CN104198585A - 大型蜂窝c夹层回转曲面构件超声c扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，包括机械扫描装置、水槽及喷水***，机械扫描装置放置在水槽内，喷水***通过水管及电缆与机械扫描装置相连；该扫描装置能够完成两个方向的运动，一是步进电机I连接减速器通过联轴器I驱动旋转轴做往复旋转运动，二是滑轨固定架上的两个步进电机II分别驱动滚轮带着钢丝绳牵引内、外移动小车沿着内、外滑轨做步进运动。这种运动方式能使超声波探头覆盖整个被扫描的工件以实现全方位的检测。提高了检测效率和精度。在配重架的下端连接有配重块，配重架固定在旋转轴上，配重块和内滑轨、外滑轨及滑轨固定架重量平衡，配重块的设计使整个机械扫描装置的运动部分具有较小的扭矩。

Description

大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置

技术领域

本发明涉及一种超声C扫描装置，尤其涉及一种大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置。

背景技术

蜂窝C夹层构件在航空领域广泛应用，检测其微观破坏和内部缺陷，用常规的机械和物理实验方法不能满足要求，必须进行无损探伤。超声波检测，尤其是超声C扫描检测，由于显示直观、检测速度快，是飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。英国超声波科学有限公司(Ultrasonic Sciences Ltd)为哈尔滨航空工业(集团)有限公司研制出超声波喷水C扫描检测设备(全自动超声C扫描***在航空复合材料检测中的应用--《航空制造技术》2008年04期)；浙江大学机械系现代制造工程研究所在国内首创开发成功UPR-10/11自由度大型复杂曲面工件超声彩色成像***(10/11大型C扫描超声检测***)。国内外的自动超声检测装置，具有较好的检测结果，但多针对开放式规则平面或曲面，仅是提供了用于超声C扫描检测的手段，介绍超声C扫描的仪器或者方法。

发明内容

针对以上问题本发明提供了一种能够对大型蜂窝C夹层回转曲面构件进行全面检测的超声C扫描装置。

技术方案：为了解决以上问题本发明提供了一种大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：包括机械扫描装置、水槽及喷水***，机械扫描装置放置在水槽内，喷水***通过水管及电缆与机械扫描装置相连；

所述的机械扫描装置包括基座、支撑架、旋转轴、减速器、步进电机I、联轴器I、轴承座、编码器I、滑轨固定架、挡水板、内水管线缆导向管、外水管线缆导向管、内滑轨、外滑轨、托块、内外移动小车、连接轴、联轴器II、配重架、步进电机II、滚轮、编码器II、联轴器III、连接轴、编码器II支架、钢丝绳、滑轮、支撑杆、水管支架、筋板；

所述的支撑架设置在基座的左右两端，通过螺钉和销钉连接，保证装配精度；支撑架左右各一对，呈不对称分布，其不对称性是为了避免出现扫描盲区。支撑架上设有托块，托块根据工件的形状仿形设计，采用铝块数铣加工成型，托块托起工件；基座是整个扫描装置的基础，具有较高刚度和平面度。

所述的减速器和步进电机I设置在基座中间一侧，减速器通过减速器支架固定在基座上，减速器通过减速器支架固定在基座上，所述的旋转轴通过两个轴承座固定，两个轴承座分别由轴承座支架I、轴承座支架II固定在基座中部两侧，所述的旋转轴的一端连接有联轴器I，减速器和步进电机I通过联轴器I驱动旋转轴做往复旋转运动；旋转轴的另一端连接有连接轴，联轴器II，编码器I固定在编码器I支架上，通过联轴器II和连接轴与旋转轴连接；

