專利名稱：驗證緊固件的干涉配合的超聲波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開教導(dǎo)超聲波(US)測量技術(shù)，并且更特別地，教導(dǎo)超聲波測量和驗證緊固件的干涉配合(IFF)的方法。
背景技術(shù)：
最近的評估指出，平均來說，美國商業(yè)飛機(jī)機(jī)隊中的各種飛機(jī)每年都大約遭遇一次閃電放電。通常當(dāng)飛機(jī)飛過云的帶電部分時遭遇閃電放電。在該情況下，放電通常依附于飛機(jī)，并且從飛機(jī)向外延伸。當(dāng)發(fā)生放電時，其通常從飛機(jī)的機(jī)頭移動，并且隨著飛機(jī)移動通過帶電區(qū)域而到達(dá)飛機(jī)的多個蒙皮面板部分。放電期間，放電也依附于機(jī)翼尖端和/或機(jī)翼操縱面(例如，副翼)的邊緣。然后，放電通常經(jīng)過尾翼離開飛機(jī)結(jié)構(gòu)。由于商業(yè)飛機(jī)通常包括電子設(shè)備，例如導(dǎo)航計算機(jī)和通信設(shè)備，其可被閃電放電退化，所以為了驗證飛機(jī)受到足夠的保護(hù)而不受閃電放電的影響，商業(yè)飛機(jī)遵守一套全面的認(rèn)證程序。 同時，現(xiàn)在的飛機(jī)通過更大百分比的復(fù)合材料設(shè)計和建造。雖然復(fù)合材料具有大強(qiáng)度與重量比，并且可具有比傳統(tǒng)的鋁合金更好的機(jī)械和疲勞特性，但是其導(dǎo)電率較低，并且比其所取代的金屬材料提供的電磁屏蔽稍微更小，引起飛機(jī)稍微更小的電流耗散。沒有導(dǎo)電路徑，會發(fā)生電弧和存儲電壓(電容)，其可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的受影響部分退化。例如，閃電可依附于緊固件，并且然后流經(jīng)緊固件而進(jìn)入飛機(jī)表面(或蒙皮)下的子結(jié)構(gòu)。因而，實施技術(shù)從而提供從飛機(jī)包括緊固件的這些部分的導(dǎo)電路徑。改進(jìn)機(jī)身對電荷耐受力的技術(shù)有用并且可改進(jìn)飛機(jī)運輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性和/或安全性，特別是當(dāng)電荷依附于飛機(jī)緊固件時尤其如此。

發(fā)明內(nèi)容
公開了驗證緊固件的干涉配合的技術(shù)和工藝的實施例。可使用該技術(shù)和工藝，從而檢查和驗證導(dǎo)電緊固件與某一結(jié)構(gòu)的雷擊保護(hù)(LSP)系統(tǒng)的導(dǎo)電層之間的干涉配合，該結(jié)構(gòu)包括纖維加固復(fù)合結(jié)構(gòu)。依照本公開的技術(shù)可有利地確保緊固件和LSP系統(tǒng)之間存在導(dǎo)電路徑，以便可將電荷引導(dǎo)通過該結(jié)構(gòu)，因此降低或消除否則可發(fā)生在該結(jié)構(gòu)上的退化。此外，可在緊固件就位時完成該檢查，并且不需要測量意圖用于干涉配合的每個緊固件和緊固件孔的尺寸。實施例提供用于確定緊固件所經(jīng)歷的干涉配合度的方法。這些方法包括定位換能器，從而將超聲橫波信號發(fā)送通過這樣的緊固件區(qū)域，其在緊固件經(jīng)歷干涉配合時遭受應(yīng)力。該方法還包括傳送US橫波信號通過緊固件的經(jīng)受應(yīng)力的區(qū)域。雖然不希望被約束于以下理論，但是相信隨著發(fā)送的超聲橫波穿過該區(qū)域，對應(yīng)于緊固件所經(jīng)歷的干涉度，超聲橫波在干涉邊界在一定程度上改變模式。此外，本方法包括通過換能器從緊固件接收反射的超聲波信號。處理反射的超聲波信號，從而確定緊固件所經(jīng)歷的干涉配合度，并且輸出對其的指示。在一些實施例中，通過檢查返回超聲波信號的縱波和橫波分量的振幅/能量而確定干涉配合度。在一些實施例中，通過比較返回超聲波信號的縱波分量的振幅/能量以及橫波分量的振幅/能量而做出該確定。而且，干涉配合度的指示可以是圖形用戶界面中使用的可測量指示。在一些實施例中，干涉配合處于緊固件、套管和復(fù)合材料之間?？商鎿Q地，或另外地，反射波來自緊固件的桿部的末端表面。此外，換能器能夠與緊固件對齊，并且在發(fā)送和接收超聲波信號期間向其施加經(jīng)選擇的力。換能器和緊固件的對齊以及經(jīng)選擇的力能夠基于緊固件的構(gòu)造。實施例也提供計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其存儲計算機(jī)可執(zhí)行指令，計算機(jī)可執(zhí)行指令在被執(zhí)行時使得處理器執(zhí)行例如上述方法。實施例提供用于確定緊固件經(jīng)歷的干涉配合度的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括相互通信的超聲波換能器、處理器以及存儲器。存儲器存儲這樣的計算機(jī)可讀指令，即當(dāng)由處理器執(zhí)行時，該計算機(jī)可讀指令使得處理器執(zhí)行例如上述的那些方法。另外，系統(tǒng)能夠包括顯示器，其包括用于顯示干涉配合度的圖形用戶界面。此外，系統(tǒng)能夠包括這樣的方法，其用于對齊超聲波換能器和緊固件，以及通過超聲波換能器向緊固件施加經(jīng)選擇的力。此外，超聲波換能器與緊固件的對齊、以及超聲波換能器向緊固件施加的力都是系統(tǒng)參數(shù)，這些系統(tǒng)參數(shù) 都是可控變量。一些實施例的系統(tǒng)包括導(dǎo)軌，超聲波換能器能夠被以這樣的方式安裝在其上，即其能夠沿導(dǎo)軌在緊固件之間移動。這些特征、功能和優(yōu)點能夠在本公開的各個實施例中獨立實現(xiàn)，或者可以在其他實施例中結(jié)合。


