专利名称：一种工业级的超声自动扫描成像检测设备的制作方法
技术领域：
本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域中复合材料及金属材料大型结构的工业级的超声自动化扫描成像检测设备。
背景技术：
目前复合材料等大型结构主要采用脉冲超声垂直纵波穿透/反射检测方法，通过超声换能器向被检测零件发射/接收声波信号，实现缺陷检测。这种检测方法要求超声换能器发射的声波信号沿零件被检测位置点法向方向传播。采用手动和自动两种扫描方式， 通过移动超声换能器实现对被检测零件进行扫描，确保实现100%覆盖检测。在手工扫查检测时，主要是基于超声A-显示信号的变化，由检测人员进行缺陷判别；自动扫描检测时， 则需要通过设计专门的扫描机构和数控系统，对超声换能器进行实时位置、姿态和接近距离的控制，使声波入射方向与被检测零件每个检测位置点法向一致，然后通过专门的信号处理技术和成像技术，以图像方式再现检测结果。扫描控制与扫描轨迹生成方法主要有三种方法示教编程、仿形测量和CAD数模。自动扫描检测设备主要有两大类穿透式和反射式。穿透式超声检测设备采用单通道检测方式；反射式检测设备以单通道为主。针对复合材料等大型结构超声自动扫描检测，现有的超声自动扫描检测设备设计采用刚性超声换能器作为扫描声学单元发射/接收声波信号，换能器自身没有任何姿态与位置调节自适应能力。在扫查过程中，当被检测点位置形面法向改变时，需要通过复杂的数控系统和运动机构实现换能器的姿态和位置调节、控制。其突出的不足是由于飞机复合材料等大型结构几乎没有微观平面特征，在自动扫描过程中，需要不断地实时调节和控制换能器的姿态和扫描位置，才能确保入射声波的方向与当前位置的形面方向一致，实现超声检测信号的发射和接收，被检测零件形面越复杂，换能器的姿态和位置调节复杂，技术成本越高，对设备的数控和坐标轴要求越高，对于翼类复合材料结构，通常至少需要5-6轴联动的复杂扫描机构，才能实现换能器姿态和位置的调节，设备的技术成本和维护成本高，而且这种调节方式，需要先生成扫描轨迹才能实现扫描，工程适用性差。为了实现大型翼类复合材料等结构的100%覆盖检测，现有的超声自动扫描检测设备，首先根据被检测复合材料形面结构几何特征，按给定的缺陷检出要求，按照入射声束取向法则生成扫描轨迹，然后通过超声检测设备数控编程和扫查机构，驱动换能器按生成的扫描轨迹进行扫描检测。现有的超声扫描轨迹生成方法主要有3种(a)示教编程；(b) 仿形测量；(c)利用被检测零件的CAD数模。其显著的不足是扫描跟踪效率十分低，且工程实用性差，复合材料等大型结构在离开模具工装后，零件处于自由状态，其外形与理论模型相差甚远；实际仿形测量和示教编程，效率太低，而且为了防止出错，撞伤零件，必须对所生成的扫描轨迹进行示教测试，例如，对于一个L(长)XW(宽)的大型复合材料结构，需要生成的扫描轨迹M条，每条扫描轨迹需要仿形和测量点的为K，则将有MXLXWXK，在即使对于7000 X 3000mm的翼类复合材料结构，在扫描步距为2mm时，每条扫描轨迹按平均20个特征点采样，则会30000点测量示教点，其测量示教的工作量将十分耗时低效。目前翼类复合材料等大型结构超声自动扫描检测设备主要采用单通道检测，其突出的不足是检测效率非常低，而且被检测零件越复杂，检测效率越低。超声自动扫描过程中，要求换能器与被检测零件之间的接近距离稳定，以获取正确稳定的检测信号，同时防止扫描过程中伤及零件。现有检测设备中，对换能器与被检测零件表面之间的接近距离没有专门的闭环控制。现有的复合材料等结构超声自动扫描机构主要采用型材框架结构，被检测零件立式放置，其突出的不足是扫描机构的刚性不好，χ扫描方向长行程双边驱动同步困难，y方向大跨度挠度变形大，ζ方向扫描颤动大。现有的超声自动扫描成像检测设备，在检测复合材料等大型结构时，其突出的不足是表面检测盲区大、纵向检测分辨率低。目前复合材料等大型结构超声自动扫描检测，多以喷水方式实现声波的耦合，其不足是需要专门的喷水和过滤装置，检测信号易受喷水质量和洁净程度影响，而且往往工程现场水回收过滤困难。针对复合材料等大型结构的无损检测，其突出的不足是需要根据被检测复合材料等结构进行复杂繁琐的数控轨迹编程，检测效率低，工程适用性差，技术成本昂贵，成像效果差。
发明内容
本发明的目的是提供一种工程适用性好、检测效率高、技术成本低及成像效果好的一种工业级的超声自动扫描成像检测设备。本发明的技术解决方案是检测设备包括超声自动扫描系统、超声自动扫描控制与成像系统和多通道超声系统三部分，其中，超声自动扫描系统包括Z向驱动系统、Z向扫描机构、Y向驱动系统、X向驱动系统、Y向扫描机构、χ向扫描机构、χ向辅助支撑、χ扫描机构立柱、零件工作台和地基； 超声自动扫描控制与成像系统包括操作台、超声信号处理及显示计算机单元、XY扫描控制及成像显示计算机单元、Z向距离控制及计算机单元、现场视频监视单元和电气操作面板区；多通道超声单元包括多通道超声发/收单元和超声自适应跟踪阵列换能器。1.)超声自动扫描系统1.1) Z向扫描运动机构Z向扫描运动机构由Z向驱动系统和Z向扫描机构组成。其中，Z向驱动系统包括 Z向伺服电机、Z向减速机和Z向联轴器；Z向扫描机构包括Z向上机械限位器、Z向丝杠座、 Z向安装座、Z向上行程限位器、Z向下行程限位器、Z向丝杠、Z向导轨副、Z向滑枕、Z向下机械限位器、Z向连接轴和Z向机械自适应调整机构。Z向伺服电机通过安装在Z向安装座上的Z向减速机与Z向丝杠连接，Z向减速机的上端与Z向伺服电机连接，Z向减速机的下端与Z向联轴器上端连接，Z向联轴器的下端与Z向丝杆上端连接；Z向丝杆通过两端的Z向丝杠座安装固定，Z向丝杠座通过螺钉与Z 向安装座连接；Z向安装座固定在Z向托板上；Z向托板通过导轨滑块与Y向导轨副连接；Z 向导轨副通过螺纹/螺钉安装在Z向安装座上，且与Z向丝杠同轴平行；Z向滑枕通过丝杠螺母与Z向丝杠连接，并通过滑动轴承安装在Z向导轨副上，在Z向滑枕两端分别设计安装有Z向上机械限位器、Z向下机械限位器、Z向上行程限位器和Z向下行程限位器，Z向上行程限位器和Z向下行程限位器通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台上的Z向距离控制及计算机单元对应的接口端连接；Z向连接轴一端与Z向滑枕连接，另一端与Z向机械自适应调整机构连接；Z向机械自适应调整机构的上端通过螺母/螺钉与Z向滑枕连接，Z向机械自适应调整机构的下端与超声自适应跟踪阵列换能器连接。1. 2) Y向扫描运动机构Y向扫描运动机构由Y向驱动系统和Y向扫描机构组成。其中，Y向驱动系统包括 Y向伺服电机和Y向减速机；Y向扫描机构包括Y梁、Y向导轨副、ζ向托板、Y向伺服电机、 Y向驱动安装座、Y向齿条、Y向齿轮、Y向行程限位器、Y向缓冲器和Y向机械限位器。Y向伺服电机与Y向减速机上端连接，Y向减速机下端安装在Y向驱动安装座上， Y向驱动安装座与Z向托板连接，Y向伺服电机动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台上的XY扫描控制及成像显示计算机单元对应的接口端连接。Y梁的两端分别与Y梁托板连接，Y梁托板通过滑块与X向导轨副连接，Y向导轨副为双滑轨，安装在Y梁上；Y向齿条安装在Y梁的侧面，Y向齿条与Y向齿轮通过齿条-齿轮咬合实现动态连接，Y向齿轮与Y向减速机连接；在Y梁两端设计有Y向行程限位器、Y向缓冲器和Y向机械限位器，Y向行程限位器通过其连接线分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台上的XY扫描控制及成像显示计算机单元对应的接口端连接。