走近科研团队系列报道（3）——北京理工大学检测与控制研究所

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北京理工大学检测与控制研究所，多年来一直从事无损检测与控制理论与技术的教学和科研工作。他们主要面向国防科技工业和国民经济发展的前沿及生产需求，重点开展超声、声发射、电磁等无损检测机理及其自动控制等方面的理论和技术研究工作。

在研究所所长徐春广教授的带领下，团队在复合材料双机械手超声透射无损检测系统、激光超声检测系统、航空发动机叶片X射线机械手CT检测系统等方向取得了众多研究成果。团队获得国防科工局科技进步奖二等奖，兵器工业集团科学技术奖一等奖，中国兵器工业集团科技进步奖一等奖，首届全国上银优秀博士论文等奖项。

复合材料是一种优良的新型材料，具有比强度高、比刚度高、耐烧蚀、耐摩擦以及低密度等优良性能，尤其是易于设计制造一体化和整体制造大型构件，对减轻结构重量和提高可靠性具有不可替代的作用。被广泛用于大型飞机、桥梁、风力发电叶片、高速列车车头、船艇、大型储罐等重要场合。空客公司生产的军用运输机A400M在机翼、尾翼、操纵面上大量应用碳纤维复合材料，碳纤维机翼的重量是等强度铝翼的75%或80%。未来以F222为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。

由于复合材料构件在生产制造和使用过程中都会产生各种类型的缺陷，大大降低构件的安全性能，因此必须采取有效的手段对其进行无损检测。

徐春广教授带领他的团队研制了一套功能较完善、具有较高性能的双机械手复合材料超声自动检测系统并开展了应用实验研究。

复合材料双机械手超声无损检测系统，基于超声波无损检测原理，可实现对复合材料分层、孔洞、夹杂、脱粘等内部缺陷的检测，也可以进行复合材料孔隙率、弹性模量、残余应力和密度分布等特性的测量。

检测系统利用双机械手空间精密定位技术，可实现对任意曲面形廓复合材料构件的超声喷水耦合法检测，既可以实现双机械手的同步透射法检测，也可以实现单机械手的脉冲反射法检测，具有检测速度快、精度高、灵活性好等诸多优点，可应用于航空航天、船舶、汽车等领域大型曲面复合材料的无损检测。

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双机械手检测系统

双机械手检测控制系统包括机械结构系统、硬件系统和软件系统。机械结构系统是整个测量系统的基础，包括高端机械手、底座、工件运动导轨、水循环单元、工件支架；硬件系统为检测系统中用到的所有电子硬件设备，包括工控机、超声换能器、脉冲发射/接收卡、高速数据采集卡、电控柜等；软件系统包括系统管理、超声收发及信号采集、形廓跟踪、运动控制、信号处理、图像显示和参数设置模块。

双机械手无损检测系统

回转体构件检测系统

复杂封闭构件检测系统

大型开放式曲面检测实例

在对曲面复合材料工件进行超声检测时，为了保证超声波信号较强地入射到工件中，要求超声换能器应自动跟随工件表面形状的变化，当被检测工件的形廓曲率变化时，软件系统要控制高端机械手带动换能器及时调整位姿，即保证超声波入射方向始终与曲面法线方向重合，检测时保证检测设备的机械轴精确控制探头指向，使发射和接收探头始终指向被检测构件的表面法向。

对于曲面工件的检测路径生成和规划主要分自动检测方式和示教检测方式两种。对于CAD模型已知的被测曲面工件，可以直接将其CAD三维数据导入软件系统自动生成检测扫查路径；对于CAD模型未知的测量工件，应采用示教检测方式生成检测扫查路径。软件系统控制高速数据采集卡在各检测点处采集超声信号，并实时绘制检测图像。

系统特点:

✦ 采用高端机械手实时控制，检测精度高、速度快，灵活性好

✦ 具有全波数据采集与存储功能，可实现任意深度成像观测

✦ 应用峰值成像方式，可实现多种物理特性观测与分析

✦ 显示直观，大面积、快速扫描显示工件内部缺陷

主要性能指标:

✦ 可检构件最大尺寸：1500×1500mm

✦ 扫查采样点间最小距离：0.1mm

✦ 最大扫查速度：20mm/s

✦ 最高采样频率：250MHz

✦ 频率范围：0.5-10MHz

✦ 可检构件最大厚度：30mm

应用情况:

1、回转类构件的质量检测，如鱼雷水雷壳体、导弹壳体、高速旋转轴、高压容器等，这些构件在重大装备和武器系统中起到了非常重要的作用，决定着设备运行的可靠性或武器系统的安全性、有效性。

2、大型装备部件的质量检测，如飞机与航天器的大型复合材料构件、发动机、发电机主轴、高压容器、超厚板材、棒材等，均采用超声波无损检测方法，这些大型高尖端的质量检验控制设备均依靠国外进口，中国由制造大国向制造强国迈进过程中，引进、消化国外大型构件的超声波质量检测技术，是快速提升我国重大装备制造质量检测的重要手段。

3、复杂形廓复合材料的质量检测，如飞行器零部件，航空航天、汽车、海洋、化工等领域等等。复杂曲面的复合材料构件的检测可以使我们获得构件内部缺陷、损伤的最大量的信息，例如：缺陷的位置分布、形状和大小等，随着复合材料用量、规模的不断扩大，低成本，高性能、长寿命、高可靠性设计思想的提出，复合材料的自动化检测技术已变得日益重要，目前超声检测是复合材料自动化检测中最为重要的检测技术。

团队负责人介绍

徐春广，教授，博士生导师，先进加工技术国防重点学科实验室主任,检测与控制研究所所长、兼任东京工业大学兼职研究员（2015），韩国国立釜山大学兼职教授研究员（2009-）、世界无损评估中心联盟委员（WFNDEC）、国际声发射委员会委员、远东无损检测新技术论坛大会副主席、IEEE FEND国际会议创会主席、IEEE会员、国防科工委无损检测鉴认委委员、总装备部通用测试技术专业组成员、中国无损检测学会常务理事、中国计量测试学会理事和美国无损检测学会委员等。

主要从事残余应力的超声无损检测与调控、超声显微检测技术、机械手无损检测技术、超声柔性阵列与层析检测技术等方面的研究。最近致力于声弹塑性检测与制造理论和实验研究，提出和初步建立了无应力制造的概念、原理、方法、技术和理论，为机械产品提高制造质量和服役安全奠定了基础。发表学术论文200余篇，获得国家发明专利30多项，制定1项国家标准和2项企业标准；承担和完成了多项国家重大科技工程、国家重点自然基金、国家国际科技合作以及总装和科工局科研等50多项科研项目，获得多项省部级科技进步和发明奖励。

徐春广教授主持制定的《残余应力超声临界折射纵波无损检测方法》国家标准（GB/T32073-2015）已颁布实施。

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