通過參考附圖，以下詳細(xì)描述依照本公開的技術(shù)的實施例。在附圖中，附圖標(biāo)記的最左邊數(shù)字表明該附圖標(biāo)記第一次出現(xiàn)的圖。在不同的圖中使用相同的附圖標(biāo)記表示類似或相同的物品或特征。圖I示出依照本公開實施例驗證的具有干涉配合緊固件的飛機(jī)的側(cè)視圖。圖2示出依照本公開實施例的經(jīng)配置從而驗證干涉配合緊固件的設(shè)備的橫截面圖。圖3示出依照本公開實施例的用于驗證干涉配合緊固件的過程/步驟的流程圖。圖4示出依照本公開實施例的經(jīng)配置從而驗證干涉配合緊固件的另一設(shè)備的橫截面圖。圖5示出依照本公開實施例的用于驗證干涉配合緊固件的另一過程的流程圖。圖6示出依照本公開實施例的許多數(shù)據(jù)樣本的干涉配合的一組圖表。圖7示出依照本公開實施例的許多數(shù)據(jù)樣本的干涉配合的圖表。圖8示出依照本公開實施例的干涉配合探測器的示意圖。
具體實施例方式綜述在此公開驗證緊固件的干涉配合的技術(shù)和工藝。在以下說明以及圖I至圖8中提出本公開某些實施例的許多特定細(xì)節(jié)，從而提供該實施例的徹底理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本公開可具有另外的實施例，或者可缺乏以下說明中描述的多個細(xì)節(jié)而實施本公開。
本文件公開這樣的系統(tǒng)，其用于確定緊固件和緊固件所被安裝的材料之間的干涉配合。另外，本文件公開完成該過程的方法。在一些系統(tǒng)和方法中，通過將橫波超聲波信號發(fā)送到緊固件中，并且分析從緊固件返回的模式轉(zhuǎn)換信號而確定干涉配合度。在一些實施例中，比較模式轉(zhuǎn)換返回信號的橫波分量的能量和縱波分量的能量，從而確定干涉配合度。在一些實施例中，在確定干涉配合度時考慮一種或兩種振幅。圖I示出具有依照本公開實施例驗證的干涉配合緊固件的飛機(jī)100的側(cè)視圖。人們可明白，可在很多位置中使用該緊固件，包括機(jī)身102、機(jī)翼104、以及飛機(jī)100的尾翼106。例如，依照本發(fā)明的實施例，貫穿飛機(jī)的蒙皮，飛機(jī)100可包括許多緊固件?？商鎿Q地，可在其他類型的結(jié)構(gòu)、交通工具以及平臺中驗證干涉配合緊固件，例如機(jī)動車輛、飛機(jī)、航海船只、或航天器，或其他適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。在該實施例中，飛機(jī)100包括機(jī)身102，后者包括機(jī)翼組件104、尾翼組件106、以及起落架組件108。飛機(jī)100進(jìn)一步包括一個或更多推進(jìn)單元110、控制系統(tǒng)112 (不可見)、以及能夠使飛機(jī)100適當(dāng)工作的許多其他的系統(tǒng)和子系統(tǒng)。人們應(yīng)明白，可在飛機(jī)100的 任何適當(dāng)部分中使用該緊固件，例如機(jī)身102、機(jī)翼組件104、尾翼組件106、以及飛機(jī)100的任何其他適當(dāng)區(qū)域。一般而言，飛機(jī)100的各個組件和子系統(tǒng)可為已知的結(jié)構(gòu)，并且為了簡化，在此將不詳細(xì)描述。雖然圖I所示的飛機(jī)100通常代表商業(yè)客機(jī)，例如包括伊利諾伊州芝加哥市波音公司市售的737、747、757、767、777和787型，在此公開的發(fā)明設(shè)備和方法實際上也可在任何其他類型飛機(jī)的組件中使用。更具體地，本公開的教導(dǎo)可被應(yīng)用于以下飛機(jī)的制造和裝配，即其他客機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、貨機(jī)、旋翼飛機(jī)、以及任何其他類型的有人駕駛或無人駕駛飛機(jī)、包括下面描述的那些飛機(jī)，例如，2001年9月BookSales Publishers出版的EnzoAngelucci 的 The Illustrated Encyclopedia of Military Aircraft,以及英國薩里Jane' s Information Group of Coul sdon 出版的 Jane' s All the World' s Aircraft中的飛機(jī)。飛機(jī)使用雷擊保護(hù)(LSP)系統(tǒng)，從而當(dāng)其遭遇閃電或以其他方式經(jīng)歷電荷時，保護(hù)飛機(jī)以免退化(degradation)。一種方法是在飛機(jī)蒙皮中包含一層導(dǎo)電金屬，從而在大表面區(qū)域上均勻分布電能，并且因而避免可引起飛機(jī)部分退化的能量聚集。通常，通過將緊固件凹進(jìn)飛機(jī)蒙皮內(nèi)的導(dǎo)電層下，而保護(hù)連接飛機(jī)蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊固件不受電荷影響。通常以不導(dǎo)電材料覆蓋緊固件，從而進(jìn)一步隱藏緊固件，以避開電荷。盡管有這些預(yù)防措施，電荷仍會偶爾依附于緊固件，并且沿緊固件軸向下流。在該情況下，期望以高效方式，有效地吸取電能通過飛機(jī)蒙皮以及其他結(jié)構(gòu)(例如，飛機(jī)梁)，并且因而避免對緊固件或周圍材料加熱和/或退化。為了從緊固件吸取電能，該緊固件有利地與周圍材料具有干涉配
