曲面工件超声自动检测中若干关键技术研究

论文摘要

超声无损检测技术在产品全面质量控制中占有举足轻重的作用。对于具有复杂形状的曲面工件，如何提高检测时的精度、效率和自动化程度，是超声检测中需要重点考虑的问题。本文结合曲面工件超声自动检测系统的项目实际需要和具体实现方案，对曲面工件超声检测中的超声测量、曲面建模、扫描路径规划以及三维超声扫描成像等关键技术进行了系统深入的研究。第一章阐述了所研究课题的项目背景及论文研究的重要意义，分析了曲面工件超声检测系统及其相关技术的研究现状，给出了曲面工件超声自动检测系统的具体实现方案及论文的主要研究内容。第二章首先建立了曲面工件超声检测机器人的运动学模型，然后对基于超声测距的曲面测量方法进行了研究。对数学模型未知的曲面工件进行超声测量时，必须事先估算各测量点的位置和法矢，针对此问题，首先建立工件的初始曲面模型，使数学模型未知的曲面工件得到一个近似的数学描述，然后用初始曲面模型引导多自由度检测机械手进行型面跟踪测量。在初始曲面模型的基础上，提出了一种基于曲面递规分割算法的自适应采样路径生成算法，提高了曲面工件超声测量的效率。第三章对测量数据的曲面建模方法进行了研究。针对不均匀截面线簇曲面生成时会造成曲面控制顶点数量急剧膨胀的问题，提出了一种基于曲线重采样插值重构的B样条曲面生成方法。该方法首先对各截面线测量点进行曲线插值重构，并对所生成曲线用公共节点矢量进行重新采样，然后用新的采样点在给定的拟合精度下构造出新的具有公共节点矢量的插值曲线，最后过各新的截面曲线构造单向蒙皮曲面。实例表明，该方法在满足拟合精度的情况下，能减少曲面重构所需的控制顶点数。第四章对曲面工件超声检测路径规划方法进行了研究。针对曲面参数线分布不均匀时采用等参数方法进行路径规划会造成检测效率低下的问题，提出了一种非等参数检测路径规划方法，该方法采用近似等弧长的算法对曲面进行非等参数离散，使各检测点之间的弧长间距近似相等、分布更加均匀合理，在避免漏检的情况下可较好地减少检测点数目；针对型面跟踪检测时扫描速度难以提高的问题，提出了一种自动分块检测路径规划方法，该方法采用曲面递归分割算法将曲面自动分割成一系列满足平坦性要求的子曲面片，然后对各子曲面片采用平面扫描方式进行检测。由于在平面扫描过程中探头不需要调整入射方向，因此自动分块检测方法能以较快的速度进行扫描，可较好地提高检测效率。第五章对曲面工件三维超声扫描成像方法和超声图像的压缩处理方法进行了研究。首先采用基于扫描线的三角网格划分方法生成曲面三维超声图像的离散

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 论文研究的意义

1.2.1 项目背景

1.2.2 论文的研究意义

1.3 文献综述

1.3.1 超声无损检测技术的发展状况

1.3.2 曲面工件超声检测技术的国内外研究现状

1.3.3 反求工程及其关键技术的研究现状

1.3.4 曲面测量路径规划问题

1.4 曲面工件超声检测系统总体实现方案

1.5 论文的主要研究内容

第二章基于超声测距的曲面测量技术研究

2.1 引言

2.2 检测机器人运动学建模

2.2.1 连杆坐标系及运动学方程的建立

2.2.2 检测机器人运动学建模

2.3 超声测距原理

2.4 曲面数据采集原理

2.5 初始曲面建模方法研究

2.5.1 截面线自动跟踪式采样

2.5.2 基于截面线的初始曲面重建

2.6 曲面自适应采样路径规划方法研究

2.6.1 B样条曲线和B曲面的分割

2.6.2 基于曲面递归分割的自适应采样路径规划

2.6.3 曲面自适应采样路径规划实例

2.7 超声测量运动点位生成

2.8 本章小结

第三章测量数据的B样条曲面重建

3.1 引言

3.2 测量数据的B样条曲面重建

3.2.1 B样条曲面数学形式

3.2.2 B样条曲面重建

3.3 曲面分析

3.3.1 RGB颜色模型及其插值算法

3.3.2 曲面重建精度评定

3.3.3 曲面曲率分析

3.4 曲面延拓

3.4.1 B样条曲线的切向延伸

3.4.2 B样条曲面的切向延伸

3.5 本章小结

第四章曲面工件超声检测路径规划方法研究

4.1 引言

4.2 曲面检测点的非等参数布置方法

4.2.1 参数曲线的近似等弧长参数化

4.2.2 非等参数（近似等弧长）检测点生成

4.2.3 曲面检测点非等参数布置及检测实例

4.3 曲面自动分块检测路径规划方法

4.3.1 曲面自动分块检测方法的提出

4.3.2 自动分块检测时曲面片平坦性判断

4.3.3 满足平坦性的曲面递归分割

4.3.4 曲面自动分块检测路径规划

4.3.5 曲面自动分块检测实例

4.4 超声检测运动点位的生成

4.5 本章小结

第五章曲面三维超声扫描成像及超声图像压缩处理

5.1 引言

5.2 常用超声检测方法

5.2.1 穿透法与脉冲反射法

5.2.2 直接接触法与液浸法

5.3 超声扫描成像技术

5.3.1 B扫描成像与C扫描成像

5.3.2 伪彩色成像与调色板技术

5.3.3 超声组合成像技术

5.4 曲面三维超声扫描成像

5.4.1 基于三角网格划分的离散像元生成

5.4.2 曲面三维超声扫描成像基本过程

5.5 超声扫描图像的压缩处理

5.5.1 基于网格顶点删除的超声图像压缩处理

5.5.2 超声图像压缩处理实例

5.6 本章小结

第六章曲面工件超声自动检测系统的实现

6.1 引言

6.2 系统的硬件组成

6.3 系统的软件组成

6.4 曲面工件超声自动检测实例

6.4.1 曲面工件超声检测的基本步骤

6.4.2 曲面测量

6.4.3 曲面重构和扫描路径规划

6.4.4 实时扫描成像

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表（录用）的论文和参与的课题

致谢

曲面工件超声自动检测中若干关键技术研究

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