曲面复合材料工件超声自动检测中若干关键问题的研究

论文摘要

当前超声无损检测方法被广泛应用于材料的内部缺陷探测,在产品全面质量控制中占有举足轻重的作用。特别针对复杂型面构件在航空、船舶、汽车、医疗器械等行业中的大量应用,如何设计一个适用范围广、精度高、效率高的曲面自动化超声检测系统,是近年来国内外超声无损检测领域研究的前沿课题。本文结合复合材料曲面工件自动超声检测项目的实际需要和具体实现方案,对系统的运动学与动力学建模、运动轨迹规划、多工件超声检测中模板定位以及变厚度曲面工件的灵敏度补偿与底波跟踪等问题进行了系统深入的研究。第一章阐述了课题的背景和研究的重要意义,分析了曲面数据测量、机器人动力学建模和轨迹规划、曲面匹配、复合材料超声检测等相关技术的国内外研究现状,最后给出了本论文主要的研究内容和章节安排。第二章对超声检测机器人建立了运动学与动力学模型,首先以五自由度超声机器人为研究对象,利用D-H表示法和齐次变换矩阵方法进行运动学建模,给出其运动学正逆解;然后分析了超声检测机器人各杆件速度与关节力的递推关系,利用Newton-Euler递推方法建立了检测机器人的动力学模型。第三章对超声检测系统的运动轨迹规划进行了研究。根据曲面超声检测的特点,正确进行超声检测系统的运动轨迹规划,是实现高效超声探伤检测的关键。首先,给出了曲面工件的测量、重建和采样点生成方法;然后,从检测的动态特性出发,在满足运动学和动力学约束条件下,针对点对点和连续轨迹两种任务下分别采用五次多项式和4-3-4多项式来对超声检测的运动轨迹进行时间优化,保证检测机器人终端的探头能够平稳快速地采集信号,最后给出实例来验证该算法的有效性,并为提高超声检测系统的性能提供了依据。第四章对多工件超声检测中模板定位进行了研究。提出了一种分级匹配的定位算法来保证基于检测模板的多工件超声检测机器人轨迹可靠性:首先以待测工件与检测模板工件的包围盒的中心为原点分别建立坐标系来进行匹配,使得待测工件趋向检测模板,然后通过质心匹配来使得待测工件实际位姿基本与检测模板吻合,再通过点到曲面最小距离寻优的完全匹配来实现检测工件的最终定位。最后通过仿真与实例分析了各级匹配的精度与效果,验证了此分级匹配定位算法的可行性,并给出超声C扫描实例。此算法同样可应用在其他装配生产线上的软件定位方法上。第五章对曲面变厚度工件超声检测中灵敏度的自适应调节和波形跟踪进行了研究。针对曲面型复合材料工件衰减率大和厚度变化不均匀连续的特点,导致其超声自动化探伤中灵敏度调节困难,介绍了变厚度工件的超声C扫描的原理,阐述了灵敏度补偿的原理,提出了基于BP神经网络的方法来获取灵敏度与曲面位置信息之间的映射关系,用此来实现灵敏度的补偿与实时控制,并且结合生成的灵敏度模板提出了一种新的超声检测底波跟踪算法。最后通过扫查实例来验证该方法的满足检测需要,大大提高了对类似的变厚度高衰减率工件的超声检测的自动化程度和准确性。最后对全文工作进行了总结,并对将来进一步的工作作出展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合材料曲面超声检测技术研究进展
• 1.2.1 曲面复合材料的超声检测技术
• 1.2.2 机器人动力学建模方法
• 1.2.3 机器人最优轨迹规划的研究现状
• 1.2.4 曲面定位技术
• 1.2.5 变厚度工件灵敏度补偿技术
• 1.3 论文研究背景与意义
• 1.3.1 论文研究的课题背景
• 1.3.2 论文的研究意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 2 超声检测机器人运动学与动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 超声检测机器人运动学建模
• 2.2.1 运动学方程建立
• 2.2.2 运动学方程求解
• 2.3 超声检测机器人动力学建模
• 2.3.1 超声检测机器人速度分析
• 2.3.2 牛顿欧拉动力学建模
• 2.3.3 检测机器人动力学建模
• 2.4 本章小结
• 3 超声自动化检测的轨迹规划研究
• 3.1 引言
• 3.2 超声检测曲面采样点生成
• 3.2.1 超声测距原理
• 3.2.2 曲面数字化表达
• 3.2.3 曲面采样点生成
• 3.3 最优规划约束条件描述
• 3.3.1 位姿的欧拉角描述
• 3.3.2 运动学约束
• 3.3.3 动力学约束
• 3.4 点对点时间最优轨迹规划
• 3.4.1 操作空间的轨迹规划
• 3.4.2 最优时间轨迹的确定
• 3.5 连续轨迹的时间最优轨迹规划
• 3.5.1 关节空间的轨迹规划
• 3.5.2 最优时间轨迹的确定
• 3.6 算法实例
• 3.6.1 点到点最优轨迹规划
• 3.6.2 连续轨迹的最优时间规划
• 3.7 本章小结
• 4 多工件超声检测中检测模板定位研究
• 4.1 引言
• 4.2 检测模板生成与定位
• 4.2.1 检测模板描述
• 4.2.2 曲面匹配的数学描述
• 4.2.3 基准点选取
• 4.3 分级匹配方法
• 4.3.1 分级匹配定位的原理
• 4.3.2 分级匹配定位的实现
• 4.3.3 各级匹配精度评估
• 4.4 扫描采样点生成
• 4.5 仿真与实验研究
• 4.5.1 匹配实例验证
• 4.5.2 C扫描检测实例
• 4.6 本章小结
• 5 变厚度曲面工件超声检测的灵敏度补偿与波形跟踪
• 5.1 引言
• 5.2 变厚度工件C扫描增益要求
• 5.3 曲面变厚度工件灵敏度补偿原理
• 5.4 基于BP神经网络的灵敏度调节
• 5.4.1 BP网络工作流程
• 5.4.2 BP网络参数设计
• 5.4.3 样本训练与仿真
• 5.5 改进的灵敏度补偿算法
• 5.6 底波自动跟踪
• 5.6.1 厚度—灵敏度曲线
• 5.6.2 底波跟踪实现
• 5.7 实例验证
• 5.7.1 底波跟踪实例
• 5.7.2 灵敏度补偿实验
• 5.8 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ
• 作者简历及科研成果