CN114062500A - 复合材料工字梁的超声检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料工字梁的超声检测系统，包括多轴机械手、扫查单元、循环喷水耦合单元、多通道检测单元、多通道超声处理单元、多轴运动I/O单元和成像单元；扫查单元包括第一杆、第二杆、第三杆和第一连接杆，所述第一杆的另一端连有第一超声换能器，所述第二杆的另一端连有第二超声换能器，所述第三杆的另一端连有第三超声换能器；或者，所述扫查单元包括第四杆，所述第四杆的一端连接在所述多轴机械手上，所述第四杆的另一端连有第四超声换能器。本发明的检测效率高，检测效果好。本发明应用于无损检测技术领域。

Description

复合材料工字梁的超声检测系统

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种复合材料工字梁的超声检测系统。

背景技术

在复合材料零部件在制造过程中，采用工字梁结构可以显著增加复合材料零部件结构刚度和强度，由于复合材料工字梁在整个复合材料结构中起到非常重要的作用，因此，对复合材料工字梁的质量要求非常高。为了确保复合材料工字梁的质量，需要对复合材料工字梁进行100％无损检测。目前超声检测是复合材料工字梁结构检测的主要方法，为了实现复合材料工字梁的覆盖检测，需要对其各个部位进行超声扫查检测。请参照图1，被检测复合材料工字梁2是一种具有典型空间三个正交平面(2A、2B、2C)组合几何特征的结构部件，超声检测时，需要通过移动超声探头对复合材料工字梁的各个平面进行扫描检查，才能实现对复合材料工字梁100％无损检测。

目前的超声检测方法有：

采用手动扫描方式，通过人工移动超声探头，分别从被检测复合材料工字梁2的三个正交平面(2A、2B、2C)一侧进行扫查，从而实现对复合材料工字梁覆盖检测。其主要不足：需要从被检测复合材料工字梁2的三个正交平面(2A、2B、2C)一侧进行扫查，检测效率低，劳动强度大，自动化程度低，检测结果受检测者的技术状态和主观因素影响大，容易漏检，检测结果不能记录和可视化，进而影响检测结果的可靠性。

采用超声自动扫描检测，目前比较惯用的检测方法就是：通过专门的扫描机构的设计，使超声换能器依次从被检测复合材料工字梁2的三个正交平面(2A、2B、2C)一侧进行扫查。其主要不足是：需要更换不同的扫描工具才能实现被检测复合材料工字梁2的三个正交平面(2A、2B、2C)自动扫描，检测效率低；同时扫描过程中频繁更换不同的扫描工具，容易引入超声信号的不一致和干扰，进而影响检测结果的可靠性。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种复合材料工字梁的超声检测系统，以解决现有技术中复合材料工字梁的检测效率低、检测效果差的技术问题。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种复合材料工字梁的超声检测系统，包括：

多轴机械手；

扫查单元，所述扫查单元包括第一杆、第二杆、第三杆和第一连接杆，所述第一杆的一端和所述第二杆的一端分别连接在所述第一连接杆的两端，所述第三杆的一端连接在所述第一连接杆的中部，所述第三杆位于所述第一连接杆的一侧，所述第三杆的中部转动连接在所述多轴机械手上，所述第一杆和所述第二杆位于所述第一连接杆的另一侧，所述第一杆的另一端连有第一超声换能器，所述第二杆的另一端连有第二超声换能器，所述第三杆的另一端连有第三超声换能器；或者，所述扫查单元包括第四杆，所述第四杆的一端连接在所述多轴机械手上，所述第四杆的另一端连有第四超声换能器；

循环喷水耦合单元，所述循环喷水耦合单元和所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器分别连接；

多通道检测单元，用于对所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器输出激励信号，以使所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器产生发射声波，所述发射声波分别在被检测复合材料工字梁产生入射声波；

多通道超声处理单元，用于将所述入射声波处理转换成数字信号；

多轴运动I/O单元，用于记录所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器的位置坐标；

成像单元，将所述数字信号和所述位置坐标进行处理后，所述成像单元将处理后的成像结果记录和显示出来。

可选地，所述第一杆、所述第二杆和所述第三杆相互平行，所述第一杆的长度和所述第二杆的长度相等。

可选地，所述第一杆、第二杆、第三杆和所述第一连接杆之间通过螺纹连接。

可选地，所述第一超声换能器的数字信号根据以下公式计算：

所述第二超声换能器的数字信号根据以下公式计算：

所述第三超声换能器的数字信号根据以下公式计算：

其中，A为幅值，

为相位值，t为时间，i表示第i个检测位置点，m表示第m个检测位置点；

所述第一超声换能器的位置坐标根据以下公式计算：

所述第二超声换能器的位置坐标根据以下公式计算：

所述第三超声换能器的位置坐标根据以下公式计算：

(x，y)表示成像结果中每个检测位置点的坐标，c表示成像结果中每个(x，y)检测位置点对应的图像的颜色或灰度值；P₁(x，y)、P₂(x，y)由m个检测位置点的坐标信号组成，P₃(x，y)由n个检测位置点的坐标信号组成；

