王東升，楊黨綱，劉穎韜，徐娜，李碩寧

(北京航空材料研究院航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095)

0 引言

超聲C掃描檢測技術(shù)已廣泛用于航空、航天復合材料的缺陷檢測。檢測中，保持探頭聲束與工件上各檢測點的法矢方向一致，同時保持探頭、工件間相對距離一致，是獲得可靠檢測結(jié)果的關(guān)鍵之一。

目前，國內(nèi)采用的超聲C掃描檢測系統(tǒng)大多是針對平面、圓筒、圓柱等具有規(guī)則形狀的工件。而在我國航空、航天裝備的研制中，多品種、小批量非規(guī)則曲面復合材料制件的比重正在增加。對這類制件，傳統(tǒng)設備由于不能保證良好的檢測耦合條件，檢測覆蓋率和可靠性往往不足。

多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)集檢測技術(shù)、機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、CAD相關(guān)技術(shù)于一體，可完成復雜型面的追蹤檢測，實現(xiàn)缺陷的可靠檢測與評價，并較大程度上保證檢測覆蓋率，是復合材料制件檢測技術(shù)發(fā)展的新方向。本文從設計和使用角度，結(jié)合國外檢測系統(tǒng)，對多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測的技術(shù)原理、典型設備形式、主要功能進行概括，分析存在的問題，并指出發(fā)展方向。

1 多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測技術(shù)

對于非規(guī)則曲面工件，目前主要采用的超聲檢測方法:一是將工件分為若干個區(qū)域，每個區(qū)域近似為平面，然后對每個區(qū)域分別進行手動或自動C掃描平面方式的掃查，這種方法只適用于曲率較小的工件部位，對曲率較大部位難以保證可靠性，分區(qū)檢測效率也低。二是采用多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測方式 (如圖1)，在測量或直接從CAD數(shù)據(jù)文件獲取復雜形狀工件的尺寸數(shù)據(jù)后，對工件進行掃描軌跡規(guī)劃，再根據(jù)各檢測點的位置和法矢自動控制探頭對工件表面進行跟蹤掃查，并對檢測結(jié)果進行自動記錄和成像顯示，其主要優(yōu)點在于:

1)對于曲面工件的不同部位，可最大限度保證探頭聲束與工件表面法矢重合，并最大限度保持探頭、工件間距離的一致性，檢測靈敏度一致性好，檢測覆蓋率高。

2)對曲面工件一次裝卡可完成全部或絕大部分區(qū)域的檢測，避免了對工件按分區(qū)分塊方式自動檢測時需要多次重復裝卡工件帶來的效率低下問題。

3)既可用于規(guī)則形狀制件，也可用于各種非規(guī)則曲面制件，因此具有高柔性和高通用性，投入一臺設備可實現(xiàn)多臺專用檢測設備的功能;該優(yōu)勢還體現(xiàn)在，對于復合材料研發(fā)過程中各種復雜形狀的新產(chǎn)品具備快速適應能力，只需通過CAD數(shù)模導入 (或仿形測量)、掃描軌跡規(guī)劃等步驟即可實現(xiàn)檢測，并提供高可靠檢測數(shù)據(jù)，從而縮短復合材料研制周期。

4)由于軟件具備曲面造型及三維數(shù)據(jù)處理的能力，可使工件檢測結(jié)果以更為直觀的三維方式顯示，便于缺陷的定位，尤其對于曲率較大的部位，可使缺陷形狀的顯示及其尺寸的測量更加準確。

多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)一般同時支持噴水穿透法、噴水脈沖反射法這兩種復合材料制件常用檢測方式。此外，取決于具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，部分檢測系統(tǒng)還同時支持水浸脈沖反射法、水浸穿透法對金屬制件、某些特殊結(jié)構(gòu)制件進行檢測。由此可見，該類檢測系統(tǒng)具有較為廣泛的適用范圍。圖2是不同檢測方式示意圖。

圖1 曲面工件多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測簡圖

圖2 典型檢測方式示意

2 檢測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)形式

多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)在英國、美國、西班牙、德國等國家都有企業(yè)在開發(fā)［1－7］。目前比較知名的制造商包括英國超聲波科學有限公司 (USL)、美國GE公司、西班牙Tecnatom公司等多家。此外，被公認為功能先進、強大的還有美國波音公司 (Boeing)研發(fā)的多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)，但目前未見對外銷售。