1. 3) X向扫描运动机构X向扫描运动机构由X向驱动系统、X向扫描机构、X向辅助支撑、零件工作台组成。 其中，X向驱动系统包括X向伺服电机和X向减速机，采用双边驱动形式，在X向扫描机构的两平行X方向各一组；X向扫描机构包括Y梁托板、χ向驱动安装座、χ向齿条、χ向齿轮、 光栅尺、χ向导轨副、χ梁、χ向行程限位器、X向缓冲器和X向机械限位器，采用上浮式双边平行对称结构形式。X向伺服电机与X向减速机的一端连接，X向减速机安装在X向驱动安装座，X向减速机的另一端与X向齿轮，χ向伺服电机动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台上的XY扫描控制及成像显示计算机单元对应的接口端连接；X向驱动安装座安装在Y梁托板上；X向齿条安装在X梁外侧，齿条与齿轮通过齿条-齿轮咬合实现动态连接，光栅尺安装在X梁的上侧，光栅尺编码输出与操作台中的XY扫描控制及成像显示计算机单元对应的接口端连接；X向导轨副采用双导轨，X向导轨副安装在X梁上侧，通过导轨滑块与Y梁托板连接。X梁由两平行的钢制结构设计而成，安装在X扫描机构立柱上端，并通过X向辅助支撑将X梁与X扫描机构立柱连接，在X梁上侧两端设计有X向行程限位器、X向缓冲器和 X向机械限位器，实现X方向极限位置机械保护和行程限位保护，X向行程限位器通过其连接线分别与操作台中的XY扫描控制及成像显示计算机单元对应的接口端连接。X向辅助支撑位于X梁下方，通过螺母/螺栓分别与X梁和X扫描机构立柱连接。X扫描机构立柱采用稳固钢制结构设计加工而成，双排平行布局，采用等距离均布，每个X扫描机构立柱的上端与X梁通过螺母/螺栓连接，每个X扫描机构立柱的下端采用拉顶连接与地基相连，立柱的数量可以根据被检测零件的大小确定。
零件工作台采用铝型材设计加工而成，组合式框架结构，分成两排多组，每组通过带自锁的滚轮可在地基底面上的钢轨上移动和锁紧，每组工作台的台面均采用轻质铝蜂窝夹层结构制造而成，在台面设计有软泡沫层，被检测零件放置在工作台上，可以根据被检测零件的大小组合工作台。地基包括X立柱基座、工作台滑轨和下水道，其中X立柱基座采用地坑钢筋水泥浇灌而成，通过预埋螺栓与安装面钢板连接，根据X梁立柱布局，X扫描机构立柱与各自对应的安装面钢板螺栓采用拉顶结构连接；工作台滑轨采用钢制结构，四排或多排，按工作台下方的滑轮位置，通过地面预埋螺栓连接固定；在X立柱基座内侧四周设计有回收地下水道， 用于回收自动扫描检测过程中的水膜耦合产生的水，设计水膜耦合，耗水量很小，无需水循环过滤系统。2.)超声自动扫描控制与成像系统2. 1)操作台采用组合式结构，分为组，超声信号处理及显示计算机单元、XY扫描控制及成像显示计算机单元、Z向距离控制及计算机单元、现场视频监视单元、电气操作面板区；超声信号处理及显示计算机单元包括超声信号数字化处理单元、信号I/O接口电路和计算机显示单元，来自多通道超声发/收单元1输出端口的超声信号分别与超声信号处理及显示计算机单元连接，实现对每个检测通道的超声信号显示和超声特征参数的设置。2. 2) XY扫描控制及成像显示计算机单元XY扫描控制及成像显示计算机单元由X轴和Y轴伺服控制放大器、数控单元、超声数字信号变换单元、成像显示计算机组成。X轴伺服控制放大器和Y轴伺服控制放大器分别与X向伺服电机和Y向伺服电机配套，安装在操作台内；数控单元采用开放式多轴数控系统，实现X轴和Y轴的扫描运动控制，数控主卡安装在工控机内部，接口板安装在机柜内，两者通过信号电缆连接，来自X、Y 及Z向交流电机的编码器和X向光栅尺的位置反馈信号分别通过各自的线缆与对应的数控单元的中位置数据接口连接，获取位置反馈信号；来自X向行程限位器和Y向行程限位器的行程限位信号分别通过各自的线缆与对应的数控单元中限位控制接口连接。超声数字信号变换单元对经前置处理和特征信号变换后的多通道超声检测信号进行实时数字化处理；所述的多通道扫描超声检测信号实时数字化处理步骤是，1)并行数据单元频率、通道设置与通信自检；幻并行数据采集；；3)各通道数据缓存/刷新；4)数据读请求判断；5)如无请求读数据，重复步骤2) 4) ； (6)如请求读数据，发送数据；7)扫描结束标志信号判断；8)如扫描结束，结束数据采集；(8)如扫描未结束，重复步骤2) 5)。成像显示计算机通过计算机编程实现XY自动扫描检测参数设置与操作控制、超声数字信号变换以及自动扫描成像检测、结果显示、记录；所述的自动扫描成像检测流程步骤是，1)启动水膜耦合单元和多通道超声单元；幻扫描系统通信、闭环自检；幻设置检测特征参数；4)检测通道选择与参数设置；5)XYZ扫描系统通信自检；6)判断Z向跟踪标志信号；7)如Z向跟踪标志信号无效，按换能器Z向位置调节的步骤调节换能器Z向位置；8)如 Z向跟踪标志信号有效，按多通道超声检测信号显示与参数设置步骤设置超声参数；9)设置XY扫描参数起点/终点、步进、速度、扫描范围；10)选择插补扫描模式；11)设置扫描标志信号；12)开始扫描；13)扫描结束判断；14)如扫描结束，清除扫描标志信号；15)保存结果；16)结束；17)如扫描未结束，重复步骤12)和13)。所述的多通道超声检测信号显示与参数设置的步骤是，1)超声单元频率、增益、时序初始化与通信自检；2)判断Z向距离调节是否到位；3)如Z向距离调节不到位，进行Z向距离调节；4)如Z向距离调节到位，判断信号显示是否正常；5)如信号显示正常，设置每个检测通道增益、闸门、频率等参数；6)保存参数；7)结束；8)如信号显示不正常，检查超声单元及参数设置、换能器单元、水膜耦合回路，然后重复步骤幻 7)。2. 3) Z向距离控制及计算机单元Z向距离控制及计算机单元包括Z轴伺服控制放大器、数控单元、Z轴激光测距单元及计算机，Z轴伺服控制放大器与Z向伺服电机匹配，Z轴伺服控制放大器安装在操作台内，通过动力线和编码线分别与Z向伺服电机对应接口连接，Z轴伺服放大器的控制端通过接口电路与开放式数控单元连接。数控单元采用开放式数控系统，数控单元安装在工控机内部，数控单元与接口板通过信号电缆连接，Z向伺服电机编码器的位置反馈信号通过线缆与数控单元中的位置数据接口连接，获取位置反馈信号，来自Z向上行程限位器和Z向下行程限位器的行程限位信号分别通过各自的线缆与数控单元中限位控制接口连接，实现Z向行程极限位置控制；由数控单元对超声自适应跟踪阵列换能器在Z轴方向运动距离进行调节，或利用安装在超声自适应跟踪阵列换能器上的激光测距信号，沿Z轴方向进行实时距离跟踪；所述的换能器Z 轴方向运动距离调节的步骤是，l)z向运动控制系统通信、闭环、I变量初始化；幻判断Z向距离是否合适；3)需要上移时设置上移范围；4)Z轴方向上移到设置的范围；5)需要下移时设置下移范围；6)Z轴方向下移到设置的范围；7)设置Z轴方向运动距离调节到位结束标志；8)结束Z轴方向位置调节。3.)多通道超声系统多通道超声系统由多通道超声发/收单元和超声自适应跟踪阵列换能器组成，多通道超声发/收单元安装在Y梁的一端，多通道超声发/收单元的输出端通过屏蔽电缆与超声自动扫描控制与成像系统的操作台上的超声信号处理及显示计算机单元中相应的接口连接，多通道超声发/收单元的输入端通过屏蔽信号电缆与超声自适应跟踪阵列换能器中的各检测通道对应的超声换能器连接，超声自适应跟踪阵列换能器通过连接接口与Z向机械自适应调整机构连接。