CN114295728B - 一种针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法 - Google Patents
一种针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法，属于无损检测领域。首先获取复杂曲面工件外形尺寸，对其进行检测路径规划，保证扫查过程中，探头方向与扫查点的法向量方向一致；然后在工件表面进行超声检测，并接收超声脉冲回波反射信号；按照扫查点的法向量方向进行偏移，得到新的离散点，利用新的离散点构建成像曲面，同时截取对应位置的A扫描波形，将二者建立映射关系，得到最终的三维C扫层析图像。本发明优化了复杂曲面内部缺陷的成像效果，将探头扫查时的三维坐标点信息与超声回波数据建立映射关系，避免了缺陷形状的扭曲与错位现象，实现了缺陷位置的准确表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂曲面工件内部缺陷的三维成像方法，具体涉及一种针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法，属于无损检测领域。
背景技术
随着科学技术的不断进步，各行各业也都获得了长足的发展，尤其在制造业领域。在增材制造(AM)、超塑成形/扩散连接(SPF-DB)等新工艺的不断应用背景之下，新工艺产品的质量控制对无损检测提出了新的挑战，主要体现在常规金属材料、复合材料及其他新型材料对于表面及内部的声学表征。包括简单形状工件(如平板状和管状)、复杂形状工件(如自由曲面)等各种工件内部均可能存在超标缺陷，缺陷的存在往往会对相关领域造成潜在的事故风险。因此，这些工件材料都需要严格的安全把关才能够正常投入使用。超声成像检测技术是在不损害检测对象的情况下，利用缺陷或材料结构异常导致的对超声波反应的变化，对被检对象的结构、性质、状态做出判断的一种检测手段。然而，随着制造技术的不断发展，传统超声成像检测技术局限于常规形状的工件，检测效率较低，无法满足复杂曲面构型工件的无损检测需求。当前的超声成像检测技术也显得愈发局限。
航天飞机蒙皮属于复杂曲面工件，其状态直接影响到整个飞机的性能和使用寿命。对于航天飞机蒙皮的检测，存在蒙皮表面为复杂曲面，所以超声扫查困难以及成像表征形式有限的困难。美国Panametrics公司研制出ARGUS自动机械臂双梁结构的大型曲面超声自动扫查***。德国Nukem Nutronik公司研制的超声自动化检测***Multi AixUltrasonic System(MAUS)可实现曲面的轮廓追踪，但需检测人员编程控制完成。美国MATEC公司研制出复杂曲面形状工件超声自动化检测***，可以通过被检工件CAD模型或者示教的方法生成超声探头的扫查路径轨迹，并运行轨迹程序完成对工件的超声检测。周正干等利用激光超声技术对复合材料层压板进行超声成像检测，采用脉冲回波式和脉冲透射式两种方法进行实验检测研究，分析复合材料层压板边缘分层处激光超声的传播路径规律，总结出了分层缺陷的激光超声表征方法，可精确辨别缺陷形状及空间位置。但现阶段超声C扫描技术的质量评价主要集中在二维彩图的绘制及增强。
针对当前的技术现状，尚需进一步发展复杂曲面工件缺陷的表征方法，充分利用超声波探头和机械扫查装置，实现复杂曲面工件内部缺陷的层析成像。
发明内容
本发明针对航天飞机蒙皮内部缺陷表征问题，创新性地提出一种将曲面工件内部缺陷的超声回波信息与其三维坐标数据进行匹配的三维成像方法。
本发明提供了一种针对复杂曲面工件内部缺陷超声扫查时进行三维成像的方法。利用六自由度机械臂夹持超声水浸探头对曲面工件进行超声扫查，同时接收探头回波数据，确定工件内部深度；同时利用多条扫查路径拟合扫查曲面，计算扫查曲面上与超声数据采集点相对应的离散点的法向量信息，将其三维坐标按照法向量方向偏移给定距离，将得到的新离散点拟合成曲面，最终在合适的深度上得到复杂曲面工件内部缺陷的三维图像。该方法可解决复杂曲面工件内部缺陷成像时的缺陷错位的问题，可达到缺陷形状和位置精确测量的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为利用超声探头在扫查过程中的反射回波数据和扫查点位信息，对其进行计算和处理，最终得到复杂曲面内部缺陷的形状和位置，实现该检测方法所需装置包括夹持探头用机械臂、超声信号激励/接收源、10MHz超声水浸探头和示波器、上位机(计算机)等。其中，机械臂与超声水浸探头连接，超声水浸探头与信号激励/接收源和示波器连接，示波器与上位机连接，将采集的信号传输到上位机。
