一种平板自动化夹持与相控阵超声检测装置及方法与流程

1.本技术属于复合材料超声无损检测技术领域，特别涉及一种复合材料平板自动化夹持与相控阵超声检测装置及方法。


背景技术：

2.复合材料平板冲击损伤定量表征是复合材料设计许用值确定和积木式强度评估的基础和关键环节，超声无损检测是当前复合材料平板冲击损伤定量表征的主要手段。目前，对复合材料平板冲击损伤的定量表征主要通过人工a扫描和c扫描的方法来实现，以获得冲击损伤面积和轮廓范围等定量数据。但是，复合材料平板尺寸小，人工超声检测摆样周期长、检测效率低、重复性和可靠性差、检测成本高，成为影响复合材料平板冲击损伤评估和剩余压缩强度试验有效开展的技术瓶颈。基于此背景，充分考虑复合材料平板尺寸、厚度、损伤特征和超声检测要求，设计了一种复合材料平板自动化夹持与相控阵检测装置。


技术实现要素：

3.本技术的目的是提供了一种平板自动化夹持与相控阵超声检测装置及方法，以解决现有采用人工超声对复合材料进行检测、可靠性差、效率低的问题。
4.本技术的技术方案是：一种平板自动化夹持与相控阵超声检测装置及方法，包括自动化夹持模块、相控阵超声检测模块和自动化控制模块，所述自动化控制模块与自动化夹持模块和相控阵超声检测模块电连接，所述相控阵超声检测模块设于自动化夹持模块的正上方，所述自动化夹持模块用于对复合材料平板进行夹持，所述自动化夹持模块包括支撑台架、自动收放模块和支撑夹持模块，所述自动收放模块和支撑夹持模块均设于支撑台架上，所述自动收放模块与支撑台架相连并且自动收放模块包括对称设置的两个输出端，所述支撑夹持模块共有两组并且两组支撑夹持模块分别连接于自动收放模块的两个输出端；所述支撑夹持模块包括平板支撑台阶和厚度调节板，所述厚度调节板与平板支撑台阶滑移配合并且厚度调节板设于平板支撑台阶的外侧，所述复合材料平板放置于平板支撑台阶上，所述厚度调节板能够调节至与超过复合材料平板的高度并对平台支撑台阶进行限位与夹持。
5.优选地，所述平台支撑台阶顶部设有水平支撑台，所述水平支撑台的中心位置开设有螺纹孔；所述厚度调节板中部设有内螺纹连接耳片，所述水平支撑台上的螺纹孔与厚度调节板上的内螺纹连接耳片之间螺纹连接有内六角螺栓；所述平台支撑台阶的侧壁上固定连接有竖直设置的滑轨轨道，所述厚度调节板的侧壁上固定连接有滑移配合于滑轨轨道上的第一滑块。
6.优选地，所述厚度调节板的侧壁上开设有指示孔，所述平板支撑台阶上设有指示器，所述指示器穿过指示孔并伸出到厚度调节板的外侧，所述厚度调节板的外侧壁上设有竖直设置的刻度，所述指示器的尖端指向刻度位置。
7.优选地，所述厚度调节板靠近平板支撑台阶一侧的侧壁上开设有夹持凹槽，所述
夹持凹槽上设有夹持缓冲垫片，所述夹持缓冲垫片为弹性件。
8.优选地，所述自动收放模块包括气动作动器、进气阀、夹持运动收缩杆、伸缩板和定位感知传感器；所述气动作动器设于支撑台架上，所述夹持运动收缩杆共有两组并分别设于气动作动器的两端并且夹持运动收缩杆能够在气动作动器的带动下进行伸缩，所述伸缩板共有两组并分别连接于夹持运动收缩杆的两端，所述进气阀与气动作动器内部相连，所述定位感知传感器设于气动作动器的中部上方。
9.优选地，所述自动收放模块包括第二导轨、第二滑块和连接板；所述第二导轨设于支撑台架上并且第二导轨沿着平板支撑台阶的运动方向水平设置，所述第二滑块和连接板均有两组并且每组所述连接板均连接于一组第二滑块和平板支撑台阶之间。
10.优选地，所述支撑台架上设有底板和左右调节板，所述底板共有两组并且两组底板水平并排设置，所述左右调节板共有两组并且两组左右调节板竖直设置于底板的两端，所述左右调节板能够连接于底板长度方向上的不同位置。
11.优选地，所述支撑台架的下方设有水箱。
