CN110609084B - 一种用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置及方法，包括运动控制组件、探头夹持组件、耦合调整组件、检测基座，运动控制组件通过第一可调连接件与所述探头夹持组件连接，探头夹持组件通过第二可调连接件与耦合调整组件连接，检测基座设于运动控制组件、耦合调整组件之间。本发明优点：该装置与超声相控阵检测主机连接可实现对航空发动机涡轮盘盘件的快速、稳定、高精度的超声C扫描成像检测，适用于航空发动机生产厂家对精加工前的发动机涡轮盘进行内部微小缺陷的超声波无损检测，具有检测精度高、自动化程度高、扫描区域广、检测效率高的优点。

Description

一种用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮盘内部缺陷的自动化超声无损检测的技术领域，特别是涉及用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置及方法。

背景技术

航空发动机涡轮盘作为动力涡轮的核心部件，是决定飞行器安全性能的最重要部件之一。生产和加工过程中产生的微小夹杂和裂纹必然严重影响航空发动机涡轮盘的低循环疲劳寿命，使盘件的耐久性和可靠性急剧恶化并导致灾难性后果。通过无损检测方法及早发现盘件中的微小缺陷及夹杂对于提高盘件质量、避免航空事故具有重要作用。目前，各航空生产企业通常采用水浸超声聚焦检测技术对发动机涡轮盘进行逐点、逐层的三维机械扫描成像检测，受机械扫描速率、稳定性和主客观因素的影响，常规方法的检测精度较差且检测效率较低；一般只能保证大于200μm的缺陷不漏检，且检测时间需十小时以上。

超声相控阵技术是近年来发展迅速的无损检测新技术，广泛的应用于能源、航空、化工以及复合材料和焊接等无损检测领域。相控阵检测换能器是由若干个独立的压电晶片按一定组合方式排列的阵列，通过电子方式控制阵列中各晶片的激发延时实现声束的偏转和聚焦，在不移动换能器位置的情况下实现对某一区域范围的声束叠加聚焦。超声相控阵C扫描检测技术无需通过机械方式改变深度聚焦，只需配置一维扫查装置即可实现平行于检测面的C扫描成像。将超声相控阵检测技术应用于航空发动机涡轮盘的无损检测中具有精度高、信噪比高、检测效率高的优势。然而，常规超声相控阵C扫描装置为一维直线扫描装置，只能进行一维直线扫描，并不适合盘件的圆形结构，很难应用于圆盘形的航空发动机涡轮盘的超声相控阵C扫描成像中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置及方法。该装置根据发动机涡轮盘表面的形状特征做圆周扫描，扫描过程中可保持探头与盘件稳定的声学耦合；通过编码器将超声相控阵探头在盘面的位置信息输入至超声相控阵检测主机并与探头接收到的检测信号一道形成C扫描图像，据此快速定量检测内部缺陷的尺寸及分布。此外，本发明还给出了基于该装置的航空发动机涡轮盘超声相控阵C扫描成像检测的方法，包括：该装置的外部连接、装置的布置、声耦合调整、检测探头的选型以及主机参数设置。

本发明采用如下技术方案：用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置，包括运动控制组件、探头夹持组件、耦合调整组件、检测基座，所述运动控制组件通过第一可调连接件与所述探头夹持组件连接，所述探头夹持组件通过第二可调连接件与所述耦合调整组件连接，所述检测基座设于运动控制组件、耦合调整组件之间；

所述运动控制组件包括筒形支架、双出轴步进电机、编码器、联轴器、转动输出杆，所述筒形支架的外径应小于发动机涡轮盘内孔直径，所述双出轴步进电机、编码器设于筒形支架内部，所述双出轴步进电机的上下两端均设有联轴器，所述编码器通过下端的联轴器与双出轴步进电机的一轴连接，所述转动输出杆依次穿过第一可调连接件、筒形支架，且转动输出杆通过上端的联轴器与双出轴步进电机的另一轴连接；

