復合材料多軸聯動超聲C掃描檢測技術評述

王東升，楊黨綱，劉穎韜，徐娜，李碩寧

(北京航空材料研究院航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095)

0 引言

超聲C掃描檢測技術已廣泛用于航空、航天復合材料的缺陷檢測。檢測中，保持探頭聲束與工件上各檢測點的法矢方向一致，同時保持探頭、工件間相對距離一致，是獲得可靠檢測結果的關鍵之一。

目前，國內采用的超聲C掃描檢測系統大多是針對平面、圓筒、圓柱等具有規則形狀的工件。而在我國航空、航天裝備的研制中，多品種、小批量非規則曲面復合材料制件的比重正在增加。對這類制件，傳統設備由于不能保證良好的檢測耦合條件，檢測覆蓋率和可靠性往往不足。

多軸聯動超聲C掃描檢測系統集檢測技術、機器人技術、計算機技術、信號處理技術、CAD相關技術于一體，可完成復雜型面的追蹤檢測，實現缺陷的可靠檢測與評價，并較大程度上保證檢測覆蓋率，是復合材料制件檢測技術發展的新方向。本文從設計和使用角度，結合國外檢測系統，對多軸聯動超聲C掃描檢測的技術原理、典型設備形式、主要功能進行概括，分析存在的問題，并指出發展方向。

1 多軸聯動超聲C掃描檢測技術

對于非規則曲面工件，目前主要采用的超聲檢測方法:一是將工件分為若干個區域，每個區域近似為平面，然后對每個區域分別進行手動或自動C掃描平面方式的掃查，這種方法只適用于曲率較小的工件部位，對曲率較大部位難以保證可靠性，分區檢測效率也低。二是采用多軸聯動超聲C掃描檢測方式 (如圖1)，在測量或直接從CAD數據文件獲取復雜形狀工件的尺寸數據后，對工件進行掃描軌跡規劃，再根據各檢測點的位置和法矢自動控制探頭對工件表面進行跟蹤掃查，并對檢測結果進行自動記錄和成像顯示，其主要優點在于:

1)對于曲面工件的不同部位，可最大限度保證探頭聲束與工件表面法矢重合，并最大限度保持探頭、工件間距離的一致性，檢測靈敏度一致性好，檢測覆蓋率高。

2)對曲面工件一次裝卡可完成全部或絕大部分區域的檢測，避免了對工件按分區分塊方式自動檢測時需要多次重復裝卡工件帶來的效率低下問題。

3)既可用于規則形狀制件，也可用于各種非規則曲面制件，因此具有高柔性和高通用性，投入一臺設備可實現多臺專用檢測設備的功能;該優勢還體現在，對于復合材料研發過程中各種復雜形狀的新產品具備快速適應能力，只需通過CAD數模導入 (或仿形測量)、掃描軌跡規劃等步驟即可實現檢測，并提供高可靠檢測數據，從而縮短復合材料研制周期。

4)由于軟件具備曲面造型及三維數據處理的能力，可使工件檢測結果以更為直觀的三維方式顯示，便于缺陷的定位，尤其對于曲率較大的部位，可使缺陷形狀的顯示及其尺寸的測量更加準確。

多軸聯動超聲C掃描檢測系統一般同時支持噴水穿透法、噴水脈沖反射法這兩種復合材料制件常用檢測方式。此外，取決于具體的系統結構形式，部分檢測系統還同時支持水浸脈沖反射法、水浸穿透法對金屬制件、某些特殊結構制件進行檢測。由此可見，該類檢測系統具有較為廣泛的適用范圍。圖2是不同檢測方式示意圖。

圖1 曲面工件多軸聯動超聲C掃描檢測簡圖

圖2 典型檢測方式示意

2 檢測系統主要結構形式

多軸聯動超聲C掃描檢測系統在英國、美國、西班牙、德國等國家都有企業在開發［1－7］。目前比較知名的制造商包括英國超聲波科學有限公司 (USL)、美國GE公司、西班牙Tecnatom公司等多家。此外，被公認為功能先進、強大的還有美國波音公司 (Boeing)研發的多軸聯動超聲C掃描檢測系統，但目前未見對外銷售。

