CN103091404A - 一种用于超声扫描检测的自适应跟踪探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于材料及结构超声扫描检测的自适应跟踪探头。探头包括导向板、固定螺栓、导向板固定座、导向滑块、下挡板、固定板、旋转座固定支板、跟踪触头、弹性垫、球形旋转座、旋转座固定座、球形旋转头、换能器连接套、超声换能器、导向板防护套和旋转轴。自适应跟踪方法是将探头与外部扫描机构连接；使超声换能器前端与跟踪触头下端面在被检测零件表面形成声波耦合接触；移动探头，跟踪触头带动超声换能器与被检测零件表面保持形面和位置耦合接触，实现超声换能器对被检测零件形面的自适应跟踪扫描。本发明极大地改善了超声换能器对弦高每米大于100mm的曲面零件的自适应跟踪能力和灵活性，显著提高了超声换能器的跟踪范围。

Description

一种用于超声扫描检测的自适应跟踪探头

技术领域

本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域复合材料及金属材料结构超声扫描检测的超声扫描检测的自适应跟踪探头及跟踪方法。

背景技术

超声是目前国际上用于各种材料及其结构无损检测的主要检测方法，已在航空航天、兵器、电子、船舶、冶金、石化石油、交通、建筑等领域得到广泛应用，也广泛用于复合材料的无损检测，其中一种十分重要和得到广泛应用的超声检测方法就是基于超声垂直脉冲反射法的超声扫描检测方法。超声探头是超声扫描检测的关键单元，主要是实现对被检测材料及其结构的扫描和发射/接收超声波信号，扫查检测过程中必须保证超声探头产生声波的入射方向与零件被检测点法线方向一致，才能实现超声波的正常发射/接收，实现对被检测零件的正常扫描检测。为此需要通过设计采用专门的扫描机构实现超声探头的姿态和位置的控制，实现对不同曲面结构的100%全覆盖扫查检测，被检测零件的形面或者曲率变化越大，对超声探头的扫描机构的技术要求和成本越大，实现就越难，工程应用的实效就越受到限制和影响。

现有用于超声扫描检测的超声探头主要有两种：一种是单探头方式，将超声探头设计成为一个独立的刚性机械器件，超声探头自身不具有姿态和位置的自适应调节能力，当用于曲面零件检测时，必须通过设计专门的复杂扫描机构控制超声探头，通过和轨迹控制的方法实现超声探头的姿态和位置的变化，从而实现对曲面材料及其结构的正常扫描检测，由于通常复合材料等结构属不规则三维空间自由形面，超声探头是刚性结构实体，其自身没有姿态和距离自适应能力，因此，至少需要5轴联动的复杂扫查机械和数控系统，才能实现扫面过程中，超声探头的姿态和接近距离调节，当被检测零件形面越复杂，要求采用的数控系统和扫描机构越复杂、实现起来越困难、工程适用性越差，检测效率越低，技术成本异常高；另一种是北京航空制造工程研究所的发明专利“一种超声自适应跟踪扫描阵列换能器”（申请号201110053880.5）中所提及的超声换能器单元自适应跟踪方法：超声换能器垂直运动滚道采用圆形封闭式垂直运动滚道滑动结构自适应调节超声换能器单元的上下位置，通过万向摆角关节调节超声换能器姿态，其不足是，（1）万向摆角关节位于超声换能器垂直运动滚道内腔，超声换能器的自适应跟踪范围受垂直运动滚道内腔开放空间的限制，对弦高每米大于100mm的曲面零件和曲率变化比较复杂的零件，难以实现超声换能器的自适应跟踪；（2）万向摆角关节与超声换能器垂直运动滚道内壁之间采取圆珠接触滑动摩擦，万向摆角关节的上下运动灵活性受到限制，从而影响超声换能器的自适应调节灵活性，对曲率变化台阶明显和曲率变化复杂的零件，超声换能器的自适应跟踪能力和效果受到明显影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于不同曲率变化的零件的超声扫描检测的具有更加柔性的姿态和位置自适应调节能力的超声扫描检测自适应跟踪探头。本发明的技术解决方案是，自适应跟踪探头包括导向板、固定螺栓、导向板固定座、导向滑块、下挡板、固定板、旋转座固定支板、跟踪触头、弹性垫、球形旋转座、旋转座固定座、球形旋转头、换能器连接套、超声换能器、导向板防护套、旋转轴；

