复杂构件残余应力的机械手检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机械手超声临界值纵波接触式耦合折射法检测残余应力的装置 及方法，可以实现对被测试件的残余应力进行自动化检测，尤其对具有复杂曲面特征试样 的残余应力进行自动化检测。
【背景技术】
[0002] 现有技术中，复杂构件通常具有不规则的曲面特征或者轮廓曲率变化明显，传统 的基于笛卡尔坐标系进行位置定位和数据可视化、图像显示的超声检测装置难以准确地获 取此类构件的内部残余应力分布情况，例如本发明所检测的航空发动机叶片，其被测面曲 率变化较大，常用的接触式残余应力检测装置无法实现对其曲面特征进行轮廓跟踪和检 测，而依据被测件的检测需求设计的专用残余应力检测设备，在对被测件进行自动检测时， 存在着临界值纵波传播路径较复杂、且易在被测试样表面发生折射和反射导致超声能量衰 减等，检测仪器沿被测件表面运动的扫查路径难以规划等特点。
[0003] 目前针对具有复杂型面特征的被测件仍缺少必要的残余应力检测专用扫查装置。
[0004] 查阅相关文献得到若干种应力无损检测技术方案与系统，如专利文献 CN201320386584.1公开了一种检测残余应力与结构缺陷的系统，可用于对试件的残余应力 和结构缺陷进行检测。该系统包括激振装置、感测装置和显示装置，通过输入激励并对试件 的振动进行感应以得到振动信号的振幅和频率，对被测试样的导电导磁性能具有一定的要 求。且该系统装置仅依据分析接收信号的幅频特性判断其内部组织结构的残余应力和缺 陷，对于复杂构件的检测信号精度难以保证，因此不适用于对具有复杂曲面特征的试件轮 廓面进行检测。
[0005] 专利文献CN202903743U公布了一种无损检测的衍射时差检测装置，设计了一种衍 射时差法超声检测扫查架。该装置能够实现平行扫查和斜扫查，通过对探头组件安装在扫 查架主体或直杆上，实现对被测试样的接触式曲面跟踪和声时差检测，但是探头的移动是 由T型槽和滑块的配合带动的，精度难以提高。该方法对于曲率变化较剧烈的试样亦不适 用。
[0006] 本专利申请团队长期从事超声无损检测与残余应力校准与调控技术，在残余应力 检测和校准方面具有丰富的研究经验，先后提出了水耦非线性方法测残余应力和高能声场 局部聚焦调控残余应力等检测方法，但上述方法仍无法满足复杂特征试件的残余应力自动 化检测的需求。
[0007] 因此需要一种对具有复杂曲面特征的被测试样残余应力进行自动化检测的装置/ 机构和方法。
【发明内容】
[0008] 本发明是鉴于上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种机械手临界值超 声纵波接触式耦合折射法检测残余应力的装置，实现对被测试样残余应力的自动化检测， 尤其是可实现对具有复杂曲面特征试样的表层残余应力分布进行自动化检测与评估。
[0009] 本发明的另一个目的是提供一种适用于复杂构件的机械手临界值超声纵波接触 式耦合折射法检测残余应力的方法。
[0010] 本发明的技术方案一提供了一种机械手的超声临界值纵波接触式耦合折射法检 测残余应力的装置，用于对被测件的表层残余应力进行检测，其包括:工控机;机械手检测 专用扫查机构，包括一个机械手和机械手控制器，所述机械手和机械手控制器通过电源与 信号集成线缆进行连接和通讯，所述机械手控制器与所述工控机通过网线进行连接和通 讯，所述机械手用于夹持检测超声换能器;超声收发机构，包括超声换能器、超声脉冲收发 仪、数据采集卡，所述超声脉冲收发仪和高速数据采集卡连接到所述工控机上，受所述工控 机控制并进行超声脉冲信号的收发和采集，所述被测试样位置相对固定，在进行超声残余 应力检测时，所述工控机控制着夹持有检测用超声换能器的所述机械手的运行轨迹，所述 超声换能器分为激励信号换能器与接收换能器，前者在脉冲激励信号控制下发射超声，后 者接收由被测试样折射/反射的超声脉冲回波信号，并将该信号反馈给所述工控机。