一种针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法，利用机械臂夹持超声探头对复杂曲面工件进行超声检测，该方法具体实施步骤包括：
S1、获取复杂曲面工件外形尺寸，对其进行检测路径规划，保证扫查过程中，探头方向与扫查点(工件表面)的法向量方向一致；
S2、在工件表面进行超声检测，并接收超声脉冲回波反射信号；
S3、按照扫查点的法向量方向进行偏移，得到新的离散点，利用新的离散点构建成像曲面，同时截取对应位置的A扫描波形，将二者建立映射关系，得到最终的三维C扫层析图像。
在步骤S1中，复杂曲面又叫双曲面，即在x，y方向都存在曲率变化，在规划扫查路径时，要保证探头的朝向与扫查点的法向量一致。根据复杂曲面工件的外形尺寸，在机械臂中设置探头检测路径：先将复杂曲面模型导入到机械臂仿真软件中，设置其位置参数，保证与实际工件位置相符，然后设置轨迹规划，包括扫查速度、扫查方向及步进距离等，最后设置扫查水声距，确保能够接收到超声回波信号。
超声检测路径由若干个离散扫查点组成，将设置的路径程序导入到机械臂示教器中，控制机械臂进行超声扫查。
在步骤S2中，进行超声检测时，超声信号激励/接收源(超声波脉冲发射/接收仪)的输出接口通过同轴电缆与示波器的输入接口连接；超声水浸探头通过同轴电缆与超声信号激励/接收源的发射/接收端连接，机械臂的喷水夹具与超声水浸探头相连：所述超声水浸探头与复杂曲面工件之间设有耦合剂。优选的，所述的耦合剂为去离子水。
在步骤S2中，利用超声信号激励/接收源激励超声水浸探头，根据设置的扫查参数，采用自激自收的模式，采集探头的一次和二次回波数据(工件上、下表面的回波数据)并记录下此时探头的三维数据坐标。
超声探头在扫查过程中，获取每次激励时的超声A扫描数据并记录此时的三维数据坐标；利用示波器采集超声水浸探头回波信号，扫查方式为弓字形扫查，将每一行数据存为一个数据文件；通过软件编程的方式，利用上位机(计算机)记录超声探头采集时的三维数据坐标。
在步骤S3中，根据记录的探头扫查过程中的三维数据坐标点，计算出数据采集点对应离散点的法向量，将该离散点按照其法向量方向偏移，偏移距离为探头至复杂曲面工件上表面的距离与探头至复杂曲面工件下表面的距离之间的距离，偏移间隔由层析间距确定，一般为0.5-1.0mm。
将按照法向量方向偏移得到的离散点进行曲面拟合，得到若干个工件内部层析的拟合曲面，新得到的曲面与曲面工件表面偏移后曲面应一致。
将探头扫查过程中的三维数据坐标点拟合为扫查曲面，提取出该扫查曲面上数据采集点对应的法向量，按照法向量方向对各个数据采集点进行偏移，将偏移后的离散点进行曲面拟合，该曲面即为三维成像曲面；偏移距离按照水声距和层析间距确定；新得到的曲面与曲面工件表面偏移后曲面应一致。
在步骤S3中，以机械臂基座标系作为空间直角坐标系，探头在检测点所测的复杂曲面工件厚度d：
d＝vt/2
其中t为采集的一次回波时间和二次回波时间之间的差值，v为超声波在复杂曲面工件中的声速。
在步骤S3中，处理示波器存储的超声扫查数据；对该数据进行曲面工件上表面到下表面的信号截取，利用该段数据建立成像矩阵，同时调整成像矩阵数据方向，将弓字形扫查所得数据转化为同一方向存储的超声B扫数据，建立若干二维矩阵，将二维矩阵中的超声数据与三维曲面对应成像，得到最终的三维C扫图像。
其中，对示波器存储的超声扫查数据，进行曲面上表面到下表面的信号截取，利用该段数据建立成像矩阵，将成像矩阵中的超声数据特征幅值与得到的三维曲面建立映射关系，创建一个三维曲面并依据超声数据特征幅值表示曲面的颜色，进行复杂曲面工件内部缺陷的三维层析成像。
与现有技术相比较，本发明具有如下增益效果。
1.本发明利用复杂曲面工件模型的信息，获得扫查点法向量，按照法向量方向进行偏移得到离散点并将其拟合成新的曲面，在若干个新曲面上进行缺陷成像。在当前技术中，仅考虑复杂曲面工件表面缺陷的成像，而忽略了工件内部缺陷成像的研究价值。本发明充分利用复杂曲面模型的三维信息计算出扫查点的法向量，对其进行偏移后缺陷成像。
2.本发明优化了复杂曲面内部缺陷的成像效果，将探头扫查时的三维坐标点信息与超声回波数据建立映射关系，避免了缺陷形状的扭曲与错位现象，实现了缺陷位置的准确表征。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
附图说明
图1是本发明实施例扫查的复杂曲面模型图；
