CN111796028A - 复杂环锻件超声水浸自动检测装置及方法 - Google Patents

复杂环锻件超声水浸自动检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂环锻件超声水浸自动检测装置及方法，将待测复杂环锻件置于水箱中，对复杂曲面采用超声相控阵单次检测，对平整端面采用多频阵列水浸探头按检测深度分区域检测；检测复杂曲面时，根据动态孔径发射聚焦方法确定各检测区域最佳发射动态孔径阵列中心和阵元数量，根据曲面多介质发射聚焦延迟时间计算方法确定各区域阵列发射延迟时间，按照动态接收波束合成器延迟算法计算各区域所有采样点的延迟叠加时间；检测平整端面时，选定多种不同频率型号的阵列水浸探头，实现环锻件端面全覆盖检测。本发明采用完全水浸法，解决了耦合不良的问题可实现全覆盖超声无损检测。

Description

复杂环锻件超声水浸自动检测装置及方法
技术领域
本发明属于超声波无损检测技术领域，具体涉及一种复杂环锻件超声水浸自动检测方法及装置，适用于各种尺寸与复杂截面环锻件的自动化无损检测。
背景技术
大型复杂环件产品如石化管线球阀体、核电主泵密封金属环、航空发动机机匣环、运载火箭箭体过渡环等是能源石化、航空航天和国防装备广泛应用的关键构件。此类环件直径大、环壁厚，截面常带有台阶、沟槽和圆角等复杂形状，多应用于极端环境工况。复杂环锻件表层和内部常产生各种缺陷，如缩孔、疏松、夹杂、裂纹、折叠、夹皮等，内部缺陷如得不到及时发现和处理，会严重影响相关设备的服役性能和安全。因此，全面地检测环锻件内部缺陷是迫切需要的。现阶段大型环件的超声检测主要以人工为主，即人工手持常规超声仪器沿环件表面进行扫查、判断和记录缺陷，检测过程和结果评价完全依赖人工经验，检测结果重复性和可靠性差，易造成缺陷的漏检和误判。因此，人工检测难以满足大型复杂环件全覆盖的精确检测要求。
现有超声检测系统只能满足矩形环件的检测，对于沟槽形、台阶形、大曲率弧面等复杂截面环锻件，常规超声直发射的声束可达性差，超声在界面反射散射严重，检测回波信号杂乱，缺陷反射回波弱，且存在较大检测盲区；普通超声相控阵扇扫和聚焦发射的合成波阵面无法贴合复杂环锻件，超声波入射能量弱，检测能力差。
目前超声相控阵检测曲面构件一般通过楔块和耦合剂接触式检测，这种检测方法无法应用于快速自动化检测系统，存在耦合条件不稳定，检测效率低等问题。另外，目前常规超声相控成像方法在多介质曲面会引起声束发射严重，无法自适应复杂环锻件曲面入射，使得检测信号混乱，成像分辨率低，不利于缺陷定量检出，对于厚壁复杂环锻件可达性差，有效检测范围有限。目前相控阵一般采用发射全聚焦成像算法，通过改变发射延迟时间实现工件内部不同位置逐点聚焦，但是由于声束传播需要时间，一帧图像需要上万次发射聚焦过程，严重影响了成像速度，无法实现实时成像，难以应用于工业自动化检测系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现环锻件复杂截面多介质不同深度位置动态孔径发射聚焦以及动态接收聚焦成像，通过该装置可以实现厚壁环锻件复杂曲面侧面超声相控阵高分辨率快速成像检测和环锻件平面端面多频阵列超声水浸探头自动化全覆盖扫查的复杂环锻件超声水浸自动检测方法及装置。
本发明为达上述目的所采用的技术方案是：
提供一种复杂环锻件超声水浸自动检测方法，包括以下步骤：
将待测复杂环锻件置于水箱中，根据复杂环锻件的厚度，薄壁零件采用超声相控阵单次检测，厚壁零件采用超声相控阵和多频阵列水浸探头两次复合检测；
对厚壁零件进行检测时，根据复杂曲面和平整端面将厚壁复杂环锻件划分为多个检测区域，对复杂曲面采用超声相控阵单次检测，对平整端面采用多频阵列水浸探头按检测深度分区域检测；
检测复杂曲面时，根据复杂环锻件截面轮廓形状，拟合截面外轮廓函数，将超声相控阵探头下方检测区域合理划分为m×n个区域，根据动态孔径发射聚焦方法确定各检测区域最佳发射动态孔径阵列中心和阵元数量，根据曲面多介质发射聚焦延迟时间计算方法确定各区域阵列发射延迟时间，按照动态接收波束合成器延迟算法计算各区域所有采样点的延迟叠加时间；
检测平整端面时，根据复杂环锻件轴向厚度尺寸，选定多种不同频率型号的阵列水浸探头，分别检测不同深度范围，实现环锻件端面全覆盖检测。
