本發(fā)明涉及大型曲面構(gòu)件自動(dòng)無損檢測領(lǐng)域，具體涉及一種用于大型曲面構(gòu)件的超聲相控陣自動(dòng)掃查裝置，可用于航空航天、風(fēng)電等行業(yè)的重要構(gòu)件的自動(dòng)超聲相控陣檢測。

背景技術(shù)：
大型曲面構(gòu)件在航空航天、風(fēng)電等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用，如飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)電葉片等，這些構(gòu)件在生產(chǎn)和服役期間受制造工藝、外界環(huán)境、工作載荷等多種因素影響，難以避免會(huì)出現(xiàn)脫粘、氣孔、裂紋、疏松等各種常見缺陷。如不能及時(shí)檢出這些缺陷，將嚴(yán)重影響關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行，甚至?xí)斐刹豢晒懒康膿p失。超聲檢測是保障構(gòu)件制造質(zhì)量及服役安全的重要手段。相比傳統(tǒng)超聲檢測采用單個(gè)換能器，超聲相控陣檢測的探頭則是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，通過對(duì)各個(gè)陣元激勵(lì)時(shí)間控制，可方便地實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，因此超聲相控陣檢測具有掃查范圍廣、檢測效率高等特點(diǎn)，且能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。目前國內(nèi)外開展大型曲面構(gòu)件的超聲檢測大部分為檢驗(yàn)人員手動(dòng)操作探頭對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢測，檢測方法的局限決定了人工檢測效率低下，并且對(duì)大型曲面構(gòu)件進(jìn)行檢測時(shí)存在自動(dòng)化低、通用性差等弊端。因此針對(duì)大型曲面構(gòu)件的自動(dòng)檢測裝置正逐步受到重視。如授權(quán)公開號(hào)CN101894593A，授權(quán)公開日2010年11月24日的專利文獻(xiàn)公開了反應(yīng)堆壓力容器檢查機(jī)的探頭掃查裝置，該探頭掃查裝置能防止探頭機(jī)構(gòu)碰到貫穿件，且超聲探頭本體能夠緊密耦合，保證待測區(qū)域掃查。申請(qǐng)公開號(hào)CN103217482A，申請(qǐng)公開日2013年7月24日的專利文獻(xiàn)公開了超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)探頭支架裝置，該裝置采用對(duì)稱布置的雙彈簧、雙導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)及活動(dòng)連接板，通過壓縮彈簧壓緊使探頭沿工件表面最佳探傷位置移動(dòng)，具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。然而，上述超聲掃查裝置僅能進(jìn)行單向移動(dòng)，不能自動(dòng)地對(duì)構(gòu)件整體表面進(jìn)行掃查，且工作時(shí)必須配置相應(yīng)大型運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)支架，導(dǎo)致掃查裝置安裝復(fù)雜、檢測效率低，且對(duì)不同形狀及大小的曲面構(gòu)件檢測適用性差。因此，研究一種用于大型曲面構(gòu)件的便攜式自動(dòng)掃查裝置具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和意義。如申請(qǐng)公開號(hào)CN103852524A，授權(quán)公開日2014年6月11日的專利文獻(xiàn)公開了一種用于超聲檢測的自動(dòng)掃查裝置，該掃查裝置能通過磁性輪使得掃查裝置能夠緊貼金屬壁，從而對(duì)不同曲面及球面金屬壁的掃查進(jìn)行倒置或豎向掃查，且該發(fā)明結(jié)構(gòu)操作方便，掃查穩(wěn)定。授權(quán)公開號(hào)CN101603949B，授權(quán)公開日2009年12月16日的專利文獻(xiàn)公開了大型工件焊縫自動(dòng)超聲掃查器，該掃查器能對(duì)探頭縱向進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，適應(yīng)在不同表面形狀的待測工件上行走。