根據資料和現場調研，盡管不同廠家所研制的多軸聯動超聲C掃描檢測系統形式多樣，但其主流形式仍可歸納為以下兩類:一是采用水平臂結構的10軸大型檢測系統 (如圖3(a));二是采用垂直臂結構的11軸大型檢測系統 (如圖3(b));其中10軸水平臂系統包含了實現雙曲率復合材料制件噴水穿透法檢測所需的最基本的6個直線平移軸:X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2;4個探頭角度調節軸:A1，A2，B1，B2。其主要特征是:探頭及探頭角度調節軸均安裝于水平布置的Y1、Y2軸上。11軸垂直臂系統包含了實現雙曲率復合材料制件噴水穿透法檢測所需的最基本的7個直線平移軸:主 X軸、次X軸 (X1與X2)及 Y1，Y2，Z1，Z2;4個探頭角度調節軸:A1，A2，B1，B2。其主要特征是:探頭及探頭角度調節軸均安裝于垂直布置的Z1，Z2軸上。除可實現雙曲率工件的穿透法檢測外，在10軸水平臂系統中通過采用X1，Y1，Z1，A1，B1五軸聯動或者X2，Y2，Z2，A2，B2五軸聯動，在11軸水平臂系統中通過采用 X，Y1，Z1，A1，B1五軸聯動或者X，Y2，Z2，A2，B2五軸聯動等方式，還可實現雙曲率工件的脈沖反射法檢測。

實際應用中，以10軸水平臂結構、11軸垂直臂結構為基礎，還可開發各種更為復雜的檢測系統形式。比如，為了能更好兼顧桶形件、錐形件等規則圓形曲面工件的檢測，各廠家會在上述兩種檢測系統中再增加1個轉臺軸。又如，USL公司開發的17軸水平臂系統是在10軸水平臂系統的基礎上增加了一個5軸電動工裝和兩個自動控制噴水流量的水泵控制“軸”。5軸電動工裝有5個可編程的運動軸——這些軸可在每次檢測時自動帶動工件移動到事先的編程位置，從而可為每個零件類型提供一個穩定的、可重復的夾持位置和參考點;水泵控制“軸”可在計算機系統控制下，對噴水嘴噴出的水的流速進行實時控制，對探頭噴水角度和高度的變化進行自動補償，獲得更加穩定的水流和檢測信號。

圖3 檢測系統典型結構形式示例

通常來說，對于特定結構形式的檢測系統，往往會有它更為適合的一類應用，通過調研和分析發現，以上水平臂系統、垂直臂系統也不例外，分別具有其各自的優點。其中水平臂系統的優點體現在:①零件的每一邊都有5個可獨立運行的軸，具有最大的自由度，可最大限度地對曲面件實施跟蹤檢測;②水平臂結構由于在Y方向上的尺寸不受探頭角度調節軸水平延展長度的限制，因此在用噴水穿透法檢測凹陷較深的“C型”零件的時候在零件的深度方向上可移動范圍大，空間限制小;③10軸聯動比垂直臂的11軸聯動控制更容易，成本更低;④能夠集成一個在頂部安裝的電機驅動的可編程定位工裝。垂直臂系統的優點體現在:①具有更好的機械穩定性;②垂直的Z軸更適合檢測轉臺上的零件，尤其是穿透法檢測時;③垂直的Z軸允許在檢測系統中增加一個水浸槽，用于實現水浸脈沖反射法或水浸穿透法的檢測，而這是水平臂結構不容易做到的。

目前，除水平臂系統、垂直臂系統兩種主流形式外，采用工業機器手的多軸聯動超聲C掃描檢測系統(圖3(c))也是目前發展較為迅速的一類系統形式。通常認為，這類系統應相對于水平臂、垂直臂等傳統框架式結構具有更大的操作靈活性，但由于種種原因，目前此類結構形式的系統實際應用還相對較少。

