CN104330479A - 一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，包括控制部分的驱动组件、转向组件、处理器总成；检测部分的传感器及换能器组件；辅助部分的电源、耦合剂储罐、低压泵、机壳、滚筒刷组件及底盘。转向组件装有距离传感器和压力传感器，换能器组件装有高度及曲率自动调节装置。通过控制驱动组件及带有传感器反馈控制的转向组件，实现装置的“弓”形自动扫查和止动。通过换能器组件自动调整超声相控阵换能器位姿，确保与构件表面良好耦合。通过处理器总成实现超声相控阵在线检测或提供离线分析。本发明可用于航空航天、风电等行业重要构件的自动超声相控阵检测，尤其适用于水平放置的小曲率大型构件，具有适应性强、检测效率高等优点。

Description

一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置

技术领域

本发明涉及大型曲面构件自动无损检测领域，具体涉及一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，可用于航空航天、风电等行业的重要构件的自动超声相控阵检测。

背景技术

大型曲面构件在航空航天、风电等行业的关键设备上得到了广泛应用，如飞机机翼、风电叶片等，这些构件在生产和服役期间受制造工艺、外界环境、工作载荷等多种因素影响，难以避免会出现脱粘、气孔、裂纹、疏松等各种常见缺陷。如不能及时检出这些缺陷，将严重影响关键设备的安全运行，甚至会造成不可估量的损失。

超声检测是保障构件制造质量及服役安全的重要手段。相比传统超声检测采用单个换能器，超声相控阵检测的探头则是由多个晶片组成的换能器阵列，通过对各个阵元激励时间控制，可方便地实现声束的偏转和聚焦，因此超声相控阵检测具有扫查范围广、检测效率高等特点，且能对复杂结构件进行实时成像。

目前国内外开展大型曲面构件的超声检测大部分为检验人员手动操作探头对构件进行检测，检测方法的局限决定了人工检测效率低下，并且对大型曲面构件进行检测时存在自动化低、通用性差等弊端。因此针对大型曲面构件的自动检测装置正逐步受到重视。如授权公开号CN101894593A，授权公开日2010年11月24日的专利文献公开了反应堆压力容器检查机的探头扫查装置，该探头扫查装置能防止探头机构碰到贯穿件，且超声探头本体能够紧密耦合，保证待测区域扫查。申请公开号CN103217482A，申请公开日2013年7月24日的专利文献公开了超声波自动探伤***探头支架装置，该装置采用对称布置的双弹簧、双导向轮机构及活动连接板，通过压缩弹簧压紧使探头沿工件表面最佳探伤位置移动，具有稳定性高、结构简单等优点。然而，上述超声扫查装置仅能进行单向移动，不能自动地对构件整体表面进行扫查，且工作时必须配置相应大型运动结构支架，导致扫查装置安装复杂、检测效率低，且对不同形状及大小的曲面构件检测适用性差。因此，研究一种用于大型曲面构件的便携式自动扫查装置具有重要的工程应用价值和意义。如申请公开号CN103852524A，授权公开日2014年6月11日的专利文献公开了一种用于超声检测的自动扫查装置，该扫查装置能通过磁性轮使得扫查装置能够紧贴金属壁，从而对不同曲面及球面金属壁的扫查进行倒置或竖向扫查，且该发明结构操作方便，扫查稳定。授权公开号CN101603949B，授权公开日2009年12月16日的专利文献公开了大型工件焊缝自动超声扫查器，该扫查器能对探头纵向进行任意角度旋转调节，适应在不同表面形状的待测工件上行走。然而上述扫查装置均采用常规单个超声探头进行检测，扫查效率低，且易导致成像精度不高，缺陷评估困难，此外，扫查轨迹通过人工操作来调节，极易导致缺陷的漏检。另外现有超声自动扫查装置绝大部分的扫查方式均难以用于变曲率曲面，且现有超声自动扫查装置在边界判断、界面耦合等关键技术仍存在很多问题亟需解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，该扫查装置能在保证换能器与大型构件的小曲率表面耦合良好前提下完成自动扫查，并进行边界判断及自动转向，通过在构件表面进行“弓”形扫查实现自动超声检测。采用超声相控阵换能器和相应处理器总成能进一步提高缺陷检出精度，提高检测效率，并进行实时成像及数据处理。

本发明采用的技术方案：一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，包括底盘、驱动组件、机壳、电源、处理器总成、耦合剂储罐、低压泵、转向组件、传感器、滚筒刷组件及换能器组件；驱动组件、转向组件与底盘上的支撑座配合安装；电源、耦合剂储罐及低压泵依次安装在底盘上；传感器安装在底盘前端的支架内；滚筒刷组件、换能器组件、处理器总成依次与机壳固定；机壳与底盘配合安装。