所述的现场视频监视单元由路CXD摄像头、1个视频分屏器和1个显示器组成4路视频监视系统，其中，2路CCD摄像头分别安装在X梁和Y梁上，2路来自超声自适应跟踪阵列换能器，实时在操作台对检测视场不同角度和超声换能器工作状态进行监视。所述的电气操作面板区由X、Y、Z轴操作控制开关、耦合供水开关、设备电源、操作开关和指示灯组成，位于操作台上，用于设备的操作控制和工作状态指示。所述的Z轴激光测距单元由多路测距信号数字转化和接口电路组成，其中多路测距信号数字转化采用并行板卡方式，安装在Z向距离控制及计算机单元中的计算机插槽上，通过PCI总线访问数据，接口电路安装在操作台内部相应位置，Z轴激光测距单元提供 X、Y方向激光测距信号。本发明具有的优点和有益效果，本发明针对复合材料等大型结构超声反射法自动扫描检测特点和要求，提出了换能器自适应形面跟踪和位置数控扫描的方法，实现了曲面零件自适应跟踪自动扫描，降低了超声自动扫描系统复杂程度和数控难度及技术成本，提高了扫描检测设备的工程实用性。本发明针对现有超声自动扫描检测设备曲面扫描轨迹生成方法效率低和工程实用性差等严重不足，提出了基于自适应形面跟踪超声换能器的扫描轨迹生成方法，无需进行大量复杂低效的扫描轨迹编程和仿形示教，其扫描轨迹的生成工作量不及原来的万分之一，使超声自动扫描轨迹生成效率极大提高，特别适合复合材料等大型结构的工业级检测应用，工程实用性更强。本发明针对复合材料等大型结构高效超声自动扫描成像检测，设计采用超声柔性自适应跟踪阵列声学扫描技术，提出了新型阵列超声面积扫描方法，提高了单位时间内的扫描面积，使检测效率比传统超声自动检测方法至少提高15-20倍，比传统人工检测提高 50-80倍以上。本发明针对复合材料等大型结构超声自动扫描过程中，对换能器与被检测零件之间的接近距离控制和零件防护要求，提出了基于激光多点测距的闭环控制方法，设计采用超声自适应阵列换能器，实现了换能器等接触距离扫描，以及零件开口边缘区、周边边缘及厚度变化区的扫描，显著提高了对复合材料等大型结构自动扫描覆盖检测范围。本发明针对复合材料等大型结构超声自动扫描成像检测要求，设计采用上浮式超静轻稳结构和多轨轻惯量刚性传动结构，克服了长行程同步驱动难、大跨度变形大和扫描颤动等现有技术严重不足，为复合材料等大型结构超声自动扫描检测系统的设计制造提供了工业级扫描机构设计方法和结构形式。设计采用高分辨率超声技术和换能器技术，可对阵列扫描声束进行任意覆盖组合，每个检测通道的纵向分辨率和表面检测盲区可以达到单个复合材料铺层厚度(约 0. 13mm)。设计采用水膜耦合技术，耗水量小，无需过滤，对水质无特殊要求。
图1是本发明高效超声自动扫描控制与成像系统的示意图； 图2是本发明高效超声自动扫描控制与成像系统构成的示意图； 图3是本发明多通道超声系统构成的示意图； 图4是本发明Z向运动机构的示意图； 图5是本发明Y向扫描机构的示意图； 图6是本发明Y向限位保护的示意图； 图7是本发明X向扫描机构的示意图； 图8是本发明X向限位保护的示意图； 图9是本发明Z向位置调节流程的示意图； 图10是本发明多通道超声信号显示与设置流程的示意图； 图11是本发明多通道超声检测数据提取流程的示意图； 图12是本发明Z向距离自动跟踪控制流程的示意图； 图13是本发明自动扫描成像检测流程的示意图。
具体实施例方式下面结构附图对本发明作详细说明。本发明主要由超声自动扫描系统(图1)、超声自动扫描控制与成像系统(图2)和多通道超声系统(图3)三部分组成。其中，高效超声自动扫描系统由Z向驱动系统2、Z向运动机构3、Y向驱动系统4、Χ向驱动系统5、Υ向扫描机构6、Χ向扫描机构8、Χ向辅助支撑9、Χ扫描机构立柱10、零件工作台11和地基12组成；高效超声自动扫描控制与成像系统由操作台13、超声信号处理及显示计算机单元(14 和1 、XY扫描控制及成像显示计算机单元16、Ζ向距离控制及计算机单元17、现场视频监视单元18和电气操作面板区19组成；多通道超声系统由多通道超声发/收单元1和超声自适应跟踪阵列换能器7构成η个超声通道Ch1-Ctv一、多通道超声系统多通道超声系统由多通道超声发/收单元1和超声自适应跟踪阵列换能器7组成，参见图3，构成η个超声通道Ch1-Ctv一 . 1多通道超声发/收单元1可以采用北京航空制造工程研究所生产的UPower-I系列超声单元构成多通道超声发/收单元，也可以市购具有多通道功能的超声仪器，构成多通道超声发/收单元。多通道超声发/收单元1安装在Y梁34的一端，参见图1。多通道超声发/收单元1的输出端通过屏蔽电缆与超声自动扫描控制与成像系统的操作台13中上的超声信号处理及显示计算机单元(14、15)中相应的接口连接，参见图3。多通道超声发/收单元1的输入端通过屏蔽信号电缆与超声自适应跟踪阵列换能器7中的各检测通道对应的超声换能器连接，采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425. 5)，实现超声检测信号的发射/接收，多通道超声发/收单元的输出信号通过信号传输电缆与操作柜13中相应超声信号处理及显示计算机单元(14、15) 中标准接口连接，参见图2和图3。一 . 2超声自适应跟踪阵列换能器7超声自适应跟踪阵列换能器7采用发明名称为“超声自适应跟踪扫描阵列换能器”(申请号201110053880. 5)，超声自适应跟踪阵列换能器7通过连接接口与Z向机械自适应调整机构33连接，参见图3和图4。根据被检测材料结构的大小和检测效率要求，可以选配不同通道的超声自适应跟踪阵列换能器，用于自动扫描检测过程中的多通道超声信号发/收单元和形面自适应跟踪，每个换能器单元都能够地根据被检测点位置独立进行姿态和接近距离的自适应调节， 以保证每个通道换能器阵列发射的声束方向与其所在的检测点位置方向一致，实现声波信号的正常发射和接收，形成覆盖声场，实现大面积声束扫描，提高单位时间内有效检测面积，提高检测效率。自动扫描过程中，超声自适应跟踪阵列换能器7根据被检测零件形面进行姿态和接近距离的自适应调节，不需要进行专门的数控编程控制和扫描轨迹示教，换能器表面检测盲区和纵向分辨率可以达到单个复合材料铺层厚度(约0.13mm)；换能器自身具有一定的自适应爬坡功能，在自动扫描过程中，超声自适应跟踪阵列换能器7中每个换能器阵列都能自动爬越被检测零件边缘和开口区，而不会影响自动扫描检测；超声自适应跟踪阵列换能器7自身具有多通道水膜耦合形成装置和功能，只需将外围供水管路沿X、Y、 Z轴的管揽护套连接到其接口即可，供水流和供水量通过外接的电磁阀门和供水阀控制，通过超声自适应跟踪阵列换能器7即可在被检测零件表面形成耦合水膜，实现声波的耦合， 而不需专门的水过滤设计，耗水量也非常小。二、超声自动扫描系统超声自动扫描系统由Z向扫描运动机构、Y向扫描运动机构和X向扫描运动机构组成。其中，ζ向扫描运动机构包括Z向驱动系统2和Z向扫描机构3 ；Y向扫描运动机构包括Y向驱动系统4和Y向扫描机构6 ；X向扫描运动机构包括X向驱动系统5、X向扫描机构8、X向辅助支撑9、X扫描机构立柱10和零件工作台11。二 . IZ向扫描运动机构Z向扫描运动机构由Z向驱动系统2和Z向扫描机构3组成。其中，Z向驱动系统 2包括Z向伺服电机20、Z向减速机21和Z向联轴器22 ；Z向扫描机构3包括Z向上机械限位器23、Z向丝杠座M、Z向安装座25、Z向上行程限位器TA、1向下行程限位器27、Z向丝杠28、Z向导轨副29、Z向滑枕30、Z向下机械限位器31、Z向连接轴32和Z向机械自适应调整机构33，参见图4。