隨著波音787，空客A380和A350等一批復(fù)合材料增強(qiáng)的航空客機(jī)投入生產(chǎn)，復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)（NDT）技術(shù)在飛機(jī)制造和維護(hù)中，顯得更為重要了。
對(duì)于航空器復(fù)合材料構(gòu)件來(lái)說(shuō)，用一般的機(jī)械和物理試驗(yàn)方法檢測(cè)其微觀破壞和內(nèi)部缺陷，檢測(cè)后往往會(huì)影響構(gòu)件的繼續(xù)使用，因此必須采用無(wú)損檢測(cè)方法。超聲波檢測(cè)，尤其是超聲C掃描檢測(cè)，由于具有顯示直觀、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空器復(fù)合材料構(gòu)件普遍采用的檢測(cè)技術(shù)。隨著復(fù)合材料形狀日趨復(fù)雜，尤其在航空復(fù)合材料領(lǐng)域，在大多數(shù)情況下需要進(jìn)行單曲面，甚至是多曲面的檢測(cè)，這就對(duì)超聲掃描系統(tǒng)提出了更高的要求。
三軸符合材料檢測(cè)系統(tǒng)
英國(guó)超聲波科學(xué)有限公司（USL）自1987年成立以來(lái)，已經(jīng)為全球100多家客戶(hù)提供了超過(guò)180套的超聲掃描系統(tǒng)，并形成了許多自己獨(dú)有的技術(shù)，例如，建立了擁有17軸的、用于高速?gòu)?fù)雜曲面跟蹤的超聲C掃描系統(tǒng)。值得注意的是，我們所定義的“復(fù)雜曲面”是指在X-Y和X-Z平面上都有明顯的曲率，這樣的零件檢測(cè)用少于10軸的掃描系統(tǒng)是無(wú)法檢測(cè)的。
USL全自動(dòng)超聲C掃描系統(tǒng)
1 系統(tǒng)概述
英國(guó)超聲波科學(xué)有限公司（USL）提供的高速、復(fù)雜曲面跟蹤系統(tǒng)具有高自動(dòng)化、高強(qiáng)度，高機(jī)械精度等特點(diǎn)，再配以USL公司自行設(shè)計(jì)制造的，基于PC機(jī)的超聲發(fā)射接收裝置及數(shù)據(jù)采集處理板卡，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料快速有效的檢測(cè)。
該掃描系統(tǒng)用于平板檢測(cè)時(shí)可采用簡(jiǎn)單的X-Y軸系統(tǒng)，而在檢測(cè)復(fù)雜外形零件，尤其是航空復(fù)合材料零件時(shí)，可采用最多17軸檢測(cè)系統(tǒng)。立式和臥式門(mén)床結(jié)構(gòu)，掃描速率高達(dá)1m/s。采用直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配有齒條-小齒輪，滾珠絲杠或皮帶傳動(dòng)。高品質(zhì)的線性軸承，在惡劣條件下仍具備較長(zhǎng)的使用壽命。精密光學(xué)編碼器可適用于長(zhǎng)軸線型測(cè)量，具有較高的分辨率和可重復(fù)性。
機(jī)架移動(dòng)系統(tǒng)
該系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)，將超聲波數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制完美地結(jié)合在一起，大功率脈沖發(fā)生器可達(dá)到最佳的透射效果，獨(dú)特的遠(yuǎn)程脈沖前置放大器能提供較高的信噪比，對(duì)數(shù)接收器具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍（瞬時(shí)可達(dá)70dB，總計(jì)大于100dB）。數(shù)據(jù)采集部分由A/D轉(zhuǎn)換器和DSP(數(shù)字信號(hào)處理)板組成，可實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集和處理能力。每個(gè)通道最多8個(gè)閘門(mén)，同時(shí)對(duì)超聲波傳輸?shù)姆怠r(shí)間和相位進(jìn)行跟蹤。超聲頻率范圍為0.2～25MHz。在一次掃描中，可以同時(shí)采集對(duì)數(shù)模式的穿透?jìng)鬏敂?shù)據(jù)和線性模式的脈沖回波數(shù)據(jù)。這意味著以前需要兩次掃描完成的工作現(xiàn)在可以合并為一次，從而大大提高了檢測(cè)效率。
該系統(tǒng)的軟件部分可對(duì)復(fù)雜外形的受檢件采用多軸運(yùn)行控制，有自我學(xué)習(xí)功能。數(shù)字射頻/A掃描顯示，高刷新頻率，既可進(jìn)行普通的C掃描成像，還可進(jìn)行三維成像。真正的B掃描（射頻數(shù)據(jù)）全部以射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，可在屏幕上進(jìn)行測(cè)量和分析，掃描結(jié)果生成CAD文件，并可根據(jù)客戶(hù)的特殊需求定制軟件。
此外，USL的17軸復(fù)合材料檢測(cè)系統(tǒng)還蘊(yùn)含了多項(xiàng)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使該設(shè)備成為眾多知名飛機(jī)制造商的首選。
2 USL的獨(dú)特設(shè)計(jì)
在航空復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)中，發(fā)射和接收探頭通常都安裝在兩個(gè)垂直的機(jī)械臂的末端，這樣就帶來(lái)了無(wú)法檢測(cè)凹陷較深的“C”形零件的問(wèn)題，而這樣的零件在航空復(fù)合材料產(chǎn)品中不占少數(shù)。USL通過(guò)將垂直的機(jī)械臂改為水平的機(jī)械臂，并將發(fā)射和接收探頭安裝在機(jī)械臂的末端的方法，順利解決了檢測(cè)凹陷較深零件的問(wèn)題。USL還設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的可移動(dòng)噴水總成，使其能夠進(jìn)入半徑很小的曲面內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。而在過(guò)去，穿透式檢測(cè)系統(tǒng)是無(wú)法檢測(cè)內(nèi)徑很小的“C”形零件的，伴隨著USL新設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，使這樣的檢測(cè)成為了可能。
