控單元與接口板通過信號電纜連接，Z向伺服電機編碼器的位置反饋信號通過線纜與數控單元中的位置數據接口連接，獲取位置反饋信號，來自Z向上行程限位器和Z向下行程限位器的行程限位信號分別通過各自的線纜與數控單元中限位控制接口連接，實現Z向行程極限位置控制；由數控單元對超聲自適應跟蹤陣列換能器在Z軸方向運動距離進行調節，或利用安裝在超聲自適應跟蹤陣列換能器上的雷射測距信號，沿Z軸方向進行實時距離跟蹤；所述的換能器Z 軸方向運動距離調節的步驟是，l)z向運動控制系統通信、閉環、I變量初始化；幻判斷Z向距離是否合適；3)需要上移時設置上移範圍；4)Z軸方向上移到設置的範圍；5)需要下移時設置下移範圍；6)Z軸方向下移到設置的範圍；7)設置Z軸方向運動距離調節到位結束標誌；8)結束Z軸方向位置調節。3.)多通道超聲系統多通道超聲系統由多通道超聲發/收單元和超聲自適應跟蹤陣列換能器組成，多通道超聲發/收單元安裝在Y梁的一端，多通道超聲發/收單元的輸出端通過屏蔽電纜與超聲自動掃描控制與成像系統的操作臺上的超聲信號處理及顯示計算機單元中相應的接口連接，多通道超聲發/收單元的輸入端通過屏蔽信號電纜與超聲自適應跟蹤陣列換能器中的各檢測通道對應的超聲換能器連接，超聲自適應跟蹤陣列換能器通過連接接口與Z向機械自適應調整機構連接。所述的現場視頻監視單元由路CXD攝像頭、1個視頻分屏器和1個顯示器組成4路視頻監視系統，其中，2路CCD攝像頭分別安裝在X梁和Y梁上，2路來自超聲自適應跟蹤陣列換能器，實時在操作臺對檢測視場不同角度和超聲換能器工作狀態進行監視。所述的電氣操作面板區由X、Y、Z軸操作控制開關、耦合供水開關、設備電源、操作開關和指示燈組成，位於操作臺上，用於設備的操作控制和工作狀態指示。所述的Z軸雷射測距單元由多路測距信號數字轉化和接口電路組成，其中多路測距信號數字轉化採用並行板卡方式，安裝在Z向距離控制及計算機單元中的計算機插槽上，通過PCI總線訪問數據，接口電路安裝在操作臺內部相應位置，Z軸雷射測距單元提供 X、Y方向雷射測距信號。本發明具有的優點和有益效果，本發明針對複合材料等大型結構超聲反射法自動掃描檢測特點和要求，提出了換能器自適應形面跟蹤和位置數控掃描的方法，實現了曲面零件自適應跟蹤自動掃描，降低了超聲自動掃描系統複雜程度和數控難度及技術成本，提高了掃描檢測設備的工程實用性。本發明針對現有超聲自動掃描檢測設備曲面掃描軌跡生成方法效率低和工程實用性差等嚴重不足，提出了基於自適應形面跟蹤超聲換能器的掃描軌跡生成方法，無需進行大量複雜低效的掃描軌跡編程和仿形示教，其掃描軌跡的生成工作量不及原來的萬分之一，使超聲自動掃描軌跡生成效率極大提高，特別適合複合材料等大型結構的工業級檢測應用，工程實用性更強。本發明針對複合材料等大型結構高效超聲自動掃描成像檢測，設計採用超聲柔性自適應跟蹤陣列聲學掃描技術，提出了新型陣列超聲面積掃描方法，提高了單位時間內的掃描面積，使檢測效率比傳統超聲自動檢測方法至少提高15-20倍，比傳統人工檢測提高 50-80倍以上。本發明針對複合材料等大型結構超聲自動掃描過程中，對換能器與被檢測零件之間的接近距離控制和零件防護要求，提出了基於雷射多點測距的閉環控制方法，設計採用超聲自適應陣列換能器，實現了換能器等接觸距離掃描，以及零件開口邊緣區、周邊邊緣及厚度變化區的掃描，顯著提高了對複合材料等大型結構自動掃描覆蓋檢測範圍。本發明針對複合材料等大型結構超聲自動掃描成像檢測要求，設計採用上浮式超靜輕穩結構和多軌輕慣量剛性傳動結構，克服了長行程同步驅動難、大跨度變形大和掃描顫動等現有技術嚴重不足，為複合材料等大型結構超聲自動掃描檢測系統的設計製造提供了工業級掃描機構設計方法和結構形式。設計採用高解析度超聲技術和換能器技術，可對陣列掃描聲束進行任意覆蓋組合，每個檢測通道的縱向解析度和表面檢測盲區可以達到單個複合材料鋪層厚度(約 0. 13mm)。設計採用水膜耦合技術，耗水量小，無需過濾，對水質無特殊要求。


圖1是本發明高效超聲自動掃描控制與成像系統的示意圖； 圖2是本發明高效超聲自動掃描控制與成像系統構成的示意圖； 圖3是本發明多通道超聲系統構成的示意圖； 圖4是本發明Z向運動機構的示意圖； 圖5是本發明Y向掃描機構的示意圖； 圖6是本發明Y向限位保護的示意圖； 圖7是本發明X向掃描機構的示意圖； 圖8是本發明X向限位保護的示意圖； 圖9是本發明Z向位置調節流程的示意圖； 圖10是本發明多通道超聲信號顯示與設置流程的示意圖； 圖11是本發明多通道超聲檢測數據提取流程的示意圖； 圖12是本發明Z向距離自動跟蹤控制流程的示意圖； 圖13是本發明自動掃描成像檢測流程的示意圖。
具體實施例方式下面結構附圖對本發明作詳細說明。本發明主要由超聲自動掃描系統(圖1)、超聲自動掃描控制與成像系統(圖2)和多通道超聲系統(圖3)三部分組成。其中，高效超聲自動掃描系統由Z向驅動系統2、Z向運動機構3、Y向驅動系統4、Χ向驅動系統5、Υ向掃描機構6、Χ向掃描機構8、Χ向輔助支撐9、Χ掃描機構立柱10、零件工作檯11和地基12組成；高效超聲自動掃描控制與成像系統由操作臺13、超聲信號處理及顯示計算機單元(14 和1 、XY掃描控制及成像顯示計算機單元16、Ζ向距離控制及計算機單元17、現場視頻監視單元18和電氣操作面板區19組成；多通道超聲系統由多通道超聲發/收單元1和超聲自適應跟蹤陣列換能器7構成η個超聲通道Ch1-Ctv一、多通道超聲系統多通道超聲系統由多通道超聲發/收單元1和超聲自適應跟蹤陣列換能器7組成，參見圖3，構成η個超聲通道Ch1-Ctv一 . 1多通道超聲發/收單元1可以採用北京航空製造工程研究所生產的UPower-I系列超聲單元構成多通道超聲發/收單元，也可以市購具有多通道功能的超聲儀器，構成多通道超聲發/收單元。多通道超聲發/收單元1安裝在Y梁34的一端，參見圖1。