CN115451876B - 一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检验检测领域，特别涉及一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置及方法，所述装置包括超声相控阵仪器和若干校准块，所述校准块材料与待测零件材料相同，所述校准块内设置校准环槽，校准环槽尺寸与待测零件环槽设计尺寸相同或相近，超声相控阵仪器通过检测校准环槽获取测量基准，在所述测量基准的基础上进行待测零件环槽实际宽度测量，所述方法采用上述装置，利用了超声相控阵仪器，在不借助机械装置的情况下实现图像扫查成像，可实现零件装配状态下的原位检测，从零件的外部进行测量，不受零件开口大小、环槽位置深度的影响，对于外场已装机零件的内腔环槽尺寸测量排故，无需拆卸零件，具有经济快捷效果。

Description

一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及检验检测领域，特别涉及一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置及方法。

背景技术

飞机的收放系统、液压系统、生命保障系统等含有大量的回转体结构件，在飞机的起飞、飞行、降落过程中发挥着重要的作用。如飞机的起落架装置，由回转体零件组成，这类零件内部的环槽尺寸直接影响组件的气密性、工作效能及内部胶圈、挡圈的使用寿命。

在生产现场，航空工业回转体零件内部环槽的厚度可采用超声测厚仪测厚，宽度一般采用定制的卡尺、塞规等常规测量工具进行测量，以验证加工工艺的可靠性，但是由于这类零件结构复杂、零件开口尺寸小(部分零件属于半封闭状态)、内腔深度较深，环槽宽度的测量难度大，无法实现环槽尺寸的快速准确检测。

虽然对于内腔尺寸检测可采用工业CT测量，但是该方法的设备昂贵，投入成本高，而且需将零件送至CT设备安置地点检测，对于生产现场的航空工业回转体零件不便于操作。

因此，目前亟需要一种技术方案，以解决现有航空工业回转体零件无法实现内部环槽尺寸快速检测的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有航空工业回转体零件无法实现内部环槽尺寸快速检测的技术问题，提供了一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，包括超声相控阵仪器和若干校准块，所述校准块材料与待测零件材料相同，所述校准块内设置校准环槽，校准环槽尺寸与待测零件环槽设计尺寸相同或相近，超声相控阵仪器通过检测校准环槽获取测量基准，在所述测量基准的基础上进行待测零件环槽实际宽度测量。

本发明的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，通过采用超声相控阵仪器检测零件内部环槽宽度，实现超声相控阵仪器的参数调节，为待测零件环槽检测提供测量基准，在不借助机械装置的情况下实现图像扫查成像，实现待测零件环槽的原位准确检测，检测效率高，可实现快速电子扫描，十分便携，同时，通过采用超声相控阵仪器从零件的外部进行测量，不受零件开口大小、环槽位置深度等的影响，对于外场已装机零件的内部环槽尺寸测量排故，无需拆卸零件，具有经济快捷的效果。

作为本发明的优选方案，所述测量基准包括超声相控阵仪器检测校准环槽时的一次底波波高G、光标移动至与校准环槽宽度适应时的波高降幅-Z dB。此两处的波高代表环槽的两边界处反射的超声回波信号的强弱，可通过信号强弱表征环槽边界，进而准确确定环槽宽度。

作为本发明的优选方案，所述待测零件环槽设计尺寸参数包括环槽处零件最小外直径D_min、最大外直径D_max，环槽处最小壁厚H_min、最大壁厚H_max，环槽最小宽度W_min、最大宽度W_max，环槽底部最小倒圆半径R_min、最大倒圆半径R_max，单位均为mm；

所述校准环槽尺寸参数A＝(Dn，Hm，Wx，Ry)；Dn为校准环槽处零件外直径d_n的集合Dn{d₁,....,d_n}，d₁,....,d_n为等差数列，d₁≤D_min，D_max≤d_n；Hm为校准环槽处壁厚h_m的集合Hm{h₁,....,h_m}，h₁,....,h_m为等差数列，h₁≤H_min，H_max≤h_m；Wx为校准环槽宽度w_x的集合Wx{w₁,....,w_x}，w₁,....,w_x为等差数列，w₁≤W_min，W_max≤w_x；Ry为校准环槽底部倒圆半径大小r_y的集合Ry{r₁,....,r_y}，r₁,....,r_y为等差数列，r₁≤R_min，R_max≤r_y，单位均为mm。A为用于表征校准环槽尺寸的参数集合，使校准环槽的尺寸参数与待测零件环槽尺寸参数相适应，为待测零件环槽的宽度测量提供准确的测量基准。

作为本发明的优选方案，所有校准块制备完成后分别进行校准环槽的计量标定。计量标定为采用现有技术的例如工业CT测量等检测途径进行校准环槽的准确测量，使校准环槽的尺寸精确，为待测零件环槽提供准确的测量基准，提高测量准确度。

