复杂曲面工件的超声无损检测系统研制_杨辰龙

1、中国机械工程第16卷第18期2005年9月下半月复杂曲面工件的超声无损检测系统研制杨辰龙 周晓军浙江大学, 杭州, 310027摘要:为了实现大型复杂曲面工件的自动化缺陷检测, 开发了超声无损检测机器人系统。论述了复杂曲面工件的超声检测原理、检测机器人系统模型、分布式的系统控制模式。工件检测试验表明, 该系统具有较好的稳定性、可靠性, 检测精度高、效率高, 能达到工业生产的要求, 在大型复杂曲面工件的超声检测中有良好的应用前景。关键词:复杂曲面工件; 超声; 无损检测; 分布式体系中图分类号:T B553 文章编号:1004 132(2005 18 1622 04Development of

2、Ultrasonic Non -destructive Test Systemsfor C omplex C urved Surface Parts Yang Chenlong Zhou XiaojunZhejiang University, H ang zhou, 310027Abstract :In o rder to realize autom atic flaw detect for the larg e-scale com plex curv ed surface parts, ultrasonic non-destructive test system s had been dev

3、eloped. T he principles of ultrasonic test fo r complex cur ved surface par ts, the m odels of robot systems and the distributed contro l patter ns had been discussed in detail. T he testing results indicate that this system possesses better stability and hig her reliability, and have higher precisi

4、on and higher efficiency , and achieves the requirements o f in -dustrial production, and it w ould hav e goo d application foregro und for ultr asonic tests of large-scale com plex curv ed sur face parts.Key words :complex curved surface part; ultraso nic; non-destructive test; distributed architec

5、 -ture0 引言随着航空、航天、造船、汽车和模具工业的飞速发展, 对产品性能、外形等方面的要求越来越高, 复杂曲面工件广泛出现于现代工业中。同时, 新材料、新结构和新工艺的采用, 使得对一些工艺参数的控制难以实现或实现代价高昂, 必须研究先进的无损检测技术。工业生产制造部门对无损检测技术的要求是提高检测自动化程度和缩短检测时间。目前, 各种自动检测设备的发展相当快, 把握这方面的动态、跟上国际发展潮流是十分必要的。由于国外自动检测设备价格十分昂贵, 在这方面投入研究具有重要意义1。文献2提出一种三维检测系统, 利用其仿真模块生成检测对象的三维NURBS 曲面模型, 通过路径规划模块生成检测

6、机器人的控制路径以进行超声检测。文献3研制的larg e gantr y sys -tem 复杂曲面工件超声检测系统采用了一种仿形测量 超声检测的实现思路。文献4开发成功10/11自由度大型复杂曲面工件超声彩色成像系统。该系统以大型复杂曲面工件为检测对象, 集收稿日期:2004 09 29曲面工件缺陷检测和表面数据测量功能于一身, 现已投入运行。1 复杂曲面工件超声检测原理在采用自动超声检测系统对复杂曲面工件进行检测时, 要求发射和接收超声波的探头时刻保持对准曲面工件被检测点的法线方向, 因此必须获得工件型面的几何外形参数5。由此, 根据被检测复杂曲面工件的实际情况, 提出了复杂曲面工件的超声

7、缺陷检测原理。1. 1 曲面工件建模根据外部数据源(设计数据和三坐标测量数据 导入的数据或者曲面测量得到的工件表面点云式数据, 建立被测曲面工件的CAD 模型。1. 2 检测前处理基于被测曲面工件的CAD 模型, 通过检测机器人运动学分析和检测路径规划得到表征超声探头运动的姿态文件, 以进行超声检测的运动控制。1. 3 检测控制根据检测前处理获取的姿态文件进行运动规划和超声检测, 获取有关缺陷信息的检测数据。#复杂曲面工件的超声无损检测系统研制 杨辰龙 周晓军1. 4 检测后处理包括两种层次的数据处理, 即低层次检测数据可视化处理, 以及高层次的缺陷数据判读和评价。流程见图16, 7 。基于这