口 o緊固件的干涉配合涉及形成緊固件支持的緊固件桿部、緊固件套管部件以及周圍材料之間的配合的緊密度的測量。例如，對于0. 500英寸直徑的緊固件桿部/套管系統(tǒng)，可以以0. 495英寸的直徑鉆穿材料，因而產(chǎn)生0. 005英寸的正干涉配合。在該情況下，可通過在垂直于緊固件桿部軸線的方向上壓縮周圍材料而將緊固件插入孔中。雖然無意在理論上進(jìn)行限制，但是相信，通常在緊固件桿部和緊固件孔之間存在微細(xì)間隙。這些間隙引起電流在緊固件桿部和材料之間流動，從而將其會聚在發(fā)生接觸的點。通過提供干涉配合，并且因而用周圍材料壓緊緊固件桿部，相信最小化微細(xì)間隙會引起電接觸區(qū)域增加，因而提高緊固件和周圍材料之間的導(dǎo)電特性。導(dǎo)電性增加降低或消除了依附于緊固件的電荷的任何負(fù)面影響，因為如果緊固件的干涉配合處于設(shè)計閾值范圍內(nèi)，則關(guān)聯(lián)的電能就可被分散到蒙皮或梁中。如上所述，日益以復(fù)合材料構(gòu)造飛機(jī)，然而仍然偶爾遭遇電荷。通常，復(fù)合材料包括嵌入環(huán)氧樹脂或其他基底中的纖維。雖然纖維和基底都能導(dǎo)電，但是有時這些材料中的一種或另一種材料具有比另一種更好的導(dǎo)電性。例如，能夠期望碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的碳纖維能夠比環(huán)氧樹脂基底更好地導(dǎo)電。在緊固件與復(fù)合材料產(chǎn)生干涉配合時，干涉配合有助于復(fù)合材料的一種或更多種組分電接觸緊固件，因而提高電荷從緊固件的耗散。因此，在緊固件和復(fù)合材料之間使用干涉配合提高結(jié)果組件的電荷耗散特性。為了確保無論是在傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)或是在復(fù)合材料中干涉配合符合設(shè)計要求，期望驗證干涉配合的方法。例如，飛機(jī)制造可變因素會防止緊固件和緊固件孔之間的一致配合。這些不一致的來源包括操作者誤差、不圓狀況、尺寸稍大/稍小的鉆頭、鈍鉆頭、尺寸稍大/稍小的緊固件等等。安裝緊固件后，以及在一些情況下長期使用飛機(jī)后，需要確認(rèn)干 涉配合度的方法，從而確保干涉配合保持在設(shè)計閾值范圍內(nèi)。2007年8月3日提交、2009年 2 月 5 日公開為 US20090031811A1 的 Georgeson 等人的標(biāo)題為 “Ultrasonic Method toVerify the Interference Fit of Fasteners，，的美國專利申請No. 11/833，826 中，公開了用于確定緊固件干涉配合的方法和系統(tǒng)。說明性干涉配合測試設(shè)備圖2示出經(jīng)配置從而驗證依照本公開實施例的緊固件干涉配合的設(shè)備的橫截面圖。系統(tǒng)200包括第一材料202和第二材料204，二者由穿過緊固件孔214的緊固件206 (包括頭部208、桿部210以及螺母212)緊密耦合。將螺母212擰緊在桿部210上引起緊固件頭部208和螺母212在第一材料202和第二材料204上施加壓縮力。另外，當(dāng)系統(tǒng)200包括干涉配合(其中，無應(yīng)力緊固件孔214具有比無應(yīng)力桿部210的直徑更小的直徑)時，緊固件桿部210可在第一材料202和第二材料204中產(chǎn)生徑向應(yīng)力。第一材料202和第二材料204中的徑向應(yīng)力可在緊固件206和材料202及204的接觸面最大，并且通常隨著離緊固件206的距離增大而在量上縮小。反作用于緊固件206施加在第一材料202和第二材料204上的徑向應(yīng)力，第一材料202和第二材料204在緊固件206上施加徑向?qū)驐U部210的壓縮應(yīng)力。桿部210上的這些壓縮應(yīng)力可彼此不同，并且可沿桿部210表面(以及桿部210內(nèi)部)變化。由干涉配合引起的壓縮應(yīng)力的探測和測量可提供關(guān)于干涉配合的信息，并且因而允許對其測量，從而確定其是否符合設(shè)計范圍。此外，關(guān)于干涉配合的信息(或缺少其信息)可指示這樣的程度，即緊固件的安裝將提供的電流耗散到周圍材料的導(dǎo)電組件的程度。例如，在圖2所示的實施例中，第一材料202和第二材料204其中之一或兩者可導(dǎo)電，可包括雷擊保護(hù)(LSP)系統(tǒng)的導(dǎo)電層，和/或具有其中的導(dǎo)電組件(例如，碳纖維)。繼續(xù)參考圖2，系統(tǒng)200包括緊固件干涉配合(IFF)探測器216。IFF探測器216包括超聲波測試換能器218。在一些實施例中，頻率處于大約IMHz至大約IOMHz之間，并且可以是大約5MHz。橫波換能器218產(chǎn)生這樣的超聲波信號220，其由許多基本平行于緊固件桿部210的軸線傳播的各個脈沖超聲波橫波組成。隨著超聲波信號220沿桿部傳播，當(dāng)緊固件206經(jīng)歷干涉配合時，超聲波信號220遭遇桿部210中受到材料202和204在桿部210上施加的壓縮應(yīng)力的區(qū)域222。遭遇一個或更多區(qū)域222使得傳播的超聲波信號220的橫波模式轉(zhuǎn)換為縱波，其相應(yīng)于桿部210和材料202及204之間的干涉配合度。