接上述技术方案，动态孔径发射聚焦方法为：
对探头下方m×n个区域的每个区域进行一次发射聚焦和动态接收全聚焦，在一次发射时间内实现每个区域接收全聚焦成像，总共发射聚焦次数为k＝m×n。
接上述技术方案，曲面多介质发射聚焦延迟时间计算方法为：
构建环锻件超声相控阵检测模型，以锻件轴向截面作为坐标平面，以相控阵探头中心作为原点O，建立直角坐标系；
相控阵线阵探头总的阵元数为N，相邻两个阵元之间的中心距设为d，超声波在水中的声速为c1，在环锻件中的声速为c2；
在二维直角坐标系中，根据复杂环锻件图纸，获取复杂环锻件轴向截面的表面轮廓形状尺寸，拟合表面轮廓曲线函数为：y＝f(x),a≤x≤b，其中a、b表示相控阵线阵探头的宽度范围；
定义第j个发射聚焦区域的发射合成孔径阵元数量为Nj，其中第i个阵元坐标为Mi(x1i，y1i),第i个阵元到聚焦点的传播路程:Si＝L1i+L2i，L1i为第一介质传播距离，L2i为第二介质传播距离；定义曲面折射点的坐标为Qi(x2i，y2i)，第i个阵元经过界面上的点Qi(x2i，y2i)到达聚焦点F(xj，yj)，传播距离由下式计算：
Figure BDA0002605279430000031
Figure BDA0002605279430000032
其中，y2i＝f(x2i)，第i个阵元发射声波到达聚焦点的时间为：
Figure BDA0002605279430000033
根据费马原理，界面折射点Qi(x2i，y2i)的横坐标可通过传播时间Ti导函数为零求得：
Figure BDA0002605279430000034
根据第n个阵元发射声波到达聚焦点的时间Tn，计算第i个阵元的发射延迟时间
τi＝max(Ti)-Ti。
接上述技术方案，曲面多介质超声相控阵的动态孔径设计方法为：
确定动态孔径中心位置：动态孔径阵列中心位置与聚焦点连线应与复杂环锻件曲面垂直，设定聚焦点F(xj，yj)垂直穿过界面与阵列的交点为Oj(xNj，0),将该交点设定为动态孔径中心点；
确定动态孔径阵元数量：动态孔径第i个阵元在复杂环锻件界面的入射角为θi，第i个阵元发射的超声波在界面交点为Qi(x2i，y2i)，曲面y＝f(x)在Qi(x2i，y2i)点的切线斜率为y′＝f′(x2i),界面交点为Qi(x2i，y2i)处的法线斜率K1i为：
Figure BDA0002605279430000035
第i个阵元中心与界面交点Qi(x2i，y2i)所在直线方程斜率由两点坐标可求出：
Figure BDA0002605279430000041
故第i个阵元在曲面介质的入射角为：
Figure BDA0002605279430000042
超声波从耦合剂入射到复杂环锻件的第一临界角为
Figure BDA0002605279430000043
动态孔径阵元数量需满足第i个阵元的入射角θi＜α1；超声波在水中的声速为c1，在环锻件中的声速为c2；
孔径阵元数量Nj与聚焦深度成正比，根据所述动态孔径阵元数量要求，对于第j层发射聚焦区域，指定聚焦深度位置F(xj，yj)，对应的动态孔径阵元数量在满足入射角θi＜α1的前提下，
Figure BDA0002605279430000044
n为发射聚焦区域的纵向总层数。
接上述技术方案，超声相控阵动态的接收全聚焦成像的计算过程为：
接收孔径阵列中心Oj(xNj，0)定义为参照原点，分别计算各阵元相对于中心点的接收延迟时间，根据第j个聚焦区域内任意接收聚焦点的位置F2(xi，yi),利用费马原理可计算超声波由中心点入射到复杂环锻件界面交点Q2i(x0i，y0i)；
超声波由动态孔径中心点到第二介质接收焦点路程为：
Figure BDA0002605279430000045
Figure BDA0002605279430000046
因此各阵元相对于动态孔径中心点的接收延迟时间为：
Figure BDA0002605279430000047
若接收超声信号为s(t),则延时叠加波束合成信号为：
Figure BDA0002605279430000048
其中超声波在水中的声速为c1，在环锻件中的声速为c2；