3 主要功能特點

目前，配合各種結構形式檢測系統所開發的軟件、電氣功能也已非常成熟，概括國外各公司產品檢測功能的開發情況，主要有以下特點:

3.1 CAD文件導入及掃描軌跡規劃功能

通過CAD模型文件導入工件的仿形數據，生成相應的檢測點位置和掃描軌跡，并轉換為掃描系統各個軸的空間坐標值，然后輸送給運動控制系統，用于指揮各個軸對工件進行自動掃查。目前，除了依據CAD模型文件自行生成掃描軌跡外，為方便使用，部分檢測系統的軟件還可直接讀入由第三方CAM軟件所生成的掃描軌跡信息，比如USL公司的軟件可以讀取BAESYSTEMS公司CAD/CAM軟件所生成的掃描軌跡信息。

3.2 教學功能

現實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，工件的實際形狀也可能相對于CAD模型存在大的偏差。為此，國際上先進的多軸聯動超聲C掃描檢測系統中均集成了曲面測量示教功能。通過“教與學”方法，由操作員在工件上選取不同點并“教授”出不同點處各個掃描軸的空間坐標位置來獲得零件的仿形數據。教授點的數量依工件的復雜性、彎曲的程度和曲面的明顯變化程度而定。當各教授點處對應的各個軸的空間坐標位置已確定并輸入軟件后，在掃描時，教授點之間軸的位置，將隨著系統的移動按一定的掃描軌跡規劃算法被插入 (典型是按照樣條曲線插入)。目前采用的曲面測量示教方法多基于超聲波測距原理，但也有采用激光測距原理的，如GE公司的部分檢測系統。

3.3 定位偏差的矯正功能

對于復雜結構的工件，檢測時需要事先在掃描范圍內把工件裝卡在已知的參考位置。然而，裝卡過程中不可避免地會發生定位的偏差，或者裝卡中因工裝加壓，工件變形而引起仿形數據——工件實際尺寸、位置的偏差，這些偏差均會影響檢測的結果。目前矯正定位偏差的一種做法是首先在待測工件上選取定位基準點，然后利用超聲測量或激光測量等方法獲得待測工件的實際位置信息，并找到其與仿形數據之間的相對位置關系，再利用軟件將仿形數據、工件實際位置數據通過旋轉、平移等方式互相匹配，最后生成具有較高精度的探頭運動軌跡。目前，在USL公司的多軸聯動超聲C掃描檢測系統上即采用了與上述原理相類似的“3點定位法”，此外，該公司還在軟件中提供了“Brain line”功能，可進一步補償工件在裝卡過程中發生的變形。

3.4 噪聲抑制功能

多軸聯動超聲C掃描檢測系統普遍為尺寸數米長的大型系統。眾所周知，在大型超聲檢測系統中，微弱的超聲檢測信號很容易因長距離傳輸衰減和受到噪音干擾 (來自系統內部電機系統和外界電磁干擾)而變得無法有效識別。為了解決上述問題，一般采取的措施包括采用低噪聲電機系統 (或對電機系統進行噪聲過濾)，以及加強超聲信號連接電纜的屏蔽等。此外，在涉及到超聲信號遠距離傳輸的場合，采用前置放大器也會是有效措施之一。前置放大器用于補償信號在探頭和探傷儀/卡之間遠距離傳輸時產生的衰減，在靠近探頭的一端對信號進行預先放大，由于信號衰減已提前得到了補償，在到達探傷儀時就不必再采用高的增益來放大，這樣在信號遠距離傳輸過程中引入的噪聲也就不會被過分放大，使信噪比得到改善。除以上常規措施外，各種新的噪聲抑制技術正不斷被開發，如Tecnatom公司采用了光纖技術，在超聲探頭接收到檢測信號后首先進行數字化處理，然后通過光纖傳送給遠端的計算機處理，避免模擬超聲信號傳輸中衰減的情況，同時數字化信號在傳輸過程中也具有很強的抗空間電磁干擾能力。