然而上述掃查裝置均采用常規(guī)單個(gè)超聲探頭進(jìn)行檢測，掃查效率低，且易導(dǎo)致成像精度不高，缺陷評(píng)估困難，此外，掃查軌跡通過人工操作來調(diào)節(jié)，極易導(dǎo)致缺陷的漏檢。另外現(xiàn)有超聲自動(dòng)掃查裝置絕大部分的掃查方式均難以用于變曲率曲面，且現(xiàn)有超聲自動(dòng)掃查裝置在邊界判斷、界面耦合等關(guān)鍵技術(shù)仍存在很多問題亟需解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于大型曲面構(gòu)件的超聲相控陣自動(dòng)掃查裝置，該掃查裝置能在保證換能器與大型構(gòu)件的小曲率表面耦合良好前提下完成自動(dòng)掃查，并進(jìn)行邊界判斷及自動(dòng)轉(zhuǎn)向，通過在構(gòu)件表面進(jìn)行“弓”形掃查實(shí)現(xiàn)自動(dòng)超聲檢測。采用超聲相控陣換能器和相應(yīng)處理器總成能進(jìn)一步提高缺陷檢出精度，提高檢測效率，并進(jìn)行實(shí)時(shí)成像及數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種用于大型曲面構(gòu)件的超聲相控陣自動(dòng)掃查裝置，包括底盤、驅(qū)動(dòng)組件、機(jī)殼、電源、處理器總成、耦合劑儲(chǔ)罐、低壓泵、轉(zhuǎn)向組件、傳感器、滾筒刷組件及換能器組件；驅(qū)動(dòng)組件、轉(zhuǎn)向組件與底盤上的支撐座配合安裝；電源、耦合劑儲(chǔ)罐及低壓泵依次安裝在底盤上；傳感器安裝在底盤前端的支架內(nèi)；滾筒刷組件、換能器組件、處理器總成依次與機(jī)殼固定；機(jī)殼與底盤配合安裝。驅(qū)動(dòng)組件、轉(zhuǎn)向組件與底盤連接處裝有由支撐座、壓縮彈簧及支撐桿配合安裝的減震裝置，利用壓縮彈簧的彈性變形減少掃查裝置行駛過程中因大型曲面構(gòu)件表面不平整引起的振動(dòng)，有效地提高掃查裝置運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。在驅(qū)動(dòng)組件的懸架支撐板上裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)及轉(zhuǎn)速傳感器，在驅(qū)動(dòng)軸上設(shè)有制動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與處理器總成中電機(jī)控制模塊相連，以實(shí)現(xiàn)掃查裝置的運(yùn)動(dòng)控制；同時(shí)通過轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測掃查裝置的速度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥骺偝芍械膫鞲衅鲾?shù)據(jù)采集/處理模塊。當(dāng)掃查裝置出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)故障時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)判斷故障并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。在手動(dòng)掃查模式下，由于檢測到缺陷而掃查裝置靜止時(shí)，處理器總成發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)輸入制動(dòng)器內(nèi)，導(dǎo)致電磁鐵通電吸引摩擦片，使其壓緊在車輪軸的制動(dòng)盤上，防止手動(dòng)模式下掃查裝置在構(gòu)件曲表面下溜。轉(zhuǎn)向組件中擺桿與轉(zhuǎn)向電機(jī)上的凸輪配合安裝，擺桿遠(yuǎn)端開通孔，通過扭轉(zhuǎn)彈簧與連桿連接，擺臂與連桿配合安裝，轉(zhuǎn)向電機(jī)與處理器總成中的電機(jī)控制模塊相連，通過控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)控制掃查裝置轉(zhuǎn)向，并通過扭轉(zhuǎn)彈簧的彈性變形使擺桿復(fù)位；轉(zhuǎn)速傳感器安裝在擺臂上，并與處理器總成中的傳感器數(shù)據(jù)采集/處理模塊相連，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測車輪的速度。滾筒刷組件中連接桿裝有減震裝置，在滾筒刷支架內(nèi)設(shè)置耦合劑閥，閥口與滾筒刷支架內(nèi)側(cè)通孔相連，通過滾筒刷遇到的阻力大小自動(dòng)調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)容積，以改變耦合劑流量；滾筒采用圓柱泡沫塑料，確保耦合層連續(xù)與均勻。