用于通过浸入超声非破坏性地测试工件的装置

摘要

为了测试终止工件（1）的圆柱形壁的横向凸缘，所述装置包括U形或C形马蹬（24）形状的结构（23），所述结构（23）的相对分支（26，27）分别支撑互相对齐的超声发射器传感器（21）和接收器传感器（22），同时在它们之间留有用于待测试的凸缘（3，4）相对通过的内部空间（32），并且所述结构（23）的基座（28）链接安装在移动控制臂（25）的末端。所述装置还包括浸入罐（36），其包括由闭合装置（40）装配在一起的两个部件（37，38），其中一个部件（38）呈现出用于与横向凸缘接合并且与另一个部件（37）交叠的保险装置（41），所述凸缘到达工件的圆柱形壁。

说明书

本发明涉及一种用于非破坏性超声浸入测试工件的装置。

在本发明的优选应用中，所述装置设计用于测试涡轮机的管状工件，例如 喷气发动机的风扇壳体，可以理解本发明也可以使用于其他类型的工件。

这种类型的工件已知是轴对称的并且具有制造上的单体（singularity），例 如用于连接到相邻工件的横向端部凸缘的区域，在凸缘区域和管状工件的圆柱 形壁之间具有可变内径和外径的连接区域，气流在连接区域中流动并且连接区 域形成其中的主要区域，通常在厚度、孔、穿孔或者在凸缘区域中的相似物等 方面发生变化。并且，壳体由包括具有三维编织碳纤维的整体式结构、碳纤维 预成品和用作制备整体的粘合剂的注入环氧树脂的编织复合材料制成。

待测试的这种管状工件的一个实施例例示出在图1中，示出用于喷气发动 机的风扇的外壳1，其具有纵向对称轴线X并且由高吸收性复合材料制成，这 就是超声传输测试装置优选地被选择用于这种材料的结构检测的原因。

具体地，壳体1由具有可变厚度并且限制管道用于空气进入风扇的圆柱形 壁2（主要区域）限定，并且由终止壁2且相对于壁径向向外延伸的两个横向端 部凸缘3、4限定（凸缘区域）。横向端部凸缘经由各自的中间连接区域5和6 从圆柱形壁2凸出，连接区域5和6的每一个在凸缘侧上具有较小内径和在相 对侧上具有较大外径。并且在凸缘中产生孔7，紧固件（未示出）可以穿过凸缘 以允许连接到其他工件。

此外，为了测试这些具有横向凸缘的复合管状工件，并且它们的尺寸是较 大的（对于大约1米的共轴长度，直径可以达到2米），使用超声浸入测试装置， 就查找缺陷而言，这种装置尤其很好适于在其中检测编织物的股在它们的接口 处的内聚力的层离或损失，绕着穿孔和加工特征、内含物、外来物、没有树脂 的干燥区域或者具有过多树脂的区域等的微裂缝。

在图2中局部地和示例性地表示使用超声浸入技术的现有技术装置9，其 包括用于发射超声和接收超声的传感器。发射超声束的传感器10安装在设置于 机器人臂12的端部处的支承件11上，并且在该示例中，其朝向限定管状工件 的壳体1的外周定向。接收超声束并且与发射传感器10共轴对齐的传感器13 安装在设置于另一个机器人臂15的端部处的支承件14上，并且然后朝向壳体1 的内周定向。因此，在对齐传感器10和13之间是壳体1，然后通过两个同步机 器人传感器相对于工件1的相对运动测试壳体1的由复合材料制成的组成壁。

喷水喷嘴16、17当然与传感器共轴地设置在所述臂上，并且通过连续地喷 水使得能够促进超声波束的恰当传输或传播，以便将传感器“联接”到工件，后者 布置在容器中或者特别设置用于努力恢复液体的地方。