所述的配重块与配重架一端连接，配重架固定在旋转轴上，配重块和内滑轨、外滑轨及滑轨固定架重量平衡，配重块的设计使整个机械扫描装置的运动部分具有较小的扭矩。

所述的配重架固定在旋转轴上，滑轨固定架连接在配重架的上端，通过螺钉连接，滑轨固定架两侧各设有筋板，筋板上连接有步进电机II、滚轮、编码器II、联轴器III、连接轴、编码器II支架；编码器II固定在编码器II支架上，通过联轴器III与连接轴相连；连接轴固定在滚轮上，滚轮设置在步进电机II的输出轴上；在滚轮上连接有钢丝绳，钢丝绳与内外移动小车相连；滑轨固定架两侧的筋板上各有一个步进电机II及相关的传动件。

所述的内滑轨、外滑轨通过螺钉固定在滑轨固定架两侧，内外滑轨上每隔一段距离设有一滑轮，以减少钢丝绳运动的摩擦力；内外移动小车连在内外滑轨上，且在内外滑轨上滑动；步进电机II驱动滚轮带着钢丝绳牵引内外移动小车沿着内外滑轨做步进运动。内外滑轨按照被测工件的数模仿形设计，铸铝形成毛坯，最后数控加工而成，能保证移动小车在内外滑轨上运动时的运动轨迹与工件型面一致，这样小车移动到一个位置，对应工件一个位置，这种一一对应关系便于通过测量结果分析反馈工件的测试状况。

所述的挡水板设置在滑轨固定架顶端，可挡住大部分水，减少水流对步进电机II和编码器II的影响。

所述的内水管线缆导向管设置在两个滑轨固定架之间的支撑杆上，所述的外水管线缆导向管通过水管支架设置在滑轨固定架上。

所述的内外移动小车包括超声波探头、上骨架、下骨架、压板、盖板、弹簧、导向板、滑块、探头固定架、滑动滚子组、水管及电缆。超声波探头通过探头固定架和滑块相连，探头固定架可以在滑块上旋转；滑块连接在导向板上，滑块沿着导向板水平方向移动；导向板连接在盖板上，导向板在盖板上竖直方向移动，盖板连接在下骨架上，上骨架和下骨架相连。所述的上骨架上装有四个滑动滚子组，压板和四个弹簧通过盖板与下骨架连接构成随动压紧机构，从而保证超声波探头轴向与曲线滑轨的任一位置法向一致。压板上装有一个滑动滚子组，这样整个随动固定装置与曲线滑轨的四个面都是线接触，减小了装置在曲线滑轨上的摩擦力。超声波探头连接有水管及电缆，水管及电缆通过限位支架与内外移动小车相连，跟随超声波探头一起移动，为防止水管及电缆错乱布置，水管及电缆通过导向环与内水管线缆导向管、外水管线缆导向管固定。

该扫描装置能够完成两个方向的运动，一是步进电机I连接减速器通过联轴器I驱动旋转轴做往复旋转运动，二是滑轨固定架上的两个步进电机II分别驱动滚轮带着钢丝绳牵引内、外移动小车沿着内、外滑轨做步进运动。这种运动方式能使超声波探头覆盖整个被扫描的工件以实现全方位的检测。

在所述配重架的下端连接有配重块，配重架固定在旋转轴上，配重块和内滑轨、外滑轨及滑轨固定架重量平衡，配重块的设计使整个机械扫描装置的运动部分具有较小的扭矩。

所述的基座的下方设有调整脚，能够根据不同地面条件进行水平调节。

所述的滑轨固定架由厚铝板和100mm×100mm方铝管焊接而成，滑轨固定架与内滑轨、内滑轨之间采用不锈钢螺钉连接。

所述的内滑轨、外滑轨、内外移动小车和滑轨固定架都采用铝合金件，以减轻重量。

所述的水槽是固定在地面上的砖砌水槽。

所述的喷水***包括水箱、过滤器、水泵、单向阀、球阀、减压阀、排水阀、压力表，，水泵通过过滤器从水箱中抽水，水经过单向阀后分成两个支路，支路上各有一个球阀和减压阀，最后出水口通过水管连接到超声波探头上，水泵的出口设有压力表，指示喷水***的压力，水箱的底部连接有排水阀，该喷水***可提供稳定的水耦合剂。

