大型回转件喷水耦合超声C扫描检测系统

刘 进

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型回转件喷水耦合超声C扫描检测系统

刘 进

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

复合材料天线罩在制造过程中可能产生缺陷，为检测某大型回转结构的天线罩，成功研制了一套喷水耦合超声C扫描检测系统。文中介绍了该超声C扫描检测系统的工作原理和系统设计组成，详细阐述了机械扫描装置原理及实现、喷水系统原理及实现以及扫描控制系统和C扫成像系统。文中对试样和天线罩分别进行检测，得到超声C扫描检测图像，并对检测结果进行分析。经过实际应用，该系统操作方便，运行稳定、可靠，大大提高了大型回转件超声检测的质量和效率。

大型回转件；超声检测；C扫描

引 言

某型号雷达天线罩是玻璃钢/Nomax蜂窝C夹层结构，在制造过程中可能产生缺陷，必须通过有效手段对天线罩进行检测。大量资料表明，穿透法超声检测技术是一种可以有效检测蜂窝C夹层常见缺陷的无损检测技术[1]。大型曲面构件的超声扫描系统是目前超声C扫描检测系统的一个发展热点，国内外的无损检测机构进行了大量的研发工作。英国超声波科学有限公司(USL)研发的超声C扫描喷水复合材料检测系统，能够进行双曲面(二维方向曲面)扫描检测，这类系统的一款产品已交付哈飞使用，并通过了最终验收[2]。浙江大学机械系现代制造工程研究所在国内首创开发成功UPR-10/11自由度大型复杂曲面工件超声彩色成像系统(10/11 大型C扫描超声检测系统)。国内外的自动超声检测装置，具有较好的检测效果，但多针对开放式的规则平面或曲面，仅仅提供一种用于超声C扫描检测的手段或是介绍一种超声C扫描的仪器或者方法，而对于三维空间回转结构的超声C扫描检测系统研究较少。针对某型号雷达天线罩的无损检测要求，本文自行研制了大型回转件穿透法超声C扫描检测系统，该系统操作方便，运行稳定、可靠，大大提高了大型回转件超声检测的质量和效率。

1 超声C扫描检测系统工作原理

超声波检测就是将一定频率的超声波信号传入被检测的零件中，超声波信号在传递过程中如果遇到不同的介质，声波信号将发生反射、折射、透射等现象，通过分析他们的变化就可以确定产品的内部质量情况[3]。

根据检测原理，超声C扫描检测系统由超声探头(发射和接收)、超声探伤仪、机械扫描装置、喷水系统、PLC控制器和工控计算机系统组成，如图1所示。PLC控制器发送控制信号给机械扫描装置，扫描装置拖动超声波探头对工件进行扫描，同时超声探伤仪将探头测得的检测信号通过数据采集卡实时传给工控计算机。工控计算机将探头所在位置和测得的检测信号综合形成二维扫描图像。

图1 超声C扫描控制系统及成像系统组成框图

2 系统设计

2.1 总体设计

雷达天线罩超声C扫描检测系统主要包括机械扫描装置、水槽及喷水系统、扫描成像控制系统等，如图2所示。该C扫描检测系统的机械扫描装置是专为某型雷达天线罩研制的，扫描成像控制系统可以重复使用，即如果需对其他型号天线罩进行超声C扫描检测，只要更换机械扫描装置，扫描成像控制系统仍能继续使用。

图2 超声C扫描检测系统总图

2.2 机械扫描装置

机械扫描装置主要由做旋转运动的扫描架和固定天线罩的基座及工装支撑等组成。其中扫描架包括旋转轴、内外滑轨、内外移动小车、内外水管线缆导向管、滑轨固定架、配重块、挡水板等部件。如图3所示。

图3 机械扫描装置示意图

扫描架能够完成两个方向的运动：一是旋转轴做往复旋转运动；二是内外移动小车沿着内外滑轨做步进运动。这种运动方式能使超声探头覆盖整个雷达天线罩以实现全方位的扫描。其扫描运动原理如图4所示。极半径绕O点做回转运动；极半径上的点做步进运动。即机械扫描装置中扫描架绕着旋转轴做往复旋转运动：步进电机连接减速器通过联轴器驱动旋转轴转动；扫描架上的小车在内外滑轨上做步进运动：步进电机驱动滚轮带着钢丝绳牵引移动小车做步进运动。