虽然该装置相对于使用的超声技术给出了良好的分析结果，但是它毫无疑 问存在尤其是与具有单体的工件的几何形状关联的缺陷。

实际上，这种装置能够利用如图2所示优选与圆柱形壁垂直作用的传感器 有效地测试圆柱形壁，但是它不能最佳进入风扇壳体1在壳体的外周的侧面上 的具有外部横向凸缘3、4的区域以及连接区域5、6，尤其是每个凸缘的小半径 连接区域。

这是由于用于喷嘴和用于考虑的传感器（在该示例中为发射器传感器）的 支承件11太笨重，结果是，在已经与之垂直地顺应圆柱形壁2的外周之后，它 不能充分地转动以便顺应连接器和考虑的横向凸缘的弯曲区域。如由图2的点 划线所示，只要由臂12驱动的传感器10开始枢转以便与之垂直地顺应考虑的 区域3和5，用于喷嘴16的支承件11就接触圆柱形壁2，以致于两个传感器的 位置不正确，并且结果，轮廓不能正确地顺应，并且测试是有缺限的。因此， 不能识别一些前述的缺陷。

这个问题不会出现在用于喷嘴17和用于另一个传感器13的支承件14，其 绝不受到横向凸缘的妨碍。

还应该注意到，使两个机器人臂同步，以便当顺应凸缘区域和弯曲连接器 时保持传感器共轴布置，使得所述装置的自动化更复杂。

此外，具体单体的管状壳体工件自身的测试是相对较长时间的，因为在测 试一个横向端部凸缘之后，然后再次需要测试具有前述问题的相对凸缘。

并且，所述装置使得需要提供较大尺寸的容器以便接纳风扇壳体和恢复由 喷嘴喷射的水。

本发明的目的在于提供这些缺陷的一种解决方案，并且涉及用于超声浸入 测试的装置，其通过它的设计使得能够完美地测试管状工件的单体，例如具有 横向端部凸缘的区域和具有内外径的连接区域。

为此，用于超声浸入测试以下管状工件的装置主要特征在于它包括U形或 C形镫形的结构；所述以下管状工件具有由横向端部凸缘终止的圆柱形壁，这 种类型的装置包括用于发射和用于接收超声的可控制传感器并且它们设计为布 置成它们分别在待测试的凸缘的任意一侧上对齐；其中镫形的相对分支分别支 承互相彼此对齐的发射器传感器和接收器传感器，在它们之间产生待测试的凸 缘能够穿过的空间，并且其中所述基座以铰接的方式安装在可移动控制臂的端 部处。

因此，借由本发明，到工件的凸缘和连接区域的可进入性是绝对的，这可 以借由将同一个马蹬形（或马蹄形）结构代替在最初在先前的装置中设置的两 个独立支承件支承传感器来实现。该结构使得能够借由马蹬的固有U形状或C 形状来减少尺寸，以通过以合适的方式顺应所述轮廓，在附接到马蹬的各分支 的传感器之间而将凸缘引入到马蹬中，并且以通过枢转所述结构同时仍然保持 传感器对准的垂直于壳体的弯曲连接区域的相遇轮廓而进入弧形连接区域。从 而优化了工件的材料和它的单体的测试，在工件和马蹬之间没有任何接触。

借由在所述结构和所述工件之间的相对运动可以测试横向凸缘的整个外 周，马蹬的分支平行地接合在横向凸缘之间，并且所述结构的运动使得能够顺 应和测试弧形连接区域直到主要过渡区域为止。

并且，然后使用单个机器人臂代替在先前的装置的两个机器人臂以测试横 向凸缘。

最后，应该注意产生简单U形马蹬的结构是简化的。这种结构因此使得能 够顺应每个横向凸缘和相关弧形区域的轮廓。

有利地，发射器传感器和接收器传感器定位在马蹬形结构的相对分支的端 部处，使得能够优化深度并且因此马蹬的内部空间，以便接纳凸缘和其他相似 较大单体，并且以不接触凸缘地移动马蹬。