所述第一超声换能器的成像结果根据以下公式计算：

所述第二超声换能器的成像结果根据以下公式计算：

所述第三超声换能器的成像结果根据以下公式计算：

Kx、ky分别表示成像结果每点坐标与检测位置点之间的映射系数，

的颜色值或灰度值根据用于成像的信号

或

或

的值确定。

可选地，所述第一连接杆的一侧沿其长度方向设有第一矩形槽，所述第三杆可调节设在所述第一矩形槽内。

可选地，所述第一连接杆的另一侧沿其长度方向设有第二矩形槽，所述第一杆和所述第二杆可调节的设在所述第二矩形槽内。

可选地，还包括第二连接杆，所述第二连接杆的一端和所述多轴机械手转动相连，所述第二连接杆的另一端和所述第三杆的中部连接。

可选地，所述第二连接杆的一端和所述多轴机械手通过法兰盘转动相阵。

可选地，根据以下公式选择所述扫查单元的尺寸：

L＝L₁+d，其中，L为所述第一杆和所述第二杆的长度，L₁为被检测复合材料工字梁的最大宽度，d为所述第一超声换能器和所述第二超声换能器的直径；

L_t＝L₂+h_p，其中，L_t为所述第三杆的长度，L₂为被检测复合材料工字梁一侧内部的宽度，h_p为第三超声换能器的高度；

H_c＝H+h_p+2h_w，其中，H_c为所述第二连接杆的长度，H为被检测复合材料工字梁的高度，h_p为所述第一超声换能器和所述第二超声换能器的高度，h_w为所述第一超声换能器、所述第二超声换能器和所述被检测复合材料工字梁之间的水柱长度。

可选地，所述第一杆和所述第二杆的调节范围根据以下公式计算：

D＝0～0.5H，其中D为所述第一杆和所述第二杆的调节范围。

(3)有益效果

综上，本发明的复合材料工字梁的超声检测系统可以实现复合材料工字梁的三个正交平面超声自动扫描扫查，不需要更换不同的超声扫描工具，即可实现复合材料工字梁的三个正交平面的超声自动扫描，进而用于复合材料工字梁的高效超声自动化扫描检测，检测效率高，劳动强度小，有利于减少检测结果受检测者的技术状态和主观因素影响、避免漏检，有利于检测结果记录和可视化，扫描过程中不需要人工更换超声扫描工具，克服了由此带来的超声信号的不一致和干扰不足，进而有利于实现复合材料工字梁的超声自动检测和提高检测可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中被检测复合材料工字梁的结构示意图；

图2是本发明一实施例中第三超声换能器检测时的示意图；

图3是本发明一实施例中第一超声换能器和第二超声换能器检测时的示意图；

图4是本发明一实施例中第四超声换能器检测时的示意图。

图中

1A、第一超声换能器，1B、第二超声换能器，1C、第三超声换能器，(2A、2B、2C)、平面，3、扫查单元，3A、第一杆，3B、第二杆，3C、第三杆，3D第一连接杆，4、多轴机械手，4A、末端运动轴，4E、第二连接杆，5、第四杆，5A、第四超声换能器，6、多通道超声检测单元，7、多通道超声处理单元，8、成像单元，9、多轴运动I/O单元，10、循环喷水耦合单元，10A，回水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参照图1至图4，一种复合材料工字梁的超声检测系统，包括：

多轴机械手4；

扫查单元3，所述扫查单元3包括第一杆3A、第二杆3B、第三杆3C和第一连接杆3D，所述第一杆3A的一端和所述第二杆3B的一端分别连接在所述第一连接杆3D的两端，所述第三杆3C的一端连接在所述第一连接杆3D的中部，所述第三杆3C位于所述第一连接杆3D的一侧，所述第三杆3C的中部转动连接在所述多轴机械手4上，所述第一杆3A和所述第二杆3B位于所述第一连接杆3D的另一侧，所述第一杆3A的另一端连有第一超声换能器1A，所述第二杆3B的另一端连有第二超声换能器1B，所述第三杆3C的另一端连有第三超声换能器1C；或者，所述扫查单元3包括第四杆5，所述第四杆5的一端连接在所述多轴机械4手上，所述第四杆5的另一端连有第四超声换能器5A；

