彈體構(gòu)件超聲檢測(cè)探頭運(yùn)動(dòng)路徑分析*

李天寧，王召巴，陳友興，任 彥

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

0 引言

超聲波檢測(cè)，由于顯示直觀、檢測(cè)速度快，已成為彈體等構(gòu)件普遍采用的缺陷檢測(cè)技術(shù)。在彈體制造等工業(yè)領(lǐng)域中，許多工件都具有復(fù)雜的曲面外形，而超聲波傳播又具有很強(qiáng)的指向性，為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)這些類型的曲面構(gòu)件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)探頭的安裝與運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃[1]。文中主要針對(duì)某彈體構(gòu)件研究其超聲檢測(cè)中，關(guān)于探頭安裝與超聲耦合方式以及對(duì)彈體進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)構(gòu)件外觀的變化分析探頭安裝與超聲耦合的方法，應(yīng)用構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算超聲檢測(cè)時(shí)探頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1 曲面構(gòu)件介紹和探頭安裝

1.1 曲面構(gòu)件

彈體構(gòu)件中存在一種外形變化較大且在應(yīng)用超聲檢測(cè)時(shí)較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的構(gòu)件，弧錐面構(gòu)件。

圖1即為此構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖。此構(gòu)件由細(xì)端實(shí)心部分、曲面部分（包含實(shí)心和空心部分）和大端開(kāi)口部分組成。其中，文中主要針對(duì)弧錐面部分的超聲采集過(guò)程進(jìn)行分析，此部分屬于規(guī)則曲面。

圖1 弧錐面構(gòu)件結(jié)構(gòu)

1.2 探頭安裝與耦合方法

上述構(gòu)件屬于外形存在較大變化的類型，在超聲檢測(cè)過(guò)程中需要調(diào)整探頭的位置和方向以保證超聲波入射方向與零件表面外法線方向保持一致。圖2為探頭安裝的一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖，由于構(gòu)件表面的變化情況，探頭在安裝時(shí)與被檢工件間需要拉開(kāi)一定的距離，所以就需要加裝一個(gè)探頭盒，并采用噴水的方法進(jìn)行水耦合來(lái)完成檢測(cè)。

1.3 檢測(cè)方法

構(gòu)件的曲面大部分內(nèi)部為空心，構(gòu)件壁厚較小，采用偏心值為0的方法檢測(cè)的情況下，由于超聲波擴(kuò)散，造成兩個(gè)界面回波脈寬較寬，特征回波被界面回波覆蓋，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中所述的檢測(cè)方法，文中對(duì)于實(shí)心部分的近中心缺陷采用偏心值為0的方法檢測(cè)，而對(duì)空心部分和實(shí)心部分的近表面缺陷則偏心一定的距離進(jìn)行檢測(cè)，可以避免界面回波的影響。

圖2 探頭安裝示意圖

2 檢測(cè)過(guò)程探頭運(yùn)動(dòng)分析

文中根據(jù)檢測(cè)方法和構(gòu)件表面的實(shí)際情況考慮，采用三維自由移動(dòng)的方式和精確的控制器對(duì)探頭的運(yùn)動(dòng)和角度變換進(jìn)行控制。根據(jù)一種對(duì)規(guī)則曲面結(jié)構(gòu)工件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)的超聲路徑規(guī)劃和曲面重構(gòu)技術(shù)，需要應(yīng)用超聲測(cè)距對(duì)探頭的位置進(jìn)行調(diào)整[3]，其在超聲測(cè)距和探頭調(diào)整位置時(shí)需要花費(fèi)大量時(shí)間。此方法適用于大型構(gòu)件的自動(dòng)化檢測(cè)，而文中的檢測(cè)對(duì)象尺寸較小，所以采用的方法是根據(jù)構(gòu)件已知參數(shù)對(duì)其檢測(cè)路徑進(jìn)行計(jì)算。

因?yàn)闃?gòu)件表面形狀較為規(guī)則，可以將檢測(cè)點(diǎn)分布規(guī)劃為：軸線方向上間隔一定的距離、圓周方向上間隔一定的弧長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，取值時(shí)要滿足檢測(cè)分辨率，且不能降低檢測(cè)效率。研究整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，通過(guò)對(duì)弧錐面的實(shí)心部分進(jìn)行計(jì)算，取偏心值為0，這樣可以將實(shí)心部分的近中心缺陷檢測(cè)過(guò)程和需要偏心的情況下的檢測(cè)過(guò)程分別進(jìn)行分析。

2.1 實(shí)心弧錐面構(gòu)件運(yùn)動(dòng)分析

整個(gè)構(gòu)件的檢測(cè)主要是弧錐面部分的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位計(jì)算。要確定整個(gè)軸切面中的幾個(gè)重要參數(shù)。

如圖3所示，軸切面中弧線的半徑R、細(xì)端實(shí)心部分的半徑R0、開(kāi)口端的最大半徑R1、弧線在軸線方向上的長(zhǎng)度L、探頭與構(gòu)件表面之間的距離即水聲程L′以及弧線兩端的兩個(gè)參考角度α、β。

圖3 構(gòu)件參數(shù)說(shuō)明

其中α、β為2個(gè)未知的角度，這種情況下，就需要根據(jù)其他已知的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，圖4中，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)，取弧線的終點(diǎn)即D點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），利用x、y通過(guò)計(jì)算來(lái)確定α、β的角度值。

