[发明专利]带间隙网格状多斜率曲面工件超声自动检测系统及检测方法

权利要求书

1.带间隙网格状多斜率曲面工件超声自动检测系统，包括超声波探伤仪，其特征在于：超声波探伤仪的探头安装在五自由度扫描支架上，还包括扫描仪、以及工控计算机，其中：

五自由度扫描支架：其具有X、Y、Z三个直线自由度，还具有A、B两个转动自由度，其X、Y、Z三个直线自由度、A、B两个转动自由度通过独立的电机带动，五个自由度的电机受控与工控计算机；

扫描仪：用于扫描被测工件的表面参数，并将表面参数传递给工控计算机；

工控计算机：接收扫描仪传输的被测工件表面参数，并将表面参数转换为该工件的CAD模型；以CAD模型为依据，划分多条检测线，每条检测线包含多个监测点，根据CAD模型中检测点的模拟位置来计算出五个自由度的变量，然后以变量为命令，向五自由度扫描支架的五个电机发送运动指令，控制超声波探伤仪的探头自动找到检测点并使探头的发射方向与改点的法线相同；并将检测的数据进行存储。

2.带间隙网格状多斜率曲面工件超声自动检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（A）工件固定后，利用扫描仪对工件表面进行扫描，然后将扫描的参数传递给工控计算机；

（B）工控计算机接收扫描仪的工件参数后，利用曲面反求方法重构工件的数据模型，并建立每个工件的CAD模型；

（C）对已经建立的工件CAD模型进行划分，将模型的表面划分成多条检测线，每条检测线包括多个检测点，并规划这些检测点的检测顺序；

（D）工控计算机读取当前的超声波探头的位置、以及对应的五自由度扫描支架中五个电机的位置参数；

（E）工控计算机将步骤（D）得到的参数与步骤（C）得到的第一个检测点进行运动途径计算，得到五个自由度独立电机的变量；

（F）将得到的五个自由度独立电机的变量发送给五自由度扫描支架的五个电机，带动超声波探头到第一个检测点；

（G）利用自适应对正控制方法使得超声波探头的超声波方向与改点的发现方向相同，并进行改点的探伤检测，将检测的数据传输给工控计算机；

（H）将已经检测的检测点与下一个检测点进行比较，计算出五个自由度独立电机的变量，然后重复步骤（F）到步骤（H），直到最后一个检测点检测完毕。

3.根据权利要求2所述的带间隙网格状多斜率曲面工件超声自动检测的方法，其特征在于，所述步骤（C）对已经建立的工件CAD模型进行划分，将模型的表面划分成多条检测线，每条检测线包括多个检测点，并规划这些检测点的检测顺序包括以下步骤：

（C1）根据被测工件的结构特点设置截面线的走向、相邻截面的间距、相邻测量点的间距三个参数，完成初始规划；

（C2）完成第1 条截面线上前2 个测量点的三维坐标拾取；

（C3）根据已测点的三维坐标计算截面线的曲率，如果曲率变化值小于设定值，则按初始规划的间距进行测量；如果曲率变化值大于设定值，则缩小相邻测量点的间距，实现测量点的自动规划；

（C4）当完成1 条截面线的测量后，按照设定的截面线顺序依次重复步骤（C2）至（C3），完成多条截面线的测量。

4.根据权利要求2所述的带间隙网格状多斜率曲面工件超声自动检测的方法，其特征在于，所述步骤（E）工控计算机将步骤（D）得到的参数与步骤（C）得到的第一个检测点进行运动途径计算，得到五个自由度独立电机的变量，包括以下步骤：

（E1）将五自由度扫描支架的五根连杆L1、L2、L3、L4、L5，3个移动关节A1、A2、A3，以及2个转动关节A4、A5，按照Denavit—Hartenberg方法建立如下运动方程：

；

（E2）对步骤（E1）的运动学方程进行逆向求解，得到五个独立电机的运动变量：

上式中，，为结构常量；为探头装夹长度；x，y、z分别为五自由度扫查架中移动关节A1、A2、A3的变量值，θ₄、θ₅分别为检测机器人转动关节A4、A5的变量值； (n_x, n_y,n_z) 和 (p_x, p_y,p_z) 分别为测量点的法矢和坐标值。

5.根据权利要求2所述的带间隙网格状多斜率曲面工件超声自动检测的方法，其特征在于，所述步骤（G）利用自适应对正控制方法使得超声波探头的超声波方向与改点的发现方向相同，并进行改点的探伤检测，将检测的数据传输给工控计算机，包括以下步骤：

（G1）假设测量点为B ，其的法矢为BE，切平面为 BDA′C，声束所在直线为AB，声束AB 与法矢BE 之间的夹角即为入射角αL，转动关节A4相对水平方向夹角为α ，转动关节A5 相对垂直方向夹角为β ，建立入射角与法矢之间的关系如下： 

Sin²αL = cos²α + cos² β          （1）；

声束垂直入射时，入射角α _L =0°，将其代入式(1)，只有当α = β = π / 2时，式(1)才成立；当α _L≠0°时，转动关节A4 和A5 需要调整的角度Δα 和Δβ 分别为如下方程：

         （2）；

（G2）从采集的A 波信号提取界面波的时域特征值可获得入射角α _L1，转动关节A4或A5的转动角度θ，此时的入射角α_L2，分别代入式(1)，得到如下关系：

对上式反解得到

将α 和β 的计算结果代入式(2)得到转动关节A4和A5 需要调整的角度；

（G3）根据测量点新的法矢方向重新计算五个自由度电机的运动变量，若位姿调整后还没有达到对正的要求，则重复步骤（G1）至（G3），直到探头的位姿符合要求为止。