导向板为一矩形滑轨，导向板通过固定螺栓安装在导向板固定座上，导向滑块固定在导向板上，导向板一端安装下挡板，下挡板通过螺栓和固定板固定；固定板下端的左右两侧固定旋转座固定支板；

球形旋转座与球形旋转头为一对配套的球形耦合结构，二者为万向滑动摩擦，球形旋转座安装在旋转座固定座的中心孔中，球形旋转座与旋转座固定座为紧配合连接；旋转座固定座通过旋转轴与旋转座固定支板连接；

换能器连接套安装在球形旋转头中心孔中，两者为紧配合，换能器连接套下段外侧加工有外螺纹，换能器连接套与跟踪触头螺纹连接，换能器连接套上段内侧加工有内螺纹，此内螺纹与超声换能器下段外螺纹匹配；

沿跟踪触头圆柱体轴线中心钻有一通孔，此通孔的直径比超声换能器下端外径大1.0-2.0mm，跟踪触头一半部分的外开面为球形曲面体，跟踪触头的下端面外径比其轴线中心钻有的通孔的直径大4-6mm，在靠近跟踪触头上段圆柱凸台水平面上加工有一圆环形凹槽，此圆环形凹槽内放置弹性垫。

所述的导向板的长度随被检测零件的曲率变化范围进行调整。

所述的跟踪触头和换能器连接套的外形尺寸依据所配备的超声换能器的改变而改变。

所述的导向板和导向板固定座固定后的外围套接导向板防护套，导向板防护套的长度根据导向板的长度设定。

所述的旋转座固定座在其自身的作用下，沿旋转轴旋转，通过跟踪触头实现超声换能器与被检测零件表面的自适应形面跟踪。

本发明具有的优点和有益效果，

本发明在扫描检测过程中超声探头可以根据被检测零件表面形面进行姿态和位置自适应调节，实现超声探头对被检测零件的形面自适应跟踪，保证在扫描检测过程中超声探头能够灵活地根据被检测复合材料零件表面的形面几何特征进行自适应姿态和接触位置距离的调节，使入射声波方向与其所在的当前检测位置点的法向方向一致，获取最佳的声波发射/接收角度，进行有效的超声扫描检测，而无需要复杂数控系统的CAD、示教、仿形测量等超低效率高成本的扫描轨迹生成过程与控制系统，大大地降低了检测设备的技术成本。

本发明采用开敞式球形滑动和轴向旋转多重跟踪设计以及球形跟踪头设计，超声换能器的自适应能力更强、自适应跟踪范围更大，同时使超声探头还能保持较好的自适应爬越能力，可以实现弦高每米大于100mm的曲面零件和曲率变化比较复杂的零件的超声换能器自适应跟踪。

本发明在超声探头位置距离自适应跟踪设计采用线性滑动式的结构，灵活性更好，跟踪范围显著提高，使超声探头自适应跟踪能力明显提高，对曲率变化台阶明显和曲率变化复杂的零件的自适应跟踪能力和效果非常好。