驱动组件、转向组件与底盘连接处装有由支撑座、压缩弹簧及支撑杆配合安装的减震装置，利用压缩弹簧的弹性变形减少扫查装置行驶过程中因大型曲面构件表面不平整引起的振动，有效地提高扫查装置运动稳定性。

在驱动组件的悬架支撑板上装有驱动电机及转速传感器，在驱动轴上设有制动器，驱动电机与处理器总成中电机控制模块相连，以实现扫查装置的运动控制；同时通过转速传感器实时监测扫查装置的速度，并将数据传输到处理器总成中的传感器数据采集/处理模块。当扫查装置出现运动故障时，经转速传感器信号判断故障并进行自动报警。在手动扫查模式下，由于检测到缺陷而扫查装置静止时，处理器总成发出的制动信号输入制动器内，导致电磁铁通电吸引摩擦片，使其压紧在车轮轴的制动盘上，防止手动模式下扫查装置在构件曲表面下溜。

转向组件中摆杆与转向电机上的凸轮配合安装，摆杆远端开通孔，通过扭转弹簧与连杆连接，摆臂与连杆配合安装，转向电机与处理器总成中的电机控制模块相连，通过控制转向电机转数控制扫查装置转向，并通过扭转弹簧的弹性变形使摆杆复位；转速传感器安装在摆臂上，并与处理器总成中的传感器数据采集/处理模块相连，用于实时监测车轮的速度。

滚筒刷组件中连接杆装有减震装置，在滚筒刷支架内设置耦合剂阀，阀口与滚筒刷支架内侧通孔相连，通过滚筒刷遇到的阻力大小自动调节阀腔内容积，以改变耦合剂流量；滚筒采用圆柱泡沫塑料，确保耦合层连续与均匀。

换能器组件中连接杆采用减震装置，换能器座前端开两个平行螺孔，通过紧固螺栓固定超声相控阵换能器，换能器座侧翼通过扭转弹簧与换能器支架相连，换能器支架通过旋转接头与支撑杆连接且能相互转动，确保换能器与构件表面耦合良好。通过采用超声相控阵换能器，提高检测灵敏度并增加扫查面积，检测同时能通过相控阵超声信号处理模块在显示器或计算机上进行实时成像。

底盘前端传感器座安装有水平布置的压力传感器。通过压力传感器监测扫查装置前端压力变化，当压力传感器接触到构件终点端人为设置的止动块，且压力突变超过阈值时，扫查装置停止工作。

底盘前端传感器座安装有竖直布置的距离传感器，用于实时监测被测构件表面到传感器表面的距离。当扫查装置到达构件边界，该距离发生突变且超过预设阈值时，处理器总成中的传感器数据采集/处理模块接收到距离突变信号，并将转向信号传输至电机控制模块，从而驱动转向电机旋转一周，扫查装置实现自动转向功能。

底盘前端安装耦合剂储罐，通过与其相连的低压泵实现滚筒刷组件内耦合剂供给。扫查装置处理器总成、驱动电机、转向电机及低压泵所需工作用电均由安装在底盘后端的电源提供。

扫查工作之前，通过数据端口设定或修改检测参数；扫查装置工作开始后，由相控阵超声信号采集/发射模块实现超声相控阵换能器的激励与回波信号接收，通过相控阵超声信号处理模块完成数据处理，进行实时成像，当检测到缺陷则进行声光报警。通过传感器数据采集/处理模块实时监测扫查装置车轮转速、传感器表面至构件表面距离及装置前端接触压力等参数，并进行实时处理，当扫查装置运动异常时进行故障报警，并完成扫查装置边界判断及自动转向功能。转速、压力、距离及缺陷回波信息等实时数据存储至数据存储器中；且数据存储器中的数据可通过数据接口传输到计算机中，实现超声检测数据的离线分析，并结合扫查装置的转速及运动轨迹等来确定缺陷位置。

本发明的有益效果在于可实现航空航天、风电等行业的重要构件自动超声无损检测，适用于水平布置的小曲率大型构件，且能实现边界判断并自动转向，并具有自动化程度高、扫查区域广、检测效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的整体装配示意图。