多通道超聲發/收單元1的輸出端通過屏蔽電纜與超聲自動掃描控制與成像系統的操作臺13中上的超聲信號處理及顯示計算機單元(14、15)中相應的接口連接，參見圖3。多通道超聲發/收單元1的輸入端通過屏蔽信號電纜與超聲自適應跟蹤陣列換能器7中的各檢測通道對應的超聲換能器連接，採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425. 5)，實現超聲檢測信號的發射/接收，多通道超聲發/收單元的輸出信號通過信號傳輸電纜與操作櫃13中相應超聲信號處理及顯示計算機單元(14、15) 中標準接口連接，參見圖2和圖3。一 . 2超聲自適應跟蹤陣列換能器7超聲自適應跟蹤陣列換能器7採用發明名稱為「超聲自適應跟蹤掃描陣列換能器」(申請號201110053880. 5)，超聲自適應跟蹤陣列換能器7通過連接接口與Z向機械自適應調整機構33連接，參見圖3和圖4。根據被檢測材料結構的大小和檢測效率要求，可以選配不同通道的超聲自適應跟蹤陣列換能器，用於自動掃描檢測過程中的多通道超聲信號發/收單元和形面自適應跟蹤，每個換能器單元都能夠地根據被檢測點位置獨立進行姿態和接近距離的自適應調節， 以保證每個通道換能器陣列發射的聲束方向與其所在的檢測點位置方向一致，實現聲波信號的正常發射和接收，形成覆蓋聲場，實現大面積聲束掃描，提高單位時間內有效檢測面積，提高檢測效率。自動掃描過程中，超聲自適應跟蹤陣列換能器7根據被檢測零件形面進行姿態和接近距離的自適應調節，不需要進行專門的數控編程控制和掃描軌跡示教，換能器表面檢測盲區和縱向解析度可以達到單個複合材料鋪層厚度(約0.13mm)；換能器自身具有一定的自適應爬坡功能，在自動掃描過程中，超聲自適應跟蹤陣列換能器7中每個換能器陣列都能自動爬越被檢測零件邊緣和開口區，而不會影響自動掃描檢測；超聲自適應跟蹤陣列換能器7自身具有多通道水膜耦合形成裝置和功能，只需將外圍供水管路沿X、Y、 Z軸的管攬護套連接到其接口即可，供水流和供水量通過外接的電磁閥門和供水閥控制，通過超聲自適應跟蹤陣列換能器7即可在被檢測零件表面形成耦合水膜，實現聲波的耦合， 而不需專門的水過濾設計，耗水量也非常小。二、超聲自動掃描系統超聲自動掃描系統由Z向掃描運動機構、Y向掃描運動機構和X向掃描運動機構組成。其中，ζ向掃描運動機構包括Z向驅動系統2和Z向掃描機構3 ；Y向掃描運動機構包括Y向驅動系統4和Y向掃描機構6 ；X向掃描運動機構包括X向驅動系統5、X向掃描機構8、X向輔助支撐9、X掃描機構立柱10和零件工作檯11。二 . IZ向掃描運動機構Z向掃描運動機構由Z向驅動系統2和Z向掃描機構3組成。其中，Z向驅動系統 2包括Z向伺服電機20、Z向減速機21和Z向聯軸器22 ；Z向掃描機構3包括Z向上機械限位器23、Z向絲槓座M、Z向安裝座25、Z向上行程限位器TA、1向下行程限位器27、Z向絲槓28、Z嚮導軌副29、Z向滑枕30、Z向下機械限位器31、Z向連接軸32和Z向機械自適應調整機構33，參見圖4。Z向伺服電機20 採用交流伺服電機，與安裝在Z向安裝座25上的Z向減速機21 連接，Z向伺服電機20的編碼器作為Z向運動位置反饋，用於超聲自適應跟蹤陣列換能器7 的Z向距離調節，參見圖4。採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425. 5)，將伺服電機20動力線和編碼器輸出分別與操作臺13中的Z向距離控制及計算機單元17對應的接口端連接，參見圖2。Z向減速機21 上端與Z向伺服電機四連接，其下端與聯軸器22連接；連接聯軸器22 其上端與減速機21連接，其下端與絲杆觀上端連接；絲槓座M 在絲槓M的兩頭各一個，分別通過螺紋/螺釘與Z軸安裝座25連接， 用於固定絲槓觀；Z軸安裝座25 通過螺紋/螺釘與Z軸託板36連接；Z向上行程限位器沈採用市售機械式行程開關，安裝在Z軸安裝座25上，Z向上行程限位器沈通過連接線與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺13上的Z向距離控制及計算機單元17對應的接口端連接，提供Z向上行程限位控制信號；Z向下行程限位器27 採用市售機械式行程開關，安裝在Z軸安裝座25上，Z向下行程限位器27通過連接線與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺13下的Z向距離控制及計算機單元17對應的接口端連接，提供Z向下行程限位控制信號；絲槓28 通過上下絲槓座24，安裝在Z軸安裝座25上；導軌副四通過螺紋/螺釘安裝在Z軸安裝座25上，且與絲槓28同軸平行；Z向滑枕30 通過絲槓螺母與絲槓28連接，並通過滑動軸承安裝在導軌副四上；Z向下機械限位器31 安裝在Z向滑枕30的上下兩端，提供Z向運動極限位置機械保護；連接軸32 上端通過螺母/螺釘與Z向滑枕30連接，下端通過螺母/螺釘與機械自適應調整機構33連接；機械自適應調整機構33 上端通過螺母/螺釘與Z向滑枕32連接，下端通過螺母 /螺釘接口與超聲自適應跟蹤陣列換能器7連接。二 . 2Y向掃描運動機構