作为本发明的优选方案，所述超声相控阵仪器通过A扫及D扫显示；所述超声相控阵仪器的聚焦扫查方式为垂直聚焦、线性扫查，聚焦深度hm，单位mm。

作为本发明的优选方案，所述超声相控阵仪器包括探头，所述探头包括N个线性排列的晶元，所述晶元尺寸长为a、宽为b，单位mm；所述探头每次聚焦激发晶元数量S＝a/b，S为计算结果取整，S为2^k，k为正整数，且(N-S)*b＞校准环槽宽度w_x；所述探头每次聚焦激发间隔晶元数量≤1。晶元的长度a增加能够使超声声束主瓣和栅瓣的宽度减小，而无法改变或减小栅瓣的幅度，晶元长度a是宽度b的2倍时，相控线阵的聚焦指向性极差，而当a＝16b时，波束具有良好的指向性和聚焦性，但当宽度b继续增加时，波束的形状没有改变，波束的能量强度却有所减弱，故在生产制造探头时一般要求a≥16b，每组激发的晶元数量的增加，主瓣宽度逐渐变窄，波束聚焦指向性得到逐渐改善，旁瓣幅值逐渐减小，但是随着S的增加，系统的通道数量也随之增加，从而增加了系统的复杂性和成本，所以，一般可取N≥16，在此原理基础上，采用每次聚焦激发晶元数量S＝a/b，能够实现通过快速计算，获得理想的超声声束，提高校准环槽和待测零件环槽的测量效率和测量精度。

作为本发明的优选方案，所述探头与待测零件之间设置延迟块，所述延迟块厚度为≥h_m*V₂/V₁；h_m为校准环槽处壁厚，V₂为延迟块材料声速，V₁为校准块材料声速。通过增加延迟快，减少超声近场盲区以及近场区的干扰，以获得利于测量观察的信号。

一种回转体零件内部环槽宽度测量的方法，采用如上所述一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，通过超声相控阵仪器检测校准块内校准环槽，获取测量校准环槽时的一次底波波高G、光标移动至与校准环槽宽度适应时的波高降幅-Z dB，再在待测零件环槽的检测图像上获取一次底波波高G、波高降幅-Z dB时的光标间距，所述光标间距即为待测零件环槽的宽度。

本发明的一种回转体零件内部环槽宽度测量的方法，利用了超声相控阵仪器通过控制阵列探头中各晶元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，在不借助机械装置的情况下实现图像扫查成像，可实现零件装配状态下的原位检测，即将线阵探头沿着回转体零件轴线方向横跨在环槽处即可得到环槽位置的截面成像，然后进行测量，该方法从零件的外部进行测量，不受零件开口大小、环槽位置深度的影响，对于外场已装机零件的内腔环槽尺寸测量排故，无需拆卸零件，具有经济快捷的效果。

作为本发明的优选方案，包括如下步骤，

校准块选取：根据被测零件环槽设计尺寸，选择环槽处直径、壁厚和底部倒角大小最接近的校准块；

探头选用：选用频率≥10MHz的超声相控阵探头；

测量仪器参数设定：进行聚焦扫查方式设定；

校准块测量：选用D扫及A扫显示，将探头沿着回转体零件轴线方向横跨在校准环槽处，移动探头位置，调节激发脉冲及增益；使校准环槽的检测图像位于D扫图像中间位置；

测量基准选取：将超声相控阵仪器显示屏幕上显示的校准环槽的一次底面超声回波信号的波波高调节至A扫区域满屏的80％至100％之间，并记录此时的波高G，采用超声相控阵仪器光标框选测量点，以校准环槽的实际宽度为基准，将两个光标分别调节至校准环槽D扫图像的两侧，使得两个光标的间距与校准环槽实际宽度W相同，记录这两处光标对应处的A扫波高降幅-Z dB；

零件环槽测量：根据待测零件环槽的实际厚度重新设定聚焦深度为H，调节待测零件环槽的一次底波高度至波高G，将两个光标分别调至待测零件环槽的D扫图像波高降幅-ZdB处，计算两个光标的间距，即为待测零件环槽的宽度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，通过采用超声相控阵仪器检测零件内部环槽宽度，实现超声相控阵仪器的参数调节，为待测零件环槽检测提供测量基准，在不借助机械装置的情况下实现图像扫查成像，实现待测零件环槽的原位准确检测，检测效率高，可实现快速电子扫描，十分便携，同时，通过采用超声相控阵仪器从零件的外部进行测量，不受零件开口大小、环槽位置深度等的影响，对于外场已装机零件的内部环槽尺寸测量排故，无需拆卸零件，具有经济快捷的效果；