12.优选地，所述相控阵超声检测模块包括立体框架、第二底座、第一机械臂、连接杆和多孔超声换能器；所述第二底座设于立体框架上，所述第一机械臂连接于第二底座上，所述连接杆连接于多孔超声换能器和第一机械臂的末端之间，所述多孔超声换能器设于自动化夹持模块的正上方，所述多孔超声换能器的末端设置多孔喷水耦合楔块；所述自动化控制模块包括自动化夹持控制系统、机械臂控制系统和超声数据分析系统，所述自动化夹持控制系统与自动化夹持模块电连接，所述机械臂控制系统与机械臂电连接，所述自动化超声控制系统与多孔超声换能器电连接并且自动化超声控制系统能够接收多孔超声换能器的检测信号。
13.作为一种具体实施方式，一种平板自动化夹持与相控阵超声检测方法，采用上述所述的装置，包括：
14.步骤一：设置复合材料平板自动化夹持模块与相控阵超声检测控模块的参数，自动收放的夹持周期为t1秒，搭载相控阵超声换能器的机械臂扫查运动路径和时间t2；
15.步骤二：测量复合材料平板试验件的厚度，计算复合材料平板应超出平板支撑厚度调节板的高度；
16.步骤三：放置待检测的复合材料平板，根据复合材料平板厚度，拧动全螺纹调节螺栓调节平板支撑厚度调节板与平板支撑台阶之间的高度差，同时观察指示针的位置，保证复合材料平板略高出厚度调节板；
17.步骤四：执行自动化夹持、自动化检测、超声采集、存储和数据分析；
18.步骤五：取出完成检测的复合材料平板，并放置下一件待检测复合材料平板；
19.步骤六：重复步骤三至步骤五，进行下一件待检测复合材料平板。
20.本技术的一种平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，包括自动化夹持模块、相控阵超声检测模块和自动化控制模块，自动化控制模块与自动化夹持模块和相控阵超声检测模块电连接，相控阵超声检测模块设于自动化夹持模块的正上方，自动化夹持模块用于对复合材料平板进行夹持。进行检测时，先将复合材料平板放置到平板支撑台阶上，再控制自动收放模块完成对复合材料平板的定位与夹持，而后相控阵超声检测模块对复合材料平板进行相控阵超声检测，并将检测数据发送至超声数据分析系统，超声数据分析系统对检
测数据进行分析，判断该复合材料平板的质量。实现对复合材料平板损伤的自动化夹持和自动化检测，装置工作原理简单、使用安全、性能优越。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
22.图1为本技术整体结构示意图；
23.图2为本技术相控阵超声检测模块结构示意图；
24.图3为本技术自动化夹持模块结构示意图；
25.图4为本技术平板支撑台阶结构示意图；
26.图5为本技术厚度调节板轴测图；
27.图6为本技术厚度调节板后视图；
28.图7为本技术自动收放模块驱动部分示意图；
29.图8为本技术自动收放模块导向部分示意图。
30.1、相控阵超声检测模块；2、自动化夹持模块；3、立体框架；4、第二底座；5、第一机械臂；6、连接杆；7、多孔超声换能器；8、支撑台架；9、平板支撑台阶；10、厚度调节板；11、内螺纹连接耳片；12、内六角螺栓；13、滑轨轨道；14、第一滑块；15、指示器；16、夹持缓冲垫片；17、气动作动器；18、进气阀；19、夹持运动收缩杆；20、伸缩板；21、定位感知传感器；22、第二导轨；23、第二滑块；24、连接板；25、底板；26、左右调节板；27、水箱；28、复合材料平板；29、水平支撑台。
具体实施方式
31.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
32.一种平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，如图1-2所示，包括自动化夹持模块2、相控阵超声检测模块1和自动化控制模块，自动化控制模块与自动化夹持模块2和相控阵超声检测模块1电连接，相控阵超声检测模块1设于自动化夹持模块2的正上方，自动化夹持模块2用于对复合材料平板28进行夹持。
