一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，步驟為：11)根據(jù)復雜空間的三維CAD模型確定掃描軌跡；12)利用六軸機械手夾持超聲相控陣換能器沿確定的掃描軌跡對焊縫跟蹤掃描，獲取焊縫的檢測數(shù)據(jù)，得到焊縫檢測結果，并將焊縫檢測結果顯示在三維焊縫圖形中。將機械手引入焊縫檢測中，實現(xiàn)高效的自動化檢測，應用計算機三維可視化技術，讓檢測結果更加直觀地顯示到工件三維幾何圖形中，方便檢測人員定位和定量缺陷。
【專利說明】一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲波檢測、自動化控制領域，具體為一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法。
【背景技術】
[0002]目前，曲面工件的超聲波檢測方法主要為利用常規(guī)探頭的脈沖反射法和脈沖穿透法。對于曲面工件的超聲波檢測系統(tǒng)的研制技術難度較大，曲面工件檢測系統(tǒng)需要多軸聯(lián)動的掃查機構，因此需要機器人技術、自動控制技術、CAD/CAM等技術與超聲檢測技術的有機結合。同時在缺陷信號處理、檢測結果顯示方面，這種向著缺陷自動定量、缺陷類型識別和三維超聲C圖像顯示的方向發(fā)展。另一方面，由于數(shù)字電子和DSP技術的發(fā)展，使得精確延時越來越方便，因此近幾年，超聲相控陣技術發(fā)展的尤為迅速，這項技術與傳統(tǒng)的手工藝超聲波探傷技術相比，有很多的優(yōu)點，比如檢測速度快，缺陷定位準確，檢測靈敏度高，檢測結果直觀，可實現(xiàn)實時顯示等，這項技術應用到曲面工件無損檢測中也是一個發(fā)展趨勢。下面分別介紹機器人技術和超聲相控陣技術在無損檢測中的應用。
[0003]機器人技術是綜合了計算機、機器人拓撲學、控制論、機械學、信息與傳感技術、人工智能、仿生學、力學、電子學與微電子學和系統(tǒng)工程等多學科而形成的高新技術。機器人是一種具有自動控制操作和移動功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機，一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。國際上已經廣泛地采用機器人開展檢測工作。如磁吸附式爬壁機器人，結構簡單，行動靈活，能夠完成一些儲罐和船體表面的無損檢測任務。如蜘蛛型爬壁機器人，自身裝配了數(shù)十個檢測探頭，可以對壓力容器上有效范圍的點進行掃描檢測。如蠕動機器人，可以借助管道內氣液體壓力差形成的推力前進，可以對油氣管道腐蝕情況進行檢測，其檢測精度可達1mm。國內方面，由于我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關才開始起步，機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術掌握時間不長，只能生產部分機器人關鍵元器件，工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，在超聲無損檢測領域，好多研究機構也在進行機器人自動化超聲檢測系統(tǒng)的探索和研制工作，但目前超聲無損檢測領域對機械手的應用仍都處于較低水平。
[0004]超聲相控陣技術發(fā)展了已經有20多年，其基本概念來自于相控陣雷達技術。在相控陣雷達中，大量的子天線單元按一定形狀排列，通過控制每個子單元發(fā)射電磁波束的延時和幅度，就能在一定空間范圍內合成靈活聚焦掃描的雷達波束。超聲相控陣技術在發(fā)展初期，由于其系統(tǒng)復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因使其在工業(yè)無損檢測中的應用受限。然而隨著電子技術和計算機技術的快速發(fā)展，超聲相控陣技術逐漸應用于工業(yè)無損檢測。近幾年，數(shù)字電子和DSP技術得到極大發(fā)展，使得精確延時越來越方便，這使得超聲相控陣技術發(fā)展的尤為迅速。
[0005]將機器人技術與超聲相控陣檢測技術在無損檢測中兩項技術融合后來進行曲面焊縫缺陷檢測將會帶來巨大的進步。[0006]鑒于此提出本發(fā)明。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的為克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，實現(xiàn)高效的自動化檢測，且顯示三維圖形，使檢測人員更加方便、直觀地進行焊縫缺陷的定位和定量。