附图说明

图1是本发明用于超声扫描检测的自适应跟踪探头装配示意图；

图2是本发明用于超声扫描检测的自适应跟踪探头的侧视图；

图3是本发明用于超声扫描检测的自适应跟踪探头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

1.用于超声扫描检测的自适应跟踪探头

用于超声扫描检测的自适应跟踪探头包括导向板1、固定螺栓2、导向板固定座3、导向滑块4、下挡板5、固定板6、旋转座固定支板7、跟踪触头8、弹性垫9、球形旋转座10、旋转座固定座11、球形旋转头12、换能器连接套13、超声换能器14、导向板防护套15、旋转轴16；导向板1为一矩形滑轨，此滑轨上从上到下加工有均匀分布的沉头通孔1A，此通孔与固定螺栓2保持间隙配合，如图1和图2所示，导向板1通过固定螺栓2安装在导向板固定座3上，导向板1的行程根据被检测零件曲率选定；固定螺栓2的螺纹与导向板固定座3中的螺纹孔3A匹配；导向板固定座3为一轻质材料加工成和横截面为矩形的长方块，在此长方块上开有从上到下均匀分布的螺纹孔3A，用于安装固定导向板1，导向板固定座3的长度根据导向板1的长度设定，如图1和图2所示；导向滑块4为一矩形滑块，与导向板1匹配，导向滑块4可沿导向板1上下自由滑动，导向滑块4的上下滑动范围由导向板1的行程长度确定；下挡板5为一非金属矩形薄方块，此矩形薄方块的上端面与导向板1的下横截面齐平，在此矩形薄方块中心位置的加工有两个对称的通孔5A，如图2所示，下挡板5通过螺栓和固定板6中对应5A位置的两螺纹孔固定；固定板6为一金属矩形薄方块，在此矩形薄方块中心位置加工一通孔，通过此通孔和螺栓将固定板6固定在导向板1的下端，固定板6的下端面与下挡板5的下端面齐平，在固定板6上对应下挡板5中的两通孔5A位置加工有两配套的螺纹孔，用于固定下挡板5，在固定板6左右两侧分别加工有两通孔6A，如图2所示，此通孔6A用于固定旋转座固定支板7；旋转座固定支板7为一薄耳片，前后各一块，如图3所示，此薄耳片的左端加工成圆形，并在左端附近位置加工有一通孔空，此通孔与旋转轴16紧配合，薄耳片的右端面加工成平面，沿此薄耳片平面加工有上下两个螺纹孔，此螺纹孔位置与固定板6的通孔位置对应，通过螺栓将旋转座固定支板7固定在固定板6的下端；跟踪触头8由一圆柱体加工而成，沿圆柱体轴线中心钻有一通孔，此通孔的直径比超声换能器14下端外径大1.0-2.0mm，圆柱体的上段加工成圆柱凸台，此凸台的圆柱段加工有内螺纹，此螺纹与换能器连接套13的外螺纹匹配，圆柱体上段凸台至下端面加工成球形曲面体，圆柱体下端面外径比其轴向通孔的直径大4-6mm，在靠近圆柱体上段圆柱凸台水平面上加工有一圆环形凹槽，此圆环形凹槽内放置弹性垫9，跟踪触头8通过其上段圆柱凸台外螺纹与换能器连接套13的内螺纹连接；弹性垫9嵌在跟踪触头8中上段圆柱凸台水平面圆环形凹槽内，弹性垫9为一弹性橡胶管构成，此弹性橡胶管的截面外径与跟踪触头8中上段圆柱凸台水平面圆环形凹槽的截面直径相同，弹性橡胶管的周长与跟踪触头8中上段圆柱凸台的外径一致；球形旋转座10与球形旋转头12由一对配套的球形轴承构成，二者为万向滑动摩擦，球形旋转座10与旋转座固定座11通过紧配合连接；旋转座固定座11通过旋转轴16与旋转座固定支板7连接，由圆柱体加工而成，此圆柱体加工有一轴向通孔，此通孔的直径与旋转座固定座11为紧配合，此圆柱体的外径比内径大2-3mm，在此圆柱体的轴向中间位置加工有前后两个通孔，此通孔的直径与旋转轴16为间隙配合；换能器连接套13由一防锈材料加工成圆柱形圆管，在此圆柱形圆管上段加工有一圆形凸台，圆柱形圆管与球形旋转头12为紧配合，圆柱形圆管下段外侧加工有外螺纹，此螺纹与跟踪触头8中的凸台圆柱段内螺纹匹配，圆柱形圆管上段内侧加工有内螺纹，此内螺纹与超声换能器14下段外螺纹匹配；超声换能器14可选用北京航空制造工程研究所生产的FJ系列高分辨超声换能器或北京航空制造工程研究所的专利“一种用于复合材料检测的超声探头的换能传感器”，申请号为201210053169.4，在超声换能器14下端带有外螺纹，此外螺纹与换能器连接套13中上段内螺纹匹配；导向板防护套15由一防锈材料钣金成型而成，在导向板防护套15与导向板固定座3左侧贴合面一侧沿垂直中心线位置加工有通孔，此通孔的分布和位置与导向板固定座3中的螺纹孔及导向板1中的通孔的分布和位置一致，导向板防护套15通过其左侧贴合面上的通孔和螺栓与导向板固定座3连接，导向板防护套15的长度根据导向板1的长度设定；旋转轴16为一防锈材料细棒加工而成，前后两根对称分布，旋转轴16的外端与旋转座固定支板7中的左侧通孔紧配合连接，旋转轴16的内端与旋转座固定座11中的前后两个通孔为间隙连接。

