超聲輪式掃描器的制造方法
【專利摘要】一種掃描器（100），其包括安裝在可旋轉(zhuǎn)組件（104）內(nèi)的掃描陣列（206），可旋轉(zhuǎn)組件（104）具有在第一側(cè)部上的第一輪（182）、在第二側(cè)部上的第二輪（182）以及圍繞陣列（206）形成鼓狀物的膜（204），其中，在輪之間設(shè)置了負(fù)載路徑（142）以將負(fù)載從膜（204）轉(zhuǎn)移，使得膜（204）能夠制成為更薄的。
【專利說明】超聲輪式掃描器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲掃描器。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于復(fù)合工程部件的、更特別地是用于航空航天部件的非破壞性測試的輪式超聲掃描器。
【背景技術(shù)】
[0002]由于復(fù)合部件的結(jié)構(gòu)，尤其是碳纖維加強(qiáng)聚合物部件(CFRP)的結(jié)構(gòu)，在制造過程中或由于在使用中的應(yīng)力而會產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。例如，碳層的分層會在材料內(nèi)發(fā)生，而這從部件的外部是不可見的。這種缺陷會不利地影響材料性能到部件變得更脆弱的程度。
[0003]有利的是在制造之后和測試或服務(wù)過程中能夠檢查復(fù)合部件內(nèi)部。
[0004]破環(huán)性測試將揭示部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(包括任何損壞)，然而，會使部件成為無用的。盡管制造批次的樣本可以進(jìn)行破壞性測試，但這不提供關(guān)于整個批次無缺陷的100%的可靠指示。
[0005]因此，非破環(huán)性的測試對于復(fù)合部件而言是極其重要的。超聲波測試(UT)是普遍的技術(shù)，其中，將聲波發(fā)射至材料中并且記錄和分析反射波。
[0006]以這種方式的點(diǎn)對點(diǎn)測試是緩慢和費(fèi)勁的，因此已開發(fā)了多種方法以用于遍及工件的表面“掃過”線性超聲傳感器陣列以提供貫穿材料的“切片”的二維圖像。目的是保持在陣列與工件之間的聲波耦合。一種耦合方法使用安裝在超聲陣列周圍的可旋轉(zhuǎn)的流體填充的鼓狀物。沿著材料的表面推動該掃描器使得鼓狀物旋轉(zhuǎn)并且在超聲陣列與工件之間保持持續(xù)不變的耦合。這種掃描器被稱為“輪式探頭”或“輪式掃描器”。一個這種掃描器公開在 EP1448983 中。
[0007]通常，輪式掃描器構(gòu)造成具有中央靜止軸，陣列安裝至該中央靜止軸。輪安裝在中央軸的每一個端部上。輪通過提供了用于工件的接觸表面的大致圓筒形厚膜元件來聯(lián)結(jié)。這兩個輪和膜形成了能夠填充液體耦合劑的“鼓狀物”。由于厚膜的存在和厚膜傳遞扭矩的能力，輪圍繞超聲陣列同步地旋轉(zhuǎn)，因此保持了掃描器相對于工件的定向。該膜也具有足夠的厚度以確保在鼓狀物與工件之間的接觸壓力足夠提供用于超聲波通道的始終如一的耦
口 ο
[0008]本申請的 申請人:已經(jīng)意識到通過減小膜的厚度能夠?qū)崿F(xiàn)有益效果。提供更薄的膜減小了衰減的聲能的量并且允許使用者進(jìn)一步掃描到對象材料的深處使得能夠檢測更厚的工件。
[0009]使膜更薄的問題在于，未能令人滿意地提供在兩個輪之間的扭轉(zhuǎn)負(fù)載路徑。從而產(chǎn)生了與工件不均勻的接觸。此外，填充流體的薄膜產(chǎn)生小的接觸壓力從而導(dǎo)致了超聲波的不一致的耦合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是克服或至少緩和上文提到的問題中的一個或更多個問題。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種超聲掃描器，該超聲掃描器包括:超聲陣列，所述超聲陣列限定掃描向量；耦合組件，所述耦合組件具有:第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件安裝在所述陣列的第一端部處以用于繞第一軸線旋轉(zhuǎn)；第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件安裝在所述陣列的相反的第二端部處以用于繞所述第一軸線旋轉(zhuǎn)；以及柔性耦合部件，所述柔性耦合部件在所述第一構(gòu)件與所述第二構(gòu)件之間延伸以形成圍繞所述陣列的封閉的容積，所述耦合部件具有被所述掃描向量橫貫的工件接觸表面，其中，所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件通過獨(dú)立于所述柔性耦合部件的驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接從而同步旋轉(zhuǎn)。