33.相控阵超声检测模块1包括立体框架3、第二底座4、第一机械臂5、连接杆6和多孔超声换能器7；第二底座4设于立体框架3上，第一机械臂5连接于第二底座4上，连接杆6连接于多孔超声换能器7和第一机械臂5的末端之间，多孔超声换能器7设于自动化夹持模块2的正上方，多孔超声换能器7的末端设置多孔喷水耦合楔块。
34.搭载相控阵超声换能器的第一机械臂5能够通过自动化控制模块进行自动路径规划，执行末端的运动速度可设置，最大运动速度不小于150mm/s，机械臂执行末端的最大承载不小于5kg。
35.自动化控制模块包括自动化夹持控制系统、机械臂控制系统和超声数据分析系统，自动化夹持控制系统与自动化夹持模块2电连接，机械臂控制系统与机械臂电连接，自动化超声控制系统与多孔超声换能器7电连接并且自动化超声控制系统能够接收多孔超声换能器7的检测信号。
36.结合图3，自动化夹持模块2包括支撑台架8、自动收放模块和支撑夹持模块，自动收放模块和支撑夹持模块均设于支撑台架8上，支撑台架8通过四个支柱拆入相控阵超声检测的立体框架3的四个凹槽内，实现稳固连接。
37.自动收放模块与支撑台架8相连并且自动收放模块包括对称设置的两个输出端，支撑夹持模块共有两组并且两组支撑夹持模块分别连接于自动收放模块的两个输出端。
38.支撑夹持模块包括平板支撑台阶9和厚度调节板10，厚度调节板10与平板支撑台阶9滑移配合并且厚度调节板10设于平板支撑台阶9的外侧，复合材料平板28放置于平板支撑台阶9上，厚度调节板10能够调节至与超过复合材料平板28的高度并对平台支撑台阶进行限位与夹持。
39.本技术能够实现对宽度100mm、长度150mm、厚度1-20mm复合材料平板28进行自动化夹持和相控阵超声检测。
40.进行检测时，先根据复合材料平板28的长度控制自动收放模块的两个输出端向外移动，直至移动至两个厚度调节板10的距离略大于该复合材料平板28的长度，将复合材料平板28放置到平板支撑台阶9上，再控制自动收放模块的两个输出端向内移动，直至两个厚度调节板10的侧壁与复合材料平板28相抵，完成对复合材料平板28的定位与夹持。
41.在夹持完成后，相控阵超声检测模块1对复合材料平板28进行相控阵超声检测，具体为通过自动化控制模块的机械臂控制系统对第一机械臂5的移动路径进行规划，并按照规划路径控制第一机械臂5移动，直至多孔超声换能器7移动至复合材料平板28上方的指定位置，再次过程中自动化控制系统控制多孔超声换能器7工作，对复合材料平板28进行实时检测，并将检测数据发送至超声数据分析系统，超声数据分析系统对检测数据进行分析，判断该复合材料平板28的质量。
42.在一个复合材料平板28检测完成后，将该复合材料平板28取出，按照上述流程将下一件复合材料平板28放入到平板支撑台阶9上，进行下一件复合材料平板28的检测，直至完成所有复合材料平板28的检测。
43.通过该设计，实现对复合材料平板28损伤的自动化夹持和自动化检测，装置工作原理简单、使用安全、性能优越，大幅提高了复合材料平板28损伤检测效率、检测结果可靠性和重复性，缩短了检测周期，降低了检测成本。同时，该装置的设计提供了一种新的思路，可以针对不同构型的批量化复合材料平板28进行自动化夹持装置的设计和自动化检测扫查路径的规划，解决不同规格复合材料平板28损伤自动化检测需求，支撑复合材料结构设计许用值确定和损伤评估。