提前按照复杂环锻件内部聚焦点位置离线计算各阵元接收信号的补偿延迟时间，对相控阵探头各通道接收到的超声回波信号动态改变接收延迟时间再相加求和，根据延时叠加波束形成原理，得到叠加后合成线上每一个点都是接收聚焦点。
接上述技术方案，多频阵列超声水浸探头的轴向方向检测方法为：
根据环锻件轴向厚度尺寸，选择三种不同频率的水浸探头，将环锻件沿轴向方向划分为三个区域，高频水浸探头检测上表面区域，中频探头检测环锻件中间区域，低频探头检测下端面区域。
本发明还提供了一种复杂环锻件超声水浸自动检测装置，该检测装置用于实现上述技术方案的复杂环锻件超声水浸自动检测方法，该检测装置包括用于装满耦合剂的水箱，水箱底部安装有辅助环锻件旋转的支撑旋转装置，水箱外侧安装有用于环锻件定位驱动机构，所述水箱上方安装有超声探头三轴扫查装置，在超声探头三轴扫查装置的Z轴末端通过夹具固定超声相控阵探头和多频阵列水浸探头。
接上述技术方案，该检测装置还包括多通道超声检测仪、工控机和触摸屏，多通道超声检测仪分别与超声相控阵探头和多频阵列水浸探头连接；工控机和触摸屏控制超声探头三轴扫查装置和定位驱动机构的运动。
接上述技术方案，所述辅助支撑旋转装置包括三个滚筒、左从动轮和右从动轮，复杂环锻件平放于三个滚筒上，通过定位驱动机构推动环锻件贴紧左、右从动轮。
接上述技术方案，所述定位驱动机构包括支撑台架，所述支撑台架上安装有推进电机、横向滑板、驱动电机、主动轮以及左右滑轨，所述推进电机通过螺杆旋转驱动横向滑板沿着左右滑轨向前移动，驱动电机驱动主动轮旋转，主动轮推动环锻件贴紧左右从动轮，带动环锻件旋转。
本发明产生的有益效果是：本发明采用完全水浸法超声检测，耦合性好。超声相控阵检测可实现薄壁复杂环锻件单次检测；厚壁复杂环锻件根据曲面圆周面和平整端面划分检测区域，分别采用相控阵探头和多频阵列水浸探头对环锻件轴向和径向两次检测，实现环锻件全覆盖高分辨率检测。
进一步地，本发明所提出的多介质复杂曲面动态孔径不同区域聚焦延迟算法，可以对任意复杂环锻件形成自适应贴合声束，减小界面反射散射，可实现复杂环锻件内部任意位置动态发射聚焦，使得复杂环锻件内部聚焦区域声波能量大，提高检测灵敏度和分辨率。
进一步地，本发明所提出的多介质曲面动态接收聚焦延迟算法，可实现复杂环锻件内部任意位置接收聚焦和波束形成，仅需要一次发射就可以获取一帧图像，成像速度快，可实现实时成像与工业应用。
进一步地，本发明所提出的多频阵列水浸探头对大厚度环锻件轴向方向分三个区域检测，可实现各频率探头在最佳检测范围高分辨率检测。
进一步地，本发明所提出的环锻件定位旋转装置，通过三个滚筒辅助支撑环锻件有效减小环锻件旋转摩擦力，有效避免了环锻件的损伤和节省能源，通过主动轮的推进和离开可实现环锻件的上下料，左右从动轮和主动轮夹紧环锻件可实现环锻件定位和平稳旋转。所设计的探头夹具适用于不同规格型号的相控阵探头和常规水浸探头的安装固定，方便拆卸装夹。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的超声相控阵分区域检测示意图；
图2是本发明的检测装置立体结构等轴测图；
图3是本发明的检测装置俯视图；
图4是本发明的检测装置剖视图；
图5是本发明的超声探头扫查示意图。
图中：1-多通道超声检测仪、2-水箱、3-X轴线性模组、4-环锻件、5-驱动电机、6-横向滑板、7-螺杆、8-推进电机、9-支撑台架、10-超声波显示器、11-触摸屏、12-控制面板、13-进水口、14-左从动轮、15-滚筒、16-底座、17-左滑轨、18-右滑轨、19-Y轴线性模组、20-从动导轨、21-右从动轮、22-排水口、23-Z轴支座、24-Z轴线性模组、25-升降杆、26-主动轮、27-超声相控阵探头、28-探头夹具、29-多频阵列水浸探头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用水浸法，将待测复杂环锻件置于水箱中进行超声检测。针对厚壁复杂环锻件根据复杂曲面和平整端面划分检测区域，分别采用超声相控阵检测和常规多频阵列水浸探头实现全覆盖两次检测，针对薄壁复杂环锻件只需采用超声相控阵单次检测；超声相控阵动态孔径发射聚焦和接收全聚焦成像方法可实现多介质复杂环锻件快速高分辨率实时检测，多频阵列水浸探头对厚壁环锻件按检测深度分区域检测，在保证检测精度的前提下，扩大检测范围。