所述探头夹持组件包括大横臂、第一弹性构件、压力传感器、连接板、小横杆、探头夹头，所述连接板上端与大横臂连接，所述小横杆上表面通过第一弹性构件连接于连接板下端，所述探头夹头对称设于小横杆下表面两侧，所述压力传感器设于第一弹性构件下方；

所述耦合调整组件包括竖臂、小横臂、万向轮，所述竖臂与小横臂可动连接，所述万向轮可动连接在小横臂上表面。

优选地，所述第一可调连接件套设在大横臂上，且第一可调连接件前后两侧设有螺杆，所述检测基座内径等于发动机涡轮盘中孔内径的铸钢圆柱体结构，用于将发动机涡轮盘架高，使得小横臂及万向轮组进入到航空涡轮盘的背面。

优选地，大横臂远离运动控制组件的一端通过第二可调连接件与竖臂连接，所述连接板两侧均安装有滑轨连接件，所述第一弹性构件至少三组，所述第一弹性构件包括第一套杆、第一套筒、第一弹性元件，所述第一套筒上端与连接板固定连接，所述第一套杆一端通过第一弹性元件与第一套筒内部连接，第一套杆另一端与小横杆连接，通过第一弹性构件的第一弹性元件弹性变形减少扫查装置运动过程中因表面不平整引起的振动，有效的提高扫查装置的运动稳定性，通过滑轨连接件可调整并固定探头位置。

优选地，位于中间的弹性构件下方设有压力传感器，所述压力传感器与压力计连接。

优选地，所述小横臂通过固定件与竖臂连接，所述万向轮设有三组，所述万向轮包括转轮、转轮支座、第二弹性构件，所述转轮均安装在转轮支座内，位于左右两侧的转轮支座通过第二弹性构件转动连接于第一支撑杆上，且左右两侧转轮的轮径方向平行于航空发动机涡轮盘表面，位于中间的转轮支座通过第二弹性构件转动连接于第二支撑杆上，且中间的转轮轮径方向垂直于航空发动机涡轮盘表面，所述第二支撑杆长度长于第一支撑杆长度，且第一支撑杆、第二支撑杆可滑动连接在小横臂上。

优选地，所述第二弹性构件包括第二套杆、第二套筒、第二弹性元件，所述第二套筒连接在转轮支座上，所述第二套杆一端通过第二弹性元件连接于第二套筒内，第二套杆另一端转动连接于对应的支撑杆上。

用于航空涡轮盘的超声相控阵自动扫描成像方法，包括如下步骤：

a）将压力传感器通过专用线缆连接至通用压力计可显示耦合力大小，将双出轴步进电机与电机驱动器相连以驱动双出轴步进电机，将编码器与相控阵检测主机的运动接口相连以输出扫描位置信号；

b）将发动机涡轮盘置于检测基座上且使二者中心轴线对齐，整体垫高发动机涡轮盘以使耦合调整组件的小横臂和万向轮能够伸入到与检测探头相对的发动机涡轮盘背面；将运动控制组件放置于发动机涡轮盘中心孔，调整运动控制组件的位置使其筒形支架中心轴线与发动机涡轮盘中心轴线重合；至此，检测基座、发动机涡轮盘、筒形支架的中心轴线相互重合；

c）在发动机涡轮盘检测面上涂抹耦合剂，将超声相控阵探头安装于探头夹头上并置于发动机涡轮盘检测面，检测面既可以是凹槽面也可以是凸面，通过可调连接件调整探头位置；调整万向轮中各转轮的相对距离及位置，使万向轮能够置于发动机涡轮盘背面的凹槽中，通过第二可调连接件调整大横臂的高度使探头具有一定的耦合力；

d）设置超声相控阵检测设备的主机参数，驱动所述双出轴电机带动探头做圆周扫描运动，在扫描过程中通过压力计可观测耦合力的变化，监控扫描过程声耦合的稳定性。

e）优选地，所述相控阵检测主机型号为SIUI SUPOR 32。

f）优选地，所述相控阵探头应为中心频率5MHZ，64阵元，1mm阵元间距的一维线阵探头。

与现有技术相比，本发明具有的优点：该装置与超声相控阵检测主机连接可实现对航空发动机涡轮盘盘件的快速、稳定、高精度的超声C扫描成像检测，适用于航空发动机生产厂家对精加工前的发动机涡轮盘进行内部微小缺陷的超声波无损检测，具有检测精度高、自动化程度高、扫描区域广、检测效率高的优点。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的A部分结构示意图。