8、样的考虑, 研究中把复杂曲面工件的超声检测系统分为三层加以实现, 其层次结构如图2所示。图2 超声检测系统的分层结构(1 物理层 定义信号产生、传输和接收的电气、时钟要求、数据编码和电路系统, 解决机械和电气的接口等问题, 以及硬件设备的驱动问题。在超声检测系统中, 物理层主要包括具体的机械图1 复杂曲面工件的超声缺陷检测原理和电气系统。(2 协调层 定义信号流的方向、控制和操作, 解决不同硬件设备间的时间协调问题, 使信号流稳定而可靠, 同时提供关于信号流控制参数的修改接口。协调层是物理层和应用层的中间层, 起承上启下的作用。在超声检测系统中, 信号流主要包括运动控制信号、超声缺陷信号等。(

9、3 应用层 定义数据流的方向、控制和操作, 在协调层的支持下解决外部数据导入、曲面测量和建模、超声波检测的路径规划、可视化、缺陷的判读和评价等问题, 为用户提供交互控制的接口和手段, 以及数据显示和处理等高级服务功能。在超声检测系统中, 数据流包括机械运动的控制数据、超声波的采样数据以及系统的参数数据等。采用这种分层的策略可以给系统的实现带来极大的便利, 同时也利于系统升级更新。复杂曲面工件超声检测系统综合利用了复杂曲面测量技术、CAD 建模技术、数控技术、机器人技术、信号处理技术和超声检测自动化技术, 针对不同性质的被检测曲面工件, 系统实现了曲面数据获取、曲面建模和超声检测的集成和一体化。

10、2 超声检测系统模型分析复杂曲面工件超声缺陷检测流程是以模块化思想为指导的。而从系统构成的角度分析, 各个功能模块所对应的具体实现相互影响、彼此交织在一起, 形成一个复杂的网络结构, 不利于系统的具体实现8。因此, 为了减少系统实现的复杂性, 从系统实现的纵向角度看, 引进了分层的思想。每一层都建立在它的下层之上, 下层为上层提供服务, 层与层之间通过接口建立联系。在系统结构中, 每一层的目的都是向它的上一层提供服务, 而把如何实现这一服务的技术细节对上一层加以屏蔽, 在上层看来, 下层是/透明0的。分层原则是:根据不同层次的抽象分层, 每层实现一个定义明确的功能, 各层之间有明确定义的接口;

11、 每层功能的选择应该有助于软件或者硬件的实现, 随着技术和方法的进步, 系统应能方便地进行更新和功能拓展; 各层边界的定义应尽量减少跨过接口的通信量; 分层数量应足够多, 以避免不同的功能混杂在同一层中, 但也不能太多, 否则系统结构会过于庞大, 反倒不利于实现。3 超声检测系统控制模式超声检测系统采用两级分布式系统控制模式。主控计算机完成机器人系统的在线曲面测量、测量或检测中的机器人运动控制、超声检测数据采集的同步性协调、超声成像控制; 完成离线情况下的被测工件CAD 建模、机器人运动学分析、检测路径规划、后处理中的缺陷数据判读和缺陷评价分析等。超声检测机器人中的现场计算机在线进行实时信号采

12、集和数字信号处理工作。现场计算机根据伺服控制器组反馈回来的探头位置信息实时采集超声信号。复杂的数字信号处理技术包括采集数据的去噪声、分辨率增强、数据无损压缩等都是中国机械工程第16卷第18期2005年9月下半月靠现场计算机完成的。此外, 现场计算机还要和主控计算机进行高速的点对点通信(图3 。像如图4c 所示。工件上预先粘贴布置直径为6mm 和直径为9mm 的圆形聚四氟乙烯(Teflo n 人工模拟的/夹杂0缺陷, 全部被检出(图4c 中白色亮点 。图3 超声检测系统的分布式控制模式(a 10自由度 超声检测系统机械结构图这种分布式的控制模式具有很多的优点。首先, 由于采用简单的接线方式, 从

13、而降低了设备成本; 其次, 通过缩短超声射频信号的传输长度大大减少了外界噪声的介入; 最后, 通过这种控制方式, 复杂的数字信号处理算法可以在信号采集的现场实时高速执行, 不会占用主控计算机的处理时间。4 检测试验检测系统可以采用喷水耦合式穿透法或脉冲反射法对复杂曲面工件进行自动的超声检测试验。检测试验对象主要是航空类大型复杂曲面工件(叶片类、碳纤维、金属蜂窝夹层结构等 。大型工件的超声检测需要大规格的检测设备, 为了更好地满足大型曲面工件的检测要求, 机械系统设计为龙门式结构, 见图4a 。机械运动为10自由度(左右平动轴x 、y 、z 和左右旋转轴a 、b , 可选配转动平台(这时为11自