隨后或穿過區(qū)域222的同時，傳播的超聲波信號220遭遇緊固件206的遠(yuǎn)端，然后，借助于緊固件206的遠(yuǎn)端(至少部分)反射回橫波換能器218。因此返回超聲波信號224從緊固件206的遠(yuǎn)端，沿緊固件206的長度，基本平行于緊固件206的軸線且朝向橫波換能器218傳回。結(jié)果，返回超聲波信號224可遭遇相同或另外的區(qū)域222，其遭受源于干涉配合的壓縮應(yīng)力。因而，可進(jìn)一步將返回超聲波信號224模式轉(zhuǎn)換為縱波，其相應(yīng)于緊固件206和材料202及204之間的干涉配合度。結(jié)果，返回超聲波信號224包括特征為縱波的模式轉(zhuǎn)換分量和特征為橫波的非模式轉(zhuǎn)換分量。更特別地，已發(fā)現(xiàn)，返回超聲波信號224的縱向分量的振幅/能量指示緊固件206和材料202及204之間的干涉配合度。也發(fā)現(xiàn)，返回超聲波信號224的橫向分量的振幅/能量也指示干涉配合度，雖然成反比。此外，也已發(fā)現(xiàn)返回超聲波信號224的橫向和縱向分 量的乘積和比率(反之亦然)指示緊固件206和材料202及204之間的干涉配合度。在一些實施例中，以及繼續(xù)參考圖1，IFF探測器216與控制器226通信?？刂破?26可包括動態(tài)波發(fā)生器(DWG) 228和超聲波脈沖接收器(UPR) 230，其具有信號分析能力，然而也考慮其他構(gòu)造。動態(tài)波發(fā)生器228可向橫波換能器218提供波產(chǎn)生信號。此外，超聲波脈沖接收器230可從橫波換能器218接收指示返回超聲波信號224的信號。因此，可分析返回超聲波信號224，從而確定關(guān)于緊固件206和材料202及204之間的干涉配合的信息。例如，控制器226可為計算機(jī)、服務(wù)器、或其他計算裝置，包括可操作地連接至存儲模塊的存儲介質(zhì)的一個或更多處理器，從而當(dāng)由處理器執(zhí)行該模塊時，例如執(zhí)行動態(tài)波發(fā)生器228和超聲波脈沖接收器230所執(zhí)行的功能時，執(zhí)行在此公開的技術(shù)。此外，控制器226可與顯示器232通信，在其上顯示圖形用戶界面234。圖形用戶界面234能夠包括關(guān)于緊固件206、材料202和204、以及系統(tǒng)200 (例如，緊固件206的具體安裝的設(shè)計所要求的干涉度)的信息236。另外，或可替換地，圖形用戶界面234能夠包括指示器238，其用于顯示由控制器226確定存在的干涉配合度的指示。例如，指示器238能夠包括干涉配合度的數(shù)字讀出、其模擬指示、緊固件206的合格/不合格(go/no-go)指示、或波型的圖形表示。因而，指示器238能夠指示緊固件206是否將提供耗散到周圍材料202或204中的電流。此外，控制器226能夠包括(或者與之通信)有形計算機(jī)可讀介質(zhì)(CRM)240或存儲器裝置，用于儲存計算機(jī)可讀指令，當(dāng)由控制器(或處理器)執(zhí)行該指令時，該計算機(jī)可讀指令使得控制器226執(zhí)行在此公開的方法和/或?qū)嵤┓绞?全部或部分)。圖3示出用于驗證依照本公開實施例的緊固件206的干涉配合的方法300的流程圖。以邏輯流程圖中的運行集合而圖解方法300，其代表能夠在硬件、軟件、或其組合中執(zhí)行的運行順序。在軟件的情況下，運行動作通常代表當(dāng)計算機(jī)指令被一個或更多處理器執(zhí)行時，執(zhí)行所述運行。為了討論的目的，參考以上參考圖2所述的例示性系統(tǒng)200的組件描述方法300。在302，控制器226通過產(chǎn)生電子信號激活橫波換能器218，從而以動態(tài)波發(fā)生器228驅(qū)動橫波換能器218。無論電子信號的類型，在304，橫波換能器218開始將超聲波信號220通過橫波耦合介質(zhì)界面發(fā)送至緊固件206，因而使得橫波通過緊固件206傳播。在一些實施例中，能夠在304前將橫波耦合介質(zhì)界面(例如，超聲波耦合凝膠)施加至緊固件206，從而幫助將超聲波信號耦合至緊固件206或從緊固件206耦合超聲波信號。此外，能夠以經(jīng)選擇的力將橫波換能器218施加至緊固件206。橫波換能器218能夠在緊固件206的末端(或頭部208)上移動，同時其將超聲波信號220發(fā)送到緊固件206中。因而，無論區(qū)域222(其受到來自干涉配合的應(yīng)力)在在緊固件206中的何處出現(xiàn)，橫波換能器218都將同樣探測到干涉配合引起的應(yīng)力。此外，如果源自干涉配合的應(yīng)力在緊固件206中變化，則橫波換能器218將可能探測到該變化的完整范圍。確實，在一些實施例中，進(jìn)行以下過程有益，即選擇離緊固件206的縱向中心的特定距離，在離中心該距離放置橫波換能器218，并且關(guān)于緊固件206的頭部以基本圓形運動移動橫波換能器，從而探測該徑向距離上繞緊固件206的干涉配合。 例如，如果緊固件206或孔不圓，可出現(xiàn)桿部部分圓周比其他圓周部分經(jīng)歷更多或更少的干涉配合。由于該變化，對于任何給定的緊固件206，可獲得一讀數(shù)范圍。取決于 用戶的期望，可使用該范圍內(nèi)的最小、最大、平均或其他數(shù)值，從而確定干涉配合度。例如，如果該范圍的任何部分指示不合規(guī)格的配合，就可確定緊固件206不合規(guī)格。