循环喷水耦合单元10，所述循环喷水耦合单元10和所述第一超声换能器1A、所述第二超声换能器1B、所述第三超声换能器1C和第四超声换能器5A分别连接；

多通道检测单元6，用于对所述第一超声换能器1A、所述第二超声换能器1B、所述第三超声换能器1C和第四超声换能器5A输出激励信号，以使所述第一超声换能器1A、所述第二超声换能器1B、所述第三超声换能器1C和第四超声换能器5A产生发射声波，所述发射声波分别在被检测复合材料工字梁2产生入射声波；

多通道超声处理单元7，用于将所述入射声波处理转换成数字信号；

多轴运动I/O单元9，用于记录所述第一超声换能器1A、所述第二超声换能器1B、所述第三超声换能器1C和第四超声换能器5A的位置坐标；

成像单元8，将所述数字信号和所述位置坐标进行处理后，所述成像单元8将处理后的成像结果记录和显示出来。

其中第一超声换能器1A、第二超声换能器1B和第三超声换能器1C内分别带有内部水腔和进水连接座，所述第一超声换能器1A、第二超声换能器1B和第三超声换能器1C通过内部水腔和进水连接座和循环喷水耦合单元10配连接，形成稳定的喷水耦合水柱。循环喷水耦合单元10带有回水箱10A，采用循环喷水方式给第一超声换能器1A、第二超声换能器1B、第三超声换能器1C提供声学耦合。多轴机械手4的末端运动轴4

本实施例的复合材料工字梁的超声检测系统中，当被检测复合材料工字梁2的两侧为开口时，通过多轴机械手4带动第一杆3A、第二杆3B靠近被检测复合材料工字梁2的一侧，使第一杆3A带动第一超声换能器1A对被检测复合材料工字梁2的平面2A进行检测，使第二杆3B带动第二超声换能器1B对被检测复合材料工字梁2的平面2C进行检测。当平面2A和平面2C均被检测完后。多轴机械手4带动第三杆3C转动，并带动第三杆3C上的第三超声换能器1C靠近被检测复合材料工字梁2的平面2B，直至将被检测复合材料工字梁2的平面2B全部检测完。对于较长的被检测复合材料工字梁2，由外部传送机构移动被检测复合材料工字梁2，外部传送机构与多轴机器手4采用同步控制方式，控制被检测复合材料工字梁2的移动。当被检测复合材料工字梁2为帽型材料时，即被检测复合材料工字梁2被检测处没有开口，则扫描单元3采用第四杆5及第四杆5上的第四超声换能器5A进行检测，检测十分方便，能够适应多种作业工况。具体的，多轴机械手的末端运动轴4A和第四杆5连接。

本实施例的复合材料工字梁的超声检测系统可以实现复合材料工字梁2的三个正交平面(2A、2B、2C)超声自动扫描扫查，不需要更换不同的超声扫描工具，即可实现复合材料工字梁2的三个正交平面(2A、2B、2C)的超声自动扫描，进而用于复合材料工字梁2的高效超声自动化扫描检测，检测效率高，劳动强度小，有利于减少检测结果受检测者的技术状态和主观因素影响、避免漏检，有利于检测结果记录和可视化，扫描过程中不需要人工更换超声扫描工具，克服了由此带来的超声信号的不一致和干扰不足，进而有利于实现复合材料工字梁2的超声自动检测和提高检测可靠性。

具体的，在一实施例中，选择高200mm、宽80mm的被检测复合材料工字梁2，还采用高150mm、宽100mm的C型、J型、帽型、L型复合材料梁肋结构，选用中航复合材料有限责任公司的超声换能器(FJ系列)和超声单元，多轴机械手4选择六轴机器人，采用喷水耦合，调节第一超声换能器1A、第二超声换能器1B、第三超声换能器1C与被检测复合材料工字梁2检测面之间的距离，先后完成了系列的超声扫描检测试验，试验结果表明，通过该扫描装置，可以对被检测复合材料工字梁2进行有效的超声覆盖扫描检测，检测信号稳定，达到了很好的检测效果。