本发明实施例的复杂环锻件超声自动检测方法，包括以下步骤：
将待测复杂环锻件置于水箱中，根据复杂环锻件的厚度，薄壁零件采用超声相控阵单次检测，厚壁零件采用超声相控阵和多频阵列水浸探头两次复合检测；
对厚壁零件进行检测时，根据复杂曲面和平整端面将厚壁复杂环锻件划分为多个检测区域，对复杂曲面采用超声相控阵单次检测，对平整端面采用多频阵列水浸探头按检测深度分区域检测；
检测复杂曲面时，根据复杂环锻件截面轮廓形状，拟合截面外轮廓函数，将超声相控阵探头下方检测区域合理划分为m×n个区域，根据动态孔径发射聚焦方法确定各检测区域最佳发射动态孔径阵列中心和阵元数量，根据曲面多介质发射聚焦延迟时间计算方法确定各区域阵列发射延迟时间，按照动态接收波束合成器延迟算法计算各区域所有采样点的延迟叠加时间；
检测平整端面时，根据复杂环锻件轴向厚度尺寸，选定多种不同频率型号的阵列水浸探头，分别检测不同深度范围，实现环锻件端面全覆盖检测。
其中多介质曲面超声相控阵动态聚焦发射延迟时间计算方法和动态孔径设计方法以及接收聚焦波束叠加延迟时间计算方法为：
动态孔径发射聚焦方法为：将探头下方检测区域划分为m×n个区域，对每个区域进行一次发射聚焦和动态接收全聚焦，在一次发射时间内实现每个区域接收全聚焦成像，总共发射聚焦次数为k＝m×n，该方法既可以提高检测分辨率，又可以很大程度上减小发射次数，提高成像速率，可实现动态聚焦成像实时检测。当在发射聚焦区域j时，发射聚焦点F(xj，yj)，针对每一个聚焦区域j，设计对应的最佳发射动态孔径。
多介质曲面动态孔径发射聚焦延迟时间计算方法为：
构建环锻件超声相控阵检测模型，以锻件轴向截面作为坐标平面，以相控阵探头中心作为原点O，建立直角坐标系。相控阵线阵探头总的阵元数为N，相邻两个阵元之间的中心距设为d，超声波在水中的声速为c1，在环锻件中的声速为c2。在二维直角坐标系中，根据复杂环锻件图纸，获取复杂环锻件轴向截面的表面轮廓形状尺寸，拟合表面轮廓曲线函数为：y＝f(x),a≤x≤b。定义第j个发射聚焦区域的发射合成孔径阵元数量为Nj，其中第i个阵元坐标为Mi(x1i，y1i),第i个阵元到聚焦点的传播路程:Si＝L1i+L2i，L1i为第一介质传播距离，L2i为第二介质传播距离。定义曲面折射点的坐标为Qi(x2i，y2i)，第i个阵元经过界面上的点Qi(x2i，y2i)到达聚焦点F(xj，yj)，传播距离由下式计算：
Figure BDA0002605279430000081
Figure BDA0002605279430000082
其中，y2i＝f(x2i)，第i个阵元发射声波到达聚焦点的时间为：
Figure BDA0002605279430000083
根据费马原理，界面折射点Qi(x2i，y2i)的横坐标可通过传播时间Ti导函数为零求得：
Figure BDA0002605279430000084
根据第n个阵元发射声波到达聚焦点的时间Tn，计算第i个阵元的发射延迟时间
τi＝max(Ti)-Ti
曲面多介质超声相控阵动态孔径设计方法为：
确定动态孔径中心位置：为使动态孔径发射声波最大能量入射复杂环锻件内部达到聚焦点，动态孔径阵列中心位置与聚焦点连线应与复杂环锻件曲面垂直。设定F(xj，yj)垂直穿过界面与阵列的交点为Oj(xNj，0),将Oj设定为动态孔径中心点。
确定动态孔径阵元数量：动态孔径第i个阵元在复杂环锻件界面的入射角为θi，第i个阵元发射的超声波在界面交点为Qi(x2i，y2i)，曲面y＝f(x)在Qi点的切线斜率为y′＝f′(x2i),界面交点为Qi处的法线斜率K1i为：
Figure BDA0002605279430000085
第i个阵元中心与界面交点Qi所在直线方程斜率由两点坐标可求出：
Figure BDA0002605279430000086
故第i个阵元在曲面介质的入射角为：
Figure BDA0002605279430000087
超声波从耦合剂入射到复杂环锻件的第一临界角为
Figure BDA0002605279430000091
动态孔径阵元数量需满足第i个阵元的入射角θi＜α1。
根据近场区内超声换能器的波束宽度公式
Figure BDA0002605279430000092