并且，发射器传感器和接收器传感器安装为，它们可以相对于各自相对的 分支被调节，使得能够根据待测试的凸缘的厚度调节它们的分开和聚焦。

根据装置的另一个特征，支承传感器的马蹬形结构布置在浸入容器（或盆） 中，其容纳用于将传感器互相连接的液体并且其布置在待测试的凸缘上方。因 此，仅需要检测待测试的工件绕着传感器的局部浸入区域，并且为了保证超声 波在传感器之间的联接，不需要足以容纳壳体的过大尺寸罐（其直径可以达到2 米）或者专用于其的空间。

例如，浸入容器通过密封跨坐在凸缘上直到圆柱形壁为止并且可以相对于 工件运动以便允许凸缘的外周的完全测试。

浸入容器优选地为相对于管状工件为固定的，管状工件可绕着它的纵向对 称轴线旋转，所述浸入容器具有滚动构件，其设计来与凸缘的横向外表面接合， 使得更容易让工件相对于容器旋转。

浸入容器尤其可以包括利用闭合装置连结在一起的两个部件，其中一个部 件具有用于接合横向凸缘和用于利用另一个部件跨坐在所述凸缘上直到工件的 圆柱形壁为止的保险装置（cutout），密封件设置在连结在一起的部件和工件之 间。

为了使工件相对于不可移动浸入容器旋转，可控制旋转板可以使管状工件 旋转。

有利地，提供具有发射器传感器和接收器传感器以及各自可控制臂的两个 马蹬形状结构以便于能够同时测试管状工件的两个横向端部凸缘。因此可以同 时使用先前的装置的两个机器人臂以测试壳体的两个端部凸缘和连接区域，从 而减少测试时间。两个臂也使用来以与前述装置相同的方式测试壳体的圆柱形 壁或主要区域。

参考附图将更容易理解本发明的实现。

图1透视地表示由根据本发明的装置测试轴对称工件的示例性实施例。

图2示例性并且局部地表示根据现有技术的超声测试装置。

图3示例性地表示根据本发明的超声测试装置的示例性实施例，意在用于 测试所述工件的凸缘和连接器单体。

图4以局部透视表示马蹬形结构和图3的装置的相关传感器，准备测试所 述工件的讨论凸缘。

图5透视地表示所述装置的浸入容器的示例性实施例，其提供用于仅浸入 所述工件由所述传感器考虑的区域。

图6表示所述装置的浸入容器，其安装为在待测试的可移动部件上不可移 动。

图7和图8示例性地表示所述装置用于检测所述工件的讨论凸缘的马蹬形 结构的操作的阶段。

图9示例性地表示用于同时分别检测轴对称工件的两个横向端部凸缘的所 述装置的两个马蹬形结构。

在图1中示出的待测试轴对称工件如前面所述为用于喷气发动机的风扇的 外壳1，其具有纵向对称轴线X并且由高吸收性复合材料制成。超声传输测试 装置因为该高吸收性而被选择用于结构检测，虽然该装置也可能适合于金属。 不再详细地描述该壳体，并且给它分配相同参考标记。

因此待测试壳体1，其具有这些凸缘3、4和在它的圆柱形壁2的厚度方面 改变的连接区域5、6，孔7和其他单体，尤其是它包括的复合材料。

根据本发明并且如图3所示的是局部浸入超声类型的测试装置20并且其更 具体地设计为检测横向端部凸缘3、4和将这些与壳体1的主要区域或者圆柱形 壁2连接的连接区域5、6。为此，所述装置主要包括两个超声传感器，分别为 一个发射器传感器21和一个接收器传感器22，并且有利地，马蹬24形状的公 共支承结构23支承两个传感器21、22并且链接在可移动控制臂25的端部处， 举例而言机器人臂例如在图2的实施方式中示出的那些。