[0012]所提到的“柔性耦合部件的驅(qū)動路徑機(jī)構(gòu)”，我們指的是提供了 一種機(jī)構(gòu)，在該機(jī)構(gòu)中，在構(gòu)件之間的負(fù)載路徑是獨(dú)立的，換言之，存在不通過柔性耦合部件的負(fù)載路徑。
[0013]有利地，與膜分離的驅(qū)動路徑的設(shè)置緩和或消除了膜在輪之間承載扭轉(zhuǎn)負(fù)載的需要。因此，膜能夠制得薄很多，因為膜不再必須承載在輪之間的所有扭轉(zhuǎn)負(fù)載。
[0014]優(yōu)選地，驅(qū)動機(jī)構(gòu)是齒輪驅(qū)動聯(lián)接裝置，其優(yōu)選地包括驅(qū)動軸，該驅(qū)動軸能夠繞平行且偏離于第一軸線的第二軸線旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，驅(qū)動軸被軸頸支撐在相對于掃描器固定安裝的軸承套筒中。
[0015]優(yōu)選地，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)置允許將傳感器陣列定位在軸線上并且允許偏心機(jī)構(gòu)在兩個輪之間提供功能連結(jié)。
[0016]優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸包括第一齒輪形成部，所述第一齒輪形成部與所述第一構(gòu)件上的相對應(yīng)的齒輪形成部接合。更優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸包括第二齒輪形成部，所述第二齒輪形成部與所述第二構(gòu)件上的相對應(yīng)的齒輪形成部接合。
[0017]有利地，通過扭矩的合適的傳遞，例如通過齒輪裝置的合適的傳遞，偏置軸能夠承載兩個輪之間的扭轉(zhuǎn)負(fù)載，從而提供了與膜分離的負(fù)載路徑。
[0018]優(yōu)選地，所述構(gòu)件的齒輪形成部為限定徑向向內(nèi)相向的齒輪齒的環(huán)形齒輪。有利地，這使得能夠容易地與內(nèi)部軸的齒裝配。
[0019]為了進(jìn)一步減小任何外力對膜的影響，可以提供在構(gòu)件之間延伸的另外的耦合部件，該另外的耦合部件由比所述柔性耦合部件更硬的材料來構(gòu)造。這對于軸向更長的掃描器而言是合適的。耦合部件可以是層疊的。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種超聲掃描器，該超聲掃描器包括:超聲陣列，所述超聲陣列限定掃描向量；耦合組件，所述耦合組件具有:第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件安裝在所述陣列的第一端部處以用于繞第一軸線旋轉(zhuǎn)；第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件安裝在所述陣列的相反的第二端部處以用于繞所述第一軸線旋轉(zhuǎn)；以及柔性耦合部件，所述柔性耦合部件在所述第一構(gòu)件與所述第二構(gòu)件之間延伸以形成圍繞所述陣列的封閉的容積，所述耦合部件具有被所述掃描向量橫貫的工件接觸表面，其中，所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件通過獨(dú)立于所述柔性耦合部件的驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接從而同步旋轉(zhuǎn)。
[0021]提到的“獨(dú)立于柔性耦合部件的驅(qū)動路徑”，我們指的是在構(gòu)件之間的負(fù)載路徑是獨(dú)立的，換言之，存在不通過柔性耦合部件的負(fù)載路徑。這并不排除限定驅(qū)動路徑和耦合部件的構(gòu)件被附接或甚至被層疊的情況。因此，根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動路徑可以通過在構(gòu)件之間延伸的另外的耦合部件來限定，該另外的耦合部件由比柔性耦合部件更硬的材料來構(gòu)造。
[0022]優(yōu)選地，所述另外的耦合部件限定圍繞所述陣列的封閉的容積并且在所述柔性耦合部件內(nèi)是連續(xù)的。所述另外的耦合部件可以附接至所述柔性耦合部件，并且可以是層疊至所述柔性耦合部件的內(nèi)部表面的材料層。[0023]通過以這種方式提供可替代的負(fù)載路徑，由硬的材料構(gòu)造成的另外的耦合部件(因此提供更薄的柔性膜層)能夠用于在構(gòu)件之間傳遞扭矩。所選擇的材料能夠顯著地比膜硬并因此具有可提供小的聲能衰減的厚度，同時保留了提供與工件的良好的摩擦接觸的軟的外部膜。
[0024]所述另外的耦合部件可以由塑性材料構(gòu)造。
[0025]由塑料層(代表所述另外的耦合部件)支持的柔性耦合部件可以與機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)相結(jié)合來使用。這在提供了極其薄的柔性耦合部件的同時使得構(gòu)件能夠同步(借助于所述機(jī)構(gòu))，極其薄的柔性耦合部件的整體形狀由所述另外的耦合部件來提供。
