复合材料多轴联动超声C扫描检测技术评述

王东升，杨党纲，刘颖韬，徐娜，李硕宁

(北京航空材料研究院航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095)

0 引言

超声C扫描检测技术已广泛用于航空、航天复合材料的缺陷检测。检测中，保持探头声束与工件上各检测点的法矢方向一致，同时保持探头、工件间相对距离一致，是获得可靠检测结果的关键之一。

目前，国内采用的超声C扫描检测系统大多是针对平面、圆筒、圆柱等具有规则形状的工件。而在我国航空、航天装备的研制中，多品种、小批量非规则曲面复合材料制件的比重正在增加。对这类制件，传统设备由于不能保证良好的检测耦合条件，检测覆盖率和可靠性往往不足。

多轴联动超声C扫描检测系统集检测技术、机器人技术、计算机技术、信号处理技术、CAD相关技术于一体，可完成复杂型面的追踪检测，实现缺陷的可靠检测与评价，并较大程度上保证检测覆盖率，是复合材料制件检测技术发展的新方向。本文从设计和使用角度，结合国外检测系统，对多轴联动超声C扫描检测的技术原理、典型设备形式、主要功能进行概括，分析存在的问题，并指出发展方向。

1 多轴联动超声C扫描检测技术

对于非规则曲面工件，目前主要采用的超声检测方法:一是将工件分为若干个区域，每个区域近似为平面，然后对每个区域分别进行手动或自动C扫描平面方式的扫查，这种方法只适用于曲率较小的工件部位，对曲率较大部位难以保证可靠性，分区检测效率也低。二是采用多轴联动超声C扫描检测方式 (如图1)，在测量或直接从CAD数据文件获取复杂形状工件的尺寸数据后，对工件进行扫描轨迹规划，再根据各检测点的位置和法矢自动控制探头对工件表面进行跟踪扫查，并对检测结果进行自动记录和成像显示，其主要优点在于:

1)对于曲面工件的不同部位，可最大限度保证探头声束与工件表面法矢重合，并最大限度保持探头、工件间距离的一致性，检测灵敏度一致性好，检测覆盖率高。

2)对曲面工件一次装卡可完成全部或绝大部分区域的检测，避免了对工件按分区分块方式自动检测时需要多次重复装卡工件带来的效率低下问题。

3)既可用于规则形状制件，也可用于各种非规则曲面制件，因此具有高柔性和高通用性，投入一台设备可实现多台专用检测设备的功能;该优势还体现在，对于复合材料研发过程中各种复杂形状的新产品具备快速适应能力，只需通过CAD数模导入 (或仿形测量)、扫描轨迹规划等步骤即可实现检测，并提供高可靠检测数据，从而缩短复合材料研制周期。

4)由于软件具备曲面造型及三维数据处理的能力，可使工件检测结果以更为直观的三维方式显示，便于缺陷的定位，尤其对于曲率较大的部位，可使缺陷形状的显示及其尺寸的测量更加准确。

多轴联动超声C扫描检测系统一般同时支持喷水穿透法、喷水脉冲反射法这两种复合材料制件常用检测方式。此外，取决于具体的系统结构形式，部分检测系统还同时支持水浸脉冲反射法、水浸穿透法对金属制件、某些特殊结构制件进行检测。由此可见，该类检测系统具有较为广泛的适用范围。图2是不同检测方式示意图。

图1 曲面工件多轴联动超声C扫描检测简图

图2 典型检测方式示意

2 检测系统主要结构形式

多轴联动超声C扫描检测系统在英国、美国、西班牙、德国等国家都有企业在开发［1－7］。目前比较知名的制造商包括英国超声波科学有限公司 (USL)、美国GE公司、西班牙Tecnatom公司等多家。此外，被公认为功能先进、强大的还有美国波音公司 (Boeing)研发的多轴联动超声C扫描检测系统，但目前未见对外销售。

根据资料和现场调研，尽管不同厂家所研制的多轴联动超声C扫描检测系统形式多样，但其主流形式仍可归纳为以下两类:一是采用水平臂结构的10轴大型检测系统 (如图3(a));二是采用垂直臂结构的11轴大型检测系统 (如图3(b));其中10轴水平臂系统包含了实现双曲率复合材料制件喷水穿透法检测所需的最基本的6个直线平移轴:X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2;4个探头角度调节轴:A1，A2，B1，B2。其主要特征是:探头及探头角度调节轴均安装于水平布置的Y1、Y2轴上。11轴垂直臂系统包含了实现双曲率复合材料制件喷水穿透法检测所需的最基本的7个直线平移轴:主 X轴、次X轴 (X1与X2)及 Y1，Y2，Z1，Z2;4个探头角度调节轴:A1，A2，B1，B2。其主要特征是:探头及探头角度调节轴均安装于垂直布置的Z1，Z2轴上。除可实现双曲率工件的穿透法检测外，在10轴水平臂系统中通过采用X1，Y1，Z1，A1，B1五轴联动或者X2，Y2，Z2，A2，B2五轴联动，在11轴水平臂系统中通过采用 X，Y1，Z1，A1，B1五轴联动或者X，Y2，Z2，A2，B2五轴联动等方式，还可实现双曲率工件的脉冲反射法检测。