图2为本发明驱动组件示意图。

图3为本发明转向组件示意图。

图4为本发明滚筒刷组件示意图。

图5为本发明耦合剂阀示意图。

图6为本发明换能器组件示意图。

图7为本发明处理器总成的构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

 如图1所示，一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，包括电源1、驱动组件2、处理器总成3、机壳4、转向组件5、压力传感器6、距离传感器7、低压泵8、耦合剂储罐9、滚筒刷组件10、换能器组件11、底盘12；所述驱动组件2、转向组件5中摆臂与底盘12侧翼支撑座内的支撑杆配合安装；机壳4安装在底盘12上；所述滚筒刷组件10、换能器组件11通过沉头螺钉固定在机壳凹槽内；所述压力传感器6、距离传感器7安装在底盘12的传感器座内，所述电源1、低压泵8、耦合剂储罐9依次安装在底盘12上。

 如图2所示，所述驱动组件2包括转速传感器21、车轮轴22、主动齿轮23、压缩弹簧24、后车轮25、驱动电机26、从动齿轮27、制动器28、悬架29；所述转速传感器21、驱动电机26安装在悬架29的支撑板上，所述主动齿轮23、从动齿轮27通过定位销分别与驱动电机26及车轮轴22配合安装；所述压缩弹簧24与悬架29的凸台通孔配合安装；所述车轮轴22轴身及轴端处分别安装有制动器28与后车轮25。

 如图3所示，所述转向组件5包括压缩弹簧51、摆杆52、凸轮53、连杆54、前车轮55、摆臂56、转向电机57、扭转弹簧58；所述摆臂56通过压缩弹簧51、扭转弹簧58与底盘凸台座配合安装，摆臂末端安装前车轮55；所述摆杆52通过扭转弹簧58与连杆54连接；所述凸轮53与摆杆52远端弧形槽配合安装，并通过定位销与转向电机57固定；通过控制转向电机57转数控制扫查装置转向，并通过扭转弹簧58的弹性变形使摆杆52复位。

 如图4所示，所述滚筒刷组件10包括固定板101、耦合剂阀102、滚筒刷支架103、滚筒104、紧固螺栓105、轴106；所述固定板101通过耦合剂阀102与滚筒刷支架103相连；且两端对称开两螺孔，通过沉头螺栓与机壳固定，所述轴106的轴身处安装滚筒104，且轴端通过紧固螺栓105与滚筒刷支架103两翼通孔配合安装。

 如图5所示，所述耦合剂阀102包括滚花螺母1021、支撑杆1022、压缩弹簧1023、进口1024、活塞1025、支撑板1026、阀芯1027、出口1028、阀体1029；所述阀体1029侧翼及底面分别开进口1024和出口1028；所述活塞1025两端凸台通过压缩弹簧1023分别与支撑杆1022及支撑板1026配合安装；所述滚花螺母1021安装在支撑杆1022延长端；所述阀芯1027通过压缩弹簧1023顶紧支撑板1026通孔，通过阀腔内耦合剂压力变化控制阀芯1027与通孔的开闭，并有效地防止耦合剂倒流。通过滚筒刷与变曲率构件表面相互作用力大小自动调节阀腔内容积，以改变耦合剂流量。

 如图6所示，所述换能器组件11包括压缩弹簧111、固定板112、支撑杆113、扭转弹簧114、超声相控阵换能器115、紧固螺栓116、换能器座117、换能器支架118、旋转接头119；所述固定板112两端对称开两螺孔，通过沉头螺栓与机壳装配，且通过压缩弹簧111与支撑杆113配合安装，确保超声相控阵换能器高度的自动调节。所述换能器座117侧翼通过扭转弹簧114与换能器支架118相连，换能器支架118通过旋转接头119与支撑杆113连接且能相互转动，确保换能器与构件表面耦合良好；所述换能器座117侧翼开两对称螺孔，通过紧固螺栓116固定超声相控阵换能器115。

 如图7所示，所述电源用于向扫查装置供电；所述处理器总成中的电机控制模块、无线信号发射/接收模块及遥控手操器，用于扫查装置运动控制；所述处理器总成中的传感器数据采集/处理模块用于转速、压力、距离等数据的采集与处理；所述相控阵超声信号采集/发射模块，用于相控阵换能器超声信号的激发及回波信号接收；所述相控阵超声信号处理模块，对采集到的相控阵超声波信号进行自动处理与缺陷判定，并实现实时成像及缺陷自动报警；所述处理器总成中的数据存储器用于扫查装置检测数据的存储，并通过处理器总成中的数据接口与计算机连接，以对被测构件的检测数据进行离线分析，且同时可以由计算机设置和修改扫查装置处理总成中的参数，如报警阈值、转向阈值、电机转速及其他超声检测参数等。