图3是本发明的第一角度整体结构示意图。

图4是本发明的第二视角整体结构示意图。

图5是某型发动机涡轮盘径向剖面示意图。

图6是利用本发明的航空发动机涡轮盘超声相控阵C扫描成像结果图。

附图标记说明:1、筒形支架 2、双出轴步进电机 3、编码器 4、联轴器 5、转动输出杆 6、第一可调连接件 7、大横臂 8、第一弹性构件 9、压力传感器 10、滑轨连接件 11、小横杆 12、探头夹头 13、竖臂 14、固定件 15、转轮 16、小横臂 17、检测基座 18、第二可调连接件 19、第一支撑杆 20、第二支撑杆 21、万向轮支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

在本实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5，用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置，包括运动控制组件、探头夹持组件、耦合调整组件、检测基座（17），所述运动控制组件通过第一可调连接件（6）与所述探头夹持组件连接，所述探头夹持组件通过第二可调连接件（18）与所述耦合调整组件连接，所述检测基座（17）设于运动控制组件、耦合调整组件之间；

所述运动控制组件包括筒形支架（1）、双出轴步进电机（2）、编码器（3）、联轴器（4）、转动输出杆（5），所述筒形支架（1）的外径应小于发动机涡轮盘内孔直径，所述双出轴步进电机（2）、编码器（3）设于筒形支架（1）内部，所述双出轴步进电机（2）的上下两端均设有联轴器（4），所述编码器（3）通过下端的联轴器（4）与双出轴步进电机（2）的一轴连接，所述转动输出杆（5）依次穿过第一可调连接件（6）、筒形支架（1），且转动输出杆（5）通过上端的联轴器（4）与双出轴步进电机（2）的另一轴连接；

所述探头夹持组件包括大横臂（7）、第一弹性构件（8）、压力传感器（9）、连接板、小横杆（11）、探头夹头（12），所述连接板上端与大横臂（7）连接，所述小横杆（11）上表面通过第一弹性构件（8）连接于连接板下端，所述探头夹头（12）对称设于小横杆（11）下表面两侧，所述压力传感器（9）设于第一弹性构件（8）下方；

所述耦合调整组件包括竖臂（13）、小横臂（16）、万向轮，所述竖臂（13）与小横臂（16）可动连接，所述万向轮可动连接在小横臂（16）上表面。

优选地，所述第一可调连接件（6）套设在大横臂（7）上，且第一可调连接件（6）前后两侧设有螺杆，所述检测基座（17）内径等于发动机涡轮盘中孔内径的铸钢圆柱体结构，用于将发动机涡轮盘架高，使得小横臂（16）及万向轮组进入到航空涡轮盘的背面。

优选地，大横臂（7）远离运动控制组件的一端通过第二可调连接件（18）与竖臂（13）连接，所述连接板两侧均安装有滑轨连接件（10），所述第一弹性构件（8）至少三组，所述第一弹性构件（8）包括第一套杆、第一套筒、第一弹性元件，所述第一套筒上端与连接板固定连接，所述第一套杆一端通过第一弹性元件与第一套筒内部连接，第一套杆另一端与小横杆（11）连接，通过第一弹性构件（8）的第一弹性元件弹性变形减少扫查装置运动过程中因表面不平整引起的振动，有效的提高扫查装置的运动稳定性，通过滑轨连接件（10）可调整并固定探头位置。

