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大型薄壁件是航空航天、先进轨道交通等领域核心装备中的一类典型结构件,其加工剩余壁厚的制造要求高。精确测量获得毛坯厚度与加工剩余壁厚分布状态,是保障这类零件制造质量的关键环节。使用传统量规、手持测厚仪(射线、超声)等手段进行大型薄壁件的厚度测量,往往存在人工劳动强度大、效率低、结果一致性差等问题,且测点的空间位置坐标未知,不能精确地描述大型薄壁零件的厚度分布状态,无法满足壁厚测量需求。鉴于超声测厚法在测量精度、测量范围、测量可达性方面的优势,若能解决其“自动测量”问题,将是快速获取大型薄壁件壁厚分布状态的有效途径。本论文面向大型薄壁零件壁厚精确、高效测量需求,提出超声自动扫描测厚方法,开展回波声时差精确提取、超声入射偏角自动辨识、耦合间隙随形调整等关键技术研究工作,具体研究内容如下:为了实现大型薄壁件壁厚的快速测量,提出非接触式超声自动扫描测厚方法。定义超声自动测量系统中的各个子坐标系,确立子坐标系之间的坐标变换矩阵,建立超声自动扫描测厚系统的测量运动学模型。根据测厚系统的运动学分析,建立大型薄壁零件壁厚的超声自动扫描测量模型,分析影响大型薄壁零件自动测厚精度的主要因素,为后续关键技术的研究奠定基础。针对动态连续测厚中超声回波声时差的实时精确计算要求,提出基于回波匹配的声时差计算方法。基于自适应滤波理论,通过超声相邻回波信号的傅里叶分析与时域卷积处理,建立具有时延特征的超声回波声时差分析模型,确立减少参与计算回波数量、回波匹配的理论依据。根据相邻回波波形最佳相似原则,建立面向声时差提取的回波匹配模型。为实现回波快速匹配,提出虑及匹配收敛速度和收敛稳定性的步长自适应调整策略,协调迭代步长与匹配误差的关系。针对超声测厚中的回波重叠现象,提出一种基于匹配追踪算法的重叠回波分离方法,形成基于回波匹配的声时差快速精确计算方法。采用一系列不同厚度的样件进行了仿真与实验分析,结果表明与现有的声时差计算方法相比,基于回波匹配的回波声时差提取精度得到有效提高,计算速度提升近35%。针对自动扫描测厚中超声入射偏角引起的厚度测量误差,提出超声入射偏角自动辨识与误差补偿方法。基于声源角谱分解方法,引入等效声源,结合等效声压传播方程,建立虑及超声入射偏角的测量空间声压频谱模型。通过在传感器声源面和接收面内对声压进行频域积分,解析获得不同入射偏角下的表面反射脉冲回波幅值,发现回波能量对入射偏角的敏感性,提出基于首次回波能量衰减算法的入射偏角辨识方法。结合液-固界面声波折射定律,建立超声入射偏角引起的厚度测量误差补偿模型。实验表明,在入射偏角0～2.5°范围内,超声测厚误差最多可减小70%,显著提高超声自动扫描测厚精度。针对非接触式超声扫描测厚过程中超声测厚装置与被测工件表面间的耦合间隙控制难题,提出耦合间隙随形自适应调整方法。制定基于前置涡流位移传感器测量的耦合间隙调整策略,通过涡流传感器测得的位移信息,识别工件的边沿位置,确定超声传感器测量区域。建立耦合间隙状态判别模型,预估耦合间隙的安全调整位置,计算测量装置的自适应随形调整位姿。基于开发的测量平台进行超声耦合间隙自适应调整实验,验证提出的方法可实现耦合间隙状态的准确判别与平稳随形调整,保证超声耦合间隙在非接触扫描测厚中始终保持在合理范围内,有效提高超声自动测厚精度与稳定性。综合应用所提出的大型薄壁零件壁厚超声自动测量方法与关键技术,通过不同形状零件的超声测厚实验,验证系统测厚精度可达0.03mm,满足大型薄壁零件壁厚的测量要求。以大型火箭贮箱壁板为测量对象,研制大型薄壁零件的超声自动测厚系统,开展测量系统的现场实验,验证超声自动测厚系统在工程应用中的可行性及有效性。