彈體構件超聲檢測探頭運動路徑分析*

李天寧，王召巴，陳友興，任 彥

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051）

0 引言

超聲波檢測，由于顯示直觀、檢測速度快，已成為彈體等構件普遍采用的缺陷檢測技術。在彈體制造等工業領域中，許多工件都具有復雜的曲面外形，而超聲波傳播又具有很強的指向性，為保證檢測結果的準確性，對這些類型的曲面構件進行超聲檢測時，需要對探頭的安裝與運動軌跡進行規劃[1]。文中主要針對某彈體構件研究其超聲檢測中，關于探頭安裝與超聲耦合方式以及對彈體進行超聲檢測時的運動軌跡計算等問題。通過對構件外觀的變化分析探頭安裝與超聲耦合的方法，應用構件結構參數計算超聲檢測時探頭的運動軌跡。

1 曲面構件介紹和探頭安裝

1.1 曲面構件

彈體構件中存在一種外形變化較大且在應用超聲檢測時較難實現自動化的構件，弧錐面構件。

圖1即為此構件結構示意圖。此構件由細端實心部分、曲面部分（包含實心和空心部分）和大端開口部分組成。其中，文中主要針對弧錐面部分的超聲采集過程進行分析，此部分屬于規則曲面。

圖1 弧錐面構件結構

1.2 探頭安裝與耦合方法

上述構件屬于外形存在較大變化的類型，在超聲檢測過程中需要調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為探頭安裝的一個結構示意圖，由于構件表面的變化情況，探頭在安裝時與被檢工件間需要拉開一定的距離，所以就需要加裝一個探頭盒，并采用噴水的方法進行水耦合來完成檢測。

1.3 檢測方法

構件的曲面大部分內部為空心，構件壁厚較小，采用偏心值為0的方法檢測的情況下，由于超聲波擴散，造成兩個界面回波脈寬較寬，特征回波被界面回波覆蓋，根據文獻[2]中所述的檢測方法，文中對于實心部分的近中心缺陷采用偏心值為0的方法檢測，而對空心部分和實心部分的近表面缺陷則偏心一定的距離進行檢測，可以避免界面回波的影響。

圖2 探頭安裝示意圖

2 檢測過程探頭運動分析

文中根據檢測方法和構件表面的實際情況考慮，采用三維自由移動的方式和精確的控制器對探頭的運動和角度變換進行控制。根據一種對規則曲面結構工件進行超聲檢測時的超聲路徑規劃和曲面重構技術，需要應用超聲測距對探頭的位置進行調整[3]，其在超聲測距和探頭調整位置時需要花費大量時間。此方法適用于大型構件的自動化檢測，而文中的檢測對象尺寸較小，所以采用的方法是根據構件已知參數對其檢測路徑進行計算。

因為構件表面形狀較為規則，可以將檢測點分布規劃為：軸線方向上間隔一定的距離、圓周方向上間隔一定的弧長進行檢測，取值時要滿足檢測分辨率，且不能降低檢測效率。研究整個運動過程時，通過對弧錐面的實心部分進行計算，取偏心值為0，這樣可以將實心部分的近中心缺陷檢測過程和需要偏心的情況下的檢測過程分別進行分析。

2.1 實心弧錐面構件運動分析

整個構件的檢測主要是弧錐面部分的運動點位計算。要確定整個軸切面中的幾個重要參數。

如圖3所示，軸切面中弧線的半徑R、細端實心部分的半徑R0、開口端的最大半徑R1、弧線在軸線方向上的長度L、探頭與構件表面之間的距離即水聲程L′以及弧線兩端的兩個參考角度α、β。

圖3 構件參數說明

其中α、β為2個未知的角度，這種情況下，就需要根據其他已知的數據計算得出，圖4中，以O點為原點，取弧線的終點即D點的坐標為（x，y），利用x、y通過計算來確定α、β的角度值。