Y向掃描運動機構由Y向驅動系統4和Y向掃描機構6組成。其中，Y向驅動系統4包括Y向伺服電機37和Y向減速機38 ；Y向掃描機構6包括Y梁34、Y嚮導軌副35、 Z向託板36、Y向伺服電機37、Y向驅動安裝座39、Y向齒條40、Y向齒輪41、Y向行程限位器42、Y向緩衝器43和Y向機械限位器44。Y梁34 採用輕質鋼結構，按照超輕穩剛性設計製造而成，其兩端通過螺母/螺釘分別與Y梁託板47連接，參見圖7 ；Y梁長度可根據被檢測零件結構尺寸設計，其形成範圍即為Y方向掃描範圍，參見圖1和圖5;導軌副35 採用雙滑軌，安裝在Y梁34上，其長度可根據被檢測零件結構尺寸設計，其形成範圍即為Y方向掃描範圍，參見圖1和圖5 ；Z軸託板(36)通過鋼製結構設計而成，其下端通過導軌滑塊與Y嚮導軌副35連接，其上端通過螺母/螺釘與Z向安裝座25連接，參見圖4 ；伺服電機37 驅動Y方向掃描，採用交流伺服電機，與Y向減速機38上端連接，參見圖4。Y向伺服電機37動力線和編碼器輸出分別與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺13上的XY掃描控制及成像顯示計算機單元16對應的接口端連接，Y向伺服電機37的編碼器作為Y向掃描運動位置反饋，用於超聲自適應跟蹤陣列換能器7的Y向掃描範圍控制；Y向減速機38 通過標準機械接口和螺母/螺紋連接安裝在Y向驅動安裝座39上， Y向減速機38上端與Y向伺服電機37連接，參見圖5。Y向驅動安裝座39 通過標準機械接口和螺母/螺紋與Z軸託板36連接，參見圖 5 ；Y向齒條40 安裝Y梁34側面，其長度可根據被檢測零件結構尺寸設計，其形成範圍即為Y方向掃描範圍，參見圖1和圖5。Y向齒輪41 與Y向減速機38連接，通過齒條-齒輪咬合實現與Y向齒條40的動態連接，參見圖5。Y向行程限位器42 採用市售機械式形成開關，安裝在Y梁34的兩端，通過連接線與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺13上的Y向距離控制及計算機單元16對應的接口端連接，提供Y向上行程限位控制信號；Y向緩衝器43 與Y向機械限位器44 一端連接，形成Y向運動極限位置機械保護緩衝；Y向機械限位器44 安裝在Y梁34的兩端，一端與Y向緩衝器43連接，提供Y向運動極限位置機械保護；二 . 3X向掃描運動機構X向掃描運動機構由X向驅動系統5、X向掃描機構8、X向輔助支撐9、X掃描機構立柱10、零件工作檯11和地基12組成，採用上浮式超靜輕穩結構和多軌輕慣量剛性設計。X向驅動系統5由X向伺服電機45和X向減速機46，採用雙邊驅動形式，在X向掃描機構8的兩平行X方向各一組X向伺服電機45 採用伺服電機，與X向減速機46通過其標準的機械接口和螺母 /螺紋連接，在兩平行X方向各一組，採用雙邊驅動，參見圖1和圖6 ；X向減速機46 通過其標準的機械接口和螺母/螺紋連接，安裝在X向驅動安裝板上，X向減速機46的一端與X向伺服電機45相連，在兩平行X方向各一組，採用雙邊驅動， 參見圖1和圖6。X向掃描機構8包括Y梁託板47、X向驅動安裝座48、X向齒條49、X向齒輪50、 光柵尺51、X嚮導軌副52、X梁53、X向行程限位器M、X向緩衝器55和X向機械限位器56 組成。採用上浮式雙邊平行對稱結構形式Y梁託板47 採用鋼質平板結構設計加工而成，在兩平行X方向各一組，通過螺母 /螺栓與Y梁34連接，同時通過滑塊與X嚮導軌副52連接，參見圖1和圖5 ；X向驅動安裝座48 採用鋼質結構設計而成，安裝在Y梁託板47上；X向齒條49 安裝在X梁53外側，在兩平行X方向各一組，參見圖1和圖6，X向齒條長度可根據實際被檢測零件結構的尺寸設計確定，其有效行程即為X方向掃描範圍，參見圖1 ；X向齒輪50 安裝在X向減速機46輸出軸上，參見圖1和圖6 ；光柵尺51 安裝在X梁53上方，用於反饋超聲換能器掃描檢測X方向位置，在兩平行X方向各一組，參見圖1和圖6，其有效行程即為X方向掃描範圍，參見圖1。光柵尺51 的輸出作為X向掃描位置閉環反饋，用於超聲自適應跟蹤陣列換能器的X向掃描位置控制， 參見圖1和圖6 ；採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425. 5)，將光柵尺51編碼輸出分別與操作臺13 中的XY掃描控制及成像顯示計算機單元16對應的接口端連接；X嚮導軌副52 採用雙導軌，安裝在X梁53上方，通過導軌滑塊與Y梁託板47連接，在兩平行X方向各一組，參見圖1和圖6，其有效行程即為X方向掃描範圍，參見圖1 ；X梁53 由兩平行的鋼製結構設計而成，安裝在X掃描機構立柱10上端，並通過X 向輔助支撐9將X梁53與X掃描機構立柱10連接，參見圖1 ；X向行程限位器M 採用市售機械式形成開關，安裝在X梁53的兩端，參見圖1和圖8，通過連接線與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺13上的X向距離控制及計算機單元16對應的接口端連接，提供X向行程限位控制信號；X向緩衝器55 與X向機械限位器56 —端連接，形成X向運動極限位置機械保護緩衝，參見圖8;X向機械限位器56 安裝在X梁53的兩端，一端與X向緩衝器55連接，提供X向運動極限位置機械保護，參見圖8。X向輔助支撐9 位置每個立柱沿X梁53長度方向兩側，通過螺母/螺栓接口分別與X梁53和X掃描機構立柱10連接，形成輔助支撐和穩定作用，參見圖1。X掃描機構立柱10 採用穩固鋼製結構設計加工而成，雙排平行布局，採用等距離均布，每個立柱上端與X梁53通過螺母/螺栓連接，下端採用拉頂連接與地基12相連，立柱的數量可以根據被檢測零件的大小確定，參見圖1。零件工作檯11 採用鋁型材設計加工而成，組合式框架結構，分成兩排多組，每組通過帶自鎖的滾輪可在地基12底面上的鋼軌上移動和鎖緊，每組工作檯的臺面均採用輕質鋁蜂窩夾層結構製造而成，在臺面設計有軟泡沫層，被檢測零件放置在工作檯上，可以根據被檢測零件的大小組合工作檯，參見圖1。地基12:包括X立柱基座、工作檯滑軌和下水道，參見圖1。其中，X立柱基座採用地坑鋼筋水泥澆灌而成，通過預埋螺栓與安裝面鋼板連接，根據X梁立柱10布局，X掃描機構立柱10與各自對應的安裝面鋼板螺栓採用拉頂結構連接；工作檯滑軌採用鋼製結構，四排或多排，按工作檯下方的滑輪位置，通過地面預埋螺栓連接固定；在X立柱基座內側四周設計有回收地下水道，用於回收自動掃描檢測過程中的水膜耦合產生的水。三、超聲自動掃描控制與成像系統超聲自動掃描控制與成像系統由操作臺13、超聲信號處理及顯示計算機單元14 和15、XY掃描控制及成像顯示計算機單元16、Z向距離控制及計算機單元17、現場視頻監視單元18和電氣操作面板區19組成。