根據(jù)資料和現(xiàn)場調(diào)研，盡管不同廠家所研制的多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)形式多樣，但其主流形式仍可歸納為以下兩類:一是采用水平臂結(jié)構(gòu)的10軸大型檢測系統(tǒng) (如圖3(a));二是采用垂直臂結(jié)構(gòu)的11軸大型檢測系統(tǒng) (如圖3(b));其中10軸水平臂系統(tǒng)包含了實現(xiàn)雙曲率復合材料制件噴水穿透法檢測所需的最基本的6個直線平移軸:X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2;4個探頭角度調(diào)節(jié)軸:A1，A2，B1，B2。其主要特征是:探頭及探頭角度調(diào)節(jié)軸均安裝于水平布置的Y1、Y2軸上。11軸垂直臂系統(tǒng)包含了實現(xiàn)雙曲率復合材料制件噴水穿透法檢測所需的最基本的7個直線平移軸:主 X軸、次X軸 (X1與X2)及 Y1，Y2，Z1，Z2;4個探頭角度調(diào)節(jié)軸:A1，A2，B1，B2。其主要特征是:探頭及探頭角度調(diào)節(jié)軸均安裝于垂直布置的Z1，Z2軸上。除可實現(xiàn)雙曲率工件的穿透法檢測外，在10軸水平臂系統(tǒng)中通過采用X1，Y1，Z1，A1，B1五軸聯(lián)動或者X2，Y2，Z2，A2，B2五軸聯(lián)動，在11軸水平臂系統(tǒng)中通過采用 X，Y1，Z1，A1，B1五軸聯(lián)動或者X，Y2，Z2，A2，B2五軸聯(lián)動等方式，還可實現(xiàn)雙曲率工件的脈沖反射法檢測。

實際應用中，以10軸水平臂結(jié)構(gòu)、11軸垂直臂結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，還可開發(fā)各種更為復雜的檢測系統(tǒng)形式。比如，為了能更好兼顧桶形件、錐形件等規(guī)則圓形曲面工件的檢測，各廠家會在上述兩種檢測系統(tǒng)中再增加1個轉(zhuǎn)臺軸。又如，USL公司開發(fā)的17軸水平臂系統(tǒng)是在10軸水平臂系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個5軸電動工裝和兩個自動控制噴水流量的水泵控制“軸”。5軸電動工裝有5個可編程的運動軸——這些軸可在每次檢測時自動帶動工件移動到事先的編程位置，從而可為每個零件類型提供一個穩(wěn)定的、可重復的夾持位置和參考點;水泵控制“軸”可在計算機系統(tǒng)控制下，對噴水嘴噴出的水的流速進行實時控制，對探頭噴水角度和高度的變化進行自動補償，獲得更加穩(wěn)定的水流和檢測信號。

圖3 檢測系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)形式示例

通常來說，對于特定結(jié)構(gòu)形式的檢測系統(tǒng)，往往會有它更為適合的一類應用，通過調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，以上水平臂系統(tǒng)、垂直臂系統(tǒng)也不例外，分別具有其各自的優(yōu)點。其中水平臂系統(tǒng)的優(yōu)點體現(xiàn)在:①零件的每一邊都有5個可獨立運行的軸，具有最大的自由度，可最大限度地對曲面件實施跟蹤檢測;②水平臂結(jié)構(gòu)由于在Y方向上的尺寸不受探頭角度調(diào)節(jié)軸水平延展長度的限制，因此在用噴水穿透法檢測凹陷較深的“C型”零件的時候在零件的深度方向上可移動范圍大，空間限制小;③10軸聯(lián)動比垂直臂的11軸聯(lián)動控制更容易，成本更低;④能夠集成一個在頂部安裝的電機驅(qū)動的可編程定位工裝。垂直臂系統(tǒng)的優(yōu)點體現(xiàn)在:①具有更好的機械穩(wěn)定性;②垂直的Z軸更適合檢測轉(zhuǎn)臺上的零件，尤其是穿透法檢測時;③垂直的Z軸允許在檢測系統(tǒng)中增加一個水浸槽，用于實現(xiàn)水浸脈沖反射法或水浸穿透法的檢測，而這是水平臂結(jié)構(gòu)不容易做到的。

目前，除水平臂系統(tǒng)、垂直臂系統(tǒng)兩種主流形式外，采用工業(yè)機器手的多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)(圖3(c))也是目前發(fā)展較為迅速的一類系統(tǒng)形式。通常認為，這類系統(tǒng)應相對于水平臂、垂直臂等傳統(tǒng)框架式結(jié)構(gòu)具有更大的操作靈活性，但由于種種原因，目前此類結(jié)構(gòu)形式的系統(tǒng)實際應用還相對較少。