Z向伺服电机20 采用交流伺服电机，与安装在Z向安装座25上的Z向减速机21 连接，Z向伺服电机20的编码器作为Z向运动位置反馈，用于超声自适应跟踪阵列换能器7 的Z向距离调节，参见图4。采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425. 5)，将伺服电机20动力线和编码器输出分别与操作台13中的Z向距离控制及计算机单元17对应的接口端连接，参见图2。Z向减速机21 上端与Z向伺服电机四连接，其下端与联轴器22连接；连接联轴器22 其上端与减速机21连接，其下端与丝杆观上端连接；丝杠座M 在丝杠M的两头各一个，分别通过螺纹/螺钉与Z轴安装座25连接， 用于固定丝杠观；Z轴安装座25 通过螺纹/螺钉与Z轴托板36连接；Z向上行程限位器沈采用市售机械式行程开关，安装在Z轴安装座25上，Z向上行程限位器沈通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台13上的Z向距离控制及计算机单元17对应的接口端连接，提供Z向上行程限位控制信号；Z向下行程限位器27 采用市售机械式行程开关，安装在Z轴安装座25上，Z向下行程限位器27通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台13下的Z向距离控制及计算机单元17对应的接口端连接，提供Z向下行程限位控制信号；丝杠28 通过上下丝杠座24，安装在Z轴安装座25上；导轨副四通过螺纹/螺钉安装在Z轴安装座25上，且与丝杠28同轴平行；Z向滑枕30 通过丝杠螺母与丝杠28连接，并通过滑动轴承安装在导轨副四上；Z向下机械限位器31 安装在Z向滑枕30的上下两端，提供Z向运动极限位置机械保护；连接轴32 上端通过螺母/螺钉与Z向滑枕30连接，下端通过螺母/螺钉与机械自适应调整机构33连接；机械自适应调整机构33 上端通过螺母/螺钉与Z向滑枕32连接，下端通过螺母 /螺钉接口与超声自适应跟踪阵列换能器7连接。二 . 2Y向扫描运动机构
Y向扫描运动机构由Y向驱动系统4和Y向扫描机构6组成。其中，Y向驱动系统4包括Y向伺服电机37和Y向减速机38 ；Y向扫描机构6包括Y梁34、Y向导轨副35、 Z向托板36、Y向伺服电机37、Y向驱动安装座39、Y向齿条40、Y向齿轮41、Y向行程限位器42、Y向缓冲器43和Y向机械限位器44。Y梁34 采用轻质钢结构，按照超轻稳刚性设计制造而成，其两端通过螺母/螺钉分别与Y梁托板47连接，参见图7 ；Y梁长度可根据被检测零件结构尺寸设计，其形成范围即为Y方向扫描范围，参见图1和图5;导轨副35 采用双滑轨，安装在Y梁34上，其长度可根据被检测零件结构尺寸设计，其形成范围即为Y方向扫描范围，参见图1和图5 ；Z轴托板(36)通过钢制结构设计而成，其下端通过导轨滑块与Y向导轨副35连接，其上端通过螺母/螺钉与Z向安装座25连接，参见图4 ；伺服电机37 驱动Y方向扫描，采用交流伺服电机，与Y向减速机38上端连接，参见图4。Y向伺服电机37动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台13上的XY扫描控制及成像显示计算机单元16对应的接口端连接，Y向伺服电机37的编码器作为Y向扫描运动位置反馈，用于超声自适应跟踪阵列换能器7的Y向扫描范围控制；Y向减速机38 通过标准机械接口和螺母/螺纹连接安装在Y向驱动安装座39上， Y向减速机38上端与Y向伺服电机37连接，参见图5。Y向驱动安装座39 通过标准机械接口和螺母/螺纹与Z轴托板36连接，参见图 5 ；Y向齿条40 安装Y梁34侧面，其长度可根据被检测零件结构尺寸设计，其形成范围即为Y方向扫描范围，参见图1和图5。Y向齿轮41 与Y向减速机38连接，通过齿条-齿轮咬合实现与Y向齿条40的动态连接，参见图5。Y向行程限位器42 采用市售机械式形成开关，安装在Y梁34的两端，通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台13上的Y向距离控制及计算机单元16对应的接口端连接，提供Y向上行程限位控制信号；Y向缓冲器43 与Y向机械限位器44 一端连接，形成Y向运动极限位置机械保护缓冲；Y向机械限位器44 安装在Y梁34的两端，一端与Y向缓冲器43连接，提供Y向运动极限位置机械保护；二 . 3X向扫描运动机构X向扫描运动机构由X向驱动系统5、X向扫描机构8、X向辅助支撑9、X扫描机构立柱10、零件工作台11和地基12组成，采用上浮式超静轻稳结构和多轨轻惯量刚性设计。X向驱动系统5由X向伺服电机45和X向减速机46，采用双边驱动形式，在X向扫描机构8的两平行X方向各一组X向伺服电机45 采用伺服电机，与X向减速机46通过其标准的机械接口和螺母 /螺纹连接，在两平行X方向各一组，采用双边驱动，参见图1和图6 ；X向减速机46 通过其标准的机械接口和螺母/螺纹连接，安装在X向驱动安装板上，X向减速机46的一端与X向伺服电机45相连，在两平行X方向各一组，采用双边驱动， 参见图1和图6。X向扫描机构8包括Y梁托板47、X向驱动安装座48、X向齿条49、X向齿轮50、 光栅尺51、X向导轨副52、X梁53、X向行程限位器M、X向缓冲器55和X向机械限位器56 组成。采用上浮式双边平行对称结构形式Y梁托板47 采用钢质平板结构设计加工而成，在两平行X方向各一组，通过螺母 /螺栓与Y梁34连接，同时通过滑块与X向导轨副52连接，参见图1和图5 ；X向驱动安装座48 采用钢质结构设计而成，安装在Y梁托板47上；X向齿条49 安装在X梁53外侧，在两平行X方向各一组，参见图1和图6，X向齿条长度可根据实际被检测零件结构的尺寸设计确定，其有效行程即为X方向扫描范围，参见图1 ；X向齿轮50 安装在X向减速机46输出轴上，参见图1和图6 ；光栅尺51 安装在X梁53上方，用于反馈超声换能器扫描检测X方向位置，在两平行X方向各一组，参见图1和图6，其有效行程即为X方向扫描范围，参见图1。光栅尺51 的输出作为X向扫描位置闭环反馈，用于超声自适应跟踪阵列换能器的X向扫描位置控制， 参见图1和图6 ；采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425. 5)，将光栅尺51编码输出分别与操作台13 中的XY扫描控制及成像显示计算机单元16对应的接口端连接；X向导轨副52 采用双导轨，安装在X梁53上方，通过导轨滑块与Y梁托板47连接，在两平行X方向各一组，参见图1和图6，其有效行程即为X方向扫描范围，参见图1 ；X梁53 由两平行的钢制结构设计而成，安装在X扫描机构立柱10上端，并通过X 向辅助支撑9将X梁53与X扫描机构立柱10连接，参见图1 ；X向行程限位器M 采用市售机械式形成开关，安装在X梁53的两端，参见图1和图8，通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台13上的X向距离控制及计算机单元16对应的接口端连接，提供X向行程限位控制信号；X向缓冲器55 与X向机械限位器56 —端连接，形成X向运动极限位置机械保护缓冲，参见图8;X向机械限位器56 安装在X梁53的两端，一端与X向缓冲器55连接，提供X向运动极限位置机械保护，参见图8。