所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，还包括扫描控制***，扫描控制***包括PLC控制器，触摸屏，超声探伤仪，工控计算机，数据采集卡，分析软件；操作人员通过触摸屏发出指令，PLC控制器控制步进电机驱动器驱动步进电机I和步进电机II，编码器II和编码器I将采集的位置信号传送给数据采集卡，同时超声波探头通过电缆将超声信号经超声探伤仪传送至数据采集卡，一并汇总到工控计算机，工控计算机通过分析软件能将检测结果得以实时显示，通过图像直观地分析出工件的缺陷位置和大小。

有益效果：本发明的超声C扫描装置结构简单，可靠，维护方便，适用于不同的工作环境。本发明的超声C扫描装置能实现工件的全方位超声检测，提高了检测效率和精度。本发明的超声C扫描装置的结构形式，能够应用于其他类似的大型回转曲面构件的超声C扫描检测。

附图说明

图1为本发明的大型回转复合材料超声C扫描装置结构示意图；

图2为机械扫描装置结构示意图；

图3为旋转轴另一端局部放大图；

图4为配重结构图；

图5为滑轨固定架及步进电机安装示意图；

图6为移动小车结构示意图；

图7为运动原理图；

图8为喷水***原理图；

图9为扫描控制***原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1至9所示，本发明提供了一种大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，包括机械扫描装置1、水槽2及喷水***3，机械扫描装置1放置在水槽2内，喷水***3通过水管及电缆51与机械扫描装置1相连；

所述的机械扫描装置1包括基座4、支撑架5、旋转轴6、减速器7、步进电机I 8、联轴器I 9、轴承座10、编码器I 11、配重块12、滑轨固定架13、挡水板14、内水管线缆导向管15、外水管线缆导向管16、内滑轨17、外滑轨18、托块19、内外移动小车20、连接轴24、联轴器II 25、配重架27、步进电机II 28、滚轮29、编码器II 30、联轴器III31、连接轴32、编码器II支架33、钢丝绳34、滑轮35、支撑杆36、水管支架37、筋板38；

基座4是整个装置的基础，由10mm厚的钢板和200mm×200mm方钢焊接而成，焊接后加工安装面，使整个基座具有较高刚度和平面度。支撑架5设置在基座4的左右两端，通过螺钉和销钉连接，保证装配精度；支撑架5左右各一对，呈不对称分布，其不对称性是为了避免出现扫描盲区。支撑架5上设有托块19，托块19根据工件40的形状仿形设计，采用铝块数铣加工成型，托块19托起工件40。

所述的减速器14和步进电机I 15设置在基座4中间一侧，减速器7通过减速器支架21固定在基座4上，所述的旋转轴6通过两个轴承座10固定，两个轴承座10分别由轴承座支架I 22、轴承座支架II 23固定在基座4中部两侧，所述的旋转轴6的一端连接有联轴器I 9，减速器7和步进电机I 8通过联轴器I 9驱动旋转轴做6往复旋转运动；旋转轴6的另一端连接有连接轴24，联轴器II 25，编码器I 11固定在编码器I支架26上，通过联轴器II 25和连接轴24与旋转轴6连接。

如图4所示，所述的配重架27固定在旋转轴6上，滑轨固定架13连接在配重架27的上端，配重块12连接在配重架27的下端，配重块12和内滑轨17、外滑轨18及滑轨固定架13重量平衡，配重块12的设计使整个机械扫描装置1的运动部分具有较小的扭矩。

如图5所示，所述滑轨固定架13上两侧焊接有筋板38，筋板38上连接有步进电机II 28、滚轮29、编码器II 30、联轴器III31、连接轴32、编码器II支架33；编码器II 30固定在编码器II支架33上，通过联轴器III31与连接轴32相连；连接轴32固定在滚轮29上，滚轮29设置在步进电机II 28的输出轴上；在滚轮29上连接有钢丝绳34，钢丝绳34与内外移动小车20相连；滑轨固定架13两侧的筋板上各有一个步进电机II 28及相关的传动件。