3 主要功能特點

目前，配合各種結(jié)構(gòu)形式檢測系統(tǒng)所開發(fā)的軟件、電氣功能也已非常成熟，概括國外各公司產(chǎn)品檢測功能的開發(fā)情況，主要有以下特點:

3.1 CAD文件導入及掃描軌跡規(guī)劃功能

通過CAD模型文件導入工件的仿形數(shù)據(jù)，生成相應的檢測點位置和掃描軌跡，并轉(zhuǎn)換為掃描系統(tǒng)各個軸的空間坐標值，然后輸送給運動控制系統(tǒng)，用于指揮各個軸對工件進行自動掃查。目前，除了依據(jù)CAD模型文件自行生成掃描軌跡外，為方便使用，部分檢測系統(tǒng)的軟件還可直接讀入由第三方CAM軟件所生成的掃描軌跡信息，比如USL公司的軟件可以讀取BAESYSTEMS公司CAD/CAM軟件所生成的掃描軌跡信息。

3.2 教學功能

現(xiàn)實中并不是所有工件均能提供CAD模型文件，即便提供有CAD模型文件，工件的實際形狀也可能相對于CAD模型存在大的偏差。為此，國際上先進的多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)中均集成了曲面測量示教功能。通過“教與學”方法，由操作員在工件上選取不同點并“教授”出不同點處各個掃描軸的空間坐標位置來獲得零件的仿形數(shù)據(jù)。教授點的數(shù)量依工件的復雜性、彎曲的程度和曲面的明顯變化程度而定。當各教授點處對應的各個軸的空間坐標位置已確定并輸入軟件后，在掃描時，教授點之間軸的位置，將隨著系統(tǒng)的移動按一定的掃描軌跡規(guī)劃算法被插入 (典型是按照樣條曲線插入)。目前采用的曲面測量示教方法多基于超聲波測距原理，但也有采用激光測距原理的，如GE公司的部分檢測系統(tǒng)。

3.3 定位偏差的矯正功能

對于復雜結(jié)構(gòu)的工件，檢測時需要事先在掃描范圍內(nèi)把工件裝卡在已知的參考位置。然而，裝卡過程中不可避免地會發(fā)生定位的偏差，或者裝卡中因工裝加壓，工件變形而引起仿形數(shù)據(jù)——工件實際尺寸、位置的偏差，這些偏差均會影響檢測的結(jié)果。目前矯正定位偏差的一種做法是首先在待測工件上選取定位基準點，然后利用超聲測量或激光測量等方法獲得待測工件的實際位置信息，并找到其與仿形數(shù)據(jù)之間的相對位置關(guān)系，再利用軟件將仿形數(shù)據(jù)、工件實際位置數(shù)據(jù)通過旋轉(zhuǎn)、平移等方式互相匹配，最后生成具有較高精度的探頭運動軌跡。目前，在USL公司的多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)上即采用了與上述原理相類似的“3點定位法”，此外，該公司還在軟件中提供了“Brain line”功能，可進一步補償工件在裝卡過程中發(fā)生的變形。

3.4 噪聲抑制功能

多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)普遍為尺寸數(shù)米長的大型系統(tǒng)。眾所周知，在大型超聲檢測系統(tǒng)中，微弱的超聲檢測信號很容易因長距離傳輸衰減和受到噪音干擾 (來自系統(tǒng)內(nèi)部電機系統(tǒng)和外界電磁干擾)而變得無法有效識別。為了解決上述問題，一般采取的措施包括采用低噪聲電機系統(tǒng) (或?qū)﹄姍C系統(tǒng)進行噪聲過濾)，以及加強超聲信號連接電纜的屏蔽等。此外，在涉及到超聲信號遠距離傳輸?shù)膱龊?，采用前置放大器也會是有效措施之一。前置放大器用于補償信號在探頭和探傷儀/卡之間遠距離傳輸時產(chǎn)生的衰減，在靠近探頭的一端對信號進行預先放大，由于信號衰減已提前得到了補償，在到達探傷儀時就不必再采用高的增益來放大，這樣在信號遠距離傳輸過程中引入的噪聲也就不會被過分放大，使信噪比得到改善。除以上常規(guī)措施外，各種新的噪聲抑制技術(shù)正不斷被開發(fā)，如Tecnatom公司采用了光纖技術(shù)，在超聲探頭接收到檢測信號后首先進行數(shù)字化處理，然后通過光纖傳送給遠端的計算機處理，避免模擬超聲信號傳輸中衰減的情況，同時數(shù)字化信號在傳輸過程中也具有很強的抗空間電磁干擾能力。

