北京理工大学承担的“复合材料特种回转构件超声检测与完整性评估技术”课题，自2011年1月起开始实施，现已进入样机功能性能验证阶段。针对该项目所开发的“双机械手超声无损检测系统”填补了国内技术空白，可用于航空航天制造领域，实现对复合材料特种回转构件的超声无损检测，能极大地提高对此类构件的检测效率和检测精度，为提高航空航天制品质量提供可靠保证。
立项背景
特种回转构件如导弹壳体、高压容器和高速旋转轴等，在核工程、载人航天探月工程和大飞机项目等国家科技重大工程以及军用飞行器等军品生产中扮演着重要的角色。为了减轻整体设备的重量，复合材料在这些构件中得到了越来越广泛的应用，例如，在最先进的飞机制造工艺中，复合材料占总材料比例已超过了50%。这些构件的生产质量决定着设备运行的可靠性以及重要装备系统的安全性、有效性，因此，能否实现对其缺陷的检测就显得至关重要。超声无损检测是目前检测复合材料构件的最主要方法之一，但由于声波在复合材料内部的传播规律比较复杂，而且传统设备对特种回转构件进行无损检测扫查的自动化程度较差，精度不高，因而影响了超声检测的精确性。
目前，我国还没有针对复合材料特种回转构件的超声检测设备与完整性评估技术，国外又对我国实行技术封锁，而且从国外进口的类似设备价格非常昂贵，动辄数百万美元，从而在一定程度上影响了国家重要工程项目的发展。
项目的创新突破与实施情况
北京理工大学针对“复合材料特种回转构件超声检测与完整性评估技术”项目所面临的问题和挑战，对复合材料超声检测原理进行了大量深入的研究，并研制了“双机械手超声无损检测系统”。
在项目实施过程中，北京理工大学利用代表工业自动化前沿发展方向的高精度多自由度关节机械手，与针对复合材料检测的双探头穿透式超声无损检测方法相结合，在关键技术上实现了突破，体现了较高的原始创新能力和集成创新能力。
双机械手超声无损检测系统如图1所示，包括两台六自由度高精度串联关节机械手及其控制器、高性能超声无损检测系统、回转体工件运动系统、机械手直线运动系统、喷水式超声耦合水循环系统以及软件系统等。两套同规格的六自由度机械手分别夹持超声发射传感器和超声接收传感器进行检测。这一方案的优点是：一方面可保证超声传感器沿工件表面法线方向进行检测，以提高检测精度；另一方面还可以保证发射传感器和接收传感器在运动过程中严格同步。由于每台机械手是由多个回转关节串联而成，其在空间的位姿与各个关节的角度间具有较强的非线性关系，需要进行轨迹规划和逆运动学求解。当被检工件长度较大时，位于工件外侧的机械手的可达空间应大于被检工件长度，位于工件内侧的机械手受封闭的回转体内部空间的限制，需要借助直线移动单元实现在工件内部的运动。
图1 双机械手超声无损检测系统
为了提高检测精度和效率，需要对两台六关节机械手、直线运动单元和工件回转运动单元共14个轴组成的运动控制单元和超声检测单元以及喷水耦合单元等进行协调控制。北京理工大学研究团队在机械手控制方法研究、机械手系统通信控制，以及机械手与超声检测系统融合等方面做了大量具有创造性的工作，并提供了简单有效的检测轨迹规划方法，开发了具有自主知识产权的曲面检测路径规划软件，以满足复杂曲面、变壁厚等复合材料超声无损检测的需要。这一创新设计，使双机械手超声无损检测系统具有出色的检测效率和宽泛的适用范围，既能够胜任各类特种回转构件的超声无损检测，也能胜任其他非规则复杂曲面的超声无损检测工作，能够在各种不同的生产领域得到广泛应用。图2所示为利用样机对大型自由曲面复合材料构件进行无损检测的过程和检测效果，图3所示为利用样机对变壁厚复杂曲面工件进行检测的过程。
图2 左：双机械手超声无损检测系统对自由
曲面进行检测；右：对曲面局部的检测效果图
图3 双机械手超声无损检测系统对变壁厚复杂曲面工件进行检测
目前，北京理工大学正采取措施，进一步提高样机的功能和性能，以期高标准地实现项目要求，满足国家重大项目生产的需要。该项目现已申报国家发明专利5项，仍有多项发明专利正在申报中。
该项目实施的意义
北京理工大学在所研制的样机上针对复合材料声传播特性进行了大量的实验，研究成果能够对各种不同类型的复合材料超声无损检测提供参考。开发的双机械手超声无损检测系统，为复合材料复杂曲面构件的缺陷检测提供了新的途径，有助于改变航空航天等特殊行业对关键非规则曲面零件只能利用手工检测或无法进行检测的局面，从而提高生产效率，并为产品的可靠性及产品各项指标的实现提供有效保障。
在该项目实施过程中，北京理工大学还引进和培养了一批优秀的科研及工程技术人员，从而为课题研究的进一步深化创造了条件。