[0026]可替代地，或另外地，所述封閉的容積可以填充加壓的流體(高于大氣壓力)。加壓流體(優(yōu)選地，為提供了良好的耦合特性的液體，比如水)的設(shè)置在柔性耦合部件上施加了徑向向外的力并且因此有助于柔性耦合部件保持自身形狀。這種力還將作用于沿著軸向方向使膜繃緊，這將改善在構(gòu)件之間的扭矩傳遞。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種超聲掃描器，該超聲掃描器包括:超聲陣列，該超聲陣列限定了掃描方向；超聲I禹合部件，該超聲波I禹合部件具有第一構(gòu)件、第二構(gòu)件以及耦合部件，第一構(gòu)件安裝在陣列的第一端部處以用于圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，第二構(gòu)件安裝在陣列的第二相反端部處以用于圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)，該耦合部件跨接所述構(gòu)件并且在掃描方向上具有工件接觸表面，耦合部件包括具有第一硬度的外部材料和具有高于第一硬度的第二硬度的內(nèi)部層。
[0028]有利地，薄硬層的設(shè)置允許膜薄很多，同時保持柔性外部材料與工件接觸的能力。
[0029]優(yōu)選地，內(nèi)部層是塑料涂層，該塑料涂層在沒有不利地影響部件的聲學(xué)性能的情況下提供了扭轉(zhuǎn)剛度。
[0030]容納在限定封閉容積的耦合部件內(nèi)的流體(優(yōu)選地為液體)的加壓還將有助于在構(gòu)件之間的扭矩傳遞，加壓的效果將有助于由內(nèi)部層提供的扭矩傳遞和硬度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]現(xiàn)在將參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的兩個示例掃描器進(jìn)行描述，在附圖中:
[0032]圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的掃描器的俯視截面圖；
[0033]圖2為圖1的掃描器的側(cè)視截面圖；
[0034]圖3a為根據(jù)本發(fā)明的第二方面的掃描器的側(cè)視截面圖；以及
[0035]圖3b為圖3a的掃描器的一部分的詳細(xì)視圖。
【具體實施方式】
[0036]根據(jù)圖1和圖2，提供了一種具有底架102和可旋轉(zhuǎn)組件104的掃描器100。該視圖朝向待掃描的工件(未不出)。
[0037]底架102是不可旋轉(zhuǎn)的并且包括具有第一側(cè)部108和第二側(cè)部110的手柄部件106。側(cè)部108、110是相同的手柄部件106的部分并且在距可旋轉(zhuǎn)組件104 —定距離的設(shè)置手柄(未示出)的位置處相接。因此，可理解的是第一側(cè)部108和第二側(cè)部110以相對于彼此不可旋轉(zhuǎn)的方式固定。每個側(cè)部108、110限定了相對應(yīng)的孔112、114，該孔112、114是關(guān)于第一軸線X同中心的。[0038]底架102包括掃描器支座116，該掃描器支座116限定了具有腔體120的長形本體118以接納掃描陣列。在本體118的第一端部處限定有吊耳121，吊耳121包括內(nèi)螺紋軸向孔 122。
[0039]在本體118的相反的第二端部處，限定具有接近長形本體118的第一肩部126和通往端部套圈區(qū)域130的第二肩部128的階梯環(huán)形套圈124。端部套圈區(qū)域130限定了兩個內(nèi)螺紋孔132。
[0040]在端部套圈區(qū)域130的外圓柱表面上限定了第一滾柱軸承136。密封件138從套圈124自第二肩部128延伸。
[0041]在長形本體118的相反的端部處，另一密封件140環(huán)繞吊耳120。
[0042]在長形本體118的第一側(cè)上，固定有具有平行且偏離于主軸線X的主軸線Y的管狀套筒134。
[0043]在管狀套筒134內(nèi)安裝有驅(qū)動軸142，并且驅(qū)動軸142通過位于管狀構(gòu)件134的兩端處的一對軸承144、146可旋轉(zhuǎn)地安裝。驅(qū)動軸142在兩端處分別限定了外部齒輪形成部148、150。齒輪形成部限定在齒輪構(gòu)件上，該齒輪構(gòu)件以能夠移除的方式附接至軸以便于促進(jìn)與管狀構(gòu)件134的裝配。彈性擋圈152、154將軸軸向地保持就位。
[0044]設(shè)置有第一保持構(gòu)件156，其設(shè)置為階梯環(huán)形部件，該階梯環(huán)形部件包括尺寸構(gòu)造為用于與孔112過盈配合的第一部段158，該第一部段158降階至朝向掃描器支座116突出的第二部段160。第二部段160包括內(nèi)螺紋孔162。當(dāng)裝配時，螺釘或螺栓164與孔122、162聯(lián)接，如圖1所示。滾柱軸承166環(huán)繞保持構(gòu)件156的第二部段160。將指出的是，上文描述的裝置意味著掃描器支座116剛性地安裝至手柄部件106的第一側(cè)部108。