图2是本发明超声检测原理示意图；
图3是本发明实施例中水浸探头采集的时域波形；
图4是本发明复杂曲面工件三维层析成像图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。
现阶段具有复杂曲面的工件越来越多，工件内部可能存在各种超标缺陷，该缺陷直接影响工件的使用，其质量能否继续满足使用要求，需要依靠无损检测手段进行检验。
本发明实施例提供了一种针对复杂曲面内部缺陷的三维成像方法。首先获取复杂曲面工件外形尺寸，对其进行检测路径规划，保证扫查过程中，探头方向与工件表面的法向量方向一致；其次，在工件表面进行超声检测，并接收超声脉冲回波反射信号；最后，按照扫查点的法向量方向进行偏移，得到新的离散点；利用新的离散点构建成像曲面，同时截取对应位置的A扫描波形，将二者建立映射关系，得到最终的三维C扫层析图像。
本实施例采用的设备包括1台超声波脉冲发射/接收仪、1只10MHz超声水浸探头(超声波传感器)、1台机械臂，1台信号采集设备(数字示波器)，机械臂与超声水浸探头连接，超声水浸探头与超声波脉冲发射/接收仪连接，超声波脉冲发射/接收仪与数字示波器连接，数字示波器与上位机连接，将采集的信号传输到上位机，利用机械臂夹持超声探头对复杂曲面工件进行超声检测，具体实施步骤如下：
S1、获取复杂曲面工件外形尺寸，如图1所示；对其进行检测路径规划，按照扫查点的法向量方向进行偏移，得到成像曲面；
复杂曲面又叫双曲面，即在x和y方向都存在曲率变化，在规划扫查路径时，如图2所示，要保证探头的朝向与工件表面的法向量一致，在机械臂仿真软件中，编写探头扫查路径程序。先将复杂曲面模型导入到仿真软件中，设置其位置参数，保证与实际工件位置相符。然后编写轨迹规划程序，包括其扫查速度、扫查方向及步进距离等，最后设置其扫查水声距，确保能够接收到超声反射信号；该路径由若干个离散扫查点组成，将该路径程序导入到机械臂示教器中，控制机械臂进行超声扫查。
绘制扫查路径，以长度200mm，宽度150mm的曲面工件为例，其中x方向为长度方向，y方向为宽度方向，x方向扫查范围设定为220mm，步进距离为0.2mm；y方向扫查范围设定为170mm，步进距离为0.2mm。选用10MHz超声聚焦探头，直径为10mm，水声距为50mm。
S2、在工件表面进行超声检测，并接收超声脉冲回波信号；
检测前，安装好检测设备，先将超声波脉冲发射/接收仪的输出接口通过同轴电缆与数字示波器的接入接口连接，这里的超声波脉冲发射/接收仪型号可选用5800PR，再通过同轴电缆将超声聚焦探头与脉冲信号发生器的发射/接收端连接，超声水浸探头安装在机械臂末端喷水夹具上，将复杂曲面工件平放于检测水槽中，采用去离子水作为耦合剂。
利用超声信号激励源激励水浸超声探头，设置扫查参数，采用自激自收的模式，能量设置为12.5微焦，重复频率为100Hz。
在步骤S2中，采集超声探头的一次和二次回波数据(工件上、下表面的回波数据)并记录下此时探头的三维数据坐标。
超声探头在扫查过程中，获取每次激励时的超声A扫描数据并记录此时的三维数据坐标；利用示波器采集超声探头一次和二次回波信号，扫查方式为弓字形扫查，将每一行数据存为一个数据文件。
检测时，将探头固定于机械臂的末端夹具上，启动机械臂扫查程序，使探头遍历每一个检测点，检测过程中脉冲发射仪发生纵波脉冲信号，从而引起探头发生振动并产生超声波发射到复杂曲面工件中，如图1所示，纵波在复杂曲面工件中遇到缺陷后产生回波信号并被传感器接收，回波信号转换为电信号被脉冲接收器接收，并作为时域信号记录在数字示波器上，这里的数字示波器型号为Tektronix DPO3012型，示波器通过安装在PC段的DeskChoice Top数据采集软件再现时域波形，如图3所示。
S3、将三维矩阵中的超声数据与三维曲面对应成像，得到最终的C扫图像。
为方便坐标转换，以机械臂基坐标系为基准，建立空间直角坐标系，提取数据采集点的三维坐标，将其拟合为扫查曲面，并计算出数据采集点对应离散点的法向量将该离散点按照其法向量方向偏移，偏移距离为探头距曲面工件上表面的距离到探头距曲面工件下表面的距离，间隔为1毫米。
将按照法向量方向偏移得到的离散点进行曲面拟合，得到新的拟合曲面，新得到的曲面与曲面工件表面偏移后曲面一致。