14、由度 ; 系统有效检测范围如下:高为3000mm, 长为7000mm, 宽为3000mm; 机械重复定位精度为0101mm, 伺服控制分辨率为0. 001mm 。操作方式采用计算机人机交互(模板化 操作方式、控制台键盘操作方式、手操器(随动、就近 操作方式。某大型复杂曲面工件是一个类圆锥桶形金属铝蜂窝夹层复合材料结构件, 由内外铝合金蒙皮和铝蜂窝芯胶接而成。工件底部大圆直径大于2000mm, 上部小圆直径约900m m, 高度约1200mm 。工件简图见图4b 。超声检测中探头采用频率1M H z 的通用直探头。图4b 为对某大型复杂曲面工件进行喷水耦合式的穿透法检测, 得到工件的超声C 扫描

15、图#(b 某大型复杂曲面工件超声检测(c 被测曲面工件的超声C 扫描图像图4 复杂曲面工件超声检测试验5 结论研究开发的复杂曲面工件的超声无损检测系统, 集曲面工件缺陷检测和表面数据测量两项功能于一身, 为复杂曲面工件的快速、高效无损检测开辟了一条有效的途径, 具有很大的工程应用价值。这种方法尤其适用于大型已知或未知CAD 模型的复杂曲面工件的自动化超声无损检测。此项研究工作对于航空、航天、造船、汽车和模具等工业领域的复杂曲面工件的超声检测具有借鉴价值。由于国内对大型复杂曲面工件超声C 扫描技术的研究刚刚兴起, 理论和实践的研究还处于发展阶段, 有必要对其理论进行深入的研究, 进一步完善本系统

16、。先导式水压溢流阀的设计 贺小峰 王学兵 嵇碧波等先导式水压溢流阀的设计贺小峰 王学兵 嵇碧波 刘银水 李壮云121111. 华中科技大学, 武汉, 4300742. 武汉船用机械有限责任公司, 武汉, 430084摘要:结合水介质的特性及典型先导式油压溢流阀的结构, 分析了先导式水压溢流阀存在的关键技术难题, 在此基础上设计了一种新型的先导式水压溢流阀。针对关键技术难题, 在结构上主要采取了如下措施:在溢流阀入口设置固定节流孔和二级节流主阀口以减小气蚀; 阀心上加组合密封件以减少泄漏和拉丝侵蚀; 先导阀心尾端设置阻尼腔以抑制振动、噪声, 提高先导阀的工作稳定性等。关键词:水压传动; 液压阀;

17、 先导式溢流阀; 天然水; 设计中图分类号:T H 137. 52 文章编号:1004 132(2005 18 1625 04Design of a Two Stage Relief Valve for Water Hydraulic SystemH e Xiaofeng 1 Wang Xuebing 2 Ji Bibo 1 Liu Yinshui 1 Li Zhuangy un 11. H uazhong University of Science &Technolog y, Wuhan, 4300742. Wuhan Marine Machiner y Co. , Ltd. , Wuhan

18、, 430084Abstract :Com bined w ith the physical and chemical char acteristics of raw w ater and the typical structure o f tw o stage relief valve, the key technical pr oblem s existing in this type o f valve w hen using raw w ater instead of m ineral oil w ere analy sed. A novel tw o stage relief val

19、ve operated w ith raw w ater w as designed. To so lve its key technical problems, new structures are adapted in this relief valve, such as setting a fix ed throttle at the inlet and using a double r estr ictio n in the main valve to reduce cavitation ero sion, adding a seal at the pisto n of the mai

20、n valve to pr event leakage and w ire draw ing, setting a dam ping cham ber at the pilot stage to restrain vibr ation, no ise, and to enhance its stability etc.Key words :w ater hydraulics; v alve; tw o stage relief valve; r aw water; design0 引言水压溢流阀是水液压系统在工程应用中不可缺少的一个关键元件。目前国外有关于直动式水压溢流阀产品或研究的报道13, 而对于先导式水压溢流阀的研究则较少。文献4对先导式水收稿日期:2004 11 02压溢流阀的动态性能进行了数字仿真, 利用根轨迹法分析了系统的稳定性以及该阀的结构参数对系统稳定性的影响, 其结构与油压溢流阀基本相同。当溢流阀工作压力高、流量大时, 若采用直动式结构, 则要求调压弹簧具有很大的弹簧力, 不仅使调压性