X向辅助支撑9 位置每个立柱沿X梁53长度方向两侧，通过螺母/螺栓接口分别与X梁53和X扫描机构立柱10连接，形成辅助支撑和稳定作用，参见图1。X扫描机构立柱10 采用稳固钢制结构设计加工而成，双排平行布局，采用等距离均布，每个立柱上端与X梁53通过螺母/螺栓连接，下端采用拉顶连接与地基12相连，立柱的数量可以根据被检测零件的大小确定，参见图1。零件工作台11 采用铝型材设计加工而成，组合式框架结构，分成两排多组，每组通过带自锁的滚轮可在地基12底面上的钢轨上移动和锁紧，每组工作台的台面均采用轻质铝蜂窝夹层结构制造而成，在台面设计有软泡沫层，被检测零件放置在工作台上，可以根据被检测零件的大小组合工作台，参见图1。地基12:包括X立柱基座、工作台滑轨和下水道，参见图1。其中，X立柱基座采用地坑钢筋水泥浇灌而成，通过预埋螺栓与安装面钢板连接，根据X梁立柱10布局，X扫描机构立柱10与各自对应的安装面钢板螺栓采用拉顶结构连接；工作台滑轨采用钢制结构，四排或多排，按工作台下方的滑轮位置，通过地面预埋螺栓连接固定；在X立柱基座内侧四周设计有回收地下水道，用于回收自动扫描检测过程中的水膜耦合产生的水。三、超声自动扫描控制与成像系统超声自动扫描控制与成像系统由操作台13、超声信号处理及显示计算机单元14 和15、XY扫描控制及成像显示计算机单元16、Z向距离控制及计算机单元17、现场视频监视单元18和电气操作面板区19组成。三.1操作台13采用板金结构设计加工而成，组合式结构，移动安装，共分5组，参见图2，分别用于安装超声信号处理及显示计算机单元14和15、XY扫描控制及成像显示计算机单元16、Ζ 向距离控制及计算机单元17、现场视频监视单元18、电气操作面板区19以及全部电机电气控制器件和交直流电源变换单元等。采用380V工作电源，提供AC 220V、AC 200V、DC+5V、 DC+12V/-12V、DC+24V 多路电源输出。三.2超声信号处理及显示计算机单元14和15超声信号数字化处理单元、信号I/O接口电路、计算机显示单元等几部分组成。来自多通道超声发/收单元1的超声信号通过各自I/O接口分别与计算机显示单元连接，实现对每个检测通道的超声信号显示和超声特征参数的设置。采用申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425. 5)进行检测信号的前置处理和特征信号变换。三.3XY扫描控制及成像显示计算机单元16XY扫描控制及成像显示计算机单元16由X轴和Y轴伺服控制放大器和Y轴伺服控制放大器、数控单元、超声数字信号变换单元、成像显示计算机组成。X和Y轴伺服控制放大器X轴伺服控制放大器和Y轴伺服控制放大器分别与X 向伺服电机45和Y向伺服电机37配套，安装在操作台13内，通过动力线分别给交流电机 (37,45)连接，X和Y轴伺服放大器的控制端则通过接口电路与开放式多轴数控单元连接， 在计算机编程基础上，由数控单元控制电机的运动，从而通过XYZ各自扫描结构完成超声换能器对被检测零件的扫描检测。数控单元采用开放式多轴数控系统，实现X和Y轴的扫描运动控制，数控主卡安装在工控机内部，接口板安装在机柜内，两者通过信号电缆连接，来自X和Y向电机(37、45) 的编码器和光栅尺51的位置反馈分别通过各自的线缆与对应的数控单元的中位置数据接口连接，形成位置反馈信号；来自X、Y及Z向交流电机05、37、20)的编码器和X向光栅尺 51的位置反馈分别通过各自的线缆与对应的数控单元的中位置数据接口连接，获取位置反馈信号；来自X向行程限位器M和Y向行程限位器42的行程限位信号分别通过各自的线缆与对应的数控单元中限位控制接口连接，实现行程极限位置控制。超声数字信号变换单元采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425.幻，采用多通道并行转换方式和板卡式结构，超声数字信号变换单元通过PCI接口安装在计算机内部底板PCI插槽上，可根据检测通道的数量进行配置，对经前置处理和特征信号变换后的多通道超声检测信号进行实时快速低成本数字化处理。成像显示计算机采用工控机作为开放式数控单元和超声数字信号变换单元的物站，通过计算机编程实现XY自动扫描检测参数设置与操作控制、超声数字信号变换以及检测结果成像显示、记录等。采用北京航空制造工程研究所发明的多声束超声自动插补扫描成像方法进行检测结果的成像显示。三.4Z向距离控制及计算机单元17由Z轴伺服控制放大器、数控单元、Z轴激光测距单元及计算机等主要部分组成。Z轴伺服控制放大器与Z向伺服电机20匹配，Z轴伺服控制放大器安装在操作台 13内，通过动力线和编码线分别与Z向伺服电机20对应接口连接，伺服放大器的控制端通过接口电路与开放式数控单元连接。数控单元采用开放式板卡数控系统，数控单元安装在工控机内部，接口板安装在操作台13内部对应的位置，数控单元与接口板通过信号电缆连接，来自Z向伺服电机20编码器的位置反馈信号通过线缆与数控单元的中位置数据接口连接，获取位置反馈信号，来自Z向上行程限位器沈和Z向下行程限位器27的行程限位信号分别通过各自的线缆与数控单元中限位控制接口连接，实现Z向行程极限位置控制。由数控单元在计算机编程基础上对超声自适应跟踪阵列换能器7在Z轴方向运动距离进行调节，也可以利用来自激光测距信号，进行实时距离跟踪。Z轴激光测距单元由多路测距信号数字转化和接口电路组成，其中多路测距信号数字转化采用并行板卡方式，安装在Z向距离控制及计算机单元17中的计算机插槽上， 通过PCI总线访问数据，接口电路安装在操作台13内部相应位置。利用超声自适应跟踪阵列换能器7上提供的4路激光测距信号和标准接口，通过线缆与Z轴激光测距单元接口电路对应端口连接，Z轴激光测距单元提供X、Y方向激光测距信号。计算机采用工控机作为开放式数控单元和Z轴激光测距单元的物站，通过计算机编程实现超声自适应跟踪阵列换能器7沿Z轴方向的距离运动和扫描检测过程中的距离足艮S宗。三.5现场视频监视单元18由4路CXD摄像头、1个视频分屏器和1个显示器组成4路视频监视系统，其中2 路CCD摄像头分别安装在X梁53和Y梁34上，2路来自超声自适应跟踪阵列换能器7，实时在操作台对检测视场不同角度和超声换能器工作状态进行监视。三.6电气操作面板区19由X、Y、Z轴操作控制开关、耦合供水开关、设备电源等操作开关和指示灯组成，位于操作台面，用于设备的操作控制和工作状态指示。检测时，(1)被检测零件摆放根据被检测零件大小和形状选择零件工作台11的组合和摆放区，将被检测零件放置在零件工作台11选择区位置。(2)设备上电加载通过操作台13中的电气操作面板区19的操作按钮，对设备各部分上电加载，并进入各自计算机工作界面。(3)换能器Z向位置调节利用Z向距离控制及计算机单元17通过编程形成的操作界面，控制Z向驱动系统2及其Z向运动机构3，从而带动与之相连的超声自适应跟踪阵列换能器7，按预先设定或者要求的Z向位置，将超声自适应跟踪阵列换能器7移动到Z向合适位置。所述的换能器Z向位置调节的步骤是，1)Z向运动控制系统通信、闭环、I变量初始化；2)判断Z向距离是否合适；3)需要上移时设置上移范围；4)Z向上移到设置的范围； 5)需要下移时设置下移范围；6)Z向下移到设置的范围；7)设置Z向位置调节到位结束标志zhPos ;8)结束Z向位置调节，参见图9。