在該情況下，應(yīng)移除、重新安裝、替換(以相同或不同尺寸的另一緊固件206)緊固件206。隨著發(fā)送的超聲波信號220穿過緊固件206，受應(yīng)力的區(qū)域222將一部分發(fā)送的超聲波信號220模式轉(zhuǎn)換為縱波。發(fā)送的超聲波信號220的未被模式轉(zhuǎn)換的橫波分量和模式轉(zhuǎn)換的縱波分量返回至橫波換能器218，由此在306橫波換能器218接收返回超聲波信號224。在308，控制器226使返回超聲波信號224和緊固件206與材料202及204之間的干涉配合度關(guān)聯(lián)。例如，在一些實施例中，控制器226確定返回超聲波信號224的模式轉(zhuǎn)換縱波分量的振幅或能量。在一些實施例中，控制器226確定返回超聲波信號224的未被模式轉(zhuǎn)換橫波分量的振幅或能量。在一些實施例中，控制器226確定兩種振幅或能量以及兩種振幅或能量的乘積和比率。另外，或可替換地，控制器226能夠整合縱波和/或橫波分量，從而確定在各個分量中返回的能量的量，并且從而將其關(guān)聯(lián)于干涉配合度。在這點上，有時有助于使用聲耦合材料耦合進(jìn)入/來自緊固件206和橫波換能器218的(發(fā)送和/或返回的超聲波信號220和224的)橫波。不管控制器226從返回超聲波信號224確定的是哪個值，控制器226都使該值與緊固件206與材料202及204之間的干涉配合度關(guān)聯(lián)。這樣做，控制器226能夠考慮各種因素，例如緊固件206的類型、緊固件的長度、緊固件206的直徑(或其他尺寸)，而無論緊固件206是否具有頭部208以及(如果有)緊固件206所具有的頭部208類型、材料202和204的類型、緊固件206自身的材料、緊固件206是否關(guān)于材料202和204表面成角度(除了 90度)安裝，等等。例如，緊固件206具有頭部208時，可為這樣的情況，即鄰接頭部208的材料202或204與頭部208的交互作用可引起桿部210和頭部208的區(qū)域經(jīng)歷一些拉力/壓縮應(yīng)力。該應(yīng)力可影響發(fā)送的超聲波信號220的模式轉(zhuǎn)換。因而，通過考慮關(guān)聯(lián)該因素和干涉配合度的實驗獲得數(shù)據(jù)，如308所示，控制器226能夠確定緊固件206和材料202及204之間的干涉配合度。圖4示出依照本公開實施例的經(jīng)配置從而驗證緊固件干涉配合的另一設(shè)備的橫截面圖。系統(tǒng)400包括類似于圖2中的系統(tǒng)200中所示的硬件、軟件等。然而，如在此公開所述，系統(tǒng)400中的一些硬件、軟件等等的構(gòu)造與系統(tǒng)200中的不同。圖4的系統(tǒng)400包括導(dǎo)軌402，IFF探測器216安裝在其上。導(dǎo)軌402的長度和形狀允許其大致將IFF探測器216定位于安裝在各工件中的緊固件206之上或附近，該工件例如但是不限于圖I中的飛機(jī)100的機(jī)身102、機(jī)翼組件104、尾翼組件106等。在一些實施例中，導(dǎo)軌402包括這樣的特征，該特征被選擇成定向橫波換能器218，進(jìn)而在緊固件頭部上的指定位置將大約0度的橫波發(fā)送至緊固件206，但是已發(fā)現(xiàn)，對于許多應(yīng)用，即使手動定向橫波換能器218，也能提供足夠的精確度和可重復(fù)的結(jié)果。繼續(xù)參考圖4，導(dǎo)軌402也包括游標(biāo)定位工具(未示出)，用于對齊橫波換能器218和緊固件206。這些游標(biāo)定位工具允許探測器216使橫波換能器218和緊固件206對齊，以便發(fā)送的超聲波信號220僅在緊固件206內(nèi)傳播，并且沿其表面可能發(fā)現(xiàn)源自于干涉配合的壓縮應(yīng)力區(qū)域222傳播。在一些實施例中，探測器216包括適配器，其按形狀和尺寸匹配緊固件206的頭部208，并且從而因此對齊橫波換能器218。雖然一些實施例提供使橫波換能器218和緊固件206對齊的游標(biāo)控制，但已發(fā)現(xiàn)，對于許多應(yīng)用，即使鄰近緊固器206手動定位橫波換能器218，也能產(chǎn) 生令人滿意的結(jié)果。但是，能夠在緊固件206上定位橫波換能器218并且與其縱向軸線412 (或中心)對齊。在一些實施例中，橫波換能器218為環(huán)形換能器，其尺寸被設(shè)計為使得橫波換能器218的作用單元指向并且通過緊固器206內(nèi)由于緊固件206可能經(jīng)歷的干涉配合而受到壓縮力的區(qū)域222。因而,橫波換能器218的有源元件(active element)能夠離緊固件206的縱軸線412距離r定位。在一些實施例中，選擇距離r，以便橫波換能器的有源元件與緊固件206內(nèi)的環(huán)形柱對齊，該環(huán)形柱由緊固件206的表面、距離r、以及橫波換能器218的有源元件的幾何形狀限定。另外，或可替換地，系統(tǒng)400包括使導(dǎo)軌402和IFF探測器216可操作地耦合的施力組件404。圖4示出的施力組件404包括起重器(jack)或彈簧力致動器設(shè)備406、真空組件(參見圖8)、或用于保持橫波換能器218抵靠緊固件206 (或覆蓋緊固件206的材料202或204)的其他此種機(jī)構(gòu)。施力組件404也能夠包括螺桿408、杠桿、或被可操作地耦合至換能器支架組件406從而調(diào)整換能器支架組件406保持橫波換能器218抵靠緊固件206的力的其他機(jī)構(gòu)。