优选地，位于中间的弹性构件下方设有压力传感器（9），所述压力传感器（9）与压力计连接。

优选地，所述小横臂（16）通过固定件（14）与竖臂（13）连接，所述万向轮设有三组，所述万向轮包括转轮（15）、转轮支座（21）、第二弹性构件，所述转轮（15）均安装在转轮支座（21）内，位于左右两侧的转轮支座（21）通过第二弹性构件转动连接于第一支撑杆（19）上，且左右两侧转轮（15）的轮径方向平行于航空发动机涡轮盘表面，位于中间的转轮支座（21）通过第二弹性构件转动连接于第二支撑杆（20）上，且中间的转轮（15）轮径方向垂直于航空发动机涡轮盘表面，所述第二支撑杆（20）长度长于第一支撑杆（19）长度，且第一支撑杆（19）、第二支撑杆（20）可滑动连接在小横臂（16）上。

优选地，所述第二弹性构件包括第二套杆、第二套筒、第二弹性元件，所述第二套筒连接在转轮支座（21）上，所述第二套杆一端通过第二弹性元件连接于第二套筒内，第二套杆另一端转动连接于对应的支撑杆上。

用于航空涡轮盘的超声相控阵自动扫描成像方法，包括如下步骤：

a）将压力传感器（9）通过专用线缆连接至通用压力计可显示耦合力大小，将双出轴步进电机（2）与电机驱动器相连以驱动双出轴步进电机（2），将编码器（3）与相控阵检测主机的运动接口相连以输出扫描位置信号；

b）将发动机涡轮盘置于检测基座（17）上且使二者中心轴线对齐，整体垫高发动机涡轮盘以使耦合调整组件的小横臂（16）和万向轮能够伸入到与检测探头相对的发动机涡轮盘背面；将运动控制组件放置于发动机涡轮盘中心孔，调整运动控制组件的位置使其筒形支架（1）中心轴线与发动机涡轮盘中心轴线重合；至此，检测基座（17）、发动机涡轮盘、筒形支架（1）的中心轴线相互重合；

c）在发动机涡轮盘检测面上涂抹耦合剂，将超声相控阵探头安装于探头夹头（12）上并置于发动机涡轮盘检测面，检测面既可以是凹槽面也可以是凸面，通过可调连接件调整探头位置；调整万向轮中各转轮（15）的相对距离及位置，使万向轮能够置于发动机涡轮盘背面的凹槽中，通过第二可调连接件（18）调整大横臂（7）的高度使探头具有一定的耦合力；

d）设置超声相控阵检测设备的主机参数，驱动所述双出轴电机带动探头做圆周扫描运动，在扫描过程中通过压力计可观测耦合力的变化，监控扫描过程声耦合的稳定性。

优选地，所述相控阵检测主机型号为SIUI SUPOR 32。

优选地，所述相控阵探头应为中心频率5MHZ，64阵元，1mm阵元间距的一维线阵探头。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (2)

1.用于航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置，其特征在于，包括运动控制组件、探头夹持组件、耦合调整组件、检测基座(17)，所述运动控制组件通过第一可调连接件(6)与所述探头夹持组件连接，所述探头夹持组件通过第二可调连接件(18)与所述耦合调整组件连接，所述检测基座(17)设于运动控制组件、耦合调整组件之间；所述运动控制组件包括筒形支架(1)、双出轴步进电机(2)、编码器(3)、联轴器(4)、转动输出杆(5)，所述筒形支架(1)的外径应小于发动机涡轮盘内孔直径，所述双出轴步进电机(2)、编码器(3)设于筒形支架(1)内部，所述双出轴步进电机(2)的上下两端均设有联轴器(4)，所述编码器(3)通过下端的联轴器(4)与双出轴步进电机(2)的一轴连接，所述转动输出杆(5)依次穿过第一可调连接件(6)、筒形支架(1)，且转动输出杆(5)通过上端的联轴器(4)与双出轴步进电机(2)的另一轴连接；