通過(guò)分析可以得出：

式（2）中L、R0、R1參考圖3，由以上兩式可以得到x、y，也就得到了α、β的值，這樣就可以確定軸切面弧線上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位。而且，探頭運(yùn)動(dòng)軌跡是以（R＋L′）為半徑的一段圓弧?？梢杂?jì)算出A（x0，y0）點(diǎn)的位置。

假設(shè)探頭從一個(gè)已知位置E（x1，y1）移動(dòng)到下一位置F（x2，y2），則可計(jì)算得E處相對(duì)于Y方向的角度α1：

圖4 探頭運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

同理，可以得出F處相對(duì)于Y方向的角度α2，則探頭需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就為α1－α2。通過(guò)角度α2計(jì)算得出F的位置。

2.2 偏心情況下的運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)對(duì)實(shí)心弧錐面結(jié)構(gòu)檢測(cè)的探頭運(yùn)動(dòng)分析，已經(jīng)可以確定探頭在軸切面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位和軌跡。由于需要了解檢測(cè)空心結(jié)構(gòu)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。要分析空心結(jié)構(gòu)下的運(yùn)動(dòng)，就需要運(yùn)用偏心檢測(cè)的方法，如圖5所示。首先要根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行偏心量的計(jì)算。

對(duì)空心構(gòu)件進(jìn)行偏心檢測(cè)，需要使超聲波進(jìn)入構(gòu)件后沿圖5中所示的路徑傳播，達(dá)到對(duì)整個(gè)構(gòu)件壁檢測(cè)的目的。根據(jù)圖5所示，水中超聲波的聲速為Cw，彈體材料中的聲速為Cl，空心構(gòu)件外半徑為r0，內(nèi)半徑為r1，入射角為αw，折射角為αl。根據(jù)折射原理有：

圖5 空心部分偏心檢測(cè)示意圖

根據(jù)式（4）和式（5）可以得出偏心距d：

通過(guò)以上分析可知，在軸線方向上探頭位置確定的情況下，其偏心距只與空心部分的內(nèi)徑大小有關(guān)。

但是，由于工件本身的橫切面是圓形的，在探頭偏心一定距離后，水聲程L′就會(huì)發(fā)生變化，引起回波信號(hào)位置的偏移。所以必須在偏心移動(dòng)后，調(diào)整探頭的高度h使其符合水聲程固定不變的要求。根據(jù)式（5）有：

以上即為整個(gè)弧錐面結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用此方法進(jìn)行完整的超聲在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，采集某構(gòu)件的超聲回波信號(hào)，曲面部分的典型回波信號(hào)如圖6所示，圖6（a）為偏心值為0時(shí)，曲面的超聲回波信號(hào)，因?yàn)樘筋^已經(jīng)偏轉(zhuǎn)一定的角度，而且表面是曲面，已經(jīng)不存在上界面回波；圖6（b）為偏心值為0時(shí)，存在一個(gè)近中心缺陷的回波信號(hào)；圖6（c）為偏心距為d的，因?yàn)橄陆缑婊夭芰渴艿狡牡挠绊?，能量已?jīng)減小；圖6（d）為偏心距為d的情況下，構(gòu)件內(nèi)部存在一個(gè)缺陷，有明顯的缺陷回波信號(hào)。

圖6 典型回波信號(hào)

根據(jù)圖6中的回波信號(hào)分析，對(duì)曲面實(shí)心部分進(jìn)行0偏心檢測(cè)時(shí)，近中心缺陷的特征回波較為明顯；對(duì)空心部分進(jìn)行偏心檢測(cè)時(shí)，界面回波的能量已經(jīng)很小，相比較缺陷回波則較為明顯，減少了界面回波對(duì)空心部分和近表面缺陷回波產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)論

文中提出一種已知規(guī)則結(jié)構(gòu)曲面的彈體構(gòu)件超聲檢測(cè)時(shí)的探頭安裝與耦合方式及運(yùn)動(dòng)方法。文中考慮到被檢構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用了有噴水功能的探頭盒對(duì)探頭進(jìn)行安裝；在分析超聲檢測(cè)路徑時(shí)，將進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)探頭的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位和路徑計(jì)算得出，并預(yù)先將其設(shè)置，使探頭按預(yù)定的路徑在滿足檢測(cè)要求的所有檢測(cè)點(diǎn)處，對(duì)弧錐面各部分進(jìn)行超聲信號(hào)采集。與文獻(xiàn)中提及的檢測(cè)方法相比，有效地減少了利用超聲波測(cè)距和重新調(diào)整探頭位置的時(shí)間，對(duì)于在線檢測(cè)的效率有明顯的提高。

[1]吳思源，周曉軍，江鍵，等.超聲檢測(cè)中曲面重構(gòu)和路徑規(guī)劃方法研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（5）：763－767.

[2]戚勵(lì)文，王召巴，金永，等.合金彈體棒狀坯料超聲檢測(cè)方法研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29（4）：269－272.

[3]王艷穎，周曉軍，車煥淼，等.超聲檢測(cè)中的路徑受控仿形測(cè)量和曲面重構(gòu)技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（6）：490－493.

[4]李雄兵，楊岳，胡宏偉，等.復(fù)雜型面構(gòu)件超聲檢測(cè)中的路徑校驗(yàn)方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，21 （15）：1775－1779.