圖4也示出該施力組件404能夠包括測壓單元410、刻度尺或其他力測量裝置，該其他力測量裝置被以這樣的方式可操作地耦合在導(dǎo)軌402和換能器支架組件406之間，即測壓單元410測量換能器支架組件406保持橫波換能器218抵靠緊固件206的力。此外，螺桿408和測壓單元410被可通信地耦合至控制器226，以便控制器226能夠控制螺桿408(以及換能器支架組件406)，并且獲得測壓單元410所探測的力。因而，在一些實施例中，控制器226控制這樣的力，橫波換能器218將該力施加至緊固件206。因而，導(dǎo)軌402和施力組件404 (或者再加上支架414)允許橫波換能器218與緊固件206對齊，并且對其施加經(jīng)選擇的力。另外，或者可替換地，系統(tǒng)400包括施加在橫波換能器218和材料202或204之間的間隙填充物416、粘合劑或其他聲耦合材料層。結(jié)果，橫波換能器218能夠被聲耦合至緊固件206，用于將超聲波信號有效、可重復(fù)并且精確地發(fā)送至緊固件206(以及為了從其接收返回超聲波信號224)。圖5示出用于驗證依照本公開實施例的緊固件206的干涉配合的另一方法500的流程圖。在方法500的準(zhǔn)備中，可將聲耦合材料414施加至一個或更多緊固件206。例如，可將聲耦合材料414的薄膜施加至機(jī)翼組件104(參見圖I)的一列(或組)緊固件206。如果材料202或204其中之一覆蓋緊固件206，則聲耦合材料可以被施加至覆蓋材料202或204。在一些實施例中，控制器226使用定位機(jī)構(gòu)，其被可操作地耦合至導(dǎo)軌402和IFF探測器216，從而靠近一個緊固件206定位IFF探測器216，參見502。導(dǎo)軌402的一些實施例包括游標(biāo)定位機(jī)構(gòu)，從而在緊固件206上精確定位IFF探測器216，從而將超聲橫波耦合在指定位置，后者經(jīng)選擇從而提供精確的干涉配合測定。在504，控制器226對齊橫波換能器218和緊固件206。更具體地，能夠使橫波換能器218與緊固件206對齊，以便橫波換能器218的有源元件指進(jìn)區(qū)域222中，區(qū)域222受到源于緊固件206和材料202及204之間的干涉配合的壓縮力?？赏ㄟ^控制器226以及導(dǎo)軌402上的定位機(jī)構(gòu)(游標(biāo)或其他)完成該對齊。更具體地，控制器226能夠訪問關(guān)聯(lián)飛機(jī)100 (參見圖I)的CAD/CAM(計算機(jī)輔助設(shè)計/計算機(jī)輔助制造)文件，從而以與緊固件206的精確關(guān)系定位IFF探測器216。另外，或可替換地，可完全或部分通過使用IFF探測 器216上的適配器完成該對齊。適配器能夠按形狀和尺寸成形，從而匹配緊固件206的頭部，并且因此對齊橫波換能器。因而，在506，對齊橫波換能器的有源元件，從而沿著緊固件206的表面將超聲波信號220發(fā)送經(jīng)過其長度。在506，控制施力組件404的換能器支架組件406和螺桿408 (或圖8的真空系統(tǒng)、彈簧加載機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備)，從而以經(jīng)選擇的力將橫波換能器218施加至緊固件206，從而符合具體緊固件206的構(gòu)造。該力幫助分散聲耦合材料414，填充橫波換能器218和緊固件206之間的任何間隙，并且因此在橫波換能器218和緊固件206之間提供聲耦合。如本文中別處所述，確定緊固件206和材料202及204之間的干涉配合度。參見508。例如，能夠?qū)⒊暡ㄐ盘?20發(fā)送進(jìn)緊固件206，沿緊固件206的表面?zhèn)鞑ィ⑶翼憫?yīng)緊固件206經(jīng)歷的干涉配合度而進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。因而，在508，控制器226接收返回超聲波信號224、對其分析，并且確定緊固件206正經(jīng)歷的干涉配合度。在510，橫波換能器能夠從緊固件206撤回，并且被鄰近另一個緊固件206重新定位，從而確定另一緊固件206和材料202及204之間的干涉配合度。否則如果期望，則在512，對緊固件206的檢查可被認(rèn)為完成。例示性干涉配合測量圖6示出依照本公開實施例的圖解許多數(shù)據(jù)樣本的干涉配合的例示性圖集6A-6H。圖表6A-H示出測試期間，反射信號的縱波和橫波分量的能量(伏特_微秒)與來自接收的波形的IFF度之間的關(guān)系。圖表6A-H包括許多測試數(shù)據(jù)樣本，其每個都具有已知的干涉配合。對于每個測試數(shù)據(jù)樣本，都使用依照本公開的教導(dǎo)的方法和設(shè)備的實施例測量非線性或非線性斜率(伏特-微妙/干涉配合)。此外，用于獲得測試數(shù)據(jù)樣本的探測器216被彈簧加載,從而以恒定的選定力保持橫波換能器218抵靠緊固件206?？墒褂没貧w分析關(guān)聯(lián)程序，從而建立波形特征和與材料202及204的干涉配合之間的關(guān)聯(lián)曲線。對于圖表6A-H所示的每種測量類型，對于處于設(shè)計要求內(nèi)的各個干涉配合都可確定閾值范圍，因而校準(zhǔn)圖2和圖4中的系統(tǒng)200和400。例如，這些關(guān)聯(lián)可包括關(guān)聯(lián)測量的干涉配合度與經(jīng)驗(或測試)數(shù)據(jù)。在該情況下，對于許多測試樣本，可已知干涉配合度?？