44.结合图4-5，优选地，平台支撑台阶顶部设有水平支撑台29，水平支撑台29的中心位置开设有螺纹孔；厚度调节板10中部设有内螺纹连接耳片11，水平支撑台29上的螺纹孔与厚度调节板10上的内螺纹连接耳片11之间螺纹连接有内六角螺栓12；平台支撑台阶的侧壁上固定连接有竖直设置的滑轨轨道13，厚度调节板10的侧壁上固定连接有滑移配合于滑轨轨道13上的第一滑块14。由于平板支撑台阶9与厚度调节板10的相互限位，通过转动内六角螺栓12，在螺纹作用下能够带动厚度调节板10的升降，从而实现对不同厚度的复合材料平板28的稳定夹持，滑轨轨道13能够对厚度调节板10进行导向，防止厚度调节板10在移动过程中发生偏移。
45.内六角螺栓12均为钛合金制件且为全螺纹螺栓，其它部分的连接螺栓均为埋头连
接方式。
46.结合图6，优选地，厚度调节板10的侧壁上开设有指示孔，平板支撑台阶9上设有指示器15，指示器15穿过指示孔并伸出到厚度调节板10的外侧，厚度调节板10的外侧壁上设有竖直设置的刻度，指示器15的尖端指向刻度位置。在厚度调节板10升降时，通过通过观察指示器15指向的刻度能够直接判断当前厚度调节板10所处的位置是否到达指定位置，较为方便。
47.刻度范围为1-10mm，调节精度为1mm。
48.优选地，厚度调节板10靠近平板支撑台阶9一侧的侧壁上开设有夹持凹槽，夹持凹槽上设有夹持缓冲垫片16，夹持缓冲垫片16为弹性件。夹持缓冲垫片16的设置能够减少厚度调节板10对复合材料平板28之间的摩擦，并提高夹持稳定性。
49.结合图7，优选地，自动收放模块包括气动作动器17、进气阀18、夹持运动收缩杆19、伸缩板20和定位感知传感器21；气动作动器17设于支撑台架8上，夹持运动收缩杆19共有两组并分别设于气动作动器17的两端并且夹持运动收缩杆19能够在气动作动器17的带动下进行伸缩，伸缩板20共有两组并分别连接于夹持运动收缩杆19的两端，进气阀18与气动作动器17内部相连，定位感知传感器21设于气动作动器17的中部上方，并在气动作动器17上设置警示灯。气动作动器17采用加压气流驱动方式，自动夹持周期可按需设置。
50.通过气动作动器17带动夹持运动伸缩杆伸缩，从而带动伸缩板20进行伸缩，实现对厚度调节板10夹持位置的调节。
51.定位感知传感器21通过磁力变化感知复合材料平板28位置姿态，通过警示灯显示姿态是否良好，控制自动化夹持模块2的夹持动作。
52.结合图8，优选地，自动收放模块包括第二导轨22、第二滑块23和连接板24；第二导轨22设于支撑台架8上并且第二导轨22沿着平板支撑台阶9的运动方向水平设置，第二滑块23和连接板24均有两组并且每组连接板24均连接于一组第二滑块23和平板支撑台阶9之间。当伸缩板20带动厚度调节板10进行移动式，厚度调节板10同时通过连接板24带动第二滑块23在第二导轨22上滑动，通过第二导轨22实现对厚度调节板10另一侧的支撑与导向。
53.优选地，支撑台架8上设有底板25和左右调节板26，底板25共有两组并且两组底板25水平并排设置，左右调节板26共有两组并且两组左右调节板26竖直设置于底板25的两端，左右调节板26能够连接于底板25长度方向上的不同位置。通过左右调节板26与底板25的配合来实现对自动收放模块左右位置的调节。
54.优选地，支撑台架8的下方设有水箱27。在多孔超声换能器7与多孔喷水耦合楔块配合工作时，水作为超声检测介质会大量喷出，通过水箱27对落下的水进行收集。
55.作为一种具体实施方式，还包括一种平板自动化夹持与相控阵超声检测方法，包括：
56.步骤一：设置复合材料平板28自动化夹持模块2与相控阵超声检测控模块的参数，自动收放的夹持周期为t1秒，搭载相控阵超声换能器的机械臂扫查运动路径和时间t2；
57.步骤二：测量复合材料平板28试验件的厚度，计算复合材料平板28应超出平板支撑厚度调节板10的高度；
58.步骤三：放置待检测的复合材料平板28，根据复合材料平板28厚度，拧动全螺纹调节螺栓调节平板支撑厚度调节板10与平板支撑台阶9之间的高度差，同时观察指示针的位