換能器組件中連接桿采用減震裝置，換能器座前端開兩個(gè)平行螺孔，通過緊固螺栓固定超聲相控陣換能器，換能器座側(cè)翼通過扭轉(zhuǎn)彈簧與換能器支架相連，換能器支架通過旋轉(zhuǎn)接頭與支撐桿連接且能相互轉(zhuǎn)動(dòng)，確保換能器與構(gòu)件表面耦合良好。通過采用超聲相控陣換能器，提高檢測靈敏度并增加掃查面積，檢測同時(shí)能通過相控陣超聲信號(hào)處理模塊在顯示器或計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。底盤前端傳感器座安裝有水平布置的壓力傳感器。通過壓力傳感器監(jiān)測掃查裝置前端壓力變化，當(dāng)壓力傳感器接觸到構(gòu)件終點(diǎn)端人為設(shè)置的止動(dòng)塊，且壓力突變超過閾值時(shí)，掃查裝置停止工作。底盤前端傳感器座安裝有豎直布置的距離傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測被測構(gòu)件表面到傳感器表面的距離。當(dāng)掃查裝置到達(dá)構(gòu)件邊界，該距離發(fā)生突變且超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，處理器總成中的傳感器數(shù)據(jù)采集/處理模塊接收到距離突變信號(hào)，并將轉(zhuǎn)向信號(hào)傳輸至電機(jī)控制模塊，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，掃查裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。底盤前端安裝耦合劑儲(chǔ)罐，通過與其相連的低壓泵實(shí)現(xiàn)滾筒刷組件內(nèi)耦合劑供給。掃查裝置處理器總成、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)及低壓泵所需工作用電均由安裝在底盤后端的電源提供。掃查工作之前，通過數(shù)據(jù)端口設(shè)定或修改檢測參數(shù)；掃查裝置工作開始后，由相控陣超聲信號(hào)采集/發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)超聲相控陣換能器的激勵(lì)與回波信號(hào)接收，通過相控陣超聲信號(hào)處理模塊完成數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，當(dāng)檢測到缺陷則進(jìn)行聲光報(bào)警。通過傳感器數(shù)據(jù)采集/處理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測掃查裝置車輪轉(zhuǎn)速、傳感器表面至構(gòu)件表面距離及裝置前端接觸壓力等參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，當(dāng)掃查裝置運(yùn)動(dòng)異常時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警，且完成掃查裝置邊界判斷及自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)速、壓力、距離及缺陷回波信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)超聲檢測數(shù)據(jù)的離線分析，并結(jié)合掃查裝置的轉(zhuǎn)速及運(yùn)動(dòng)軌跡等來確定缺陷位置。本發(fā)明的有益效果在于可實(shí)現(xiàn)航空航天、風(fēng)電等行業(yè)的重要構(gòu)件自動(dòng)超聲無損檢測，適用于水平布置的小曲率大型構(gòu)件，且能實(shí)現(xiàn)邊界判斷并自動(dòng)轉(zhuǎn)向，并具有自動(dòng)化程度高、掃查區(qū)域廣、檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)。附圖說明圖1為本發(fā)明的整體裝配示意圖。圖2為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)組件示意圖。圖3為本發(fā)明轉(zhuǎn)向組件示意圖。圖4為本發(fā)明滾筒刷組件示意圖。圖5為本發(fā)明耦合劑閥示意圖。圖6為本發(fā)明換能器組件示意圖。