Fl为焦距，λ为超声波长，αp为孔径面积，l0为阵元长度，在动态聚焦过程中，为保证最佳的横向分辨率，波束宽度bw需保持常数，随着动态聚焦深度增加，换能器孔径ap也随着焦距Fl增加，因此孔径阵元数量Nj与聚焦深度成正比。
根据动态孔径阵元数量要求，对于第j层发射聚焦区域，指定聚焦深度位置F(xj，yj)，对应的动态孔径阵元数量在满足入射角θi＜α1的前提下，
Figure BDA0002605279430000093
n为发射聚焦区域的纵向总层数。
超声相控阵动态接收全聚焦成像算法计算过程为：
接收孔径阵列中心Oj(xNj，0)定义为参照原点，分别计算各阵元相对于中心点的接收延迟时间。根据第j个聚焦区域内任意接收聚焦点的位置F2(xi，yi),利用费马原理可计算超声波由中心点入射到复杂环锻件界面交点Q2i(x0i，y0i)。
超声波由动态孔径中心点到第二介质接收焦点路程为：
Figure BDA0002605279430000094
Figure BDA0002605279430000095
因此各阵元相对于动态孔径中心点的接收延迟时间为：
Figure BDA0002605279430000096
若接收超声信号为s(t),则延时叠加波束合成信号为：
Figure BDA0002605279430000097
提前按照复杂环锻件内部聚焦点位置离线计算各阵元接收信号的补偿延迟时间，对相控阵探头各通道接收到的超声回波信号动态改变接收延迟时间再相加求和，根据延时叠加波束形成原理，得到叠加后合成线上每一个点都是接收聚焦点，可很大程度上提高成像准确性。
多介质复杂环锻件动态孔径发射聚焦和动态接收全聚焦成像方法为：根据动态孔径发射超声波在不同检测区域j聚焦，发射聚焦总次数为k，针对每一个单点发射聚焦，采用动态接收全聚焦离线计算各采样点延迟时间，通过波束合成器，在各通道数据叠加前进行延迟补偿，实现复杂环锻件内部各采样点接收全聚焦，进而实现在每一次发射聚焦时，对应复杂环锻件第j区域动态接收全聚焦，在保证成像质量和缺陷检测分辨率的前提下，有效提高了检测速度。
多频阵列超声水浸探头环锻件轴向方向检测方法：
由于超声频率越高衰减越大，高频探头在近表面区域有更高的分辨率，低频探头能够检测远场区域，因此采用多频阵列探头分区域检测，可以有效提高检测分辨率和扩大检测范围根据环锻件轴向厚度，选择三种不同频率的水浸探头，将环锻件沿轴向方向划分为三个区域，高频水浸探头检测上表面区域，中频探头检测环锻件中间区域，低频探头检测下端面区域。由于超声频率越高衰减越大，因此采用多频阵列探头分区域检测，可以有效提高检测分辨率和扩大检测范围。
本发明还提供一种用于实现上述复杂环锻件超声自动化检测装置。如图1-5所示，一种复杂环锻件超声自动检测装置，它包括用于收集超声耦合剂的水箱2，水箱2设有进水口13和排水口22；在水箱左侧布置有多通道超声检测仪1和运动控制装置，水箱2底部设有用于辅助环锻件旋转的支撑旋转装置，支撑台架9上安装有用于环锻件4定位和驱动环锻件4旋转的定位驱动装置，水箱2上方布置有用于超声探头三维运动的三轴扫查装置，在Z轴升降杆22末端安装有不同规格型号的多频阵列水浸探头29和超声相控阵探头27。通过该装置可以实现不同尺寸厚度的复杂环锻件超声全覆盖自动化检测，该装置采用完全水浸法，耦合性好，检测效率高。
进一步的，运动控制检测装置包括多通道超声检测仪1和工控机，多通道超声检测仪1和工控机固定于工作台上，多通道超声检测仪1通过数据线分别连接超声相控阵探头27、多频阵列水浸探头29和超声波显示器10。超声波显示器10用于显示和记录缺陷信号和图像，触摸屏11用于输入命令参数通过工控机控制伺服机构进行三轴扫查运动，控制面板12用于控制定位驱动装置运动，对环锻件4进行夹紧定位和旋转。通过超声检测仪1采集超声检测信号和图像，传输数据至超声波显示器10，根据环锻件4尺寸形状设定扫查路径，由触摸屏11输入指令，实现三轴扫查机构运动控制。
进一步的，支撑旋转装置包括三个滚筒15，环锻件4由起重机搬运至水箱2内，平放在三个滚筒15上；左从动轮14和右从动轮21用于环锻件4定位和辅助旋转，定位驱动装置横向推动环锻件4并贴紧左从动轮14和右从动轮21，在主动轮26以及从动轮17和右从动轮18共同作用下，可实现环锻件平稳旋转。三个滚筒15用于支撑环锻件4，并有效减小环锻件4旋转过程中的摩擦力，有利于实现大型环锻件的4旋转驱动，以及减小环锻件4的摩擦损坏。