图4 运动原理图

基座是整个扫描装置的基础，具有较高刚度和平面度，能够根据不同地面条件进行调节。支撑架托起工件，具有不对称性以避免出现扫描盲区。

2.3 喷水系统

喷水系统包括水箱、过滤器、水泵、单向阀、球阀、减压阀、排水阀、压力表。水泵通过过滤器从水箱中抽水，水经过单向阀后分成两个支路，支路上各有一个球阀和减压阀，最后出水口通过水管连接到超声波探头上，水泵的出口设有压力表，指示喷水系统的压力，水箱的底部连接有排水阀。该喷水系统可提供稳定的水耦合剂，其液压原理如图5所示。

图5 喷水系统液压原理图

2.4 扫描控制系统及C扫成像系统

扫描控制系统及C扫成像系统包括电控柜、PLC控制器、奥林巴斯超声探伤仪、西门子工控机、高速数据采集卡、运动控制卡、分析软件等。软件采用国产某公司自主研发的软件，该系统的软件可对复杂外形的受检工件采用多轴运行控制， C扫描成像实时显示，可在屏幕上进行测量和分析，扫描结果可以存储。

3 系统检测结果分析

对一个Nomex蜂窝试样进行了扫描检测，该试样尺寸为450 mm × 340 mm(长×宽)，厚度50 mm，包含蜂窝夹心和玻璃钢蒙皮。检测出表皮粘接层和中间粘接层的人工缺陷。样件最小缺陷为Φ10 mm，最大为Φ30 mm。设定扫描速度为300 mm/s，采样间距为0.5 mm，穿透方式为“Thru”，探头频率为0.5 MHz，电压为300 V，设置探伤仪的增益控制为92 dB，试验结果如图6所示。由于缺陷的存在，声能被缺陷全部反射，接收探头收不到信号，在缺陷位置成深色图像。图6中工件内部深色区域即缺陷位置和形状，是样件制作过程中粘接质量不一致所致。

图6 样件喷水穿透扫描检测结果

对系统生成的超声C扫描图进行分析，以判断该工件是否有缺陷。发现疑似缺陷点时，系统有返回缺陷点功能，即在C扫图上选取某一个点，读出相应坐标，然后手动控制驱动器使扫描架和小车运动到相应坐标位置，这时外滑轨上的喷头指向的工件上的点即为缺陷点位置，从而对缺陷位置进行定位标注。另外该系统还能对缺陷进行面积分析。使用系统软件提供的缺陷拾取功能，设置好闸门值，然后使用鼠标选择缺陷采样区域，软件将自动对该区域进行分析，并自动计算出缺陷面积的大小。

结合试样分析结果，利用该超声C扫描系统对某大型回转天线罩进行超声C扫检测，图7为某天线罩一个面的扫描结果图。

图7 某天线罩喷水穿透扫描检测结果

图7的天线罩C扫图中，工件内部深色区域表示被测工件穿透信号弱，对应金属雷击条、接缝或者粘贴质量不好的地方。

4 结束语

本文在对喷水超声C扫描检测系统工作原理分析的基础上，设计了一套针对大型回转件的穿透法超声C扫描检测系统。该系统具有结构简单、操作方便、成本低廉等优点，满足设计要求，能实现对某型雷达天线罩的手动和自动扫描，提高了检测效率和精度，为准确判断工件缺陷提供了保证。

本文介绍的超声C扫描检测系统的结构形式和系统组成能够应用于其他类似的大型回转曲面构件的超声C扫描检测，为其他产品的超声C扫描检测系统提供设计依据。

[1] 冯占英, 周正干. 蜂窝结构的超声和声无损检测技术[J]. 无损探伤, 2007, 31(6): 1-5.

[2] 王晓宁. 全自动超声C扫描系统在航空复合材料检测中的应用[J]. 航空制造技术, 2008(4): 57-59.

[3] 王邦凯. 复合材料构件超声C扫描图像处理技术研究[J]. 成飞科技, 2003(2): 11-21.

刘 进(1981-)，男，工程师，主要从事非标设计工作。

Water-squirting Ultrasonic C-scan Test System for Large Rotary Parts

LIU Jin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Manufacturing Composite material radome may produce defects. In order to test the radome of a large rotary structure, a set of water-squirting ultrasonic C-scan test system is developed successfully. This paper introduces the working principle and system composition of the ultrasonic C-scan test system, mainly describes the principle and realization of mechanical scanning device and water squirting system, scanning control system and C-scan imaging system. In this paper, the sample and the radome are tested respectively to get their C-scan images, and the test results are analyzed. After practical application, the system is easy to operate, stable and reliable. The quality and efficiency of the ultrasonic test for large rotary parts are improved greatly.

large rotary parts; ultrasonic test; C-scan

2014-06-23

TG115.285

A

1008-5300(2015)02-0011-03