由于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性，如果采用較高頻率的超聲波，其信號(hào)將由于衰減和噪音干擾嚴(yán)重，使檢測(cè)信號(hào)無(wú)法識(shí)別；而如果采用低頻超聲波，又無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)缺陷精度的要求。為了平衡這兩者的矛盾，USL從軟件和硬件幾個(gè)方面入手，降低噪音，提高信噪比，從而得到了令客戶(hù)滿(mǎn)意的結(jié)果。
17軸掃描橋移動(dòng)系統(tǒng)
典型的USL復(fù)合材料檢測(cè)系統(tǒng)
在USL已經(jīng)提供的180多套系統(tǒng)中，以為世界著名的英國(guó)宇航系統(tǒng)公司提供的17軸超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)可在0.5m/s的掃描線速度下，檢測(cè)出大約4mm×4mm的制造缺陷。為了方便用戶(hù)使用，還提供與BAESYSTEMS公司制造軟件相匹配的直接接口，便于掃描器直接從客戶(hù)的CATIACAD數(shù)據(jù)中提取掃描路徑信息。同時(shí)，由于用模具制造出來(lái)的真實(shí)零件很少能夠完全與CATIA模型相吻合，因此，USL開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)實(shí)際形狀和理論形狀之間的偏差進(jìn)行了補(bǔ)償，提供了真實(shí)零件的坐標(biāo)，這樣就可以確保零件兩邊的探頭在沿著復(fù)合材料移動(dòng)的過(guò)程中互相保持對(duì)齊。
此外，USL的其他許多產(chǎn)品也在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如荷蘭福克公司（Fokker），比利時(shí)國(guó)家宇航制造有限公司（Sonaca）等知名企業(yè)都在使用USL制造的復(fù)合材料檢測(cè)系統(tǒng)。在航空領(lǐng)域，USL還為羅·u32599X、空客等知名飛機(jī)制造商提供飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)系統(tǒng)。以下介紹幾款典型的復(fù)合材料檢測(cè)系統(tǒng)。
1 三軸復(fù)合材料檢測(cè)系統(tǒng)
軸數(shù)：X，Y，Z三軸。
特征：檢測(cè)簡(jiǎn)單的平板材或略帶弧度的板材，應(yīng)用脈沖回波或雙穿透?jìng)鬏敚úＡХ瓷浒澹┓绞剑宀乃椒胖迷诓Ａ桨迳稀?br/>
尺寸：典型尺寸1m×1m，可以根據(jù)客戶(hù)需要定制。
2 機(jī)架移動(dòng)系統(tǒng)（五或七軸）
軸數(shù)：五軸或七軸。
特征：板材噴水檢測(cè)（五軸系統(tǒng)）或單曲面板材檢測(cè)（七軸系統(tǒng)）。板材垂直安裝在輪式固定機(jī)架上，噴水操作器安裝在水平支撐臂上。
尺寸：典型尺寸為4.2m（高）×2.2m（寬）×18m（長(zhǎng)），可根據(jù)客戶(hù)需要定制。
3 掃描橋移動(dòng)系統(tǒng)
軸數(shù)：十軸驅(qū)動(dòng)掃描軸，零件的兩邊各有一組完全獨(dú)立的五軸機(jī)構(gòu)，用于跟隨復(fù)雜零件表面。如有需要，還可安裝五軸的固定裝置。
特征：噴水檢測(cè)復(fù)雜零件，零件安裝在一個(gè)固定的裝置上，裝置由編程控制移動(dòng)到特定的位置上，操作器安裝在水平支撐臂上。掃描路徑由CATIA（CAD）文件生成，零件的精確位置在掃描前測(cè)定，如果需要，掃描路徑可以自動(dòng)調(diào)整。
尺寸：典型尺寸為3m（高）×2m（寬）×6m（長(zhǎng)），可根據(jù)客戶(hù)定制。
4 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)用于筒形和錐形零件的檢測(cè)
軸數(shù)：六驅(qū)動(dòng)軸，包括X，Y，Z軸，2個(gè)角度軸和1個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)軸。
特征：脈沖回波噴水檢測(cè)系統(tǒng)可用于檢測(cè)筒形零件和錐形零件。噴水操作器安裝在水平支撐臂上。系統(tǒng)帶有自教學(xué)功能，通過(guò)零件的水程來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
尺寸：典型的尺寸為3.5m（高）×2m（寬）×2.5m（長(zhǎng)），可根據(jù)客戶(hù)定制。
以上是USL超聲檢測(cè)系統(tǒng)的幾類(lèi)復(fù)合材料檢測(cè)典型應(yīng)用，而實(shí)際上，USL的檢測(cè)系統(tǒng)不僅應(yīng)用在航空復(fù)合材料領(lǐng)域，從小型高頻實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，到用于檢測(cè)曲面零件的大型多軸系統(tǒng)，再到用于檢測(cè)板材和在線檢測(cè)管棒材的多通道水浸檢測(cè)系統(tǒng)，都有USL的產(chǎn)品。應(yīng)用涵蓋了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、金屬精整、實(shí)驗(yàn)室及大學(xué)研發(fā)、鐵路運(yùn)輸、微電子制造等一系列材料檢測(cè)領(lǐng)域。
在與一些知名航空企業(yè)的溝通、合作過(guò)程中，USL獲取了豐富的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，可以用來(lái)為后續(xù)的客戶(hù)提供可參考的標(biāo)準(zhǔn)。
