[发明专利]一种复杂空间焊缝的超声相控阵自动化检测与成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声波检测、自动化控制领域，具体为一种复杂空间焊缝的超声相控阵自动化检测与成像方法。

背景技术

目前，曲面工件的超声波检测方法主要为利用常规探头的脉冲反射法和脉冲穿透法。对于曲面工件的超声波检测系统的研制技术难度较大，曲面工件检测系统需要多轴联动的扫查机构，因此需要机器人技术、自动控制技术、CAD/CAM等技术与超声检测技术的有机结合。同时在缺陷信号处理、检测结果显示方面，这种向着缺陷自动定量、缺陷类型识别和三维超声C图像显示的方向发展。另一方面，由于数字电子和DSP技术的发展，使得精确延时越来越方便，因此近几年，超声相控阵技术发展的尤为迅速，这项技术与传统的手工艺超声波探伤技术相比，有很多的优点，比如检测速度快，缺陷定位准确，检测灵敏度高，检测结果直观，可实现实时显示等，这项技术应用到曲面工件无损检测中也是一个发展趋势。下面分别介绍机器人技术和超声相控阵技术在无损检测中的应用。

机器人技术是综合了计算机、机器人拓扑学、控制论、机械学、信息与传感技术、人工智能、仿生学、力学、电子学与微电子学和系统工程等多学科而形成的高新技术。机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机，一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。国际上已经广泛地采用机器人开展检测工作。如磁吸附式爬壁机器人，结构简单，行动灵活，能够完成一些储罐和船体表面的无损检测任务。如蜘蛛型爬壁机器人，自身装配了数十个检测探头，可以对压力容器上有效范围的点进行扫描检测。如蠕动机器人，可以借助管道内气液体压力差形成的推力前进，可以对油气管道腐蚀情况进行检测，其检测精度可达1mm。国内方面，由于我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关才开始起步，机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术掌握时间不长，只能生产部分机器人关键元器件，工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，在超声无损检测领域，好多研究机构也在进行机器人自动化超声检测系统的探索和研制工作，但目前超声无损检测领域对机械手的应用仍都处于较低水平。

超声相控阵技术发展了已经有20多年，其基本概念来自于相控阵雷达技术。在相控阵雷达中，大量的子天线单元按一定形状排列，通过控制每个子单元发射电磁波束的延时和幅度，就能在一定空间范围内合成灵活聚焦扫描的雷达波束。超声相控阵技术在发展初期，由于其系统复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测。近几年，数字电子和DSP技术得到极大发展，使得精确延时越来越方便，这使得超声相控阵技术发展的尤为迅速。

将机器人技术与超声相控阵检测技术在无损检测中两项技术融合后来进行曲面焊缝缺陷检测将会带来巨大的进步。

鉴于此提出本发明。

发明内容

本发明的目的为克服现有技术的不足，提供一种一种复杂空间焊缝的超声相控阵自动化检测与成像方法，实现高效的自动化检测，且显示三维图形，使检测人员更加方便、直观地进行焊缝缺陷的定位和定量。

为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：一种复杂空间焊缝的超声相控阵自动化检测与成像方法，步骤为：

11)根据复杂空间的三维CAD模型确定扫描轨迹；

12)利用六轴机械手夹持超声相控阵换能器沿确定的扫描轨迹对焊缝跟踪扫描，获取焊缝的检测数据，得到焊缝检测结果，并将焊缝检测结果显示在三维焊缝图形中。

步骤11)中若复杂空间的三维CAD模型已知，直接将该三维CAD模型输入至主控计算机，主控计算机对三维CAD模型进行分析得到焊缝的位置，确定扫描轨迹。

步骤11)中若复杂空间的三维CAD模型未知，则对复杂空间的曲面进行测量，获取表面数据，然后曲面重建得到其三维CAD模型，对得到的三维CAD模型进行分析得到焊缝的位置，得到扫描轨迹。

步骤12)中所述的焊缝检测结果为能显示焊缝内部缺陷的超声C扫描图像，所述三维焊缝图形为超声C扫描图像与三维CAD模型中的三维几何结构和焊缝的三维结构对应，通过计算机三维可视化技术显示的三维焊缝模型图像。

步骤11)与步骤12)之间还可以设置一人机交互的过程：主控计算机获得扫描轨迹后显示给检测人员，检测人员判断扫描结果是否正确，若正确不用修改直接进入步骤12)，若不正确对扫描轨迹进行修改后，进入步骤12)；或者检测人员还可以根据实际需要情况确定是否进行修改。