墒褂迷诖斯_的技術(shù)和/或設(shè)備分析測試樣本，從而測量發(fā)送的超聲波信號220和返回超聲波信號224之間的變化。然后繪線圖、聯(lián)合或以其他方式使該測量的變化關(guān)聯(lián)于已知樣本的相應(yīng)干涉配合。在其他情況下，模擬數(shù)據(jù)可與測量的應(yīng)力一起使用，或者解析式可從經(jīng)驗和/或模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)出。另外，或可替換地，可創(chuàng)建查找表，從而將測量值從信號分析轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的干涉配合。每種類型的緊固件材料都可具有所觀測的應(yīng)力和干涉配合之間唯一(unique)的關(guān)聯(lián)。例如，加固復(fù)合材料可具有第一關(guān)聯(lián)查找表(或解析式等等)，而金屬材料可具有第二關(guān)聯(lián)查找表。另外，加固復(fù)合材料的不同變化也可包括唯一的查找表，從而從信號分析建立相應(yīng)的干涉配合。類似地，可執(zhí)行材料202及204和各個緊固件206類型和尺寸之間的各種相關(guān)聯(lián)，從而改進(jìn)在此公開的分析結(jié)果。為了測試緊固件206，一旦建立了閾值范圍，就可反向進(jìn)行上述關(guān)聯(lián)過程。因而，代替以未知的關(guān)聯(lián)返回超聲波信號測試已知的干涉配合，該過程可包括使用已知的關(guān)聯(lián)返回超聲波信號224測試未知的干涉配合。
在用于獲得數(shù)據(jù)樣本的實驗系統(tǒng)中，將Ritec RPR-4000高功率聲波脈沖發(fā)生器/接收器用作超聲波脈沖接收器300。此外，設(shè)置動態(tài)波發(fā)生器228，從而以具有500伏特的振幅的波驅(qū)動超聲波脈沖接收器230。也發(fā)現(xiàn)，動態(tài)波發(fā)生器228能夠以低至100伏特(并且在一些情況下甚至為50伏特)的信號驅(qū)動超聲波脈沖接收器230，控制器226產(chǎn)生有意義的結(jié)果。實驗系統(tǒng)使用DELL 630筆記本計算機(jī)，其配置有PicoScope 6軟件和Lab View8. 0版本(具有MatLab能力)軟件作為控制器226。另外，DELL 630計算機(jī)配備有PicoScope型5024USBDigital Oscilliscope (數(shù)字示波器)。實驗系統(tǒng)與以下裝置一起使用，即 01ympus、NDT/Panametric Model Nos. V-155RM 和 V156RM 以及 Technicsonic 5MHZ 橫波換能器218.繼續(xù)參考圖6，圖表600示出以下類型的實驗數(shù)據(jù)(或結(jié)果)圖表600A :返回超聲波信號224的縱波分量的最大能量。圖表600B :返回超聲波信號224的橫波分量的最大能量。圖表600C :返回超聲波信號224的縱波和橫波分量的最大能量的點積。圖表600D :返回超聲波信號224的縱波和橫波分量的最大能量的比率。圖表600E :返回超聲波信號224的縱波分量的最小能量。圖表600F :返回超聲波信號224的橫波分量的最小能量。圖表600G :返回超聲波信號224的縱波和橫波分量的最小能量的點積。圖表600H :返回超聲波信號224的縱波和橫波分量的最小能量的比率。圖表600A-H示出，返回超聲波信號224的縱波和橫波分量的能量(圖表600A、B、E和F)及其點積(圖表600C和G)展示出比這些數(shù)值的比率(圖表600D和H)與干涉配合度更好的相關(guān)性。因此，在一些實施例中，使用返回超聲波信號224的縱波和橫波分量的能量和/或其點積，從而確定各個緊固件206和緊固件孔214之間的干涉配合度。此外，能夠不移除緊固件206而確定各個干涉配合度。因而，能夠比目前更快、更有效、并且更準(zhǔn)確和精確地實施緊固件安裝驗證。圖7示出實驗數(shù)據(jù)(返回超聲波信號224的縱波和橫波分量的比率)的圖表700，這些實驗數(shù)據(jù)是針對在一個干涉配合范圍內(nèi)的具體小緊固件206而收集的。對于每個數(shù)據(jù)點，該圖表都指示縱波和橫波能量的最大和最小比率(通過使橫波換能器218繞緊固件206的頭部208移動而探測)。圖表700還表明每個測試的已知干涉配合的平均比率。干涉配合(沿X軸的數(shù)值)代表緊固件206的桿部210和緊固件孔214之間的裝配直徑的差異。注意以下問題可能是有用的即0. 001英寸的正干涉配合和0. 0005英寸的負(fù)干涉配合測試布置(最右兩個數(shù)據(jù)點)不處于所討論的具體緊固件206的公差內(nèi)(即，干涉配合太松)。如圖7所示，能夠?qū)⒆钚《朔〝M合、回歸技術(shù)等可以應(yīng)用于該數(shù)據(jù)，從而確定振幅比率和干涉配合度之間的線性或非線性關(guān)系702。由于圖7所示的比率展示大致線性關(guān)系，并且由于兩個公差外數(shù)據(jù)點都具有大致位于其他數(shù)據(jù)點之下的比率，所以圖表700也示出，至少能夠在一些情況下使用返回超聲波信號224的縱波和橫波組件之間的比率，從而確定緊固件206和緊固件孔214是否提供令人滿意的干涉配合。此外，在波音787翼盒的測試布置上進(jìn)行的示范產(chǎn)生以下數(shù)據(jù)。