2、本发明的一种回转体零件内部环槽宽度测量的方法，利用了超声相控阵仪器通过控制阵列探头中各晶元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，在不借助机械装置的情况下实现图像扫查成像，可实现零件装配状态下的原位检测，即将线阵探头沿着回转体零件轴线方向横跨在环槽处即可得到环槽位置的截面成像，然后进行测量，该方法从零件的外部进行测量，不受零件开口大小、环槽位置深度的影响，对于外场已装机零件的内腔环槽尺寸测量排故，无需拆卸零件，是最经济快捷的手段。

附图说明

图1是本发明中所述校准块的结构示意图；

图2是本发明中所述超声相控阵仪器的探头部分的结构示意图；

图3是本发明中所述超声相控阵仪器的探头部分的结构示意图二；

图4是本发明的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置的使用状态图；

图5是本发明的一种回转体零件内部环槽宽度测量的方法的流程示意图；

图6是实施例的环槽超声相控阵D扫成像及测量基准选取示意图一；

图7是实施例的环槽超声相控阵D扫成像及测量基准选取示意图二。

图标：

1-超声相控阵仪器，11-探头，12-晶元，13-显示屏幕，2-校准块，21-校准环槽，3-延迟块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

以某已知加工制造的回转体类零件为例进行说明，该类型回转体零件呈圆型套筒结构状，零件外直径80mm～20mm，零件内环槽沿轴线方向的宽度为4mm～2mm，环槽处壁厚为6mm～2mm，环槽处底部倒圆，倒圆半径0.5mm～0.2mm，材料为30CrMnSiA。

进行测量前，准备一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，如图1-图4所示，装置包括超声相控阵仪器和若干校准块，根据待测零件材料及环槽设计尺寸参数，确定校准块内校准环槽尺寸参数，校准块材料与待测零件材料相同，校准块内校准环槽尺寸与待测零件环槽设计尺寸相同或相近。

具体的，采用30CrMnSiA棒料加工制作校准块，结合待测零件环槽设计尺寸，确定校准块外直径的集合为{20,50,80}，单位mm；校准环槽宽度的集合为{2,4}，单位mm；校准环槽处壁厚的集合为{2,4,6}，单位mm；校准环槽处底部倒圆，倒圆半径大小的集合为{0.2,0.5}，单位mm；得到如表1所示校准环槽相关尺寸表。

表1.校准环槽相关尺寸表

具体的，校准块制备完成后，对所有校准块采用工业CT测量进行计量标定，以确保校准块内校准环槽的尺寸精度。

结合表1，采用一种回转体零件内部环槽宽度测量的方法进行某具体的待测零件环槽检测，待测零件设计尺寸为：外径62mm、环槽宽度3mm、环槽处壁厚为4mm,环槽处底部倒圆半径为0.5mm。

如图5所示，具体包括如下步骤：

S1、校准块选取：结合表1，选用材料为30CrMnSiA材料、外直径为50mm、校准环槽宽为4mm、校准环槽处壁厚为4mm、校准环槽处底部倒圆半径为0.5mm的校准块；

S2、探头选用：选用奥林巴斯OMNISCAN MX2超声相控阵仪器，奥林巴斯相控阵探头10L64-A(工作频率10MHz，具有64个晶元，各晶元宽0.3mm、长5mm)；延迟块为10mm厚有机玻璃块；

S3、测量仪器参数设定：设置探头参数，包括探头型号、频率、晶元大小、延迟块的声速、厚度以及被检材料声速；选用0度线聚焦(垂直聚焦)，16个晶元为一组间隔1个晶元激发(5mm/0.3mm＝16.7，取整数16)，聚焦深度4mm；

S4、校准块测量：将探头沿校准块轴线方向设置于校准环槽位置，超声相控阵成像方式选用D扫及A扫显示，移动探头位置，调节激发脉冲及增益使得校准环槽的图像位于D扫图像中间位置；

S5、测量基准选取：如图6所示，根据校准环槽的D扫及A扫显示，将超声相控阵仪器显示屏幕上显示的校准环槽的一次底面超声回波信号的波高调节至A扫区域满屏的80％至100％之间，并记录此时的波高G，再采用超声相控阵仪器的光标框选测量点，以校准环槽的实际宽度为基准，将两个光标分别调节至校准环槽D扫图像的两侧，使得两个光标的间距为校准环槽实际宽度4mm，此时记录这两处光标对应处的A扫波高降幅-Z dB；