3.5 檢測圖像三維顯示與缺陷測量功能

上述公司開發的軟件普遍具有三維圖像可視化功能，允許對檢測結果以三維方式顯示，并允許操作人員在三維空間內調節圖像以便從不同的方向來觀察。此外，由于具備了三維圖像處理功能，位于工件曲面部位的缺陷信號的真實尺寸 (非二維投影尺寸)也可被準確地測量得到。如圖4所示。

圖4 USL公司曲面工件檢測結果三維顯示功能

3.6 掃查控制性能

在正確生成掃描軌跡的前提下，如何快速、精確地執行掃描計劃，對于提升檢測效率，保證檢測結果可靠性至關重要。目前，USL公司的17軸超聲C掃描檢測系統可在500 mm/s的較高掃描線速度下，保持較穩定的探頭-工件耦合狀態，檢測出曲面上大約4 mm×4 mm的制造缺陷［7］。另據了解，波音公司自行研制的大型多軸聯動超聲C掃描檢測系統即便對于曲率變化很大的組合曲面也可實現流暢的高速檢測，可靠性也很高;其它如GE公司、Tecnatom公司在相關設備的演示中也表現出很強的曲面檢測能力。除檢測速度和檢測結果的可靠性外，如何防止機械系統與工件間干涉、碰撞，確保安全性，也是各廠家在檢測系統的設計過程中所重點考慮的一個方面，比如Tecnatom公司專門針對曲面工件的檢測開發了SIROCO-3D軟件，該軟件可以模擬當檢測系統按照規劃的掃描軌跡運行時的實際工作狀態，為掃描軌跡的合理性、安全性檢查，以及操作人員的培訓提供了有效手段，GE公司也開發有類似功能。

4 技術與應用展望

與傳統材料相比，復合材料具有可設計性強、比強度比模量高、抗疲勞斷裂性能好、結構功能一體化等一系列優越性能，是發展現代航空、航天技術不可缺少的基礎材料。多軸聯動超聲C掃描檢測技術能為復合材料的制造、應用提供高水平的檢測技術支持，其潛在的應用前景是廣闊的。目前我國已有數家航空企業從國外購買了多軸聯動超聲C掃描檢測系統。

綜合前面的分析來看，多軸聯動超聲C掃描檢測技術目前已比較成熟。但是結合該技術的實際應用情況來看，應還有進一步提升的空間，比如，通過逐點教學獲得曲面工件仿形數據的方式盡管可行，但當需要教授的點較多時，會影響檢測效率，因此發展更為高效的曲面測量手段，如高精度、快速的3D激光測量技術［8－9］，有可能成為一種趨勢。此外，就國內而言，尚未針對多軸聯動超聲C掃描檢測系統建立統一的性能評價標準，尤其是在機械系統評價方面，尚未系統了解其精度變化對實際探傷性能的影響。

5 結論

1)多軸聯動超聲C掃描檢測技術為非規則曲面復合材料制件的檢測帶來突破。首先，它可以最大限度地保持探頭、工件間耦合的一致性，在保證檢測可靠性的同時，也可使檢測覆蓋率得到提高。其次，對曲面工件一次裝卡即可完成全部或絕大部分區域的檢測，避免了對曲面工件按普通的分區分塊方式自動檢測時，需要多次重復裝卡工件帶來的效率低下問題。再就是通用性強，投入一臺設備可滿足多種形狀工件的檢測需求。

2)多軸聯動超聲C掃描檢測技術目前已較為成熟，不僅檢測系統結構形式多樣，而且軟件、電氣功能豐富。但該技術應還有進一步提升的空間，比如發展應用更為高效的曲面測量手段。此外，對于多軸聯動超聲C掃描檢測技術，國內尚未建立統一的性能評價標準，還需要業界更多努力。

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