更具体地，如图3和图4所示，马蹬24形状的结构23为U形的（或者C 形的或相似形状的），其具有两个相对侧向分支26和27（在U形情况下这些分 支互相平行），以及基座（或端部）28，分支从基座伸出并且其在分支的另一个 端部处借由（圆柱形或球形的）连接件29连接到可移动臂25。发射器传感器 21借由螺纹连接构件（螺栓或者其他装置）30附接到一个分支26；反之，接收 器传感器22也借由螺纹连接件构31附接到另一分支27。所述附接是这样的， 传感器21、22一旦在恰当的位置时为了最佳测量沿着与分支垂直的一个相同的 轴线Y相对于彼此互相对齐。传感器21、22此外设置为靠近分支26、27的自 由端部26’、27’，例如以在马蹬25中、在传感器21、22和马蹬的基座28之间 产生最大的内部空间32，以便于以它的整体接合待测量的横向凸缘。还特别根 据凸缘的厚度预先限定在两个传感器之间的间隔，以便实现高质量测试（传感 器的聚焦）。

图3局部地表示装置20的可移动机器人臂25，其允许在三维参考框架内 的通常平移和旋转，以便利用它的传感器给马蹬24提供关于待测试的单体的最 佳可能效果，例如在这个实施例中的凸缘3和连接区域5。在该附图中，矩形 33表示控制面板，用于输入和编程臂25和结构23的各种运动，以便使横向凸 缘和相关连接区域的轮廓、以及由连接器35连接到该面板33的传感器21、22 的操作和设置产生最好的可能程度。在该面板上也可以发现其他装置控制，这 将在后面解释。

并且，由于马蹬24形状的单个支承结构23支承发射器传感器21和接收器 传感器22两者这样的事实，测试装置20需要浸入仅围绕支承传感器的马蹬24 的待测试区域（凸缘和连接器），以便促进超声波的传播。

为此，如图3、图5和图6所示，浸入容器（或盆）36（在图3的点划线 中）定位在壳体1的讨论凸缘3上，跨坐在该凸缘上，以便利用容纳在其中的 恰当液体L（水）部分浸入具有它的传感器的马蹬24形结构23。该容器36根 据需要通过切割和折叠片或板获得，并且在示出的实施方式中，在传感器的水 平处具有大体平行六面体形状，其在顶部开口并且可以具有完全不同的形状， 只要马蹬24形结构23容纳在其中。

具体地，容器36包括两个主要部件37和38，其中一个主要部件37设置 在壳体1的圆柱形壁2的内侧上，并且另一个主要部件38设置在外侧上。这两 个主要部件37、38连结在一起以便由闭合装置40互相延伸，以便绕着凸缘3 和连接区域5直到圆柱形壁2为止地装配在一起。为了允许这样，外部部件38 具有保险装置41，其在它的各自侧向侧面43的边缘42中产生，并且在形状方 面与横向凸缘3互补，以便后者可以接合和装配在保险装置中。

为了保证在容器36和壳体1之间的密封，并且为了保证没有液体从前者泄 漏，例如由泡沫制成的密封件44应用到外部部件38的边缘42和容器36的内 部部件37的侧向侧面46的相应边缘45。因此，一旦凸缘3已经接合在保险装 置41中并且接合容器的各部件利用闭合装置41已经连接在一起，其在该实施 例中为具有杆47的类型，密封装置44按压在圆柱形壁2的任一侧上并且提供 所需的密封。

此外，浸入容器36也经由分别安装在外部部件38的纵向侧面43上的滚动 构件48例如滚筒和铸件抵靠在横向凸缘3的端面3’上。并且，虽然未示出，但 是滚动构件设置在容器的内部部件37上以便与壳体的圆柱形壁2的内部表面接 合。