上述方法基于MATLAB平台进行操作，先通过MATLAB软件将采集到的超声数据转化为声波特征值矩阵，采用双调和样条插值方法，利用griddata函数创建拟合曲面，使用surfnorm函数提取各离散点的法向量，将离散点按法向量方向偏移后得到的新的坐标点进行曲面拟合，得到成像曲面，最后将成像曲面与声波特征值矩阵进行匹配，完成三维成像。先利用软件编程的方式，提取扫查点的三维坐标信息，采用双调和样条插值方法***三维扫查点数据，利用griddata函数完成曲面拟合，通过分析扫查点在曲面上的位置利用surfnorm函数提取该点的三维法向量，将按照法向量方向偏移后的新的坐标点进行曲面拟合，得到成像曲面。然后需将示波器采集到的每个扫查点的探头回波数据保存为A扫描波形，利用矩阵同维度化和首波对齐原理对A扫描波形进行数据处理，生成B扫描的声波特征矩阵，最后根据层析层数，对B扫描特征矩阵分层，利用表面成像函数surf进行C扫描成像，如图4所示。
本发明根据超声成像原理，利用超声探头向工件发射超声波，超声波在传播过程中遇到上、下表面和缺陷时，会发生反射，分析此时的声波能量和接收时间，即可反应工件内部的声学特征信息。本发明将复杂曲面工件扫查时超声探头的扫查路径拟合成一个曲面，将该曲面上的离散点按照其法向量方向进行偏移，得到新的离散点，再将新的离散点拟合为成像曲面，同时提取超声探头A扫描信号，按照成像曲面的偏移距离，对该信号进行截取，最后将成像曲面与相对应的A扫描信号进行匹配，得到复杂曲面工件的三维层析图像，进而实现了复杂曲面工件内部缺陷的三维成像。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，在任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围之内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法，利用机械臂夹持超声探头对复杂曲面工件进行超声检测，包括如下步骤：
S1、获取复杂曲面工件外形尺寸，对其进行检测路径规划，保证扫查过程中，探头方向与扫查点的法向量方向一致；
S2、在工件表面进行超声检测，并接收超声脉冲回波反射信号；进行超声检测时，超声信号激励/接收源的输出接口通过同轴电缆与示波器的输入接口连接；超声水浸探头通过同轴电缆与超声信号激励/接收源的发射/接收端连接，机械臂的喷水夹具与超声水浸探头相连：所述超声水浸探头与复杂曲面工件之间设有耦合剂；利用超声信号激励/接收源激励超声水浸探头，根据设置的扫查参数，采用自激自收的模式，采集探头的一次和二次回波数据并记录下此时探头的三维数据坐标；
S3、按照扫查点的法向量方向进行偏移，得到新的离散点，利用新的离散点构建成像曲面，同时截取对应位置的A扫描波形，将二者建立映射关系，得到最终的三维C扫层析图像；所述的超声水浸探头在扫查过程中，获取每次激励时的超声A扫描数据并记录此时的三维数据坐标；利用示波器采集超声水浸探头回波信号，扫查方式为弓字形扫查，将每一行数据存为一个数据文件；利用上位机记录超声探头采集时的三维数据坐标；将探头扫查过程中的三维数据坐标点拟合为扫查曲面，提取出该扫查曲面上数据采集点对应的法向量，按照法向量方向对各个数据采集点进行偏移，将偏移后的离散点进行曲面拟合，该曲面即为三维成像曲面；偏移距离按照水声距和层析间距确定；新得到的曲面与曲面工件表面偏移后曲面应一致；偏移距离为探头至复杂曲面工件上表面的距离与探头至复杂曲面工件下表面的距离之间的距离，偏移间隔由层析间距确定；对示波器存储的超声扫查数据，进行曲面工件上表面到下表面的信号截取，利用该段数据建立成像矩阵，同时调整成像矩阵数据方向，将弓字形扫查所得数据转化为同一方向存储的超声B扫数据，建立若干二维矩阵，将二维矩阵中的超声数据与三维曲面对应成像，得到最终的三维C扫图像；将成像矩阵中的超声数据特征幅值与得到的三维曲面建立映射关系，创建一个三维曲面并依据超声数据特征幅值表示曲面的颜色，进行复杂曲面工件内部缺陷的三维层析成像。
2.根据权利要求1所述的针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法，其特征在于：根据复杂曲面工件的外形尺寸，在机械臂中设置探头检测路径：先将复杂曲面模型导入到机械臂仿真软件中，设置其位置参数，保证与实际工件位置相符，然后设置轨迹规划，包括扫查速度、扫查方向和步进距离，最后设置扫查水声距，确保能够接收到超声回波信号。
3.根据权利要求1所述的针对复杂曲面工件内部缺陷超声波三维层析成像方法，其特征在于：所述的检测路径由若干个离散扫查点组成，将设置的路径程序导入到机械臂示教器中，控制机械臂进行超声扫查。
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