进一步的，定位驱动装置包括支撑台架9，推进电机8固定安装于支撑台架9上，螺杆7与横向滑板6通过螺纹连接，横向滑板6底部通过滑块分别于左滑轨17和右滑轨18连接，推进电机8通过驱动螺杆7旋转，带动横向滑板6沿着左滑轨17和右滑轨18前后移动；底座16与横向滑板6固定连接，驱动电机5固定安装在底座16上，主动轮26安装于驱动电机5的前端，通过驱动电机5驱动主动轮26转动，进而带动环锻件4旋转，推进电机8通过螺杆7沿着左右滑轨推动主动轮26向前运动，由主动轮26推动环锻件4贴紧左从动轮14和右从动轮21，实现环锻件4的定位，在驱动电机5的作用下，配合辅助支撑滚筒15可实现环锻件的平稳旋转。
三轴扫查装置包括X轴线性模组3和从动导轨20，X轴线性模组3和从动导轨20分别安装于水箱2的两侧，Y轴线性模组19固定安装在X轴线性模组3的滑块上，由X轴线性模组3和Y轴线性模组19实现探头夹具28在X-Y平面二维运动，Z轴支座23安装在Y轴线性模组19的滑块上，Z轴线性模组24固定安装在Z轴支座23上，Z轴线性模组24的移动滑块连接升降杆25，带动升降杆25沿Z轴方向运动，升降杆25末端固定安装有探头夹具28，探头夹具28设有多种探头安装位置，通过螺栓连接将超声相控阵探头27和多频阵列探头29固定安装在探头夹具28上，通过调节螺栓间隙可适用于不同规格型号的探头固定安装。
实施例2：
通过上述检测装置进行复杂环锻件超声自动化检测的方法主要包括以下步骤：
Step1：根据复杂环锻件的厚度，薄壁零件采用超声相控阵单次检测，厚壁零件采用超声相控阵和多频阵列水浸超声两次复合检测；
Step2：根据复杂环锻件4的截面轮廓形状，拟合截面外轮廓函数，将探头下方检测区域合理划分为m×n个区域，按照动态孔径设计方法确定各检测区域最佳发射动态孔径阵列中心和阵元数量，按照曲面多介质发射聚焦延迟时间计算方法确定各区域阵列发射延迟时间，按照动态接收波束合成器延迟算法计算各区域所有采样点的延迟叠加时间；
Step3：根据复杂环锻件4轴向厚度尺寸，选定三种不同频率型号的阵列水浸探头29，分别检测不同深度范围，实现环锻件4端面全覆盖检测；
Step4：环锻件4由车间起重机吊起平方于水箱2内的三个滚筒15上，然后通过进水口3将水箱2内注满水，浸没环锻件4；
Step5：初始化检测运动装置，启动多通道超声检测仪1并设置超声相控阵检测参数和水浸超声探头检测参数，根据环锻件4几何尺寸设定驱动定位装置推进距离；
Step6：通过控制面板12操作定位驱动装置，由推进电机8推动主动轮26向前移动，主动轮26推动环锻件4紧贴左从动轮14和右从动轮21，实现环锻件4的夹紧定位；
Step7：根据环锻件4与左从动轮14和右从动轮21分别相切，可计算环锻件具体位置，并根据环锻件4几何尺寸，设定环锻件4边缘位置为超声探头检测初始位置并规划检测扫查路径，通过触摸屏11输入工控机；
Step8：通过驱动电机5驱动主动轮26旋转，在摩擦力的作用下，配合左从动轮14和右从动轮21实现环锻件4平稳旋转，三个支撑滚筒15有效减小环锻件4下端面的旋转摩擦力；
Step9：根据工控机设定的运动程序，控制三轴扫查装置，由X轴线性模组3和Y轴线性模组19以及Z轴线性模组24配合作用，将超声相控阵探头27移动到环锻件4内侧面上边缘初始检测位置，开始检测；
Step10：通过超声相控阵探头27对环锻件4侧面曲面部位检测，对复杂环锻件内部各区域分别动态接收全聚焦成像，超声相控阵检测结果通过数据线实时显示于超声波显示器10上，对检测信号和图像进行实时的保存，对缺陷位置做出标记；
Step11：重复步骤Step10，直到驱动电机5带动环锻件4旋转一圈后，三轴扫查装置驱动超声相控阵探头27沿Z轴方向步进一个检测单位；
Step12：重复步骤Step10～Step11，直到超声相控阵探头27移动到环锻件4最底部位置，完成环段件4侧面复杂曲面无损检测；
Step13：通过三轴扫查装置控制超声相控阵探头27返回至检测起始位置，调整超声检测仪，启动多频阵列水浸探头29，进行环锻件4平面端面常规超声探头扫查；
Step14：通过三轴扫查装置控制多频阵列水浸探头29移动到环锻件4上端面的外边缘，三种频率超声水浸探头分别检测环锻件不同深度范围，将检测信号实时传输到超声波显示器10，通过检测软件对检测结果进行实时评估和缺陷标定；