[0045]再說掃描器支座116的相反端，設(shè)置有第二保持構(gòu)件168，其設(shè)置為包括第一部段170的階梯環(huán)形部件，該第一部段170的尺寸構(gòu)造為用于與長形本體118的腔體120過盈配合。設(shè)置了第二部段172，并且第二部段172與手柄部件106的第二側(cè)部110的孔114過盈配合。第三部段174抵接手柄部件106的第二側(cè)部110的外表面。在第二保持構(gòu)件168中平行于軸線X設(shè)置有一對螺紋孔176、178，該一對螺紋孔176、178與掃描器支座116的端部套圈區(qū)域130的螺紋孔132對準(zhǔn)。合適的螺釘或螺栓180被插入以將第二保持構(gòu)件168固定至掃描器支座116。
[0046]因此，可理解的是，掃描器支座116通過在兩端處與保持構(gòu)件的過盈配合被緊固而不能相對于手柄部件106旋轉(zhuǎn)。可替代地，非圓形軸、鍵槽或花鍵可以用于防止這些部件相對于手柄部件106的旋轉(zhuǎn)。
[0047]再說可旋轉(zhuǎn)組件104，設(shè)置了具有輪轂部件184、輪緣部件186以及環(huán)形齒輪188的第一輪182。
[0048]輪緣部件186為大致L形形狀并且限定了外部圓柱形接觸表面192。輪緣部件186配裝至軸承166以用于與軸承166 —起旋轉(zhuǎn)。輪緣部件186圍繞輪轂部件184。密封件140以滑動接觸的方式抵接輪轂部件以保持與輪轂部件的流體緊密封。通過經(jīng)由螺栓190將輪轂部件184和輪緣部件186固定至環(huán)形齒輪188的環(huán)形表面而使輪轂部件184與輪緣部件186連接。
[0049]還限定有作為可旋轉(zhuǎn)組件104的一部分的第二輪194，并且第二輪194包括輪轂部件196，該輪轂部件196與軸承136接合并且與軸承136 —起旋轉(zhuǎn)。密封件124接觸輪轂部件196以形成與輪轂部件196的流體緊密封。
[0050]輪轂部件196連接至環(huán)形齒輪198和輪緣部件200，該輪緣部件200為提供外部接觸表面202的大致圓筒形。
[0051]橡膠膜204跨接接觸表面192、202，從而限定容納掃描器支座116的圓筒形封罩。該封罩填充有耦合劑流體，例如水，耦合劑流體由于密封件124、140而不能溢出。
[0052]當(dāng)裝配時，齒輪形成部148與環(huán)形齒輪188的內(nèi)部帶齒表面接合并且齒輪形成部150與環(huán)形齒輪198的內(nèi)部帶齒表面接合。由于這種接合，環(huán)形齒輪188、198的旋轉(zhuǎn)被連結(jié)。在輪組件182、194之間的任何扭矩差由通過驅(qū)動軸142的負(fù)載路徑來承載。因此，不論膜204是否存在，輪182、194都會在被驅(qū)動時以相同的速度旋轉(zhuǎn)。
[0053]在使用中，在掃描器支座116內(nèi)安裝有沿垂直于軸線X的方向D發(fā)射超聲能量的超聲換能器206 (參見圖2)。手柄部件106被保持成使得方向D朝向工件W并且超聲能量穿過膜204以作用在表面W上。當(dāng)手柄沿著平行于部件W被推動時，在膜204與工件W的表面之間的摩擦將導(dǎo)致可旋轉(zhuǎn)的組件104旋轉(zhuǎn)(致動軸承166，136)。由于該驅(qū)動軸142，膜204不承載扭轉(zhuǎn)負(fù)載。
[0054]將指出的是，軸的旋轉(zhuǎn)軸線Y偏離但平行于主軸線X。還將指出的是，軸142定位在超聲換能器206的側(cè)部使得掃描方向D不穿過軸142。在實施方式中，軸線Y定位成關(guān)于主軸線X以90度遠(yuǎn)離掃描向量D。
[0055]再看圖3a和圖3b，示出了可替代掃描器200，該掃描器200包括具有限定叉狀構(gòu)造的第一側(cè)部204和第二側(cè)部206的手柄202。在第一側(cè)部204和第二側(cè)部206的端部之間布置有掃描陣列208。
[0056]與掃描器100 —樣,掃描器200使用了一對軸210、212，該一對軸210、212中的每一者從手柄202的第一側(cè)部和第二側(cè)部突出以與掃描陣列208相接。在掃描陣列208的第一側(cè)部204上安裝有第一輪214，在第二側(cè)部206上安裝有第二輪216。層狀膜218在輪214與輪216之間延伸而形成了圓筒形鼓狀物，掃描陣列208安置在圓筒形鼓狀物中(被耦合劑流體220包圍)。將指出的是，輪能夠自由地旋轉(zhuǎn)但通過層狀膜218而彼此限制。再看圖3b，更詳細(xì)地示出膜218，其中，能夠觀察到膜218包括外部膜222 (由橡膠材料構(gòu)造)和內(nèi)部塑料涂層224，該內(nèi)部塑料涂層224由設(shè)計成在輪214、216之間提供了一定扭轉(zhuǎn)硬度的薄塑料材料來構(gòu)造。