扫查装置运动控制过程：当外部遥控手操器控制启动后，通过无线信号发射/接收模块发射驱动信号，由处理器总成中的电机控制模块控制驱动组件中的驱动电机，同时通过转速传感器实时监测每个车轮转速。距离传感器用于实时监测被测构件表面到传感器表面的距离，当扫查装置到达构件边界，该距离发生突变且超过预设阈值时，处理器总成中的传感器数据采集/处理模块接收到距离突变信号，并将转向信号传输至电机控制模块，从而驱动转向电机旋转一周，扫查装置实现自动转向功能。当设置扫查模式为手动模式时，扫查装置检测到缺陷时停止运动且制动器28制动，同时蜂鸣器及发光二极管进行声光报警，且遥控手操器再次发射启动信号后扫查装置继续扫查。当设置扫查为自动模式时，扫查装置从起点到终点沿“弓”形扫查。当压力传感器6接触到终点端处人为设置的止动块时，且压力变化超过阈值时，扫查装置停止运动。

 扫查装置探伤过程：扫查工作之前，通过数据端口设定或修改检测参数；扫查装置工作开始后，由相控阵超声信号采集/发射模块实现超声相控阵换能器的激励与回波信号接收，通过相控阵超声信号处理模块完成数据处理，进行实时成像，当检测到缺陷则进行声光报警。通过传感器数据采集/处理模块实时监测扫查装置车轮转速、传感器表面至构件表面距离及装置前端接触压力等参数，并进行实时处理。当扫查装置运动异常时进行故障报警，并完成扫查装置边界判断及自动转向功能。转速、压力、距离及缺陷回波信息等实时数据存储至数据存储器中；且数据存储器中的数据可通过数据接口传输到计算机中，实现超声检测数据的离线分析，并结合扫查装置的转速及运动轨迹等来确定缺陷位置。 

Claims (4)

1.一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，包括电源（1）、驱动组件（2）、处理器总成（3）、机壳（4）、转向组件（5）、压力传感器（6）、距离传感器（7）、低压泵（8）、耦合剂储罐（9）、滚筒刷组件（10）、换能器组件（11）、底盘（12）；所述驱动组件（2）、转向组件（5）中摆臂与底盘（12）侧翼支撑座内支撑杆配合安装；所述机壳（4）通过沉头螺钉固定在所述底盘（12）上；所述滚筒刷组件（10）、换能器组件（11）通过沉头螺钉固定在所述机壳（4）矩形凹槽内；所述底盘（12）前端传感器座安装所述水平布置的压力传感器（6）及所述竖直布置的距离传感器（7），所述电源（1）、低压泵（8）、耦合剂储罐（9）依次安装在所述底盘（12）上。

2.根据权利要求1所述的一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，其特征在于：所述换能器组件（11）中支撑杆（113）与压缩弹簧（111）配合安装，换能器座侧翼通过扭转弹簧（114）与换能器支架（118）相连，换能器支架通过旋转接头（119）与支撑杆（113）连接且能相互转动，通过弹簧的弹性变形自动调节超声换能器位姿，确保与曲面构件表面良好耦合。

3.根据权利要求1所述用于一种大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，其特征在于：所述滚筒刷组件（10）中耦合剂阀（102）的进口（1024）与滚筒刷支架内侧通孔相连，通过滚筒刷与变曲率构件表面相互作用力大小自动调节阀腔内容积，以改变耦合剂流量；所述滚筒采用圆柱泡沫塑料，确保耦合层连续与均匀。

4.根据权利要求1所述的一种用于大型曲面构件的超声相控阵自动扫查装置，其特征在于：通过遥控手操器控制设定模式并启动后，由处理器总成中的电机控制模块控制驱动组件中的驱动电机，同时由转速传感器实时监测每个车轮转速；距离传感器用于实时监测被测构件表面到传感器表面的距离，当扫查装置到达构件边界，该距离发生突变且超过预设阈值时，处理器总成中的传感器数据采集/处理模块接收到距离突变信号，并将转向信号传输至电机控制模块，从而驱动转向电机旋转一周，扫查装置实现自动转向功能；当设置扫查为手动模式时，扫查装置检测到缺陷时停止运动且制动器（28）制动，同时蜂鸣器及发光二极管进行声光报警，当遥控手操器再次发射启动信号后扫查装置继续扫查；当设置扫查为自动模式时，扫查装置从起点到终点沿“弓”形扫查，当压力传感器（6）接触到人为设置的止动块时，扫查装置停止运动。