[0011] 检测时超声换能器发射的超声纵波以第一临界角入射到被测试样表面，在试件表 面激发出临界折射纵波，临界折射纵波声速的变化量与应力的变化量满足声弹性公式，经 过对声速变化量的精确测量即可反映出测试区域应力值的大小和方向。信号传递至工控机 显示，通过观察来自试样表层及内部组织或试件底面临界值纵波声速即可对被测件残余应 力分布进行评估。检测过程中可以通过图像的形式实时显示检测过程中残余应力分布的扫 查结果。作为采取机械手夹持检测探头实现扫查运动的残余应力检测装置，本发明适用范 围广，在提高应力检测灵敏度的同时，对被测件的扫查空间和机械手的运动范围限制因素 少，保证了扫查结果的精度。
[0012] 本发明的技术方案二提供一种机械手超声临界值纵波接触式耦合折射法检测残 余应力的自动化检测方法，其包括如下步骤:将检测用换能器夹持在机械手的末端手腕上； 使所述机械手相对于固定的被测试样进行空间扫查轨迹运动;所述超声换能器为残余应力 检测信号激励源和接收器;所述机械手的空间位置数据和由被测件反射的超声信号反馈给 工控机;所述工控机对上述数据和信号进行处理，获取所述被测试样的内部残余应力分布 信息。
[0013] 本发明提出的应用于复杂构件残余应力自动化检测方法的机械手超声临界值纵 波接触式耦合折射法，实现了对被测试样残余应力分布的自动化检测，提高了检测的灵敏 度，尤其适用于对具有复杂曲面特征的试样进行残余应力的自动化检测。
【附图说明】
[0014] 图1为航空发动机叶片示意图；
[0015] 图2为可夹持复杂构件的机械手残余应力检测方法示意图；
[0016] 图3为机械手轨迹规划离散点路径示意图；
[0017] 图4为机械手工具坐标系与被测试样工件坐标系示意图；
[0018] 图5为复杂构件残余应力检测装置组成框图。
[0019]图6为残余应力检测激励、接收探头分布示意图 [0020]【符号说明】
[0021] 1、工控机;2、机械手扫查机构：3、超声收发装置;21、机械手；22、机械手控制器； 31、超声换能器;A:被测叶片榫头
【具体实施方式】
[0022] 下面参照附图对本发明的【具体实施方式】进行说明。如图1至图6所示，本发明提出 的复杂构件的机械手超声临界值纵波接触式耦合折射残余应力检测装置包括:工控机1、机 械手扫查机构2和超声收发装置3、辅助机构等。在集成了结构设计、运动控制技术、伺服驱 动技术和残余应力检测技术的基础上，通过机械手扫查机构2和超声收发装置3、辅助机构 的协同工作，实现对复杂型面被测试样残余应力的自动化检测。这是一种能够适用于复杂 非规则曲面的、检测效率较高的自动化检测装置。本发明以航空发动机叶片作为复杂型面 被测试样的一个例子进行说明。
[0023] 工控机1检测过程中与机械手扫查机构2保持信息通讯，同时也控制着机械手扫查 机构2、超声收发装置3和辅助机构的运行，通过软件编程进行参数设置、发送控制指令和读 取检测数据等工作。
[0024] 机械手超声临界值纵波接触式耦合折射法残余应力检测装置的组成框图如图5所 示，包括:工控机1;机械手扫查机构2，其包括一个机械手21和机械手控制器22，机械手21和 机械手控制器22通过电源与信号集成线缆进行连接和通讯，机械手控制器22与工控机1通 过网线进行连接和通讯，机械手21用于夹持检测用超声换能器;超声收发装置3,包括超声 换能器31、超声脉冲收发仪、数据采集卡，超声脉冲收发仪和高速采集卡与工控机1相连接， 由工控机1控制进行超声脉冲信号的收发和采集。辅助机构包括PLC控制面板、水循环机构 等。
[0025] 本发明利用机械手21夹持检测用超声换能器31完成检测所需的换能器空间轨迹 往复式扫查运动，被测叶片试样位置相对固定，