置，保证复合材料平板28略高出厚度调节板10；
59.步骤四：执行自动化夹持、自动化检测、超声采集、存储和数据分析；
60.步骤五：取出完成检测的复合材料平板28，并放置下一件待检测复合材料平板28；
61.步骤六：重复步骤三至步骤五，进行下一件待检测复合材料平板28。
62.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：包括自动化夹持模块(2)、相控阵超声检测模块(1)和自动化控制模块，所述自动化控制模块与自动化夹持模块(2)和相控阵超声检测模块(1)电连接，所述相控阵超声检测模块(1)设于自动化夹持模块(2)的正上方，所述自动化夹持模块(2)用于对复合材料平板(28)进行夹持，所述自动化夹持模块(2)包括支撑台架(8)、自动收放模块和支撑夹持模块，所述自动收放模块和支撑夹持模块均设于支撑台架(8)上，所述自动收放模块与支撑台架(8)相连并且自动收放模块包括对称设置的两个输出端，所述支撑夹持模块共有两组并且两组支撑夹持模块分别连接于自动收放模块的两个输出端；所述支撑夹持模块包括平板支撑台阶(9)和厚度调节板(10)，所述厚度调节板(10)与平板支撑台阶(9)滑移配合并且厚度调节板(10)设于平板支撑台阶(9)的外侧，所述复合材料平板(28)放置于平板支撑台阶(9)上，所述厚度调节板(10)能够调节至与超过复合材料平板(28)的高度并对平台支撑台阶进行限位与夹持。2.如权利要求1所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述平台支撑台阶顶部设有水平支撑台(29)，所述水平支撑台(29)的中心位置开设有螺纹孔；所述厚度调节板(10)中部设有内螺纹连接耳片(11)，所述水平支撑台(29)上的螺纹孔与厚度调节板(10)上的内螺纹连接耳片(11)之间螺纹连接有内六角螺栓(12)；所述平台支撑台阶的侧壁上固定连接有竖直设置的滑轨轨道(13)，所述厚度调节板(10)的侧壁上固定连接有滑移配合于滑轨轨道(13)上的第一滑块(14)。3.如权利要求2所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述厚度调节板(10)的侧壁上开设有指示孔，所述平板支撑台阶(9)上设有指示器(15)，所述指示器(15)穿过指示孔并伸出到厚度调节板(10)的外侧，所述厚度调节板(10)的外侧壁上设有竖直设置的刻度，所述指示器(15)的尖端指向刻度位置。4.如权利要求2所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述厚度调节板(10)靠近平板支撑台阶(9)一侧的侧壁上开设有夹持凹槽，所述夹持凹槽上设有夹持缓冲垫片(16)，所述夹持缓冲垫片(16)为弹性件。5.如权利要求1所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述自动收放模块包括气动作动器(17)、进气阀(18)、夹持运动收缩杆(19)、伸缩板(20)和定位感知传感器(21)；所述气动作动器(17)设于支撑台架(8)上，所述夹持运动收缩杆(19)共有两组并分别设于气动作动器(17)的两端并且夹持运动收缩杆(19)能够在气动作动器(17)的带动下进行伸缩，所述伸缩板(20)共有两组并分别连接于夹持运动收缩杆(19)的两端，所述进气阀(18)与气动作动器(17)内部相连，所述定位感知传感器(21)设于气动作动器(17)的中部上方。6.