Step15：等待环锻件4旋转一圈后，控制多频阵列水浸探头29沿环锻件4径向方向移动一个检测单位；
Step16：重复步骤Step14～Step15，直到多频阵列水浸探头29移动到环锻件最内侧边缘位置，完成环锻件4上端面全覆盖扫查；
Step17：检测完成后，通过三轴扫查装置将超声探头移动至水箱角落初始位置，利用定位驱动装置停止环锻件4旋转，并将主动轮23退离环锻件4，通过排水口22排除水箱2内的耦合剂，由车间起重机吊离环锻件4，完成该复杂环锻件超声全覆盖检测。
综上，本发明采用完全水浸法，解决了耦合不良的问题，超声相控阵和多频阵列水浸探头复合检测可实现厚壁复杂截面环锻件全覆盖超声无损检测，超声相控阵检测方法可实现薄壁复杂环锻件单次全覆盖检测；环锻件定位驱动装置结构简单，可实现大型复杂环锻件定位和旋转，电机布置方案有效避免了漏电漏水问题。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种复杂环锻件超声水浸自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待测复杂环锻件置于水箱中，根据复杂环锻件的厚度，薄壁零件采用超声相控阵单次检测，厚壁零件采用超声相控阵和多频阵列水浸探头两次复合检测；
对厚壁零件进行检测时，根据复杂曲面和平整端面将厚壁复杂环锻件划分为多个检测区域，对复杂曲面采用超声相控阵单次检测，对平整端面采用多频阵列水浸探头按检测深度分区域检测；
检测复杂曲面时，根据复杂环锻件截面轮廓形状，拟合截面外轮廓函数，将超声相控阵探头下方检测区域合理划分为m×n个区域，根据动态孔径发射聚焦方法确定各检测区域最佳发射动态孔径阵列中心和阵元数量，根据曲面多介质发射聚焦延迟时间计算方法确定各区域阵列发射延迟时间，按照动态接收波束合成器延迟算法计算各区域所有采样点的延迟叠加时间；
检测平整端面时，根据复杂环锻件轴向厚度尺寸，选定多种不同频率型号的阵列水浸探头，分别检测不同深度范围，实现环锻件端面全覆盖检测。
2.根据权利要求1所述的复杂环锻件超声水浸自动检测方法，其特征在于，动态孔径发射聚焦方法为：
对探头下方m×n个区域的每个区域进行一次发射聚焦和动态接收全聚焦，在一次发射时间内实现每个区域接收全聚焦成像，总共发射聚焦次数为k＝m×n。
3.根据权利要求1所述的复杂环锻件超声水浸自动检测方法，其特征在于，曲面多介质发射聚焦延迟时间计算方法为：
构建环锻件超声相控阵检测模型，以锻件轴向截面作为坐标平面，以相控阵探头中心作为原点O，建立直角坐标系；
相控阵线阵探头总的阵元数为N，相邻两个阵元之间的中心距设为d，超声波在水中的声速为c1，在环锻件中的声速为c2；
在二维直角坐标系中，根据复杂环锻件图纸，获取复杂环锻件轴向截面的表面轮廓形状尺寸，拟合表面轮廓曲线函数为：y＝f(x),a≤x≤b，其中a、b表示相控阵线阵探头的宽度范围；
定义第j个发射聚焦区域的发射合成孔径阵元数量为Nj，其中第i个阵元坐标为Mi(x1i，y1i),第i个阵元到聚焦点的传播路程:Si＝L1i+L2i，L1i为第一介质传播距离，L2i为第二介质传播距离；定义曲面折射点的坐标为Qi(x2i，y2i)，第i个阵元经过界面上的点Qi(x2i，y2i)到达聚焦点F(xj，yj)，传播距离由下式计算：
Figure FDA0002605279420000021
Figure FDA0002605279420000022
其中，y2i＝f(x2i)，第i个阵元发射声波到达聚焦点的时间为：
Figure FDA0002605279420000023
根据费马原理，界面折射点Qi(x2i，y2i)的横坐标可通过传播时间Ti导函数为零求得：
Figure FDA0002605279420000024
根据第n个阵元发射声波到达聚焦点的时间Tn，计算第i个阵元的发射延迟时间
τi＝max(Ti)-Ti。
4.根据权利要求1所述的复杂环锻件超声水浸自动检测方法，其特征在于，曲面多介质超声相控阵的动态孔径设计方法为：
确定动态孔径中心位置：动态孔径阵列中心位置与聚焦点连线应与复杂环锻件曲面垂直，设定聚焦点F(xj，yj)垂直穿过界面与阵列的交点为Oj(xNj，0),将该交点设定为动态孔径中心点；