三.1操作臺13採用板金結構設計加工而成，組合式結構，移動安裝，共分5組，參見圖2，分別用於安裝超聲信號處理及顯示計算機單元14和15、XY掃描控制及成像顯示計算機單元16、Ζ 向距離控制及計算機單元17、現場視頻監視單元18、電氣操作面板區19以及全部電機電氣控制器件和交直流電源變換單元等。採用380V工作電源，提供AC 220V、AC 200V、DC+5V、 DC+12V/-12V、DC+24V 多路電源輸出。三.2超聲信號處理及顯示計算機單元14和15超聲信號數位化處理單元、信號I/O接口電路、計算機顯示單元等幾部分組成。來自多通道超聲發/收單元1的超聲信號通過各自I/O接口分別與計算機顯示單元連接，實現對每個檢測通道的超聲信號顯示和超聲特徵參數的設置。採用申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425. 5)進行檢測信號的前置處理和特徵信號變換。三.3XY掃描控制及成像顯示計算機單元16XY掃描控制及成像顯示計算機單元16由X軸和Y軸伺服控制放大器和Y軸伺服控制放大器、數控單元、超聲數位訊號變換單元、成像顯示計算機組成。X和Y軸伺服控制放大器X軸伺服控制放大器和Y軸伺服控制放大器分別與X 向伺服電機45和Y向伺服電機37配套，安裝在操作臺13內，通過動力線分別給交流電機 (37,45)連接，X和Y軸伺服放大器的控制端則通過接口電路與開放式多軸數控單元連接， 在計算機編程基礎上，由數控單元控制電機的運動，從而通過XYZ各自掃描結構完成超聲換能器對被檢測零件的掃描檢測。數控單元採用開放式多軸數控系統，實現X和Y軸的掃描運動控制，數控主卡安裝在工控機內部，接口板安裝在機櫃內，兩者通過信號電纜連接，來自X和Y向電機(37、45) 的編碼器和光柵尺51的位置反饋分別通過各自的線纜與對應的數控單元的中位置數據接口連接，形成位置反饋信號；來自X、Y及Z向交流電機05、37、20)的編碼器和X向光柵尺 51的位置反饋分別通過各自的線纜與對應的數控單元的中位置數據接口連接，獲取位置反饋信號；來自X向行程限位器M和Y向行程限位器42的行程限位信號分別通過各自的線纜與對應的數控單元中限位控制接口連接，實現行程極限位置控制。超聲數位訊號變換單元採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425.幻，採用多通道並行轉換方式和板卡式結構，超聲數位訊號變換單元通過PCI接口安裝在計算機內部底板PCI插槽上，可根據檢測通道的數量進行配置，對經前置處理和特徵信號變換後的多通道超聲檢測信號進行實時快速低成本數位化處理。成像顯示計算機採用工控機作為開放式數控單元和超聲數位訊號變換單元的物站，通過計算機編程實現XY自動掃描檢測參數設置與操作控制、超聲數位訊號變換以及檢測結果成像顯示、記錄等。採用北京航空製造工程研究所發明的多聲束超聲自動插補掃描成像方法進行檢測結果的成像顯示。三.4Z向距離控制及計算機單元17由Z軸伺服控制放大器、數控單元、Z軸雷射測距單元及計算機等主要部分組成。Z軸伺服控制放大器與Z向伺服電機20匹配，Z軸伺服控制放大器安裝在操作臺 13內，通過動力線和編碼線分別與Z向伺服電機20對應接口連接，伺服放大器的控制端通過接口電路與開放式數控單元連接。數控單元採用開放式板卡數控系統，數控單元安裝在工控機內部，接口板安裝在操作臺13內部對應的位置，數控單元與接口板通過信號電纜連接，來自Z向伺服電機20編碼器的位置反饋信號通過線纜與數控單元的中位置數據接口連接，獲取位置反饋信號，來自Z向上行程限位器沈和Z向下行程限位器27的行程限位信號分別通過各自的線纜與數控單元中限位控制接口連接，實現Z向行程極限位置控制。由數控單元在計算機編程基礎上對超聲自適應跟蹤陣列換能器7在Z軸方向運動距離進行調節，也可以利用來自雷射測距信號，進行實時距離跟蹤。Z軸雷射測距單元由多路測距信號數字轉化和接口電路組成，其中多路測距信號數字轉化採用並行板卡方式，安裝在Z向距離控制及計算機單元17中的計算機插槽上， 通過PCI總線訪問數據，接口電路安裝在操作臺13內部相應位置。利用超聲自適應跟蹤陣列換能器7上提供的4路雷射測距信號和標準接口，通過線纜與Z軸雷射測距單元接口電路對應埠連接，Z軸雷射測距單元提供X、Y方向雷射測距信號。計算機採用工控機作為開放式數控單元和Z軸雷射測距單元的物站，通過計算機編程實現超聲自適應跟蹤陣列換能器7沿Z軸方向的距離運動和掃描檢測過程中的距離足艮S宗。三.5現場視頻監視單元18由4路CXD攝像頭、1個視頻分屏器和1個顯示器組成4路視頻監視系統，其中2 路CCD攝像頭分別安裝在X梁53和Y梁34上，2路來自超聲自適應跟蹤陣列換能器7，實時在操作臺對檢測視場不同角度和超聲換能器工作狀態進行監視。三.6電氣操作面板區19由X、Y、Z軸操作控制開關、耦合供水開關、設備電源等操作開關和指示燈組成，位於操作臺面，用於設備的操作控制和工作狀態指示。檢測時，(1)被檢測零件擺放根據被檢測零件大小和形狀選擇零件工作檯11的組合和擺放區，將被檢測零件放置在零件工作檯11選擇區位置。(2)設備上電加載通過操作臺13中的電氣操作面板區19的操作按鈕，對設備各部分上電加載，並進入各自計算機工作界面。(3)換能器Z向位置調節利用Z向距離控制及計算機單元17通過編程形成的操作界面，控制Z向驅動系統2及其Z向運動機構3，從而帶動與之相連的超聲自適應跟蹤陣列換能器7，按預先設定或者要求的Z向位置，將超聲自適應跟蹤陣列換能器7移動到Z向合適位置。所述的換能器Z向位置調節的步驟是，1)Z向運動控制系統通信、閉環、I變量初始化；2)判斷Z向距離是否合適；3)需要上移時設置上移範圍；4)Z向上移到設置的範圍； 5)需要下移時設置下移範圍；6)Z向下移到設置的範圍；7)設置Z向位置調節到位結束標誌zhPos ;8)結束Z向位置調節，參見圖9。