所述的内滑轨17、外滑轨18通过螺钉固定在滑轨固定架13两侧，内滑轨17、外滑轨18上每隔一段距离设有一滑轮35，以减少钢丝绳34运动的摩擦力；内外移动小车20连在内滑轨17、外滑轨18上，且在滑轨上滑动；步进电机II 28驱动滚轮29带着钢丝绳34牵引内外移动小车20沿着内滑轨17、外滑轨18做步进运动。内滑轨17、外滑轨18按照被测工件40的数模仿形设计，铸铝形成毛坯，最后数控加工而成，能保证内外移动小车20在内外滑轨上运动时的运动轨迹与工件型面一致，这样小车移动到一个位置，对应工件一个位置，这种一一对应关系便于通过测量结果分析反馈工件的测试状况。

所述的挡水板14设置在滑轨固定架13顶端，可挡住大部分水，减少水流对步进电机II28和编码器II 30的影响。

所述的内水管线缆导向管15设置在两个滑轨固定架之间的支撑杆36上，所述的外水管线缆导向管16通过水管支架37设置在滑轨固定架13上。

如图6所示，所述的内外移动小车20包括超声波探头41、上骨架42、下骨架43、压板44、盖板45、弹簧46、导向板47、滑块48、探头固定架49、滑动滚子组50、水管及电缆51。超声波探头41通过探头固定架49和滑块48相连，探头固定架49可以在滑块48上旋转；滑块48连接在导向板47上，滑块48沿着导向板47水平方向移动；导向板47连接在盖板45上，导向板47在盖板45上竖直方向移动，盖板45连接在下骨架43上，上骨架42和下骨架43相连。所述的上骨架42上装有四个滑动滚子组50，压板44和四个弹簧46通过盖板45与下骨架43连接构成随动压紧机构，从而保证超声波探头41轴向与曲线形状的内滑轨17、外滑轨18任一位置法向一致。压板44装有一个滑动滚子组50，这样整个随动固定装置与曲线形状的内外滑轨的四个面都是线接触，减小了装置在曲线形状的内外滑轨上的摩擦力。

超声波探头41连接有水管及电缆51，水管及电缆51通过限位支架52与内外移动小车20相连，跟随超声波探头41一起移动。为防止水管及电缆51错乱布置，水管及电缆51通过导向环53与内水管线缆导向管15、外水管线缆导向管16固定。

超声波探头41采用两个频率为0.5MHz的探头，有效检测灵敏度约100dB，在喷水耦合的方式下发射和接收超声波。

图7为运动原理图，该扫描装置1能够完成两个方向的运动，一是步进电机I 8连接减速器7通过联轴器I 9驱动旋转轴6做往复旋转运动，二是滑轨固定架13上的两个步进电机II 28分别驱动滚轮29带着钢丝绳34牵引内、外移动小车20沿着内滑轨17、外滑轨18做步进运动。这种运动方式能使超声波探头41覆盖整个被扫描的工件以实现全方位的检测。

所述的基座4的下方设有调整脚54，能够根据不同地面条件进行水平调节。

所述的滑轨固定架13由厚铝板55和100mm×100mm方铝管56焊接而成，滑轨固定架13与内滑轨17、内滑轨18之间采用不锈钢螺钉连接。

为减轻重量，内滑轨17、外滑轨18、内外移动小车20和滑轨固定架13都采用铝合金件。

所述的水槽2是固定在地面上的砖砌水槽。

如图8所示，所述的喷水***3包括水箱61、过滤器62、水泵63、单向阀64、球阀65、减压阀66、排水阀67、压力表68，水泵63通过过滤器62从水箱61中抽水，水经过单向阀64后分成两个支路，支路上各有一个球阀65和减压阀66，最后出水口通过水管连接到超声波探头41上，水泵63的出口设有压力表68，指示喷水***3的压力，水箱61的底部连接有排水阀67，该喷水***3可提供稳定的水耦合剂。