表I :波音787翼盒測試數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種方法，其包含 發(fā)送橫波超聲波信號通過緊固件的區(qū)域，當(dāng)所述緊固件經(jīng)歷干涉配合時所述區(qū)域經(jīng)受應(yīng)力，被發(fā)送的超聲波信號行進(jìn)通過所述區(qū)域并且由此對應(yīng)于所述緊固件正在經(jīng)歷的干涉配合度被模式轉(zhuǎn)換； 從所述緊固件接收返回超聲波信號； 從所述返回超聲波信號，確定所述緊固件正在經(jīng)歷的所述干涉配合度；以及 輸出對所述干涉配合度的指示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述干涉配合在所述緊固件和復(fù)合材料之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述返回信號是從所述緊固件的桿部的末端表面反射的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中對所述干涉配合度的所述指示為合格/不合格指/Jn ο
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述確定進(jìn)一步包含比較所述返回超聲波信號的縱波分量的能量和橫波分量的能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述橫波超聲波信號被換能器發(fā)送通過橫波傳播凝膠耦合劑界面，并且進(jìn)一步包含在發(fā)送和接收所述超聲波信號期間，以經(jīng)選擇的力將所述換能器施加至所述緊固件。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述橫波超聲波信號是由換能器發(fā)送的，并且進(jìn)一步包含對齊所述超聲波換能器和所述緊固件。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述對齊進(jìn)一步包含基于所述緊固件的構(gòu)造而對齊所述超聲波換能器和所述緊固件。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其進(jìn)一步包含發(fā)送另一橫波超聲波信號通過所述緊固件的不同區(qū)域，并且確定所述緊固件所經(jīng)歷的另一干涉配合度。
10.一種系統(tǒng)，其包含 超聲波換能器； 處理器，其與所述超聲波換能器通信；以及 存儲器，其與所述處理器通信，并且存儲計算機(jī)可讀指令，當(dāng)由所述處理器執(zhí)行所述指令時，使得所述處理器執(zhí)行以下動作 經(jīng)由所述超聲波換能器發(fā)送橫波超聲波信號，其中當(dāng)所述超聲波換能器通過橫波傳播凝膠耦合劑界面與緊固件對齊時，所述超聲波換能器傳送所述橫波通過所述緊固件的區(qū)域，所述區(qū)域在所述緊固件經(jīng)歷干涉配合時經(jīng)受應(yīng)力； 當(dāng)所述超聲波換能器與所述緊固件對齊時，經(jīng)由所述超聲波換能器從所述緊固件接收返回超聲波信號，所述返回超聲波信號已在通過經(jīng)受應(yīng)力的所述區(qū)域時對應(yīng)于所述緊固件經(jīng)歷的干涉配合度進(jìn)行了模式轉(zhuǎn)換； 從所述返回超聲波信號的所述模式轉(zhuǎn)換確定所述緊固件經(jīng)歷的所述干涉配合度；以及 輸出對所述干涉配合度的指示。
11.一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其存儲計算機(jī)可讀指令，當(dāng)由處理器執(zhí)行所述指令時，使得所述處理器執(zhí)行以下動作 經(jīng)由超聲波換能器發(fā)送橫波超聲波信號，其中當(dāng)所述超聲波換能器與緊固件對齊時，所述超聲波換能器傳送所述橫波通過所述緊固件的區(qū)域，所述區(qū)域在所述緊固件經(jīng)歷干涉配合時經(jīng)受應(yīng)力； 當(dāng)所述超聲波換能器與所述緊固件對齊時，經(jīng)由所述超聲波換能器從所述緊固件接收返回超聲波信號，所述返回超聲波信號已在通過經(jīng)受應(yīng)力的所述區(qū)域時對應(yīng)于所述緊固件經(jīng)歷的干涉配合度進(jìn)行了模式轉(zhuǎn)換； 從所述返回超聲波信號的所述模式轉(zhuǎn)換確定所述緊固件經(jīng)歷的所述干涉配合度；以及 輸出對所述干涉配合度的指示。
全文摘要
本發(fā)明公開驗證緊固件的干涉配合的技術(shù)和工藝的實施例。在一個實施例中，換能器被定位為發(fā)送橫波超聲波信號通過緊固件的區(qū)域，該區(qū)域在緊固件經(jīng)歷干涉配合時經(jīng)受應(yīng)力。橫波超聲波信號被發(fā)送通過經(jīng)受應(yīng)力的緊固件區(qū)域。當(dāng)被發(fā)送的超聲波信號遇到該區(qū)域時，其對應(yīng)于緊固件正在經(jīng)歷的干涉配合度而被模式轉(zhuǎn)換。通過換能器接收來自緊固件的返回超聲波信號。處理器從返回超聲波信號確定緊固件經(jīng)歷的干涉配合度，并且輸出對其的指示。
文檔編號G01L5/24GK102782469SQ201080046475
公開日2012年11月14日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者G·E·格爾吉森, K·E·尼爾森, M·麥肯納, P·S·盧瑟福 申請人:波音公司