3.5 檢測圖像三維顯示與缺陷測量功能

上述公司開發(fā)的軟件普遍具有三維圖像可視化功能，允許對檢測結(jié)果以三維方式顯示，并允許操作人員在三維空間內(nèi)調(diào)節(jié)圖像以便從不同的方向來觀察。此外，由于具備了三維圖像處理功能，位于工件曲面部位的缺陷信號的真實尺寸 (非二維投影尺寸)也可被準確地測量得到。如圖4所示。

圖4 USL公司曲面工件檢測結(jié)果三維顯示功能

3.6 掃查控制性能

在正確生成掃描軌跡的前提下，如何快速、精確地執(zhí)行掃描計劃，對于提升檢測效率，保證檢測結(jié)果可靠性至關(guān)重要。目前，USL公司的17軸超聲C掃描檢測系統(tǒng)可在500 mm/s的較高掃描線速度下，保持較穩(wěn)定的探頭-工件耦合狀態(tài)，檢測出曲面上大約4 mm×4 mm的制造缺陷［7］。另據(jù)了解，波音公司自行研制的大型多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)即便對于曲率變化很大的組合曲面也可實現(xiàn)流暢的高速檢測，可靠性也很高;其它如GE公司、Tecnatom公司在相關(guān)設備的演示中也表現(xiàn)出很強的曲面檢測能力。除檢測速度和檢測結(jié)果的可靠性外，如何防止機械系統(tǒng)與工件間干涉、碰撞，確保安全性，也是各廠家在檢測系統(tǒng)的設計過程中所重點考慮的一個方面，比如Tecnatom公司專門針對曲面工件的檢測開發(fā)了SIROCO-3D軟件，該軟件可以模擬當檢測系統(tǒng)按照規(guī)劃的掃描軌跡運行時的實際工作狀態(tài)，為掃描軌跡的合理性、安全性檢查，以及操作人員的培訓提供了有效手段，GE公司也開發(fā)有類似功能。

4 技術(shù)與應用展望

與傳統(tǒng)材料相比，復合材料具有可設計性強、比強度比模量高、抗疲勞斷裂性能好、結(jié)構(gòu)功能一體化等一系列優(yōu)越性能，是發(fā)展現(xiàn)代航空、航天技術(shù)不可缺少的基礎(chǔ)材料。多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測技術(shù)能為復合材料的制造、應用提供高水平的檢測技術(shù)支持，其潛在的應用前景是廣闊的。目前我國已有數(shù)家航空企業(yè)從國外購買了多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)。

綜合前面的分析來看，多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測技術(shù)目前已比較成熟。但是結(jié)合該技術(shù)的實際應用情況來看，應還有進一步提升的空間，比如，通過逐點教學獲得曲面工件仿形數(shù)據(jù)的方式盡管可行，但當需要教授的點較多時，會影響檢測效率，因此發(fā)展更為高效的曲面測量手段，如高精度、快速的3D激光測量技術(shù)［8－9］，有可能成為一種趨勢。此外，就國內(nèi)而言，尚未針對多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)建立統(tǒng)一的性能評價標準，尤其是在機械系統(tǒng)評價方面，尚未系統(tǒng)了解其精度變化對實際探傷性能的影響。

5 結(jié)論

1)多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測技術(shù)為非規(guī)則曲面復合材料制件的檢測帶來突破。首先，它可以最大限度地保持探頭、工件間耦合的一致性，在保證檢測可靠性的同時，也可使檢測覆蓋率得到提高。其次，對曲面工件一次裝卡即可完成全部或絕大部分區(qū)域的檢測，避免了對曲面工件按普通的分區(qū)分塊方式自動檢測時，需要多次重復裝卡工件帶來的效率低下問題。再就是通用性強，投入一臺設備可滿足多種形狀工件的檢測需求。

2)多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測技術(shù)目前已較為成熟，不僅檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，而且軟件、電氣功能豐富。但該技術(shù)應還有進一步提升的空間，比如發(fā)展應用更為高效的曲面測量手段。此外，對于多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測技術(shù)，國內(nèi)尚未建立統(tǒng)一的性能評價標準，還需要業(yè)界更多努力。

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