在一实施例中，所述第一杆3A、所述第二杆3B和所述第三杆3C相互平行，检测时，可以快速带动第一杆3A、第二杆3B移动，以使第一超声换能器1A和第二超声换能器1B对着被检测复合材料工字梁2的被检测位置。

在一实施例中，所述第一杆3A的长度和所述第二杆3B的长度相等，便于第一超声换能器1A和第二超声换能器1B的位置调节。

在一实施例中，所述第一杆3A、第二杆3B、第三杆3C和所述第一连接杆3D之间通过螺纹连接，连接方便，结构简单。

在一实施例中，所述第一超声换能器1A的数字信号根据以下公式计算：

所述第二超声换能器1B的数字信号根据以下公式计算：

所述第三超声换能器1C的数字信号根据以下公式计算：

其中，A为幅值，

为相位值，t为时间，i表示第i个检测位置点，m表示第m个检测位置点；

所述第一超声换能器1A的位置坐标根据以下公式计算：

所述第二超声换能器1B的位置坐标根据以下公式计算：

所述第三超声换能器1C的位置坐标根据以下公式计算：

(x，y)表示成像结果中每个检测位置点的坐标，c表示成像结果中每个(x，y)检测位置点对应的图像的颜色或灰度值；P₁(x，y)、P₂(x，y)由m个检测位置点的坐标信号组成，P₃(x，y)由n个检测位置点的坐标信号组成；

所述第一超声换能器1A的成像结果根据以下公式计算：

所述第二超声换能器1B的成像结果根据以下公式计算：

所述第三超声换能器1C的成像结果根据以下公式计算：

Kx、ky分别表示成像结果每点坐标与检测位置点之间的映射系数，

的颜色值或灰度值根据用于成像的信号

或

或

的值确定。具体的，成像单元8进行超声检测结果的成像显示，采用三个成像窗口显示，其中：成像显示窗口1显示第一超声换能器1A的检测结果

成像显示窗口2显示第二超声换能器1B的检测结果

成像显示窗口3显示第三超声换能器1C的检测结果

在一实施例中，所述第一连接杆3D的一侧沿其长度方向设有第一矩形槽(图中未显示)，所述第三杆3C可调节设在所述第一矩形槽内。第三杆3C可以在第一矩形槽内移动，以实现对第三杆3C的位置进行调节。具体的，可以在第三杆3C和第一矩形槽之间设置滑块，使第三杆3C能够可调节装在第一矩形槽中。

在一实施例中，所述第一连接杆3D的另一侧沿其长度方向设有第二矩形槽(图中未显示)，所述第一杆3A和所述第二杆3B可调节的设在所述第二矩形槽内。所述第一杆3A和所述第二杆3B可以在第二矩形槽内移动，以实现对所述第一杆3A和所述第二杆3B的位置进行调节。具体的，可以在第三杆3C和第一矩形槽之间设置滑块，使第三杆3C能够可调节装在第一矩形槽中。

在一实施例中，还包括第二连接杆4E，所述第二连接杆4E的一端和所述多轴机械手4转动相连，所述第二连接杆4E的另一端和所述第三杆3C的中部连接。优选的，第二连接杆4E和多轴机械手4的末端运动轴4A连接。

在一实施例中，所述第二连接杆4E的一端和所述多轴机械手4通过法兰盘转动相连，连接牢固，拆装方便。

在一实施例中，根据以下公式选择所述扫查单元3的尺寸：

L＝L₁+d，其中，L为所述第一杆3A和所述第二杆3B的长度，L₁为被检测复合材料工字梁2的最大宽度，d为所述第一超声换能器1A和所述第二超声换能器1B的直径；

L_t＝L₂+h_p，其中，L_t为所述第三杆3C的长度，L₂为被检测复合材料工字梁2一侧内部的宽度，h_p为第三超声换能器1C的高度；L₃为被检测复合材料工字梁2另一侧内部的宽度，当第三杆1C对被检测复合材料工字梁2另一侧内部扫描时，L₃代替L₂计算L_t。

H₃＝H+h_p+2h_w，其中，H₃为所述第二连接杆4E的长度，H为被检测复合材料工字梁2的高度，h_p为所述第一超声换能器1A和所述第二超声换能器1B的高度，h_w为所述第一超声换能器1A、所述第二超声换能器1B和所述被检测复合材料工字梁2之间的水柱长度。

在一实施例中，所述第一杆3A和所述第二杆3B的调节范围根据以下公式计算：

D＝0～0.5H，其中D为所述第一杆3A和所述第二杆3B的调节范围。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，包括：