2.用于超声扫描检测的自适应跟踪探头的跟踪实现方法

本发明的用于超声扫描检测的自适应跟踪探头的跟踪方法是，①利用固定螺栓2将自适应跟踪探头与外部自动或手动扫描机构连接；②将超声换能器14通过换能器连接套13连接，旋转超声换能器14，使超声换能器14的下端面略高于跟踪触头8的下端面0.1-5mm，使超声换能器14下端面通过耦合液体或者软膜与被检测零件表面之间形成声波接触耦合，保证超声换能器14通过耦合剂能实现向被检测零件正常收发超声波信号，并使跟踪触头8与被检测零件表面耦合接触；③跟踪触头8的下端面在导向滑块4、旋转座固定支板7、跟踪触头8、球形旋转座10、旋转座固定座11、球形旋转头12、换能器连接套13及超声换能器14等组合重力F=∑(W₁+W₂+W₃+W₄+W₅+W₆+W₇+W₈)×G作用下，使跟踪触头8下端面在垂直方向始终与被检测零件当前的接触位置保持轻微接触，实现超声换能器14沿导向板1上下自适应调节超声换能器14与被检测零件表面之间的距离，同时超声换能器14在F的作用下，通过球形旋转头12在旋转座固定座11中自由旋转，自适应地调节超声换能器14的姿态，使超声换能器14的轴线始终与当前所在的位置的法线方向一致，从而实现超声换能器14始终沿被检测零件各个检测点的法线方向发射和接收超声信号，这里，W₁——为导向滑块4的质量，W₂——为旋转座固定支板7的质量，W₃——为跟踪触头8的质量，W₄——为球形旋转座10的质量，W₅——为旋转座固定座11的质量，W₆——球形旋转头12的质量，W₇——为换能器连接套13的质量，W₈——为超声换能器14的质量，G——为重力加速度；④自适应跟踪探头在外部自动或手动扫查机构作用下完成对被检测零件的自适应扫查。