(4)超聲檢測通道的形成採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「超聲自適應跟蹤掃描陣列換能器」(申請號201110053880.幻，通過對與之相連接的多通道超聲發/收單元1對超聲自適應跟蹤陣列換能器7每一個陣列單元進行聲波激勵/接收，形成檢測通道，可以是1個超聲檢測通道，也可以是多個檢測通道，可根據實際被檢測零件進行選擇和通道組合。(5)多通道超聲檢測信號顯示與參數設置利用超聲信號處理及顯示計算機單元 (14和1 編程形成的操作界面，通過對與之相連接的多通道超聲發/收單元1對超聲自適應跟蹤陣列換能器7每一個陣列單元進行聲波激勵/接收、檢測信號顯示和檢測參數設置。 所述的多通道超聲檢測信號顯示與參數設置的步驟是，1)超聲單元頻率、增益、時序初始化與通信自檢；2)判斷Z向距離調節是否到位；3)如Z向距離調節不到位，進行Z向距離調節；4)如Z向距離調節到位，判斷信號顯示是否正常；5)如信號顯示正常，設置每個檢測通道增益、閘門、頻率等參數；6)保存參數；7)結束；8)如信號顯示不正常，檢查超聲單元及參數設置、換能器單元、水膜耦合迴路，然後重複步驟幻 7)，參見圖10。(6)面掃描探測聲束形成和控制採用北京航空製造工程研究所發明的超聲自適應跟蹤陣列換能器及其聲束覆蓋法則，通過多通道超聲發/收單元1實現對超聲自適應跟蹤陣列換能器7每一個陣列單元的工作模式和工作狀態選擇，在被檢測零件中形成面掃描探測聲束，提高單位時間內掃描面積。(7)多通道掃描超聲檢測信號提取採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425. 5)，利用超聲信號處理及顯示計算機單元(14和1 編程形成的操作界面，通過對與之相連接的多通道超聲發/收單元1對超聲自適應跟蹤陣列換能器7每一個陣列單元進行聲波激勵/接收、檢測信號顯示和檢測參數設置、檢測參數和特徵信號變換和前置處理後，多通道超聲發/收單元1接收到來自超聲自適應跟蹤陣列換能器7各個檢測通道的超聲特徵信號，通過其連接線和傳輸方法送XY向掃描控制及計算機單元16中的超聲數位訊號變換單元和計算機， 實時提取換能器掃描過程中各通道的超聲檢測信號，用於自動成像顯示和分析。所述的多通道掃描超聲檢測信號提取步驟是，1)並行數據單元頻率、通道設置與通信自檢；幻並行數據採集；幻各通道數據緩存/刷新；4)數據讀請求判斷力)如無請求讀數據，重複步驟 2) 4) ；6)如請求讀數據，發送數據；7)掃描結束標誌判斷；8)如掃描結束， 結束數據採集；8)如掃描未結束，重複步驟2) 5)，參見圖11。(8)超聲陣列換能器Z向距離跟蹤與控制採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「超聲自適應跟蹤掃描陣列換能器」(申請號201110053880. 5)，利用安裝在換能器上的多路雷射測距傳感器，通過與之相連的Z向距離控制及計算機單元17中的Z軸雷射測距單元，實時獲取自動掃描過程中的雷射傳感器的測距信號，根據雷射測距結果實時調節，利用Z向距離控制及計算機單元17通過編程，控制Z向驅動系統2及其Z向運動機構3，帶動與之相連的超聲自適應跟蹤陣列換能器7，按預先設定或者要求的Z向跟蹤範圍， 將超聲自適應跟蹤陣列換能器7自動調節到Z向預定的位置，實現自動掃描過程中超聲自適應跟蹤陣列換能器7與零件表面之間的Z向宏觀距離調節。所述的超聲陣列換能器Z向距離跟蹤與控制方法流程步驟是，1)通信、閉環等自檢；2)判斷Z向調節標誌信號zlnPos 是否到位；3)如Z向調節不到位，等待；4)如Z向調節到位，獲取Z向參考點Iitl ；5)選擇Z 向跟蹤範圍Ah ；6)判斷掃描標誌信號kanOff ；7)如沒有掃描標誌信號；8)中斷判斷；9) 如中斷，清除Z向跟蹤標誌信號zlnPos ； 10)結束；11)如不中斷，重複步驟6) ；8)如有掃描標誌信號，設置Z向調節標誌信號zlnPos ；9)進行當前位置換能器Z向距離調節；10)判斷掃描標誌信號kanOff有效否；11)如掃描標誌信號kanOff有效，重複步驟9) ；12)如掃描標誌信號kanOff無效，執行步驟9)和10)，參見圖12所示。(9)多通道自動掃描過程換能器自適應跟蹤採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「超聲自適應跟蹤掃描陣列換能器」(申請號201110053880. 5)，其自身具有形面自適應能力，陣列中每個換能器單元能夠根據被檢測零件形面進行自適應姿態和接觸距離調節，無需進行仿形或者示教或者CAD編程等超低效率方式獲取每一檢測位置點和掃描行的掃描軌跡。(10)被檢測零件超聲高效自動掃描成像檢測在完成上述調節和設置後，利用XY 向掃描控制及計算機單元16，進行數控單元編程，通過X向驅動系統5及其X向掃描機構8， 帶動與之相連的超聲自適應跟蹤陣列換能器7對被檢測零件沿X方向掃描或步進檢測，通過Y向驅動系統4及其Y向掃描機構6，帶動與之相連的超聲自適應跟蹤陣列換能器7對被檢測零件沿Y方向掃描進行步進或掃描檢測，實現多種不同方式的自動插補掃描檢測；自動掃描過程中，利用xy掃描控制及計算機單元16中超聲數位訊號變換單元和成像顯示計算機，採用北京航空製造工程研究所申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425.幻，通過編程實時獲取各通道的超聲數據，採用北京航空製造工程研究所發明的多聲束超聲自動插補掃描成像方法，進行檢測結果成像顯示。