多轴机械手；

扫查单元，所述扫查单元包括第一杆、第二杆、第三杆和第一连接杆，所述第一杆的一端和所述第二杆的一端分别连接在所述第一连接杆的两端，所述第三杆的一端连接在所述第一连接杆的中部，所述第三杆位于所述第一连接杆的一侧，所述第三杆的中部转动连接在所述多轴机械手上，所述第一杆和所述第二杆位于所述第一连接杆的另一侧，所述第一杆的另一端连有第一超声换能器，所述第二杆的另一端连有第二超声换能器，所述第三杆的另一端连有第三超声换能器；或者，所述扫查单元包括第四杆，所述第四杆的一端连接在所述多轴机械手上，所述第四杆的另一端连有第四超声换能器；

循环喷水耦合单元，所述循环喷水耦合单元和所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器分别连接；

多通道检测单元，用于对所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器输出激励信号，以使所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器产生发射声波，所述发射声波分别在被检测复合材料工字梁产生入射声波；

多通道超声处理单元，用于将所述入射声波处理转换成数字信号；

多轴运动I/O单元，用于记录所述第一超声换能器、所述第二超声换能器、所述第三超声换能器和第四超声换能器的位置坐标；

成像单元，将所述数字信号和所述位置坐标进行处理后，所述成像单元将处理后的成像结果记录和显示出来。

2.根据权利要求1所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，所述第一杆、所述第二杆和所述第三杆相互平行，所述第一杆的长度和所述第二杆的长度相等。

3.根据权利要求1所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，所述第一杆、第二杆、第三杆和所述第一连接杆之间通过螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，所述第一超声换能器的数字信号根据以下公式计算：

所述第二超声换能器的数字信号根据以下公式计算：

所述第三超声换能器的数字信号根据以下公式计算：

其中，A为幅值，

为相位值，t为时间，i表示第i个检测位置点，m表示第m个检测位置点；

所述第一超声换能器的位置坐标根据以下公式计算：

所述第二超声换能器的位置坐标根据以下公式计算：

所述第三超声换能器的位置坐标根据以下公式计算：

(x，y)表示成像结果中每个检测位置点的坐标，c表示成像结果中每个(x，y)检测位置点对应的图像的颜色或灰度值；P₁(x，y)、P₂(x，y)由m个检测位置点的坐标信号组成，P₃(x，y)由n个检测位置点的坐标信号组成；

所述第一超声换能器的成像结果根据以下公式计算：

所述第二超声换能器的成像结果根据以下公式计算：

所述第三超声换能器的成像结果根据以下公式计算：

Kx、ky分别表示成像结果每点坐标与检测位置点之间的映射系数，

的颜色值或灰度值根据用于成像的信号

或

或

的值确定。

5.根据权利要求1所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，所述第一连接杆的一侧沿其长度方向设有第一矩形槽，所述第三杆可调节设在所述第一矩形槽内。

6.根据权利要求1所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，所述第一连接杆的另一侧沿其长度方向设有第二矩形槽，所述第一杆和所述第二杆可调节的设在所述第二矩形槽内。

7.根据权利要求1所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，还包括第二连接杆，所述第二连接杆的一端和所述多轴机械手转动相连，所述第二连接杆的另一端和所述第三杆的中部连接。

8.根据权利要求7所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，所述第二连接杆的一端和所述多轴机械手通过法兰盘转动相连。

9.根据权利要求7所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，根据以下公式选择所述扫查单元的尺寸：

L＝L₁+d，其中，L为所述第一杆和所述第二杆的长度，L₁为被检测复合材料工字梁的最大宽度，d为所述第一超声换能器和所述第二超声换能器的直径；

L_t＝L₂+h_p，其中，L_t为所述第三杆的长度，L₂为被检测复合材料工字梁一侧内部的宽度，h_p为第三超声换能器的高度；

H_c＝H+h_p+2h_w，其中，H_c为所述第二连接杆的长度，H为被检测复合材料工字梁的高度，h_p为所述第一超声换能器和所述第二超声换能器的高度，h_w为所述第一超声换能器、所述第二超声换能器和所述被检测复合材料工字梁之间的水柱长度。

10.根据权利要求9所述的复合材料工字梁的超声检测系统，其特征在于，所述第一杆和所述第二杆的调节范围根据以下公式计算：

D＝0～0.5H，其中D为所述第一杆和所述第二杆的调节范围。

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