如图9所示，扫描控制***60包括PLC控制器，触摸屏，超声探伤仪，工控计算机，数据采集卡，分析软件；本发明超声C扫描装置对工件进行扫描时，先由操作人员通过触摸屏发出指令(自动或者手动)，PLC控制器控制步进电机驱动器驱动步进电机I 8和步进电机II28，编码器II 30(图5)和编码器I 11(图3)将采集的位置信号传送给数据采集卡，同时超声波探头41通过电缆将超声信号经超声探伤仪传送至数据采集卡，一并汇总到工控计算机，工控计算机下通过分析软件能是检测结果得以实时显示，通过图像可以直观地分析出工件的缺陷位置和大小。扫描架做旋转运动时在起点和终点各有一个行程开关，当扫描架触发开关后，控制器发出信号使步进电机I 8停止运动。行程开关的应用一方面规定了扫描架的起点终点位置，另一方面可以防止人为误操作损坏机械扫描装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：包括机械扫描装置(1)、水槽(2)及喷水***(3)；机械扫描装置(1)放置在水槽(2)内，喷水***(3)通过水管及电缆与机械扫描装置(1)相连； 

所述的机械扫描装置(1)包括基座(4)、支撑架(5)、旋转轴(6)、减速器(7)、步进电机I(8)、联轴器I(9)、轴承座(10)、编码器I(11)、滑轨固定架(13)、挡水板(14)、内水管线缆导向管(15)、外水管线缆导向管(16)、内滑轨(17)、外滑轨(18)、托块(19)、内外移动小车(20)、连接轴(24)、联轴器II(25)、配重架(27)、步进电机II(28)、滚轮(29)、编码器II(30)、联轴器III(31)、连接轴(32)、编码器II支架(33)、钢丝绳(34)、滑轮(35)、支撑杆(36)、水管支架(37)、筋板(38)； 

支撑架(5)设置在基座(4)的左右两端，且呈不对称分布；支撑架(5)上设有托块(19)，托块(19)根据工件(40)的形状仿形设计； 

所述的减速器(7)和步进电机I(8)设置在基座(4)中间一侧，减速器(7)固定在基座(4)上，所述的旋转轴(6)的一端连接有联轴器I(9)，减速器(7)和步进电机I(8)通过联轴器I(9)驱动旋转轴做(6)往复旋转运动；旋转轴(6)的另一端连接有连接轴(24)、联轴器II(25)，编码器I(11)依次通过联轴器II(25)和连接轴(24)与旋转轴(6)连接； 

所述的配重架(27)固定在旋转轴(6)上，滑轨固定架(13)连接在配重架(27)的上端，滑轨固定架(13)两侧各设有筋板(38)，筋板(38)上连接有步进电机II(28)、滚轮(29)、编码器II(30)、联轴器III(31)、连接轴(32)、编码器II支架(33)；编码器II(30)固定在编码器II支架(33)上，通过联轴器III(31)与连接轴(32)相连；连接轴(32)固定在滚轮(29)上，滚轮(29)设置在步进电机II(28)的输出轴上；在滚轮(29)上连接有钢丝绳(34)，钢丝绳(34)与内外移动小车(20)相连； 

内滑轨(17)、外滑轨(18)固定在滑轨固定架(13)两侧，内滑轨(17)、外滑轨(18)上每隔一段距离设有一滑轮(35)；内外移动小车(20)连在内滑轨(17)、外滑轨(18)上，且在滑轨上滑动； 

步进电机II(28)驱动滚轮(29)带着钢丝绳(34)牵引内外移动小车(20)沿着内滑轨(17)、外滑轨(18)做步进运动；内滑轨(17)、外滑轨(18)按照被测工件(40)的数模仿形设计； 