实际应用中，以10轴水平臂结构、11轴垂直臂结构为基础，还可开发各种更为复杂的检测系统形式。比如，为了能更好兼顾桶形件、锥形件等规则圆形曲面工件的检测，各厂家会在上述两种检测系统中再增加1个转台轴。又如，USL公司开发的17轴水平臂系统是在10轴水平臂系统的基础上增加了一个5轴电动工装和两个自动控制喷水流量的水泵控制“轴”。5轴电动工装有5个可编程的运动轴——这些轴可在每次检测时自动带动工件移动到事先的编程位置，从而可为每个零件类型提供一个稳定的、可重复的夹持位置和参考点;水泵控制“轴”可在计算机系统控制下，对喷水嘴喷出的水的流速进行实时控制，对探头喷水角度和高度的变化进行自动补偿，获得更加稳定的水流和检测信号。

图3 检测系统典型结构形式示例

通常来说，对于特定结构形式的检测系统，往往会有它更为适合的一类应用，通过调研和分析发现，以上水平臂系统、垂直臂系统也不例外，分别具有其各自的优点。其中水平臂系统的优点体现在:①零件的每一边都有5个可独立运行的轴，具有最大的自由度，可最大限度地对曲面件实施跟踪检测;②水平臂结构由于在Y方向上的尺寸不受探头角度调节轴水平延展长度的限制，因此在用喷水穿透法检测凹陷较深的“C型”零件的时候在零件的深度方向上可移动范围大，空间限制小;③10轴联动比垂直臂的11轴联动控制更容易，成本更低;④能够集成一个在顶部安装的电机驱动的可编程定位工装。垂直臂系统的优点体现在:①具有更好的机械稳定性;②垂直的Z轴更适合检测转台上的零件，尤其是穿透法检测时;③垂直的Z轴允许在检测系统中增加一个水浸槽，用于实现水浸脉冲反射法或水浸穿透法的检测，而这是水平臂结构不容易做到的。

目前，除水平臂系统、垂直臂系统两种主流形式外，采用工业机器手的多轴联动超声C扫描检测系统(图3(c))也是目前发展较为迅速的一类系统形式。通常认为，这类系统应相对于水平臂、垂直臂等传统框架式结构具有更大的操作灵活性，但由于种种原因，目前此类结构形式的系统实际应用还相对较少。

3 主要功能特点

目前，配合各种结构形式检测系统所开发的软件、电气功能也已非常成熟，概括国外各公司产品检测功能的开发情况，主要有以下特点:

3.1 CAD文件导入及扫描轨迹规划功能

通过CAD模型文件导入工件的仿形数据，生成相应的检测点位置和扫描轨迹，并转换为扫描系统各个轴的空间坐标值，然后输送给运动控制系统，用于指挥各个轴对工件进行自动扫查。目前，除了依据CAD模型文件自行生成扫描轨迹外，为方便使用，部分检测系统的软件还可直接读入由第三方CAM软件所生成的扫描轨迹信息，比如USL公司的软件可以读取BAESYSTEMS公司CAD/CAM软件所生成的扫描轨迹信息。

3.2 教学功能

现实中并不是所有工件均能提供CAD模型文件，即便提供有CAD模型文件，工件的实际形状也可能相对于CAD模型存在大的偏差。为此，国际上先进的多轴联动超声C扫描检测系统中均集成了曲面测量示教功能。通过“教与学”方法，由操作员在工件上选取不同点并“教授”出不同点处各个扫描轴的空间坐标位置来获得零件的仿形数据。教授点的数量依工件的复杂性、弯曲的程度和曲面的明显变化程度而定。当各教授点处对应的各个轴的空间坐标位置已确定并输入软件后，在扫描时，教授点之间轴的位置，将随着系统的移动按一定的扫描轨迹规划算法被插入 (典型是按照样条曲线插入)。目前采用的曲面测量示教方法多基于超声波测距原理，但也有采用激光测距原理的，如GE公司的部分检测系统。

3.3 定位偏差的矫正功能

对于复杂结构的工件，检测时需要事先在扫描范围内把工件装卡在已知的参考位置。然而，装卡过程中不可避免地会发生定位的偏差，或者装卡中因工装加压，工件变形而引起仿形数据——工件实际尺寸、位置的偏差，这些偏差均会影响检测的结果。目前矫正定位偏差的一种做法是首先在待测工件上选取定位基准点，然后利用超声测量或激光测量等方法获得待测工件的实际位置信息，并找到其与仿形数据之间的相对位置关系，再利用软件将仿形数据、工件实际位置数据通过旋转、平移等方式互相匹配，最后生成具有较高精度的探头运动轨迹。目前，在USL公司的多轴联动超声C扫描检测系统上即采用了与上述原理相类似的“3点定位法”，此外，该公司还在软件中提供了“Brain line”功能，可进一步补偿工件在装卡过程中发生的变形。