所述的自動掃描成像檢測流程步驟是，1)啟動水膜耦合單元和多通道超聲單元；幻掃描系統通信、閉環自檢；幻設置檢測特徵參數；4)檢測通道選擇與參數設置掃描系統通信自檢；6)判斷Z向跟蹤標誌信號zlnPos ；7)換能器Z向位置調節；8)如Z向跟蹤標誌信號 zlnPos有效，超聲多通道檢測信號顯示與參數設置；9)設置XY掃描參數起點/終點、步進、速度、掃描範圍；10)選擇插補掃描模式；11)設置掃描標誌信號hkan ；12)開始掃描； 13)掃描結束判斷；14)如掃描結束，清除kanOff信號標誌；15)保存結果；16)清除掃描標誌信號hkan ；17)結束；18)如掃描未結束，重複步驟12)和13)，參見圖13。(11)由於採用北京航空製造工程研究申請的發明名稱為「超聲自適應跟蹤掃描陣列換能器」(申請號201110053880. 5)，陣列中每個換能器單元能夠根據被檢測零件形面進行自適應姿態和接觸距離調節，因此，無需進行仿形或者示教等超低效率方式獲取每一檢測位置點和掃描行的掃描軌跡，只需通過XY檢測掃描軌跡編程和設置步進量等參數，即可實現大型翼類複合材料等結構的自動掃描，大大提高了掃描軌跡生成效率、減低了掃描機構及其控制難點和技術成本；通過超聲自適應跟蹤陣列換能器7形成的面掃描聲束，大大提高了單位時間內掃描檢測面積，檢測效率得到極大提高；在20通道時，檢測效率比傳統單通道至少提高15-20倍，比人工檢測提高50-80倍以上；檢測解析度和表面檢測盲區可達到0. 13mm;同時採用了北京航空製造工程所申請的發明名稱為「一種多通道超聲脈衝信號並行同步採集方法」(申請號201110171425. 5)和「一種多聲束超聲自動掃描成像方法(申請號2011101714M. 0) 」，可以實現各種變厚工程結構的高質量高效超聲自動掃描檢測成像檢測。
權利要求
1. 一種工業級的超聲多通道自動掃描成像檢測設備，其特徵是，檢測設備包括超聲自動掃描系統、超聲自動掃描控制與成像系統和多通道超聲系統三部分，其中，超聲自動掃描系統包括Z向驅動系統(2)、Z向掃描機構(3)、Y向驅動系統⑷、X向驅動系統(5)、Y向掃描機構(6)、X向掃描機構(8)、X向輔助支撐(9)、X掃描機構立柱(10)、零件工作檯(11) 和地基(1 ；超聲自動掃描控制與成像系統包括操作臺(13)、超聲信號處理及顯示計算機單元(14和1 、XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)、Z向距離控制及計算機單元 (17)、現場視頻監視單元(18)和電氣操作面板區(19)；多通道超聲單元包括多通道超聲發 /收單元(1)和超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)； 1.)超聲自動掃描系統 ι. Dz向掃描運動機構Z向掃描運動機構由Z向驅動系統(2)和Z向掃描機構(3)組成，其中，Z向驅動系統 ⑵包括Z向伺服電機00)、Z向減速機和Z向聯軸器02) ；Z向掃描機構(3)包括Z 向上機械限位器03)、Z向絲槓座04)、Z向安裝座05)、Z向上行程限位器06)、Z向下行程限位器(XT)、Z向絲槓08)、Z嚮導軌副09)、Z向滑枕(30)、Z向下機械限位器(31)、 Z向連接軸(32)和Z向機械自適應調整機構(33)；Z向伺服電機OO)通過安裝在Z向安裝座04)上的Z向減速機與Z向絲槓08) 連接，Z向減速機的上端與Z向伺服電機00)連接，Z向減速機的下端與Z向聯軸器0 上端連接，Z向聯軸器0 的下端與Z向絲杆08)上端連接；Z向絲杆08)通過兩端的Z向絲槓座04)安裝固定，Z向絲槓座04)通過螺釘與Z向安裝座05)連接； Z向安裝座05)固定在Z向託板(36)上；Z向託板(36)通過導軌滑塊與Y嚮導軌副(35) 連接；Z嚮導軌副09)通過螺紋/螺釘安裝在Z向安裝座05)上，且與Z向絲槓08)同軸平行；Z向滑枕(30)通過絲槓螺母與Z向絲槓08)連接，並通過滑動軸承安裝在Z嚮導軌副09)上，在Z向滑枕(30)兩端分別設計安裝有Z向上機械限位器微、τ向下機械限位器(31)、Ζ向上行程限位器06)和Z向下行程限位器、 ) ,τ向上行程限位器06)和Z 向下行程限位器(XT)通過連接線與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺(13)上的Z 向距離控制及計算機單元(17)對應的接口端連接；Z向連接軸(3 —端與Z向滑枕(30) 連接，另一端與Z向機械自適應調整機構(3 連接；Z向機械自適應調整機構(3 的上端通過螺母/螺釘與Z向滑枕(30)連接，Z向機械自適應調整機構(3 的下端與超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)連接； 1.2) Y向掃描運動機構Y向掃描運動機構由Y向驅動系統(4)和Y向掃描機構(6)組成，其中，Y向驅動系統 ⑷包括Y向伺服電機(37)和Y向減速機(38) ；Y向掃描機構(6)包括Y梁(34)、Y嚮導軌副(35)、Z向託板(36)、Y向伺服電機(37)、Υ向驅動安裝座(39)、Υ向齒條00)、Υ向齒輪(41)、Y向行程限位器(42)、Y向緩衝器(43)和Y向機械限位器(44)；Y向伺服電機(37)與Y向減速機(38)上端連接，Y向減速機(38)下端安裝在Y向驅動安裝座(39)上，Y向驅動安裝座(39)與Z向託板(36)連接，Y向伺服電機(37)動力線和編碼器輸出分別與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺(13)上的XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)對應的接口端連接；Y梁(34)的兩端分別與Y梁託板G7)連接，Y梁託板G7)通過滑塊與X嚮導軌副(52)連接，Y嚮導軌副(35)為雙滑軌，安裝在Y梁(34)上；Y向齒條00)安裝在Y梁(34)的側面，Y向齒條GO)與Y向齒輪通過齒條-齒輪咬合實現動態連接，Y向齒輪Gl)與Y 向減速機(38)連接；在Y梁(34)兩端設計有Y向行程限位器G2)、Y向緩衝器03)和Y 向機械限位器G4)，Y向行程限位器02)通過其連接線分別與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺(13)上的XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)對應的接口端連接； 1.3) X向掃描運動機構X向掃描運動機構由X向驅動系統(5)、X向掃描機構(8)、X向輔助支撐(10)、零件工作檯(11)組成。