(4)超声检测通道的形成采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“超声自适应跟踪扫描阵列换能器”(申请号201110053880.幻，通过对与之相连接的多通道超声发/收单元1对超声自适应跟踪阵列换能器7每一个阵列单元进行声波激励/接收，形成检测通道，可以是1个超声检测通道，也可以是多个检测通道，可根据实际被检测零件进行选择和通道组合。(5)多通道超声检测信号显示与参数设置利用超声信号处理及显示计算机单元 (14和1 编程形成的操作界面，通过对与之相连接的多通道超声发/收单元1对超声自适应跟踪阵列换能器7每一个阵列单元进行声波激励/接收、检测信号显示和检测参数设置。 所述的多通道超声检测信号显示与参数设置的步骤是，1)超声单元频率、增益、时序初始化与通信自检；2)判断Z向距离调节是否到位；3)如Z向距离调节不到位，进行Z向距离调节；4)如Z向距离调节到位，判断信号显示是否正常；5)如信号显示正常，设置每个检测通道增益、闸门、频率等参数；6)保存参数；7)结束；8)如信号显示不正常，检查超声单元及参数设置、换能器单元、水膜耦合回路，然后重复步骤幻 7)，参见图10。(6)面扫描探测声束形成和控制采用北京航空制造工程研究所发明的超声自适应跟踪阵列换能器及其声束覆盖法则，通过多通道超声发/收单元1实现对超声自适应跟踪阵列换能器7每一个阵列单元的工作模式和工作状态选择，在被检测零件中形成面扫描探测声束，提高单位时间内扫描面积。(7)多通道扫描超声检测信号提取采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425. 5)，利用超声信号处理及显示计算机单元(14和1 编程形成的操作界面，通过对与之相连接的多通道超声发/收单元1对超声自适应跟踪阵列换能器7每一个阵列单元进行声波激励/接收、检测信号显示和检测参数设置、检测参数和特征信号变换和前置处理后，多通道超声发/收单元1接收到来自超声自适应跟踪阵列换能器7各个检测通道的超声特征信号，通过其连接线和传输方法送XY向扫描控制及计算机单元16中的超声数字信号变换单元和计算机， 实时提取换能器扫描过程中各通道的超声检测信号，用于自动成像显示和分析。所述的多通道扫描超声检测信号提取步骤是，1)并行数据单元频率、通道设置与通信自检；幻并行数据采集；幻各通道数据缓存/刷新；4)数据读请求判断力)如无请求读数据，重复步骤 2) 4) ；6)如请求读数据，发送数据；7)扫描结束标志判断；8)如扫描结束， 结束数据采集；8)如扫描未结束，重复步骤2) 5)，参见图11。(8)超声阵列换能器Z向距离跟踪与控制采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“超声自适应跟踪扫描阵列换能器”(申请号201110053880. 5)，利用安装在换能器上的多路激光测距传感器，通过与之相连的Z向距离控制及计算机单元17中的Z轴激光测距单元，实时获取自动扫描过程中的激光传感器的测距信号，根据激光测距结果实时调节，利用Z向距离控制及计算机单元17通过编程，控制Z向驱动系统2及其Z向运动机构3，带动与之相连的超声自适应跟踪阵列换能器7，按预先设定或者要求的Z向跟踪范围， 将超声自适应跟踪阵列换能器7自动调节到Z向预定的位置，实现自动扫描过程中超声自适应跟踪阵列换能器7与零件表面之间的Z向宏观距离调节。所述的超声阵列换能器Z向距离跟踪与控制方法流程步骤是，1)通信、闭环等自检；2)判断Z向调节标志信号zlnPos 是否到位；3)如Z向调节不到位，等待；4)如Z向调节到位，获取Z向参考点Iitl ；5)选择Z 向跟踪范围Ah ；6)判断扫描标志信号kanOff ；7)如没有扫描标志信号；8)中断判断；9) 如中断，清除Z向跟踪标志信号zlnPos ； 10)结束；11)如不中断，重复步骤6) ；8)如有扫描标志信号，设置Z向调节标志信号zlnPos ；9)进行当前位置换能器Z向距离调节；10)判断扫描标志信号kanOff有效否；11)如扫描标志信号kanOff有效，重复步骤9) ；12)如扫描标志信号kanOff无效，执行步骤9)和10)，参见图12所示。(9)多通道自动扫描过程换能器自适应跟踪采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“超声自适应跟踪扫描阵列换能器”(申请号201110053880. 5)，其自身具有形面自适应能力，阵列中每个换能器单元能够根据被检测零件形面进行自适应姿态和接触距离调节，无需进行仿形或者示教或者CAD编程等超低效率方式获取每一检测位置点和扫描行的扫描轨迹。(10)被检测零件超声高效自动扫描成像检测在完成上述调节和设置后，利用XY 向扫描控制及计算机单元16，进行数控单元编程，通过X向驱动系统5及其X向扫描机构8， 带动与之相连的超声自适应跟踪阵列换能器7对被检测零件沿X方向扫描或步进检测，通过Y向驱动系统4及其Y向扫描机构6，带动与之相连的超声自适应跟踪阵列换能器7对被检测零件沿Y方向扫描进行步进或扫描检测，实现多种不同方式的自动插补扫描检测；自动扫描过程中，利用xy扫描控制及计算机单元16中超声数字信号变换单元和成像显示计算机，采用北京航空制造工程研究所申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425.幻，通过编程实时获取各通道的超声数据，采用北京航空制造工程研究所发明的多声束超声自动插补扫描成像方法，进行检测结果成像显示。所述的自动扫描成像检测流程步骤是，1)启动水膜耦合单元和多通道超声单元；幻扫描系统通信、闭环自检；幻设置检测特征参数；4)检测通道选择与参数设置扫描系统通信自检；6)判断Z向跟踪标志信号zlnPos ；7)换能器Z向位置调节；8)如Z向跟踪标志信号 zlnPos有效，超声多通道检测信号显示与参数设置；9)设置XY扫描参数起点/终点、步进、速度、扫描范围；10)选择插补扫描模式；11)设置扫描标志信号hkan ；12)开始扫描； 13)扫描结束判断；14)如扫描结束，清除kanOff信号标志；15)保存结果；16)清除扫描标志信号hkan ；17)结束；18)如扫描未结束，重复步骤12)和13)，参见图13。(11)由于采用北京航空制造工程研究申请的发明名称为“超声自适应跟踪扫描阵列换能器”(申请号201110053880. 5)，阵列中每个换能器单元能够根据被检测零件形面进行自适应姿态和接触距离调节，因此，无需进行仿形或者示教等超低效率方式获取每一检测位置点和扫描行的扫描轨迹，只需通过XY检测扫描轨迹编程和设置步进量等参数，即可实现大型翼类复合材料等结构的自动扫描，大大提高了扫描轨迹生成效率、减低了扫描机构及其控制难点和技术成本；通过超声自适应跟踪阵列换能器7形成的面扫描声束，大大提高了单位时间内扫描检测面积，检测效率得到极大提高；在20通道时，检测效率比传统单通道至少提高15-20倍，比人工检测提高50-80倍以上；检测分辨率和表面检测盲区可达到0. 13mm;同时采用了北京航空制造工程所申请的发明名称为“一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法”(申请号201110171425. 5)和“一种多声束超声自动扫描成像方法(申请号2011101714M. 0) ”，可以实现各种变厚工程结构的高质量高效超声自动扫描检测成像检测。