[0008]為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明采用如下技術方案:一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，步驟為:
[0009]11)根據(jù)復雜空間的三維CAD模型確定掃描軌跡；
[0010]12)利用六軸機械手夾持超聲相控陣換能器沿確定的掃描軌跡對焊縫跟蹤掃描，獲取焊縫的檢測數(shù)據(jù)，得到焊縫檢測結果，并將焊縫檢測結果顯示在三維焊縫圖形中。
[0011]步驟11)中若復雜空間的三維CAD模型已知，直接將該三維CAD模型輸入至主控計算機，主控計算機對三維CAD模型進行分析得到焊縫的位置，確定掃描軌跡。
[0012]步驟11)中若復雜空間的三維CAD模型未知，則對復雜空間的曲面進行測量，獲取表面數(shù)據(jù)，然后曲面重建得到其三維CAD模型，對得到的三維CAD模型進行分析得到焊縫的位置，得到掃描軌跡。
[0013]步驟12)中所述的焊縫檢測結果為能顯示焊縫內部缺陷的超聲C掃描圖像，所述三維焊縫圖形為超聲C掃描圖像與三維CAD模型中的三維幾何結構和焊縫的三維結構對應，通過計算機三維可視化技術顯示的三維焊縫模型圖像。
[0014]步驟11)與步驟12)之間還可以設置一人機交互的過程:主控計算機獲得掃描軌跡后顯示給檢測人員，檢測人員判斷掃描結果是否正確，若正確不用修改直接進入步驟
12)，若不正確對掃描軌跡進行修改后，進入步驟12);或者檢測人員還可以根據(jù)實際需要情況確定是否進行修改。
[0015]所述掃描軌跡為六軸機械手的運動點位組成的運動軌跡，點位中攜帶的是復雜空間表面的焊縫位置信息。
[0016]所述六軸機械手為六軸鏈式機械手。
[0017]將輸入的三維CAD模型或曲面重建得到的三維CAD模型及三維CAD模型對應的掃描軌跡存儲到計算機中，下次有相同模型的焊縫檢測時，直接調取掃描軌跡，對焊縫進行掃描。
[0018]采用本發(fā)明所述的技術方案后，帶來以下有益效果:
[0019]1、將機械手引入焊縫檢測中，實現(xiàn)高效的自動化檢測。
[0020]2、采用六軸鏈式機械手，靈活性好，成本低,精度高。
[0021]3、應用計算機三維可視化技術，讓檢測結果更加直觀地顯示到工件三維幾何圖形中，方便檢測人員定位和定量缺陷。
[0022]4、增加人機交互的過程，可根據(jù)需要進行檢測。
[0023]5、將三維CAD模型及三維CAD模型對應的掃描軌跡存儲到計算機中，下次使用時直接調用，可簡化步驟，節(jié)省時間。
[0024]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的描述?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0025]圖1:本發(fā)明所述檢測系統(tǒng)原理示意圖
[0026]圖2:本發(fā)明所述檢測系統(tǒng)結構示意圖
[0027]圖3:本發(fā)明所述超聲C掃描圖像
[0028]圖4:本發(fā)明所述三維焊縫模型圖像
[0029]圖5:本發(fā)明又一實施例三維焊縫模型圖像
[0030]其中:1、六軸機械手，2、超聲相控陣換能器，3、工件，4、主控計算機。
【具體實施方式】
[0031]本發(fā)明所述一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，步驟為:
[0032]11)根據(jù)復雜空間的三維CAD模型確定掃描軌跡；
[0033]12)利用六軸機械手I夾持超聲相控陣換能器2沿確定的掃描軌跡對焊縫5跟蹤掃描，獲取焊縫5的檢測數(shù)據(jù)，得到焊縫檢測結果，并將焊縫檢測結果顯示在三維焊縫圖形中。將機械手引入焊縫檢測中，實現(xiàn)高效的自動化檢測。應用計算機三維可視化技術，讓檢測結果更加直觀地顯示到工件三維幾何圖形中，方便檢測人員定位和定量缺陷，檢測人員可以很直觀的觀測到焊縫的缺陷情況。
[0034]上述步驟11)中若復雜空間的三維CAD模型已知，直接將該三維CAD模型輸入至主控計算機4，主控計算機4對三維CAD模型進行分析得到焊縫的位置，確定掃描軌跡。若復雜空間的三維CAD模型未知，則對復雜空間的曲面進行測量，獲取表面數(shù)據(jù)，然后曲面重建得到其三維CAD模型，對得到的三維CAD模型進行分析得到焊縫的位置，得到掃描軌跡。故無論復雜空間的模型是否已知，本發(fā)明所述的方法均能實現(xiàn)對其焊縫的檢測。
[0035]上述步驟12)中所述的焊縫檢測結果為能顯示焊縫內部缺陷的超聲C掃描圖像，所述三維焊縫圖形為超聲C掃描圖像與三維CAD模型中的三維幾何結構和焊縫的三維結構對應，通過計算機三維可視化技術顯示的三維焊縫模型圖像。與以往顯示的信號或者平面圖形相比，檢測人員可以很直觀的觀測到焊縫的缺陷情況。