所述探头夹持组件包括大横臂(7)、第一弹性构件(8)、压力传感器(9)、连接板、小横杆(11)、探头夹头(12)，所述连接板上端与大横臂(7)连接，所述小横杆(11)上表面通过第一弹性构件(8)连接于连接板下端，所述探头夹头(12)对称设于小横杆(11)下表面两侧，所述压力传感器(9)设于第一弹性构件(8)下方；所述耦合调整组件包括竖臂(13)、小横臂(16)、万向轮，所述竖臂(13)与小横臂(16)固定连接，所述万向轮可动连接在小横臂(16)上表面；所述第一可调连接件(6)套设在大横臂(7)上，且第一可调连接件(6)前后两侧设有螺杆，所述检测基座(17)的内径等于发动机涡轮盘中孔内径的铸钢圆柱体结构；大横臂(7)远离运动控制组件的一端通过第二可调连接件(18)与竖臂(13)连接，所述第一弹性构件(8)包括第一套杆、第一套筒、第一弹性元件，所述第一套筒上端与连接板固定连接，所述第一套杆一端通过第一弹性元件与第一套筒内部连接，第一套杆另一端与小横杆(11)连接；位于中间的弹性构件下方设有压力传感器(9)，所述压力传感器(9)与压力计连接；所述小横臂(16)通过固定件(14)与竖臂(13)连接，所述万向轮设有三组，所述万向轮包括转轮(15)、转轮支座(21)、第二弹性构件，所述转轮(15)均安装在转轮支座(21)内，位于左右两侧的转轮支座(21)通过第二弹性构件转动连接于第一支撑杆(19)上，且左右两侧转轮(15)的轮径方向平行于航空发动机涡轮盘表面，位于中间的转轮支座(21)通过第二弹性构件转动连接于第二支撑杆(20)上，且中间的转轮(15)轮径方向垂直于航空发动机涡轮盘表面，所述第二支撑杆(20)长度长于第一支撑杆(19)长度，且第一支撑杆(19)、第二支撑杆(20)可滑动连接在小横臂(16)上；所述第二弹性构件包括第二套杆、第二套筒、第二弹性元件，所述第二套筒连接在转轮支座(21)上，所述第二套杆一端通过第二弹性元件连接于第二套筒内，第二套杆另一端转动连接于对应的支撑杆上。

2.用于航空涡轮盘的超声相控阵自动扫描成像方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的航空涡轮盘的超声相控阵成像自动扫描装置，包括如下步骤：a)将压力传感器(9)通过专用线缆连接至通用压力计可显示耦合力大小，将双出轴步进电机(2)与电机驱动器相连以驱动双出轴步进电机(2)，将编码器(3)与相控阵检测主机的运动接口相连以输出扫描位置信号；b)将发动机涡轮盘置于检测基座(17)上且使二者中心轴线对齐，整体垫高发动机涡轮盘以使耦合调整组件的小横臂(16)和万向轮能够伸入到与检测探头相对的发动机涡轮盘背面；将运动控制组件放置于发动机涡轮盘中心孔，调整运动控制组件的位置使其筒形支架(1)中心轴线与发动机涡轮盘中心轴线重合；至此，检测基座(17)、发动机涡轮盘、筒形支架(1)的中心轴线相互重合；c)在发动机涡轮盘检测面上涂抹耦合剂，将超声相控阵探头安装于探头夹头(12)上并置于发动机涡轮盘检测面，检测面既可以是凹槽面也可以是凸面，通过可调连接件调整探头位置；调整万向轮中各转轮(15)的相对距离及位置，使万向轮能够置于发动机涡轮盘背面的凹槽中，通过第二可调连接件(18)调整大横臂(7)的高度使探头具有一定的耦合力；d)设置超声相控阵检测设备的主机参数，驱动所述双出轴步进电机带动探头做圆周扫描运动，在扫描过程中通过压力计可观测耦合力的变化，监控扫描过程声耦合的稳定性；所述相控阵检测主机型号为SIUI SUPOR 32；所述相控阵探头应为中心频率5MHZ，64阵元，1mm阵元间距的一维线阵探头。

Images