如权利要求5所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述自动收放模块包括第二导轨(22)、第二滑块(23)和连接板(24)；所述第二导轨(22)设于支撑台架(8)上并且第二导轨(22)沿着平板支撑台阶(9)的运动方向水平设置，所述第二滑块(23)和连接板(24)均有两组并且每组所述连接板(24)均连接于一组第二滑块(23)和平板支撑台阶(9)之间。7.如权利要求1所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述支撑台架(8)上设有底板(25)和左右调节板(26)，所述底板(25)共有两组并且两组底板(25)水平并排设置，所述左右调节板(26)共有两组并且两组左右调节板(26)竖直设置于底板(25)
的两端，所述左右调节板(26)能够连接于底板(25)长度方向上的不同位置。8.如权利要求1所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述支撑台架(8)的下方设有水箱(27)。9.如权利要求1所述的平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，其特征在于：所述相控阵超声检测模块(1)包括立体框架(3)、第二底座(4)、第一机械臂(5)、连接杆(6)和多孔超声换能器(7)；所述第二底座(4)设于立体框架(3)上，所述第一机械臂(5)连接于第二底座(4)上，所述连接杆(6)连接于多孔超声换能器(7)和第一机械臂(5)的末端之间，所述多孔超声换能器(7)设于自动化夹持模块(2)的正上方，所述多孔超声换能器(7)的末端设置多孔喷水耦合楔块；所述自动化控制模块包括自动化夹持控制系统、机械臂控制系统和超声数据分析系统，所述自动化夹持控制系统与自动化夹持模块(2)电连接，所述机械臂控制系统与机械臂电连接，所述自动化超声控制系统与多孔超声换能器(7)电连接并且自动化超声控制系统能够接收多孔超声换能器(7)的检测信号。10.一种平板自动化夹持与相控阵超声检测方法，采用如权利要求1-9任一所述的装置，其特征在于，包括：步骤一：设置复合材料平板(28)自动化夹持模块(2)与相控阵超声检测控模块的参数，自动收放的夹持周期为t1秒，搭载相控阵超声换能器的机械臂扫查运动路径和时间t2；步骤二：测量复合材料平板(28)试验件的厚度，计算复合材料平板(28)应超出平板支撑厚度调节板(10)的高度；步骤三：放置待检测的复合材料平板(28)，根据复合材料平板(28)厚度，拧动全螺纹调节螺栓调节平板支撑厚度调节板(10)与平板支撑台阶(9)之间的高度差，同时观察指示针的位置，保证复合材料平板(28)略高出厚度调节板(10)；步骤四：执行自动化夹持、自动化检测、超声采集、存储和数据分析；步骤五：取出完成检测的复合材料平板(28)，并放置下一件待检测复合材料平板(28)；步骤六：重复步骤三至步骤五，进行下一件待检测复合材料平板(28)。

技术总结
本申请属于复合材料超声无损检测技术领域，为一种平板自动化夹持与相控阵超声检测装置，包括自动化夹持模块、相控阵超声检测模块和自动化控制模块，自动化控制模块与自动化夹持模块和相控阵超声检测模块电连接，相控阵超声检测模块设于自动化夹持模块的正上方。进行检测时，先将复合材料平板放置到平板支撑台阶上，再控制自动收放模块完成对复合材料平板的定位与夹持，而后相控阵超声检测模块对复合材料平板进行相控阵超声检测，并将检测数据发送至超声数据分析系统，超声数据分析系统对检测数据进行分析，判断该复合材料平板的质量。实现对复合材料平板损伤的自动化夹持和自动化检测，装置工作原理简单、使用安全、性能优越。性能优越。性能优越。


技术研发人员：樊俊铃 刘小川 陈先民 张伟 詹绍正 宁宁
受保护的技术使用者：中国飞机强度研究所
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20