其中，X向驅動系統(5)包括X向伺服電機G5)和X向減速機(46)，採用雙邊驅動形式，在X向掃描機構(8)的兩平行X方向各一組；X向掃描機構(8)包括Y梁託板(47)、X向驅動安裝座(48)、X向齒條(49)、X向齒輪(50)、光柵尺(51)、X嚮導軌副 (52)、X梁(53)、X向行程限位器(54)、X向緩衝器(55)和X向機械限位器(56)，採用上浮式雙邊平行對稱結構形式；X向伺服電機G5)與X向減速機06)的一端連接，X向減速機G6)安裝在X向驅動安裝座G8)，X向減速機06)的另一端與X向齒輪(50)，X向伺服電機05)動力線和編碼器輸出分別與超聲自動掃描控制與成像系統中的操作臺(13)上的XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)對應的接口端連接；X向驅動安裝座G8)安裝在Y梁託板G7)上；X向齒條(49)安裝在X梁(53)外側，齒條(49)與齒輪(50)咬合，光柵尺(51)安裝在X梁(53) 的上側，光柵尺(51)編碼輸出與操作臺中的XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)對應的接口端連接；X嚮導軌副(52)採用雙導軌，X嚮導軌副(52)安裝在X梁(53)上側，通過導軌滑塊與Y梁託板G7)連接；X梁(53)由兩平行的鋼製結構設計而成，安裝在X掃描機構立柱(10)上端，並通過X 向輔助支撐(9)將X梁(53)與X掃描機構立柱(10)連接，在X梁(53)上側兩端設計有X 向行程限位器(54)、X向緩衝器(55)和X向機械限位器(56)，實現X方向極限位置機械保護和行程限位保護，X向行程限位器(54)通過其連接線分別與操作臺中的XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)對應的接口端連接；X向輔助支撐(9)位於X梁(53)下方，通過螺母/螺栓分別與X梁(53)和X掃描機構立柱(10)連接；X掃描機構立柱(10)採用穩固鋼製結構設計加工而成，雙排平行布局，採用等距離均布，每個X掃描機構立柱(10)的上端與X梁(53)通過螺母/螺栓連接，每個X掃描機構立柱(10)的下端採用拉頂連接與地基(1 相連，立柱的數量可以根據被檢測零件的大小確定；零件工作檯(11)採用鋁型材設計加工而成，組合式框架結構，分成兩排多組，每組通過帶自鎖的滾輪可在地基(1 底面上的鋼軌上移動和鎖緊，每組工作檯的臺面均採用輕質鋁蜂窩夾層結構製造而成，在臺面設計有軟泡沫層，被檢測零件放置在工作檯上，可以根據被檢測零件的大小組合工作檯；地基(1 包括X立柱基座、工作檯滑軌和下水道，其中X立柱基座採用地坑鋼筋水泥澆灌而成，通過預埋螺栓與安裝面鋼板連接，根據X梁立柱(10)布局，X掃描機構立柱(10) 與各自對應的安裝面鋼板螺栓採用拉頂結構連接；工作檯滑軌採用鋼製結構，四排或多排， 按工作檯下方的滑輪位置，通過地面預埋螺栓連接固定；在X立柱基座內側四周設計有回收地下水道，用於回收自動掃描檢測過程中的水膜耦合產生的水； 2.)超聲自動掃描控制與成像系統 2. 1)操作臺(13)採用組合式結構，分為5組，超聲信號處理及顯示計算機單元(14和1 、XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)、Z向距離控制及計算機單元(17)、現場視頻監視單元(18)、電氣操作面板區(19)；超聲信號處理及顯示計算機單元(14和1 包括超聲信號數位化處理單元、信號I/O接口電路和計算機顯示單元，來自多通道超聲發/收單元(1)輸出埠的超聲信號分別與超聲信號處理及顯示計算機單元(14和1 連接，實現對每個檢測通道的超聲信號顯示和超聲特徵參數的設置；2. 2) XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)XY掃描控制及成像顯示計算機單元(16)由X軸和Y軸伺服控制放大器、數控單元、超聲數位訊號變換單元、成像顯示計算機組成；X軸伺服控制放大器和Y軸伺服控制放大器分別與X向伺服電機G5)和Y向伺服電機(37)配套，安裝在操作臺(13)內；數控單元採用開放式多軸數控系統，實現X軸和Y軸的掃描運動控制，數控主卡安裝在工控機內部，接口板安裝在機櫃內，兩者通過信號電纜連接，來自X、Y及Z向交流電機05、37、20)的編碼器和X向光柵尺(51)的位置反饋信號分別通過各自的線纜與對應的數控單元的中位置數據接口連接，獲取位置反饋信號；來自X 向行程限位器(54)和Y向行程限位器02)的行程限位信號分別通過各自的線纜與對應的數控單元中限位控制接口連接；超聲數位訊號變換單元對經前置處理和特徵信號變換後的多通道超聲檢測信號進行實時數位化處理；所述的多通道掃描超聲檢測信號實時數位化處理步驟是，1)並行數據單元頻率、通道設置與通信自檢；幻並行數據採集；幻各通道數據緩存/刷新；4)數據讀請求判斷；5)如無請求讀數據，重複步驟2) 4) ；6)如請求讀數據，發送數據；7)掃描結束標誌信號判斷；8)如掃描結束，結束數據採集；9)如掃描未結束，重複步驟2) 