所述的挡水板(14)设置在滑轨固定架(13)顶端； 

所述的内水管线缆导向管(15)设置在两个滑轨固定架(13)之间的支撑杆(36)上， 所述的外水管线缆导向管(16)通过水管支架(37)设置在滑轨固定架(13)上； 

所述的内外移动小车(20)包括超声波探头(41)、上骨架(42)、下骨架(43)、压板(44)、盖板(45)、弹簧(46)、导向板(47)、滑块(48)、探头固定架(49)、滑动滚子组(50)、水管及电缆(51)；超声波探头(41)通过探头固定架(49)和滑块(48)相连，探头固定架(49)可以在滑块(48)上旋转；滑块(48)连接在导向板(47)上，滑块(48)沿着导向板(47)水平方向移动；导向板(47)连接在盖板(45)上，导向板(47)在盖板(45)上竖直方向移动，盖板(45)连接在下骨架(43)上，上骨架(42)和下骨架(43)相连； 

所述的上骨架(42)上装有四个滑动滚子组(50)，压板(44)和弹簧(46)通过盖板(45)与下骨架(43)连接构成随动压紧机构，从而保证超声波探头轴向与曲线滑轨的任一位置法向一致；压板(44)上装有一个滑动滚子组(50)；超声波探头(41)连接有水管及电缆(51)，水管及电缆(51)通过限位支架(52)与内外移动小车(20)相连，跟随超声波探头(41)一起移动，水管及电缆(51)通过导向环(53)与内水管线缆导向管(15)、外水管线缆导向管(16)固定。 

2.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：在配重架(27)的下端连接有配重块(12)，配重架(27)固定在旋转轴(6)上，配重块(12)和内滑轨(17)、外滑轨(18)及滑轨固定架(13)重量平衡。 

3.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：所述的基座(4)的下方设有调整脚(54)。 

4.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：所述的滑轨固定架(13)由厚铝板(55)和100mm×100mm方铝管(56)焊接而成，滑轨固定架(13)与内滑轨(17)、内滑轨(18)之间采用不锈钢螺钉连接。 

5.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：所述的内滑轨(17)、外滑轨(18)、内外移动小车(20)和滑轨固定架(13)都采用铝合金件。 

6.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：所述的喷水***(3)包括水箱(61)、过滤器(62)、水泵(63)、单向阀(64)、球阀(65)、减压阀(66)、排水阀(67)、压力表(68)，水泵(63)通过过滤器(62)从水箱(61)中抽水，水经过单向阀(64)后分成两个支路，支路上各有一个球阀(65)和减压阀(66)，最后出水口通过水管连接到超声波探头(41)上，水泵(63)的出口设有压力表(68)，指示喷水 ***(3)的压力，水箱(61)的底部连接有排水阀(67)，该喷水***(3)可提供稳定的水耦合剂。 

7.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：还包括扫描控制***(60)，扫描控制***(60)包括PLC控制器，触摸屏，超声探伤仪，工控计算机，数据采集卡，分析软件；对工件进行扫描时，先由操作人员通过触摸屏发出指令，PLC控制器控制步进电机驱动器驱动步进电机I(8)和步进电机II(28)，编码器II(30)和编码器I(11)将采集的位置信号传送给数据采集卡，同时超声波探头(41)通过电缆将超声信号经超声探伤仪传送至数据采集卡，一并汇总到工控计算机，工控计算机通过分析软件将检测结果得以实时显示，通过图像可以直观地分析出工件的缺陷位置和大小。 

8.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：所述的减速器(7)通过减速器支架(21)固定在基座(4)上；所述的旋转轴(6)通过两个轴承座(10)固定，两个轴承座(10)分别由轴承座支架I(22)、轴承座支架II(23)固定在基座(4)中部两侧。 

9.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：所述的编码器I(11)固定在编码器I支架(26)上。 

10.根据权利要求1所述的大型蜂窝C夹层回转曲面构件超声C扫描装置，其特征在于：所述的超声波探头(41)频率为0.5MHz。