由于它的轴对称形状，参考图3示出的装置20的壳体1安装为，它可以移 动，而浸入容器36不可移动，其中当壳体1旋转时滚筒48在凸缘的面3’上滚 动。为此，壳体放置在水平旋转板上，其如图3用标记50示例性表示并且抵靠 在支承件上或者地面S上，以便纵向对称轴线X是竖直的。横向凸缘4抵靠在 旋转板50上，而相对横向凸缘3接纳容器36。泡沫密封件44不破坏壳体，并 且也不破坏由橡胶或相似物制成的滚筒，其在壳体旋转时还将容器36保持在壳 体1的凸缘端部上的恰当位置中，以便将新的一段待检测的凸缘带入到传感器 的范围内。

以常规方式通过超声和局部浸入技术实施横向凸缘和相关连接区域的测试 本身将不在这里详细地讨论，以在这识别上述的缺陷。仅参考图3、图7和图8 描述操作。

因此，当尤其是容器36已经放置在壳体1上并且已经填满水，并且传感器 的间隔已经由构件30、31调节时，为此目的编程的机器人臂25将结构23引入 容器，以便马蹬24如图3所示面对凸缘3。臂25的（相对于壳体的轴线X径 向的）预编程水平运动导致两个传感器21、22分别穿过凸缘3浸入液体L中的 任意一侧，其中这些传感器的轴线Y垂直于凸缘，凸缘在传感器之间逐渐进入 到马蹬的内部空间32中。

因此测试了轮廓平坦的凸缘3，并且当马蹬到达在连接区域5时，链接到 结构23的机器人臂25导致马蹬逐渐枢转，以便如图7所示顺应相遇轮廓。空 间32是这样的，它允许凸缘不接触马蹬地接合。马蹬24继续以这样的方式枢 转直到传感器21和22到达圆柱形壁2，轴线Y仍然如图8所示与相遇壁垂直 用于最优测试。U形马蹬因此使得能够顺应凸缘3和连接区域5的轮廓直到壁2 为止的轮廓，马蹬的内部空间32用来接纳凸缘和连接区域，不接触它们。

在已经测试了凸缘的该段以便确认本文前述任何缺陷时，通过臂25的反向 运动使马蹬24形结构23从凸缘3抽出，并且通过由连接器51连接到控制面板 33的旋转板50以及旋转地驱动壳体1，凸缘3的后续段被带入不可移动的浸入 容器中用于分析。

在这种情况下，凸缘的测试逐步地推进，但不停止旋转板，也可以方便地 进行凸缘的连续测试。

如图9非常示例性所示，可以利用两个机器人臂25和25’例如前述装置9 的那些机器人臂12、15同时进行壳体1的两个横向端部凸缘—分别是上凸缘3 和下凸缘4的测试。在凸缘的测试之前或之后，后者使用来利用传感器10、13 的支承件11、14测试圆柱形壁2。具有传感器的两个马蹬24、24’支承结构23、 23’安装在各自臂的端部处并且这些结构的每一个容纳在提供于每个凸缘（在该 附图中未示出）上的浸入容器中。当然，下凸缘不抵靠在旋转板上并且壳体由 另一个装置旋转地驱动。因此，使用一个相同的装置，简单地通过改变在机器 人臂的端部处的传感器支承结构，完美地测试壳体1的整个轮廓并且因此复合 材料。

具有支承两个传感器的马蹬形支承结构和相关浸入容器的解决方案的优点特别 是：能够借由马蹬形状没有困难地靠近和进入壳体的凸缘区域和连接区域；保证有 效和低成本连接（简单的折叠和切段容器）；使用原始装置的一个或两个机器人臂 以便连续或同步地测试凸缘；避免凸缘壳体整个浸入的测试；通过马蹬留下的容许 偏差容易地顺应凸缘的轮廓；简单和快速地安装马蹬形结构到所述臂上并且将它从 其卸除，并且对于在壳体上的容器可以同样这样做并不损坏后者；以及快速和可靠 地测试凸缘和连接区域，从而提高超声测试的质量。