[0036]上述步驟11)與步驟12)之間還可以設置一人機交互的過程:主控計算機4獲得掃描軌跡后顯示給檢測人員，檢測人員判斷掃描結果是否正確，若正確不用修改直接進入步驟12)，若不正確對掃描軌跡進行修改后，進入步驟12);或者檢測人員還可以根據(jù)實際需要情況確定是否進行修改。增加人機交互功能，使操作更靈活，有時候如果掃描軌跡有偏差時，檢測人員還可以進行微調，有時候某些部位的焊縫無需檢測時，可以人工將其刪除，或者可根據(jù)檢測人員的實際需要進行檢測。
[0037]所述掃描軌跡為六軸機械手的運動點位組成的運動軌跡，點位中攜帶的是復雜空間表面的焊縫位置信息。
[0038]所述六軸機械手I為六軸鏈式機械手(參閱圖2)，六軸鏈式機械手靈活性好，方便對復雜空間表面進行掃描，且成本低，精度高。
[0039]每次有新的焊縫檢測時將輸入的三維CAD模型或曲面重建得到的三維CAD模型及三維CAD模型對應的掃描軌跡存儲到計算機中，下次有相同模型的焊縫檢測時，直接調取掃描軌跡，對焊縫進行掃描。這樣如果有一批相同的工件進行焊縫檢測時，只需第一次輸入三維CAD模型或進行曲面重建得到三維CAD模型，分析生成掃描軌跡，以后的直接用該掃描軌跡進行掃描即可，這樣大大簡化了檢測步驟，節(jié)省檢測時間，
[0040]如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法中采用相控陣自動化檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括六軸機械手1，主控計算機4及顯示部分，激發(fā)及接收處理部分，以及超聲相控陣換能器2。六軸機械手根據(jù)工件3的形狀不同，負責帶動超聲相控陣換能器2完成不同的掃查軌跡；主控計算機及顯示部分的功能為:用戶通過人機軟件界面根據(jù)具體檢測任務設置被測物體相關參數(shù)，通過總線把設置信息傳輸給信號激發(fā)接收及處理的電子裝置，同時在檢測信息通過總線傳輸給主控計算機時，將檢測信息可視化輸出給用戶；信號激發(fā)接收處理系統(tǒng)任務是完成相控超聲信號發(fā)射、接收、處理的全過程。
[0041]如圖3所示，本發(fā)明所述一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法測量V型焊縫側壁未融合得到的C掃描圖像。目前的超聲相控陣的檢測結果只能是一張二維的平面掃查結果圖像，這樣跟實際的斜面的結果就很難對應起來。本發(fā)明通過結合計算機的三維可視化技術和超聲C掃描結果，超聲C掃描圖像與三維CAD模型中的三維幾何結構和焊縫的三維結構對應，通過計算機三維可視化技術顯示的三維焊縫模型圖像。顯示待檢測面的超聲C掃描結果。
[0042]如圖4、圖5所示，三維焊縫模型圖像為結合檢測結果的超聲C掃描圖像和計算機三維可視化技術生成的焊縫三維模型。三維焊縫實體圖像為焊縫側壁未融合檢測結果與工件三維幾何結構進行對應顯示的圖像。
[0043]相控陣超聲檢測系統(tǒng)通常由相控陣探頭、數(shù)據(jù)采集單元、脈沖發(fā)生單元、電機驅動單元、工業(yè)計算機、顯示器等組成。系統(tǒng)在Windows平臺上運行專用的操作軟件，完成對被檢工件的掃查、實時顯示和結果評判。所述相控陣探頭為相控陣換能器。
[0044]其中，超聲相控陣換能器由多個壓電晶體組成，相互獨立的壓電晶片被包裹在一個標準探頭盒內。其引線卷纜通常由良好屏蔽的微細同軸電纜捆扎組成，通過商品化的多通道連接器與儀器連接。每個壓電晶體稱為一個陣元，通過脈沖發(fā)生單元、數(shù)據(jù)采集單元等控制換能器中各陣元激勵(或接收)脈沖的延遲時間，改變各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系，實現(xiàn)波束的動態(tài)聚焦和(或)偏轉。
[0045]另外，操作軟件也是相控陣超聲檢測系統(tǒng)中的一個非常重要組成部分。因為相控陣技術能否提供可觀的應用適應性取決于軟件的多功能性。應用軟件要能夠強有力地管理超聲檢測信號的采集。除了處理計算聚焦規(guī)則以外，要求軟件具有強大的編碼能力、全數(shù)據(jù)儲存、顯示結果以及良好的數(shù)據(jù)處理能力等。
[0046]相控陣超聲檢測技術相對于常規(guī)的單探頭超聲檢測具有明顯的技術優(yōu)勢:
[0047]速度:相控陣探頭中被選擇的晶片交替激發(fā)，使得電子掃描(E-掃描)能夠實現(xiàn)高精度、快速的斷面掃描(扇形S掃描)、A掃描、滾動B掃描和L(線性)掃描，甚至能實現(xiàn)C掃描，能夠非?？焖俚馗采w構件，要比常規(guī)單探頭機械系統(tǒng)快得多，在相同時間里提供更好的覆蓋。由于能夠一次檢測所有被檢測部分，大大縮短了檢測時間，減輕檢測人員的勞動強度，提高了檢測精度和可靠性。