圖7為本發(fā)明處理器總成的構(gòu)成示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，一種用于大型曲面構(gòu)件的超聲相控陣自動(dòng)掃查裝置，包括電源1、驅(qū)動(dòng)組件2、處理器總成3、機(jī)殼4、轉(zhuǎn)向組件5、壓力傳感器6、距離傳感器7、低壓泵8、耦合劑儲(chǔ)罐9、滾筒刷組件10、換能器組件11、底盤12；所述驅(qū)動(dòng)組件2、轉(zhuǎn)向組件5中擺臂與底盤12側(cè)翼支撐座內(nèi)的支撐桿配合安裝；機(jī)殼4安裝在底盤12上；所述滾筒刷組件10、換能器組件11通過沉頭螺釘固定在機(jī)殼凹槽內(nèi)；所述壓力傳感器6、距離傳感器7安裝在底盤12的傳感器座內(nèi)，所述電源1、低壓泵8、耦合劑儲(chǔ)罐9依次安裝在底盤12上。如圖2所示，所述驅(qū)動(dòng)組件2包括轉(zhuǎn)速傳感器21、車輪軸22、主動(dòng)齒輪23、壓縮彈簧24、后車輪25、驅(qū)動(dòng)電機(jī)26、從動(dòng)齒輪27、制動(dòng)器28、懸架29；所述轉(zhuǎn)速傳感器21、驅(qū)動(dòng)電機(jī)26安裝在懸架29的支撐板上，所述主動(dòng)齒輪23、從動(dòng)齒輪27通過定位銷分別與驅(qū)動(dòng)電機(jī)26及車輪軸22配合安裝；所述壓縮彈簧24與懸架29的凸臺(tái)通孔配合安裝；所述車輪軸22軸身及軸端處分別安裝有制動(dòng)器28與后車輪25。如圖3所示，所述轉(zhuǎn)向組件5包括壓縮彈簧51、擺桿52、凸輪53、連桿54、前車輪55、擺臂56、轉(zhuǎn)向電機(jī)57、扭轉(zhuǎn)彈簧58；所述擺臂56通過壓縮彈簧51、扭轉(zhuǎn)彈簧58與底盤凸臺(tái)座配合安裝，擺臂末端安裝前車輪55；所述擺桿52通過扭轉(zhuǎn)彈簧58與連桿54連接；所述凸輪53與擺桿52遠(yuǎn)端弧形槽配合安裝，并通過定位銷與轉(zhuǎn)向電機(jī)57固定；通過控制轉(zhuǎn)向電機(jī)57轉(zhuǎn)數(shù)控制掃查裝置轉(zhuǎn)向，并通過扭轉(zhuǎn)彈簧58的彈性變形使擺桿52復(fù)位。如圖4所示，所述滾筒刷組件10包括固定板101、耦合劑閥102、滾筒刷支架103、滾筒104、緊固螺栓105、軸106；所述固定板101通過耦合劑閥102與滾筒刷支架103相連；且兩端對(duì)稱開兩螺孔，通過沉頭螺栓與機(jī)殼固定，所述軸106的軸身處安裝滾筒104，且軸端通過緊固螺栓105與滾筒刷支架103兩翼通孔配合安裝。如圖5所示，所述耦合劑閥102包括滾花螺母1021、支撐桿1022、壓縮彈簧1023、進(jìn)口1024、活塞1025、支撐板1026、閥芯1027、出口1028、閥體1029；所述閥體1029側(cè)翼及底面分別開進(jìn)口1024和出口1028；所述活塞1025兩端凸臺(tái)通過壓縮彈簧1023分別與支撐桿1022及支撐板1026配合安裝；所述滾花螺母1021安裝在支撐桿1022延長端；所述閥芯1027通過壓縮彈簧1023頂緊支撐板1026通孔，通過閥腔內(nèi)耦合劑壓力變化控制閥芯1027與通孔的開閉，并有效地防止耦合劑倒流。通過滾筒刷與變曲率構(gòu)件表面相互作用力大小自動(dòng)調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)容積，以改變耦合劑流量。如圖6所示，所述換能器組件11包括壓縮彈簧111、固定板112、支撐桿113、扭轉(zhuǎn)彈簧114、超聲相控陣換能器115、緊固螺栓116、換能器座117、換能器支架118、旋轉(zhuǎn)接頭119；所述固定板112兩端對(duì)稱開兩螺孔，通過沉頭螺栓與機(jī)殼裝配，且通過壓縮彈簧111與支撐桿113配合安裝，確保超聲相控陣換能器高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。所述換能器座117側(cè)翼通過扭轉(zhuǎn)彈簧114與換能器支架118相連，換能器支架118通過旋轉(zhuǎn)接頭119與支撐桿113連接且能相互轉(zhuǎn)動(dòng)，確保換能器與構(gòu)件表面耦合良好；所述換能器座117側(cè)翼開兩對(duì)稱螺孔，通過緊固螺栓116固定超聲相控陣換能器115。