劉 進(jìn)

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型回轉(zhuǎn)件噴水耦合超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)

劉 進(jìn)

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

復(fù)合材料天線罩在制造過程中可能產(chǎn)生缺陷，為檢測(cè)某大型回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的天線罩，成功研制了一套噴水耦合超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)。文中介紹了該超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成，詳細(xì)闡述了機(jī)械掃描裝置原理及實(shí)現(xiàn)、噴水系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)以及掃描控制系統(tǒng)和C掃成像系統(tǒng)。文中對(duì)試樣和天線罩分別進(jìn)行檢測(cè)，得到超聲C掃描檢測(cè)圖像，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，大大提高了大型回轉(zhuǎn)件超聲檢測(cè)的質(zhì)量和效率。

大型回轉(zhuǎn)件；超聲檢測(cè)；C掃描

引 言

某型號(hào)雷達(dá)天線罩是玻璃鋼/Nomax蜂窩C夾層結(jié)構(gòu)，在制造過程中可能產(chǎn)生缺陷，必須通過有效手段對(duì)天線罩進(jìn)行檢測(cè)。大量資料表明，穿透法超聲檢測(cè)技術(shù)是一種可以有效檢測(cè)蜂窩C夾層常見缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)[1]。大型曲面構(gòu)件的超聲掃描系統(tǒng)是目前超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，國內(nèi)外的無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。英國超聲波科學(xué)有限公司(USL)研發(fā)的超聲C掃描噴水復(fù)合材料檢測(cè)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行雙曲面(二維方向曲面)掃描檢測(cè)，這類系統(tǒng)的一款產(chǎn)品已交付哈飛使用，并通過了最終驗(yàn)收[2]。浙江大學(xué)機(jī)械系現(xiàn)代制造工程研究所在國內(nèi)首創(chuàng)開發(fā)成功UPR-10/11自由度大型復(fù)雜曲面工件超聲彩色成像系統(tǒng)(10/11 大型C掃描超聲檢測(cè)系統(tǒng))。國內(nèi)外的自動(dòng)超聲檢測(cè)裝置，具有較好的檢測(cè)效果，但多針對(duì)開放式的規(guī)則平面或曲面，僅僅提供一種用于超聲C掃描檢測(cè)的手段或是介紹一種超聲C掃描的儀器或者方法，而對(duì)于三維空間回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)研究較少。針對(duì)某型號(hào)雷達(dá)天線罩的無損檢測(cè)要求，本文自行研制了大型回轉(zhuǎn)件穿透法超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，大大提高了大型回轉(zhuǎn)件超聲檢測(cè)的質(zhì)量和效率。

1 超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

超聲波檢測(cè)就是將一定頻率的超聲波信號(hào)傳入被檢測(cè)的零件中，超聲波信號(hào)在傳遞過程中如果遇到不同的介質(zhì)，聲波信號(hào)將發(fā)生反射、折射、透射等現(xiàn)象，通過分析他們的變化就可以確定產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量情況[3]。

根據(jù)檢測(cè)原理，超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)由超聲探頭(發(fā)射和接收)、超聲探傷儀、機(jī)械掃描裝置、噴水系統(tǒng)、PLC控制器和工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，如圖1所示。PLC控制器發(fā)送控制信號(hào)給機(jī)械掃描裝置，掃描裝置拖動(dòng)超聲波探頭對(duì)工件進(jìn)行掃描，同時(shí)超聲探傷儀將探頭測(cè)得的檢測(cè)信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)傳給工控計(jì)算機(jī)。工控計(jì)算機(jī)將探頭所在位置和測(cè)得的檢測(cè)信號(hào)綜合形成二維掃描圖像。

圖1 超聲C掃描控制系統(tǒng)及成像系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

雷達(dá)天線罩超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)主要包括機(jī)械掃描裝置、水槽及噴水系統(tǒng)、掃描成像控制系統(tǒng)等，如圖2所示。該C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械掃描裝置是專為某型雷達(dá)天線罩研制的，掃描成像控制系統(tǒng)可以重復(fù)使用，即如果需對(duì)其他型號(hào)天線罩進(jìn)行超聲C掃描檢測(cè)，只要更換機(jī)械掃描裝置，掃描成像控制系統(tǒng)仍能繼續(xù)使用。

圖2 超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)總圖

2.2 機(jī)械掃描裝置

機(jī)械掃描裝置主要由做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的掃描架和固定天線罩的基座及工裝支撐等組成。其中掃描架包括旋轉(zhuǎn)軸、內(nèi)外滑軌、內(nèi)外移動(dòng)小車、內(nèi)外水管線纜導(dǎo)向管、滑軌固定架、配重塊、擋水板等部件。如圖3所示。

圖3 機(jī)械掃描裝置示意圖

掃描架能夠完成兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：一是旋轉(zhuǎn)軸做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二是內(nèi)外移動(dòng)小車沿著內(nèi)外滑軌做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式能使超聲探頭覆蓋整個(gè)雷達(dá)天線罩以實(shí)現(xiàn)全方位的掃描。其掃描運(yùn)動(dòng)原理如圖4所示。極半徑繞O點(diǎn)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；極半徑上的點(diǎn)做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。即機(jī)械掃描裝置中掃描架繞著旋轉(zhuǎn)軸做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：步進(jìn)電機(jī)連接減速器通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；掃描架上的小車在內(nèi)外滑軌上做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪帶著鋼絲繩牽引移動(dòng)小車做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 運(yùn)動(dòng)原理圖

基座是整個(gè)掃描裝置的基礎(chǔ)，具有較高剛度和平面度，能夠根據(jù)不同地面條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。支撐架托起工件，具有不對(duì)稱性以避免出現(xiàn)掃描盲區(qū)。