5)；成像顯示計算機通過計算機編程實現XY自動掃描檢測參數設置與操作控制、超聲數位訊號變換以及自動掃描成像檢測、結果顯示、記錄；所述的自動掃描成像檢測流程步驟是，1)啟動水膜耦合單元和多通道超聲單元；2)掃描系統通信、閉環自檢；幻設置檢測特徵參數；4)檢測通道選擇與參數設置；掃描系統通信自檢；6)判斷Z向跟蹤標誌信號；7)如Z向跟蹤標誌信號無效，按換能器Z向位置調節的步驟調節換能器Z向位置；8)如Z向跟蹤標誌信號有效，按多通道超聲檢測信號顯示與參數設置步驟設置超聲參數；9)設置XY掃描參數起點/終點、步進、速度、掃描範圍； 10)選擇插補掃描模式；11)設置掃描標誌信號；12)開始掃描；13)掃描結束判斷；14)如掃描結束，清除掃描標誌信號；15)保存結果；16)結束；17)如掃描未結束，重複步驟12)和 13)；所述的多通道超聲檢測信號顯示與參數設置的步驟是，1)超聲單元頻率、增益、時序初始化與通信自檢；2)判斷Z向距離調節是否到位；3)如Z向距離調節不到位，進行Z向距離調節；4)如Z向距離調節到位，判斷信號顯示是否正常；5)如信號顯示正常，設置每個檢測通道增益、閘門、頻率等參數；6)保存參數；7)結束；8)如信號顯示不正常，檢查超聲單元及參數設置、換能器單元、水膜耦合迴路，然後重複步驟幻 7)； 2. 3) Z向距離控制及計算機單元(17)Z向距離控制及計算機單元(17)包括Z軸伺服控制放大器、數控單元、Z軸雷射測距單元及計算機，Z軸伺服控制放大器與Z向伺服電機00)匹配，Z軸伺服控制放大器安裝在操作臺(13)內，通過動力線和編碼線分別與Z向伺服電機00)對應接口連接，Z軸伺服放大器的控制端通過接口電路與開放式數控單元連接；數控單元採用開放式數控系統，數控單元安裝在工控機內部，數控單元與接口板通過信號電纜連接，Z向伺服電機OO)編碼器的位置反饋信號通過線纜與數控單元中的位置數據接口連接，獲取位置反饋信號，來自Z向上行程限位器06)和Z向下行程限位器(XT)的行程限位信號分別通過各自的線纜與數控單元中限位控制接口連接，實現Z向行程極限位置控制；由數控單元對超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)在Z軸方向運動距離進行調節，或利用安裝在超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)上的雷射測距信號，沿Z軸方向進行實時距離跟蹤；所述的換能器Z軸方向運動距離調節的步驟是，DZ向運動控制系統通信、閉環、I變量初始化；2)判斷Z向距離是否合適；3)需要上移時設置上移範圍；4)Z軸方向上移到設置的範圍；5)需要下移時設置下移範圍；6)Z軸方向下移到設置的範圍；7)設置Z軸方向運動距離調節到位結束標誌；8)結束Z軸方向位置調節；·3.)多通道超聲系統多通道超聲系統由多通道超聲發/收單元(1)和超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)組成，多通道超聲發/收單元(1)安裝在Y梁(34)的一端，多通道超聲發/收單元(1)的輸出端通過屏蔽電纜與超聲自動掃描控制與成像系統的操作臺(13)上的超聲信號處理及顯示計算機單元(14、1幻中相應的接口連接，多通道超聲發/收單元(1)的輸入端通過屏蔽信號電纜與超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)中的各檢測通道對應的超聲換能器連接，超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)通過連接接口與Z向機械自適應調整機構(3 連接。
2.根據權利要求1所述的一種工業級的超聲多通道自動掃描成像檢測設備，其特徵是，所述的現場視頻監視單元(18)由4路CXD攝像頭、1個視頻分屏器和1個顯示器組成4 路視頻監視系統，其中，2路CCD攝像頭分別安裝在X梁(5 和Y梁(34)上，2路來自超聲自適應跟蹤陣列換能器(7)，實時在操作臺對檢測視場不同角度和超聲換能器工作狀態進行監視。
3.根據權利要求1所述的一種工業級的超聲多通道自動掃描成像檢測設備，其特徵是，所述的電氣操作面板區(19)由X、Y、Z軸操作控制開關、耦合供水開關、設備電源、操作開關和指示燈組成，位於操作臺上，用於設備的操作控制和工作狀態指示。
4.根據權利要求1所述的一種工業級的超聲多通道自動掃描成像檢測設備，其特徵是，所述的Z軸雷射測距單元由多路測距信號數字轉化和接口電路組成，其中多路測距信號數字轉化採用並行板卡方式，安裝在Z向距離控制及計算機單元(17)中的計算機插槽上，通過PCI總線訪問數據，接口電路安裝在操作臺(13)內部相應位置，Z軸雷射測距單元提供X、Y方向雷射測距信號。
全文摘要
本發明屬於無損檢測技術，涉及一種用於航空、航天、電子、兵器、船舶、冶金、鋼鐵、交通、建築等領域中複合材料及金屬材料大型結構的工業級的超聲自動化掃描成像檢測設備。檢測設備包括超聲自動掃描系統、超聲自動掃描控制與成像系統和多通道超聲系統。本發明設計採用多軸並行數控上浮式超靜穩掃描機構和超聲柔性自適應跟蹤陣列聲學掃描技術，極大地提高了大型結構的超聲自動化掃描成像檢測效率和成像質量，可實現不同規格大型複合材料等結構的工業級高效超聲自動掃描成像檢測，檢測解析度和表面盲區達0.13mm，在20通道檢測時，比手工掃查檢測效率至少提高50倍，比傳統單通道超聲自動掃描檢測提高20倍。
文檔編號G01N29/22GK102411032SQ20111019905
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者劉松平, 劉菲菲, 孫巖, 孟秋傑, 曹正華, 李樂剛, 李冰, 李維濤, 白金鵬, 謝富原, 趙林, 郭恩明, 馬志濤 申請人:中國航空工業集團公司北京航空製造工程研究所