[0057]將指出的是，外部膜222是足夠薄的從而能夠在掃描工件較深處方面提供上述的優(yōu)勢。同時扭轉(zhuǎn)剛度通過經(jīng)由內(nèi)部涂層224的負(fù)載路徑來提供，盡管內(nèi)部涂層224與外部膜22相比相對較剛硬，但該內(nèi)部涂層224是足夠薄的從而不會顯著地?fù)p害掃描陣列208掃描工件的能力。
[0058]因此，層狀薄膜結(jié)合了塑料材料的硬度和橡膠的高摩擦性能。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲掃描器,包括: 超聲陣列，所述超聲陣列限定掃描向量； 耦合組件，所述耦合組件具有: 第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件安裝在所述陣列的第一端部處以用于繞第一軸線旋轉(zhuǎn)； 第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件安裝在所述陣列的相反的第二端部處以用于繞所述第一軸線旋轉(zhuǎn)；以及 柔性耦合部件，所述柔性耦合部件在所述第一構(gòu)件與所述第二構(gòu)件之間延伸以形成圍繞所述陣列的封閉的容積，所述耦合部件具有被所述掃描向量橫貫的工件接觸表面， 其中，所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件通過獨(dú)立于所述柔性耦合部件的驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接從而同步旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲掃描器，其中，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動軸，所述驅(qū)動軸能夠繞平行且偏離于所述第一軸線的第二軸線旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲掃描器，其中，所述驅(qū)動軸軸頸支撐在軸承套筒中，所述軸承套筒相對于所述掃描器固定地安裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲掃描器，其中，所述驅(qū)動軸包括第一齒輪形成部，所述第一齒輪形成部與所述第一構(gòu)件上的相對應(yīng)的齒輪形成部接合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲掃描器，其中，所述驅(qū)動軸包括第二齒輪形成部，所述第二齒輪形成部與所述第二構(gòu)件上的相對應(yīng)的齒輪形成部接合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲掃描器，其中，所述構(gòu)件的齒輪形成部為限定徑向向內(nèi)相向的齒輪齒的環(huán)形齒輪。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲掃描器，包括在所述構(gòu)件之間延伸的另外的耦合部件，所述另外的耦合部件由比所述柔性耦合部件更硬的材料構(gòu)造而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲掃描器，其中，所述另外的耦合部件限定圍繞所述陣列的封閉的容積并且在所述柔性耦合部件內(nèi)是連續(xù)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的超聲掃描器，其中，所述另外的耦合部件附接至所述柔性奉禹合部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲掃描器，其中，所述另外的耦合部件是層疊至所述柔性耦合部件的內(nèi)部表面的材料層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲掃描器，其中，所述另外的耦合部件由塑料材料構(gòu)造--? 。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的超聲掃描器，其中，所述封閉的容積容納加壓的流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲掃描器，其中，所述加壓的流體是液體。
14.一種參照或根據(jù)附圖在文中所描述的超聲掃描器。
【文檔編號】G01N29/265GK103460036SQ201280014965
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月28日
【發(fā)明者】安德魯·邦德-索利, 理查德·弗里曼特爾, 阿瑟·奧馬霍尼, 路易斯·里韋拉, 阿倫·威廉斯, 安德魯·菲爾波特, 尼爾·漢金森 申請人:空中客車營運(yùn)有限公司