如圖7所示，所述電源用于向掃查裝置供電；所述處理器總成中的電機(jī)控制模塊、無線信號(hào)發(fā)射/接收模塊及遙控手操器，用于掃查裝置運(yùn)動(dòng)控制；所述處理器總成中的傳感器數(shù)據(jù)采集/處理模塊用于轉(zhuǎn)速、壓力、距離等數(shù)據(jù)的采集與處理；所述相控陣超聲信號(hào)采集/發(fā)射模塊，用于相控陣換能器超聲信號(hào)的激發(fā)及回波信號(hào)接收；所述相控陣超聲信號(hào)處理模塊，對(duì)采集到的相控陣超聲波信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)處理與缺陷判定，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像及缺陷自動(dòng)報(bào)警；所述處理器總成中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于掃查裝置檢測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并通過處理器總成中的數(shù)據(jù)接口與計(jì)算機(jī)連接，以對(duì)被測構(gòu)件的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，且同時(shí)可以由計(jì)算機(jī)設(shè)置和修改掃查裝置處理總成中的參數(shù)，如報(bào)警閾值、轉(zhuǎn)向閾值、電機(jī)轉(zhuǎn)速及其他超聲檢測參數(shù)等。掃查裝置運(yùn)動(dòng)控制過程：當(dāng)外部遙控手操器控制啟動(dòng)后，通過無線信號(hào)發(fā)射/接收模塊發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由處理器總成中的電機(jī)控制模塊控制驅(qū)動(dòng)組件中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)車輪轉(zhuǎn)速。距離傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測被測構(gòu)件表面到傳感器表面的距離，當(dāng)掃查裝置到達(dá)構(gòu)件邊界，該距離發(fā)生突變且超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，處理器總成中的傳感器數(shù)據(jù)采集/處理模塊接收到距離突變信號(hào)，并將轉(zhuǎn)向信號(hào)傳輸至電機(jī)控制模塊，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，掃查裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。當(dāng)設(shè)置掃查模式為手動(dòng)模式時(shí)，掃查裝置檢測到缺陷時(shí)停止運(yùn)動(dòng)且制動(dòng)器28制動(dòng)，同時(shí)蜂鳴器及發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，且遙控手操器再次發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)后掃查裝置繼續(xù)掃查。當(dāng)設(shè)置掃查為自動(dòng)模式時(shí)，掃查裝置從起點(diǎn)到終點(diǎn)沿“弓”形掃查。當(dāng)壓力傳感器6接觸到終點(diǎn)端處人為設(shè)置的止動(dòng)塊時(shí)，且壓力變化超過閾值時(shí)，掃查裝置停止運(yùn)動(dòng)。掃查裝置探傷過程：掃查工作之前，通過數(shù)據(jù)端口設(shè)定或修改檢測參數(shù)；掃查裝置工作開始后，由相控陣超聲信號(hào)采集/發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)超聲相控陣換能器的激勵(lì)與回波信號(hào)接收，通過相控陣超聲信號(hào)處理模塊完成數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，當(dāng)檢測到缺陷則進(jìn)行聲光報(bào)警。通過傳感器數(shù)據(jù)采集/處理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測掃查裝置車輪轉(zhuǎn)速、傳感器表面至構(gòu)件表面距離及裝置前端接觸壓力等參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。當(dāng)掃查裝置運(yùn)動(dòng)異常時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警，且完成掃查裝置邊界判斷及自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)速、壓力、距離及缺陷回波信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)超聲檢測數(shù)據(jù)的離線分析，并結(jié)合掃查裝置的轉(zhuǎn)速及運(yùn)動(dòng)軌跡等來確定缺陷位置。