3.4 噪声抑制功能

多轴联动超声C扫描检测系统普遍为尺寸数米长的大型系统。众所周知，在大型超声检测系统中，微弱的超声检测信号很容易因长距离传输衰减和受到噪音干扰 (来自系统内部电机系统和外界电磁干扰)而变得无法有效识别。为了解决上述问题，一般采取的措施包括采用低噪声电机系统 (或对电机系统进行噪声过滤)，以及加强超声信号连接电缆的屏蔽等。此外，在涉及到超声信号远距离传输的场合，采用前置放大器也会是有效措施之一。前置放大器用于补偿信号在探头和探伤仪/卡之间远距离传输时产生的衰减，在靠近探头的一端对信号进行预先放大，由于信号衰减已提前得到了补偿，在到达探伤仪时就不必再采用高的增益来放大，这样在信号远距离传输过程中引入的噪声也就不会被过分放大，使信噪比得到改善。除以上常规措施外，各种新的噪声抑制技术正不断被开发，如Tecnatom公司采用了光纤技术，在超声探头接收到检测信号后首先进行数字化处理，然后通过光纤传送给远端的计算机处理，避免模拟超声信号传输中衰减的情况，同时数字化信号在传输过程中也具有很强的抗空间电磁干扰能力。

3.5 检测图像三维显示与缺陷测量功能

上述公司开发的软件普遍具有三维图像可视化功能，允许对检测结果以三维方式显示，并允许操作人员在三维空间内调节图像以便从不同的方向来观察。此外，由于具备了三维图像处理功能，位于工件曲面部位的缺陷信号的真实尺寸 (非二维投影尺寸)也可被准确地测量得到。如图4所示。

图4 USL公司曲面工件检测结果三维显示功能

3.6 扫查控制性能

在正确生成扫描轨迹的前提下，如何快速、精确地执行扫描计划，对于提升检测效率，保证检测结果可靠性至关重要。目前，USL公司的17轴超声C扫描检测系统可在500 mm/s的较高扫描线速度下，保持较稳定的探头-工件耦合状态，检测出曲面上大约4 mm×4 mm的制造缺陷［7］。另据了解，波音公司自行研制的大型多轴联动超声C扫描检测系统即便对于曲率变化很大的组合曲面也可实现流畅的高速检测，可靠性也很高;其它如GE公司、Tecnatom公司在相关设备的演示中也表现出很强的曲面检测能力。除检测速度和检测结果的可靠性外，如何防止机械系统与工件间干涉、碰撞，确保安全性，也是各厂家在检测系统的设计过程中所重点考虑的一个方面，比如Tecnatom公司专门针对曲面工件的检测开发了SIROCO-3D软件，该软件可以模拟当检测系统按照规划的扫描轨迹运行时的实际工作状态，为扫描轨迹的合理性、安全性检查，以及操作人员的培训提供了有效手段，GE公司也开发有类似功能。

4 技术与应用展望

与传统材料相比，复合材料具有可设计性强、比强度比模量高、抗疲劳断裂性能好、结构功能一体化等一系列优越性能，是发展现代航空、航天技术不可缺少的基础材料。多轴联动超声C扫描检测技术能为复合材料的制造、应用提供高水平的检测技术支持，其潜在的应用前景是广阔的。目前我国已有数家航空企业从国外购买了多轴联动超声C扫描检测系统。

综合前面的分析来看，多轴联动超声C扫描检测技术目前已比较成熟。但是结合该技术的实际应用情况来看，应还有进一步提升的空间，比如，通过逐点教学获得曲面工件仿形数据的方式尽管可行，但当需要教授的点较多时，会影响检测效率，因此发展更为高效的曲面测量手段，如高精度、快速的3D激光测量技术［8－9］，有可能成为一种趋势。此外，就国内而言，尚未针对多轴联动超声C扫描检测系统建立统一的性能评价标准，尤其是在机械系统评价方面，尚未系统了解其精度变化对实际探伤性能的影响。

5 结论

1)多轴联动超声C扫描检测技术为非规则曲面复合材料制件的检测带来突破。首先，它可以最大限度地保持探头、工件间耦合的一致性，在保证检测可靠性的同时，也可使检测覆盖率得到提高。其次，对曲面工件一次装卡即可完成全部或绝大部分区域的检测，避免了对曲面工件按普通的分区分块方式自动检测时，需要多次重复装卡工件带来的效率低下问题。再就是通用性强，投入一台设备可满足多种形状工件的检测需求。

2)多轴联动超声C扫描检测技术目前已较为成熟，不仅检测系统结构形式多样，而且软件、电气功能丰富。但该技术应还有进一步提升的空间，比如发展应用更为高效的曲面测量手段。此外，对于多轴联动超声C扫描检测技术，国内尚未建立统一的性能评价标准，还需要业界更多努力。

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