权利要求
1. 一种工业级的超声多通道自动扫描成像检测设备，其特征是，检测设备包括超声自动扫描系统、超声自动扫描控制与成像系统和多通道超声系统三部分，其中，超声自动扫描系统包括Z向驱动系统(2)、Z向扫描机构(3)、Y向驱动系统⑷、X向驱动系统(5)、Y向扫描机构(6)、X向扫描机构(8)、X向辅助支撑(9)、X扫描机构立柱(10)、零件工作台(11) 和地基(1 ；超声自动扫描控制与成像系统包括操作台(13)、超声信号处理及显示计算机单元(14和1 、XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)、Z向距离控制及计算机单元 (17)、现场视频监视单元(18)和电气操作面板区(19)；多通道超声单元包括多通道超声发 /收单元(1)和超声自适应跟踪阵列换能器(7)； 1.)超声自动扫描系统 ι. Dz向扫描运动机构Z向扫描运动机构由Z向驱动系统(2)和Z向扫描机构(3)组成，其中，Z向驱动系统 ⑵包括Z向伺服电机00)、Z向减速机和Z向联轴器02) ；Z向扫描机构(3)包括Z 向上机械限位器03)、Z向丝杠座04)、Z向安装座05)、Z向上行程限位器06)、Z向下行程限位器(XT)、Z向丝杠08)、Z向导轨副09)、Z向滑枕(30)、Z向下机械限位器(31)、 Z向连接轴(32)和Z向机械自适应调整机构(33)；Z向伺服电机OO)通过安装在Z向安装座04)上的Z向减速机与Z向丝杠08) 连接，Z向减速机的上端与Z向伺服电机00)连接，Z向减速机的下端与Z向联轴器0 上端连接，Z向联轴器0 的下端与Z向丝杆08)上端连接；Z向丝杆08)通过两端的Z向丝杠座04)安装固定，Z向丝杠座04)通过螺钉与Z向安装座05)连接； Z向安装座05)固定在Z向托板(36)上；Z向托板(36)通过导轨滑块与Y向导轨副(35) 连接；Z向导轨副09)通过螺纹/螺钉安装在Z向安装座05)上，且与Z向丝杠08)同轴平行；Z向滑枕(30)通过丝杠螺母与Z向丝杠08)连接，并通过滑动轴承安装在Z向导轨副09)上，在Z向滑枕(30)两端分别设计安装有Z向上机械限位器微、τ向下机械限位器(31)、Ζ向上行程限位器06)和Z向下行程限位器、 ) ,τ向上行程限位器06)和Z 向下行程限位器(XT)通过连接线与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的Z 向距离控制及计算机单元(17)对应的接口端连接；Z向连接轴(3 —端与Z向滑枕(30) 连接，另一端与Z向机械自适应调整机构(3 连接；Z向机械自适应调整机构(3 的上端通过螺母/螺钉与Z向滑枕(30)连接，Z向机械自适应调整机构(3 的下端与超声自适应跟踪阵列换能器(7)连接； 1.2) Y向扫描运动机构Y向扫描运动机构由Y向驱动系统(4)和Y向扫描机构(6)组成，其中，Y向驱动系统 ⑷包括Y向伺服电机(37)和Y向减速机(38) ；Y向扫描机构(6)包括Y梁(34)、Y向导轨副(35)、Z向托板(36)、Y向伺服电机(37)、Υ向驱动安装座(39)、Υ向齿条00)、Υ向齿轮(41)、Y向行程限位器(42)、Y向缓冲器(43)和Y向机械限位器(44)；Y向伺服电机(37)与Y向减速机(38)上端连接，Y向减速机(38)下端安装在Y向驱动安装座(39)上，Y向驱动安装座(39)与Z向托板(36)连接，Y向伺服电机(37)动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；Y梁(34)的两端分别与Y梁托板G7)连接，Y梁托板G7)通过滑块与X向导轨副(52)连接，Y向导轨副(35)为双滑轨，安装在Y梁(34)上；Y向齿条00)安装在Y梁(34)的侧面，Y向齿条GO)与Y向齿轮通过齿条-齿轮咬合实现动态连接，Y向齿轮Gl)与Y 向减速机(38)连接；在Y梁(34)两端设计有Y向行程限位器G2)、Y向缓冲器03)和Y 向机械限位器G4)，Y向行程限位器02)通过其连接线分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接； 1.3) X向扫描运动机构X向扫描运动机构由X向驱动系统(5)、X向扫描机构(8)、X向辅助支撑(10)、零件工作台(11)组成。其中，X向驱动系统(5)包括X向伺服电机G5)和X向减速机(46)，采用双边驱动形式，在X向扫描机构(8)的两平行X方向各一组；X向扫描机构(8)包括Y梁托板(47)、X向驱动安装座(48)、X向齿条(49)、X向齿轮(50)、光栅尺(51)、X向导轨副 (52)、X梁(53)、X向行程限位器(54)、X向缓冲器(55)和X向机械限位器(56)，采用上浮式双边平行对称结构形式；X向伺服电机G5)与X向减速机06)的一端连接，X向减速机G6)安装在X向驱动安装座G8)，X向减速机06)的另一端与X向齿轮(50)，X向伺服电机05)动力线和编码器输出分别与超声自动扫描控制与成像系统中的操作台(13)上的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；X向驱动安装座G8)安装在Y梁托板G7)上；X向齿条(49)安装在X梁(53)外侧，齿条(49)与齿轮(50)咬合，光栅尺(51)安装在X梁(53) 的上侧，光栅尺(51)编码输出与操作台中的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；X向导轨副(52)采用双导轨，X向导轨副(52)安装在X梁(53)上侧，通过导轨滑块与Y梁托板G7)连接；X梁(53)由两平行的钢制结构设计而成，安装在X扫描机构立柱(10)上端，并通过X 向辅助支撑(9)将X梁(53)与X扫描机构立柱(10)连接，在X梁(53)上侧两端设计有X 向行程限位器(54)、X向缓冲器(55)和X向机械限位器(56)，实现X方向极限位置机械保护和行程限位保护，X向行程限位器(54)通过其连接线分别与操作台中的XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)对应的接口端连接；X向辅助支撑(9)位于X梁(53)下方，通过螺母/螺栓分别与X梁(53)和X扫描机构立柱(10)连接；X扫描机构立柱(10)采用稳固钢制结构设计加工而成，双排平行布局，采用等距离均布，每个X扫描机构立柱(10)的上端与X梁(53)通过螺母/螺栓连接，每个X扫描机构立柱(10)的下端采用拉顶连接与地基(1 相连，立柱的数量可以根据被检测零件的大小确定；零件工作台(11)采用铝型材设计加工而成，组合式框架结构，分成两排多组，每组通过带自锁的滚轮可在地基(1 底面上的钢轨上移动和锁紧，每组工作台的台面均采用轻质铝蜂窝夹层结构制造而成，在台面设计有软泡沫层，被检测零件放置在工作台上，可以根据被检测零件的大小组合工作台；地基(1 包括X立柱基座、工作台滑轨和下水道，其中X立柱基座采用地坑钢筋水泥浇灌而成，通过预埋螺栓与安装面钢板连接，根据X梁立柱(10)布局，X扫描机构立柱(10) 与各自对应的安装面钢板螺栓采用拉顶结构连接；工作台滑轨采用钢制结构，四排或多排， 按工作台下方的滑轮位置，通过地面预埋螺栓连接固定；在X立柱基座内侧四周设计有回收地下水道，用于回收自动扫描检测过程中的水膜耦合产生的水； 2.)超声自动扫描控制与成像系统 2. 