实际扫描检测过程中，根据被检测零件的曲率变化范围，调整导向板1的长度,以适应不同被检测零件的曲率变化范围。

实际扫描检测过程中，根据所配备的超声换能器14，配备相应的跟踪触头8和换能器连接套13的外形尺寸，以适应不同超声换能器的自适应跟踪扫查。

4.导向板1和导向板固定座3固定后的外围套接导向板防护套15，导向板防护套15的长度根据导向板1的长度设定。

5.旋转座固定座11在其自身的作用下，沿旋转轴16旋转，通过跟踪触头8实现超声换能器14与被检测零件表面的自适应形面跟踪。

实施例

采用本发明中的用于超声扫描检测的自适应跟踪探头，选用北京航空制造工程研究所生产的CUS-6000和CUS-21J系列超声自动检测设备分别与本专利发明中的自适应跟踪探头匹配使用，采用本发明中的超声扫描检测的自适应跟踪探头的跟踪方法，对长度在1000-6000mm之间、弦高为每米100mm、200mm的系列实际多曲率飞机复合材料和金属零件进行了系列实际超声自适应跟踪扫查检测，自动扫查过程中，自适应跟踪探头始终与被检测复杂形面的零件表面保持灵活良好的自适应跟踪与声波耦合，检测信号显示非常稳定，自适应跟踪稳定可靠，检测效果很好，明显提高了复杂曲面结构零件的超声扫查检测的自适应跟踪能力和跟踪范围，检测结果的稳定性和成像质量得到非常显著的提高。

Claims (5)

1.一种用于超声扫描检测的自适应跟踪探头，其特征是，自适应跟踪探头包括导向板（1）、固定螺栓（2）、导向板固定座（3）、导向滑块（4）、下挡板（5）、固定板（6）、旋转座固定支板（7）、跟踪触头（8）、弹性垫（9）、球形旋转座（10）、旋转座固定座（11）、球形旋转头（12）、换能器连接套（13）、超声换能器（14）、导向板防护套（15）、旋转轴（16）；

导向板（1）为一矩形滑轨，导向板（1）通过固定螺栓（2）安装在导向板固定座（3）上，导向滑块（4）固定在导向板（1）上，导向板（1）一端安装下挡板（5），下挡板（5）通过螺栓和固定板（6）固定；固定板（6）下端的左右两侧固定旋转座固定支板（7）；

球形旋转座（10）与球形旋转头（12）为一对配套的球形耦合结构，二者为万向滑动摩擦，球形旋转座（10）安装在旋转座固定座（11）的中心孔中，球形旋转座（10）与旋转座固定座（11）为紧配合连接；旋转座固定座（11）通过旋转轴（16）与旋转座固定支板（7）连接；

换能器连接套（13）安装在球形旋转头（12）中心孔中，两者为紧配合，换能器连接套（13）下段外侧加工有外螺纹，换能器连接套（13）与跟踪触头（8）螺纹连接，换能器连接套（13）上段内侧加工有内螺纹，此内螺纹与超声换能器（14）下段外螺纹匹配；

沿跟踪触头（8）圆柱体轴线中心钻有一通孔，此通孔的直径比超声换能器（14）下端外径大1.0-2.0mm，跟踪触头（8）一半部分的外开面为球形曲面体，跟踪触头（8）的下端面外径比其轴线中心钻有的通孔的直径大4-6mm，在靠近跟踪触头（8）上段圆柱凸台水平面上加工有一圆环形凹槽，此圆环形凹槽内放置弹性垫（9）。

2.根据权利要求1所述的用于超声扫描检测的自适应跟踪探头，其特征是，所述的导向板（1）的长度随被检测零件的曲率变化范围进行调整。

3.根据权利要求1所述的用于超声扫描检测的自适应跟踪探头，其特征是，所述的跟踪触头（8）和换能器连接套（13）的外形尺寸依据所配备的超声换能器（14）的改变而改变。

4.根据权利要求1所述的用于超声扫描检测的自适应跟踪探头，其特征是，所述的导向板（1）和导向板固定座（3）固定后的外围套接导向板防护套（15），导向板防护套（15）的长度根据导向板（1）的长度设定。

5.根据权利要求1所述的用于超声扫描检测的自适应跟踪探头，其特征是，所述的旋转座固定座（11）在其自身的作用下，沿旋转轴（16）旋转，通过跟踪触头（8）实现超声换能器（14）与被检测零件表面的自适应形面跟踪。

Images