[0048]適應性:設置可在幾分鐘內改變，能夠適應很多構件的尺寸與幾何形狀變化，能夠適合于形狀復雜構件檢驗。
[0049]檢驗角度:取決于檢測需要和陣列結構，所形成的波束能夠在寬范圍內選擇波束角度(檢驗角度)，使超聲取向最佳化地垂直于預期的缺陷，例如焊縫中的未熔合。
[0050]波束控制(通常為扇形掃描，S-掃描)能以適當?shù)暮透嗟慕嵌葤呙璨⒗L出構件圖形達到最佳探測。S掃描對于僅有很小掃查面積的情況也是有用的，從而比常規(guī)探頭更適應掃查接觸面積受限的場合。
[0051]電子聚焦可以使波束形狀與尺寸在預期的缺陷位置達到最佳化，獲得最大覆蓋區(qū)域，最高分辨率，以及最佳的探測概率，獲得最佳信號和高質量圖象。聚焦明顯地改善信噪比，而且可以允許在較低的脈沖電壓下工作。
[0052]成像:對缺陷檢測和圖形繪制具有高的分辨率，能夠顯示缺陷“真實深度”的圖像，因而比常規(guī)的波形顯示更容易解釋，能夠通過預先編程的專用軟件對掃描采集的數(shù)據(jù)進行分析評價，減少檢測人員因素的影響。數(shù)據(jù)可以保存和按需要重現(xiàn)，甚至可以視頻方式記錄和重放。
[0053]此外，相控陣超聲檢測系統(tǒng)還具備了編寫檢測報告、支持USB外部存儲媒介以及網絡傳輸?shù)裙δ堋?br> [0054]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員而言，在不脫離本發(fā)明原理前提下，還可以做出多種變形和改進，這也應該視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:步驟為: 11)根據(jù)復雜空間的三維CAD模型確定掃描軌跡； 12)利用六軸機械手夾持超聲相控陣換能器沿確定的掃描軌跡對焊縫跟蹤掃描，獲取焊縫的檢測數(shù)據(jù)，得到焊縫檢測結果，并將焊縫檢測結果顯示在三維焊縫圖形中。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:步驟11)中若復雜空間的三維CAD模型已知，直接將該三維CAD模型輸入至主控計算機，主控計算機對三維CAD模型進行分析得到焊縫的位置，確定掃描軌跡。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:步驟11)中若復雜空間的三維CAD模型未知，則對復雜空間的曲面進行測量，獲取表面數(shù)據(jù)，然后曲面重建得到其三維CAD模型，對得到的三維CAD模型進行分析得到焊縫的位置，得到掃描軌跡。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:步驟12)中所述的焊縫檢測結果為能顯示焊縫內部缺陷的超聲C掃描圖像，所述三維焊縫圖形為超聲C掃描圖像與三維CAD模型中的三維幾何結構和焊縫的三維結構對應，通過計算機三維可視化技術顯示的三維焊縫模型圖像。
5.根據(jù)權利要求1-4任一所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:步驟11)與步驟12)之間還可以設置一人機交互的過程:主控計算機獲得掃描軌跡后顯示給檢測人員，檢測人員判斷掃描結果是否正確，若正確不用修改直接進入步驟12)，若不正確對掃描軌跡進行修改后，進入步驟12);或者檢測人員還可以根據(jù)實際需要情況確定是否進行修改。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:所述掃描軌跡為六軸機械手的運動點位組成的運動軌跡，點位中攜帶的是復雜空間表面的焊縫位置信息。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:所述六軸機械手為六軸鏈式機械手。
8.根據(jù)權利要求1-7任一所述的一種復雜空間焊縫的超聲相控陣自動化檢測與成像方法，其特征在于:將輸入的三維CAD模型或曲面重建得到的三維CAD模型及三維CAD模型對應的掃描軌跡存儲到計算機中，下次有相同模型的焊縫檢測時，直接調取掃描軌跡，對焊縫進行掃描。
【文檔編號】G01N29/06GK103969336SQ201410174565
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權日:2014年4月28日
【發(fā)明者】路浩, 方喜風, 王心紅, 邢立偉 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司