通過分析可以得出：

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動點位。而且，探頭運動軌跡是以（R＋L′）為半徑的一段圓弧。可以計算出A（x0，y0）點的位置。

假設探頭從一個已知位置E（x1，y1）移動到下一位置F（x2，y2），則可計算得E處相對于Y方向的角度α1：

圖4 探頭運動軌跡示意圖

同理，可以得出F處相對于Y方向的角度α2，則探頭需要轉動的角度就為α1－α2。通過角度α2計算得出F的位置。

2.2 偏心情況下的運動分析

通過對實心弧錐面結構檢測的探頭運動分析，已經可以確定探頭在軸切面內的運動點位和軌跡。由于需要了解檢測空心結構時的運動情況。要分析空心結構下的運動，就需要運用偏心檢測的方法，如圖5所示。首先要根據工件的結構進行偏心量的計算。

對空心構件進行偏心檢測，需要使超聲波進入構件后沿圖5中所示的路徑傳播，達到對整個構件壁檢測的目的。根據圖5所示，水中超聲波的聲速為Cw，彈體材料中的聲速為Cl，空心構件外半徑為r0，內半徑為r1，入射角為αw，折射角為αl。根據折射原理有：

圖5 空心部分偏心檢測示意圖

根據式（4）和式（5）可以得出偏心距d：

通過以上分析可知，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徑大小有關。

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′就會發生變化，引起回波信號位置的偏移。所以必須在偏心移動后，調整探頭的高度h使其符合水聲程固定不變的要求。根據式（5）有：

以上即為整個弧錐面結構超聲檢測的運動過程。

2.3 試驗結果分析

應用此方法進行完整的超聲在線檢測實驗，采集某構件的超聲回波信號，曲面部分的典型回波信號如圖6所示，圖6（a）為偏心值為0時，曲面的超聲回波信號，因為探頭已經偏轉一定的角度，而且表面是曲面，已經不存在上界面回波；圖6（b）為偏心值為0時，存在一個近中心缺陷的回波信號；圖6（c）為偏心距為d的，因為下界面回波能量受到偏心的影響，能量已經減小；圖6（d）為偏心距為d的情況下，構件內部存在一個缺陷，有明顯的缺陷回波信號。

圖6 典型回波信號

根據圖6中的回波信號分析，對曲面實心部分進行0偏心檢測時，近中心缺陷的特征回波較為明顯；對空心部分進行偏心檢測時，界面回波的能量已經很小，相比較缺陷回波則較為明顯，減少了界面回波對空心部分和近表面缺陷回波產生的影響。

3 結論

文中提出一種已知規則結構曲面的彈體構件超聲檢測時的探頭安裝與耦合方式及運動方法。文中考慮到被檢構件的結構特點選用了有噴水功能的探頭盒對探頭進行安裝；在分析超聲檢測路徑時，將進行超聲檢測時探頭的運動點位和路徑計算得出，并預先將其設置，使探頭按預定的路徑在滿足檢測要求的所有檢測點處，對弧錐面各部分進行超聲信號采集。與文獻中提及的檢測方法相比，有效地減少了利用超聲波測距和重新調整探頭位置的時間，對于在線檢測的效率有明顯的提高。

[1]吳思源，周曉軍，江鍵，等.超聲檢測中曲面重構和路徑規劃方法研究[J].浙江大學學報，2006，40（5）：763－767.

[2]戚勵文，王召巴，金永，等.合金彈體棒狀坯料超聲檢測方法研究[J].彈箭與制導學報，2009，29（4）：269－272.

[3]王艷穎，周曉軍，車煥淼，等.超聲檢測中的路徑受控仿形測量和曲面重構技術[J].中國機械工程，2003，14（6）：490－493.

[4]李雄兵，楊岳，胡宏偉，等.復雜型面構件超聲檢測中的路徑校驗方法[J].中國機械工程，2010，21 （15）：1775－1779.