S6、零件环槽测量：重新设定聚焦深度，采用S4的布置方式进行待测零件环槽宽度的测量，如图7所示，调节待测零件环槽的一次底波高度至波高G，将超声相控阵仪器的两个光标分别调至待测零件环槽的D扫图像波高降幅-Z dB处，计算两个光标的间距，即为待测零件环槽的实际宽度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，其特征在于，包括超声相控阵仪器和若干校准块，所述校准块材料与待测零件材料相同，所述校准块内设置校准环槽，校准环槽尺寸与待测零件环槽设计尺寸相同或相近，超声相控阵仪器通过检测校准环槽获取测量基准，在所述测量基准的基础上进行待测零件环槽实际宽度测量，所述测量基准包括超声相控阵仪器检测校准环槽时的一次底波波高G、光标移动至与校准环槽宽度适应时的波高降幅-Z dB。

2.如权利要求1所述的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，其特征在于，所述待测零件环槽设计尺寸参数包括环槽处零件最小外直径D_min、最大外直径D_max，环槽处最小壁厚H_min、最大壁厚H_max，环槽最小宽度W_min、最大宽度W_max，环槽底部最小倒圆半径R_min、最大倒圆半径R_max，单位均为mm；

所述校准环槽尺寸参数A=（Dn，Hm，Wx，Ry）；

Dn为校准环槽处零件外直径d_n的集合Dn{d₁,....,d_n}，d₁,....,d_n为等差数列，d₁≤D_min，D_max≤d_n；

Hm为校准环槽处壁厚h_m的集合Hm{h₁,....,h_m}，h₁,....,h_m 为等差数列，h₁≤H_min，H_max≤h_m；

Wx为校准环槽宽度w_x的集合Wx{w₁,....,w_x}，w₁,....,w_x为等差数列，w₁≤W_min，W_max≤w_x；

Ry为校准环槽底部倒圆半径大小r_y的集合Ry{ r₁,....,r_y }，r₁,....,r_y为等差数列，r₁≤R_min，R_max≤r_y，单位均为mm。

3.如权利要求2所述的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，其特征在于，所有校准块制备完成后分别进行校准环槽的计量标定。

4.如权利要求2所述的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，其特征在于，所述超声相控阵仪器通过A扫及D扫显示；所述超声相控阵仪器的聚焦扫查方式为垂直聚焦、线性扫查，聚焦深度与环槽处壁厚相匹配。

5.如权利要求4所述的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，其特征在于，所述超声相控阵仪器包括探头，所述探头包括N个线性排列的晶元，所述晶元尺寸长为a、宽为b，单位mm；

所述探头每次聚焦激发晶元数量S= a/b，S为计算结果取整，S为2^k，k为正整数，且（N-S）*b＞校准环槽宽度w_x；

所述探头每次聚焦激发间隔晶元数量≤1。

6.如权利要求5所述的一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，其特征在于，所述探头与待测零件之间设置延迟块，所述延迟块厚度≥h_m *V₂/V₁；

h_m为校准环槽处壁厚，V₂为延迟块材料声速，V₁为校准块材料声速。

7.一种回转体零件内部环槽宽度测量的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任意一项所述一种回转体零件内部环槽宽度测量的装置，通过超声相控阵仪器检测校准块内校准环槽，获取测量校准环槽时的一次底波波高G、光标移动至与校准环槽宽度适应时的波高降幅-Z dB，再在待测零件环槽的检测图像上获取一次底波波高G、波高降幅-Z dB时的光标间距，所述光标间距即为待测零件环槽的宽度。

8.如权利要求7所述一种回转体零件内部环槽宽度测量的方法，其特征在于，包括如下步骤，

校准块选取：根据被测零件环槽设计尺寸，选择环槽处直径、壁厚和底部倒角大小最接近的校准块；

探头选用：选用频率≥10MHz的超声相控阵探头；

测量仪器参数设定：进行聚焦扫查方式设定；

校准块测量：选用D扫及A扫显示，将探头沿着回转体零件轴线方向横跨在校准环槽处，移动探头位置，调节激发脉冲及增益；使校准环槽的检测图像位于D扫图像中间位置；

测量基准选取：将超声相控阵仪器显示屏幕上显示的校准环槽的一次底面超声回波信号的波高调节至A扫区域满屏的80%至100%之间，并记录此时的波高G，使用超声相控阵仪器光标框选测量点，以校准环槽的实际宽度为基准，将两个光标分别调节至校准环槽D扫图像的两侧，使得两个光标的间距与校准环槽实际宽度W相同，记录这两处光标对应处的A扫波高降幅-Z dB；

零件环槽测量：根据待测零件环槽的实际厚度重新设定聚焦深度为H，调节待测零件环槽的一次底波高度至波高G，将两个光标分别调至待测零件环槽的D扫图像波高降幅-Z dB处，计算两个光标的间距，即为待测零件环槽的宽度。