1)操作台(13)采用组合式结构，分为5组，超声信号处理及显示计算机单元(14和1 、XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)、Z向距离控制及计算机单元(17)、现场视频监视单元(18)、电气操作面板区(19)；超声信号处理及显示计算机单元(14和1 包括超声信号数字化处理单元、信号I/O接口电路和计算机显示单元，来自多通道超声发/收单元(1)输出端口的超声信号分别与超声信号处理及显示计算机单元(14和1 连接，实现对每个检测通道的超声信号显示和超声特征参数的设置；2. 2) XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)XY扫描控制及成像显示计算机单元(16)由X轴和Y轴伺服控制放大器、数控单元、超声数字信号变换单元、成像显示计算机组成；X轴伺服控制放大器和Y轴伺服控制放大器分别与X向伺服电机G5)和Y向伺服电机(37)配套，安装在操作台(13)内；数控单元采用开放式多轴数控系统，实现X轴和Y轴的扫描运动控制，数控主卡安装在工控机内部，接口板安装在机柜内，两者通过信号电缆连接，来自X、Y及Z向交流电机05、37、20)的编码器和X向光栅尺(51)的位置反馈信号分别通过各自的线缆与对应的数控单元的中位置数据接口连接，获取位置反馈信号；来自X 向行程限位器(54)和Y向行程限位器02)的行程限位信号分别通过各自的线缆与对应的数控单元中限位控制接口连接；超声数字信号变换单元对经前置处理和特征信号变换后的多通道超声检测信号进行实时数字化处理；所述的多通道扫描超声检测信号实时数字化处理步骤是，1)并行数据单元频率、通道设置与通信自检；幻并行数据采集；幻各通道数据缓存/刷新；4)数据读请求判断；5)如无请求读数据，重复步骤2) 4) ；6)如请求读数据，发送数据；7)扫描结束标志信号判断；8)如扫描结束，结束数据采集；9)如扫描未结束，重复步骤2) 5)；成像显示计算机通过计算机编程实现XY自动扫描检测参数设置与操作控制、超声数字信号变换以及自动扫描成像检测、结果显示、记录；所述的自动扫描成像检测流程步骤是，1)启动水膜耦合单元和多通道超声单元；2)扫描系统通信、闭环自检；幻设置检测特征参数；4)检测通道选择与参数设置；扫描系统通信自检；6)判断Z向跟踪标志信号；7)如Z向跟踪标志信号无效，按换能器Z向位置调节的步骤调节换能器Z向位置；8)如Z向跟踪标志信号有效，按多通道超声检测信号显示与参数设置步骤设置超声参数；9)设置XY扫描参数起点/终点、步进、速度、扫描范围； 10)选择插补扫描模式；11)设置扫描标志信号；12)开始扫描；13)扫描结束判断；14)如扫描结束，清除扫描标志信号；15)保存结果；16)结束；17)如扫描未结束，重复步骤12)和 13)；所述的多通道超声检测信号显示与参数设置的步骤是，1)超声单元频率、增益、时序初始化与通信自检；2)判断Z向距离调节是否到位；3)如Z向距离调节不到位，进行Z向距离调节；4)如Z向距离调节到位，判断信号显示是否正常；5)如信号显示正常，设置每个检测通道增益、闸门、频率等参数；6)保存参数；7)结束；8)如信号显示不正常，检查超声单元及参数设置、换能器单元、水膜耦合回路，然后重复步骤幻 7)； 2. 3) Z向距离控制及计算机单元(17)Z向距离控制及计算机单元(17)包括Z轴伺服控制放大器、数控单元、Z轴激光测距单元及计算机，Z轴伺服控制放大器与Z向伺服电机00)匹配，Z轴伺服控制放大器安装在操作台(13)内，通过动力线和编码线分别与Z向伺服电机00)对应接口连接，Z轴伺服放大器的控制端通过接口电路与开放式数控单元连接；数控单元采用开放式数控系统，数控单元安装在工控机内部，数控单元与接口板通过信号电缆连接，Z向伺服电机OO)编码器的位置反馈信号通过线缆与数控单元中的位置数据接口连接，获取位置反馈信号，来自Z向上行程限位器06)和Z向下行程限位器(XT)的行程限位信号分别通过各自的线缆与数控单元中限位控制接口连接，实现Z向行程极限位置控制；由数控单元对超声自适应跟踪阵列换能器(7)在Z轴方向运动距离进行调节，或利用安装在超声自适应跟踪阵列换能器(7)上的激光测距信号，沿Z轴方向进行实时距离跟踪；所述的换能器Z轴方向运动距离调节的步骤是，DZ向运动控制系统通信、闭环、I变量初始化；2)判断Z向距离是否合适；3)需要上移时设置上移范围；4)Z轴方向上移到设置的范围；5)需要下移时设置下移范围；6)Z轴方向下移到设置的范围；7)设置Z轴方向运动距离调节到位结束标志；8)结束Z轴方向位置调节；·3.)多通道超声系统多通道超声系统由多通道超声发/收单元(1)和超声自适应跟踪阵列换能器(7)组成，多通道超声发/收单元(1)安装在Y梁(34)的一端，多通道超声发/收单元(1)的输出端通过屏蔽电缆与超声自动扫描控制与成像系统的操作台(13)上的超声信号处理及显示计算机单元(14、1幻中相应的接口连接，多通道超声发/收单元(1)的输入端通过屏蔽信号电缆与超声自适应跟踪阵列换能器(7)中的各检测通道对应的超声换能器连接，超声自适应跟踪阵列换能器(7)通过连接接口与Z向机械自适应调整机构(3 连接。
2.根据权利要求1所述的一种工业级的超声多通道自动扫描成像检测设备，其特征是，所述的现场视频监视单元(18)由4路CXD摄像头、1个视频分屏器和1个显示器组成4 路视频监视系统，其中，2路CCD摄像头分别安装在X梁(5 和Y梁(34)上，2路来自超声自适应跟踪阵列换能器(7)，实时在操作台对检测视场不同角度和超声换能器工作状态进行监视。
3.根据权利要求1所述的一种工业级的超声多通道自动扫描成像检测设备，其特征是，所述的电气操作面板区(19)由X、Y、Z轴操作控制开关、耦合供水开关、设备电源、操作开关和指示灯组成，位于操作台上，用于设备的操作控制和工作状态指示。
4.根据权利要求1所述的一种工业级的超声多通道自动扫描成像检测设备，其特征是，所述的Z轴激光测距单元由多路测距信号数字转化和接口电路组成，其中多路测距信号数字转化采用并行板卡方式，安装在Z向距离控制及计算机单元(17)中的计算机插槽上，通过PCI总线访问数据，接口电路安装在操作台(13)内部相应位置，Z轴激光测距单元提供X、Y方向激光测距信号。
全文摘要
本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域中复合材料及金属材料大型结构的工业级的超声自动化扫描成像检测设备。检测设备包括超声自动扫描系统、超声自动扫描控制与成像系统和多通道超声系统。本发明设计采用多轴并行数控上浮式超静稳扫描机构和超声柔性自适应跟踪阵列声学扫描技术，极大地提高了大型结构的超声自动化扫描成像检测效率和成像质量，可实现不同规格大型复合材料等结构的工业级高效超声自动扫描成像检测，检测分辨率和表面盲区达0.13mm，在20通道检测时，比手工扫查检测效率至少提高50倍，比传统单通道超声自动扫描检测提高20倍。
文档编号G01N29/22GK102411032SQ20111019905
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者刘松平, 刘菲菲, 孙岩, 孟秋杰, 曹正华, 李乐刚, 李冰, 李维涛, 白金鹏, 谢富原, 赵林, 郭恩明, 马志涛 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所