2.3 噴水系統(tǒng)

噴水系統(tǒng)包括水箱、過濾器、水泵、單向閥、球閥、減壓閥、排水閥、壓力表。水泵通過過濾器從水箱中抽水，水經(jīng)過單向閥后分成兩個(gè)支路，支路上各有一個(gè)球閥和減壓閥，最后出水口通過水管連接到超聲波探頭上，水泵的出口設(shè)有壓力表，指示噴水系統(tǒng)的壓力，水箱的底部連接有排水閥。該噴水系統(tǒng)可提供穩(wěn)定的水耦合劑，其液壓原理如圖5所示。

圖5 噴水系統(tǒng)液壓原理圖

2.4 掃描控制系統(tǒng)及C掃成像系統(tǒng)

掃描控制系統(tǒng)及C掃成像系統(tǒng)包括電控柜、PLC控制器、奧林巴斯超聲探傷儀、西門子工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、分析軟件等。軟件采用國產(chǎn)某公司自主研發(fā)的軟件，該系統(tǒng)的軟件可對(duì)復(fù)雜外形的受檢工件采用多軸運(yùn)行控制， C掃描成像實(shí)時(shí)顯示，可在屏幕上進(jìn)行測(cè)量和分析，掃描結(jié)果可以存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)一個(gè)Nomex蜂窩試樣進(jìn)行了掃描檢測(cè)，該試樣尺寸為450 mm × 340 mm(長(zhǎng)×寬)，厚度50 mm，包含蜂窩夾心和玻璃鋼蒙皮。檢測(cè)出表皮粘接層和中間粘接層的人工缺陷。樣件最小缺陷為Φ10 mm，最大為Φ30 mm。設(shè)定掃描速度為300 mm/s，采樣間距為0.5 mm，穿透方式為“Thru”，探頭頻率為0.5 MHz，電壓為300 V，設(shè)置探傷儀的增益控制為92 dB，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由于缺陷的存在，聲能被缺陷全部反射，接收探頭收不到信號(hào)，在缺陷位置成深色圖像。圖6中工件內(nèi)部深色區(qū)域即缺陷位置和形狀，是樣件制作過程中粘接質(zhì)量不一致所致。

圖6 樣件噴水穿透掃描檢測(cè)結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)生成的超聲C掃描圖進(jìn)行分析，以判斷該工件是否有缺陷。發(fā)現(xiàn)疑似缺陷點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)有返回缺陷點(diǎn)功能，即在C掃圖上選取某一個(gè)點(diǎn)，讀出相應(yīng)坐標(biāo)，然后手動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器使掃描架和小車運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)坐標(biāo)位置，這時(shí)外滑軌上的噴頭指向的工件上的點(diǎn)即為缺陷點(diǎn)位置，從而對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位標(biāo)注。另外該系統(tǒng)還能對(duì)缺陷進(jìn)行面積分析。使用系統(tǒng)軟件提供的缺陷拾取功能，設(shè)置好閘門值，然后使用鼠標(biāo)選擇缺陷采樣區(qū)域，軟件將自動(dòng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行分析，并自動(dòng)計(jì)算出缺陷面積的大小。

結(jié)合試樣分析結(jié)果，利用該超聲C掃描系統(tǒng)對(duì)某大型回轉(zhuǎn)天線罩進(jìn)行超聲C掃檢測(cè)，圖7為某天線罩一個(gè)面的掃描結(jié)果圖。

圖7 某天線罩噴水穿透掃描檢測(cè)結(jié)果

圖7的天線罩C掃圖中，工件內(nèi)部深色區(qū)域表示被測(cè)工件穿透信號(hào)弱，對(duì)應(yīng)金屬雷擊條、接縫或者粘貼質(zhì)量不好的地方。

4 結(jié)束語

本文在對(duì)噴水超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)工作原理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)大型回轉(zhuǎn)件的穿透法超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)對(duì)某型雷達(dá)天線罩的手動(dòng)和自動(dòng)掃描，提高了檢測(cè)效率和精度，為準(zhǔn)確判斷工件缺陷提供了保證。

本文介紹的超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和系統(tǒng)組成能夠應(yīng)用于其他類似的大型回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件的超聲C掃描檢測(cè)，為其他產(chǎn)品的超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1] 馮占英, 周正干. 蜂窩結(jié)構(gòu)的超聲和聲無損檢測(cè)技術(shù)[J]. 無損探傷, 2007, 31(6): 1-5.

[2] 王曉寧. 全自動(dòng)超聲C掃描系統(tǒng)在航空復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2008(4): 57-59.

[3] 王邦凱. 復(fù)合材料構(gòu)件超聲C掃描圖像處理技術(shù)研究[J]. 成飛科技, 2003(2): 11-21.

劉 進(jìn)(1981-)，男，工程師，主要從事非標(biāo)設(shè)計(jì)工作。

Water-squirting Ultrasonic C-scan Test System for Large Rotary Parts

LIU Jin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Manufacturing Composite material radome may produce defects. In order to test the radome of a large rotary structure, a set of water-squirting ultrasonic C-scan test system is developed successfully. This paper introduces the working principle and system composition of the ultrasonic C-scan test system, mainly describes the principle and realization of mechanical scanning device and water squirting system, scanning control system and C-scan imaging system. In this paper, the sample and the radome are tested respectively to get their C-scan images, and the test results are analyzed. After practical application, the system is easy to operate, stable and reliable. The quality and efficiency of the ultrasonic test for large rotary parts are improved greatly.

large rotary parts; ultrasonic test; C-scan

2014-06-23

TG115.285

A

1008-5300(2015)02-0011-03