确定动态孔径阵元数量：动态孔径第i个阵元在复杂环锻件界面的入射角为θi，第i个阵元发射的超声波在界面交点为Qi(x2i，y2i)，曲面y＝f(x)在Qi(x2i，y2i)点的切线斜率为y′＝f′(x2i),界面交点为Qi(x2i，y2i)处的法线斜率K1i为：
Figure FDA0002605279420000025
第i个阵元中心与界面交点Qi(x2i，y2i)所在直线方程斜率由两点坐标可求出：
Figure FDA0002605279420000031
故第i个阵元在曲面介质的入射角为：
Figure FDA0002605279420000032
超声波从耦合剂入射到复杂环锻件的第一临界角为
Figure FDA0002605279420000033
动态孔径阵元数量需满足第i个阵元的入射角θi＜α1；超声波在水中的声速为c1，在环锻件中的声速为c2；
孔径阵元数量Nj与聚焦深度成正比，根据所述动态孔径阵元数量要求，对于第j层发射聚焦区域，指定聚焦深度位置F(xj，yj)，对应的动态孔径阵元数量在满足入射角θi＜α1的前提下，
Figure FDA0002605279420000034
n为发射聚焦区域的纵向总层数。
5.根据权利要求2所述的复杂环锻件超声水浸自动检测方法，其特征在于，超声相控阵动态的接收全聚焦成像的计算过程为：
接收孔径阵列中心Oj(xNj，0)定义为参照原点，分别计算各阵元相对于中心点的接收延迟时间，根据第j个聚焦区域内任意接收聚焦点的位置F2(xi，yi),利用费马原理可计算超声波由中心点入射到复杂环锻件界面交点Q2i(x0i，y0i)；
超声波由动态孔径中心点到第二介质接收焦点路程为：
Figure FDA0002605279420000035
Figure FDA0002605279420000036
因此各阵元相对于动态孔径中心点的接收延迟时间为：
Figure FDA0002605279420000037
若接收超声信号为s(t),则延时叠加波束合成信号为：
Figure FDA0002605279420000038
其中超声波在水中的声速为c1，在环锻件中的声速为c2；
提前按照复杂环锻件内部聚焦点位置离线计算各阵元接收信号的补偿延迟时间，对相控阵探头各通道接收到的超声回波信号动态改变接收延迟时间再相加求和，根据延时叠加波束形成原理，得到叠加后合成线上每一个点都是接收聚焦点。
6.根据权利要求1所述的复杂环锻件超声水浸自动检测方法，其特征在于，多频阵列超声水浸探头的轴向方向检测方法为：
根据环锻件轴向厚度尺寸，选择三种不同频率的水浸探头，将环锻件沿轴向方向划分为三个区域，高频水浸探头检测上表面区域，中频探头检测环锻件中间区域，低频探头检测下端面区域。
7.一种复杂环锻件超声水浸自动检测装置，其特征在于，该检测装置用于实现如权利要求1-6中任一项所述的复杂环锻件超声水浸自动检测方法，该检测装置包括用于装满耦合剂的水箱，水箱底部安装有辅助环锻件旋转的支撑旋转装置，水箱外侧安装有用于环锻件定位驱动机构，所述水箱上方安装有超声探头三轴扫查装置，在超声探头三轴扫查装置的Z轴末端通过夹具固定超声相控阵探头和多频阵列水浸探头。
8.根据权利要求7所述的复杂环锻件超声水浸自动检测装置，其特征在于，该检测装置还包括多通道超声检测仪、工控机和触摸屏，多通道超声检测仪分别与超声相控阵探头和多频阵列水浸探头连接；工控机和触摸屏控制超声探头三轴扫查装置和定位驱动机构的运动。
9.根据权利要求7所述的复杂环锻件超声水浸自动检测装置，其特征在于，所述辅助支撑旋转装置包括三个滚筒、左从动轮和右从动轮，复杂环锻件平放于三个滚筒上，通过定位驱动机构推动环锻件贴紧左、右从动轮。
10.根据权利要求4所述的复杂环锻件超声水浸自动检测装置，其特征在于：所述定位驱动机构包括支撑台架，所述支撑台架上安装有推进电机、横向滑板、驱动电机、主动轮以及左右滑轨，所述推进电机通过螺杆旋转驱动横向滑板沿着左右滑轨向前移动，驱动电机驱动主动轮旋转，主动轮推动环锻件贴紧左右从动轮，带动环锻件旋转。
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