CN110057914B - 复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法，通过控制六轴机械手带动柔性水包耦合滚轮在复合材料待测表面上运动，使其到达相应的待测点，控制六轴机械手改变姿态，以设定角度发射并接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划，解决了现有曲面复合材料超声检测技术难以实时、准确地跟踪曲面曲率的问题；解决了现有大型曲面复合材料超声检测方法难以对不可拆卸的在役复合材料进行检测的问题，同时提高检测速率，增加系统的自动化程度。

Description

复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法

技术领域

本公开属于自动化检测领域，涉及一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

复合材料拥有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、新能源汽车、高铁、船舶制造、石油、化工等领域。复合材料在制造和在役过程中，不可避免会出现分层、夹杂、纤维断裂、孔洞等缺陷。

据发明人了解，目前，一般采用超声波检测的方法对复合材料的质量进行检测。超声检测在针对小型平面等一些形状规则的复合材料时容易实现，但随着复合材料技术的发展，汽车、高铁的车体等一些大型复杂曲面结构的的材料将被复合材料替代。在大型复合材料曲面结构的无损检测领域，公告号为CN102721746A的中国发明专利，公开了“一种双机械手超声透射检测装置”，其通过双6自由度的机械手采用超声透射法检测大型曲面复合材料。此种方法采用喷水耦合，增加了实施难度。另外，通常情况下大型曲面复合材料在使用过程中难以拆卸，而此种方法需要同时在复合材料内外两侧安装机械手，并需要导轨带动复合材料运动，所以其难以应用于在役过程中的大型曲面结构复合材料的检测。

在对曲面结构的复合材料进行检测时，为保证检测的准确性，需要时刻保持超声探头与曲面法线方向相同。但是，现有的技术都只是依照预先输入的待测复合材料三维模型，此种只采用前馈控制的方法对三维模型的精度要求较高，且检测时容易出现偏差。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置与方法，本公开能够解决现有的超声检测喷水耦合方式难以实施、曲面复合材料超声检测技术难以实时、准确地跟踪曲面曲率，以及现有大型曲面复合材料超声检测方法难以对不可拆卸的在役复合材料进行检测的问题，同时提高检测速率，增加系统的自动化程度，降低检测人员的操作难度和工作强度。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，包括超声检测单元、运动单元以及信号处理单元，其中：

所述超声检测单元包括超声收发装置、相控阵传感器和柔性水包耦合滚轮，所述柔性水包耦合滚轮能够沿所述复合材料表面转动而移动，所述相控阵传感器设置于柔性水包耦合滚轮内部轴线上，所述超声收发装置依据相控阵聚焦规则产生激励信号，并接受超声回波信号；

所述运动单元包括移动导轨和六轴机械手，所述移动导轨设置在复合材料待测表面上端或旁边，所述六轴机械手能够沿所述移动导轨运动，并带动所述柔性水包耦合滚轮沿检测路径运行，以指定角度检测指定位置复合材料表面；

所述信号处理单元，被配置为接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划。

作为可能的实施方式，所述柔性水包耦合滚轮为圆柱形结构，且中心轴位置中空且密封，所述超声相控阵传感器设置于所述中心轴处，且除中空部分，柔性水包耦合滚轮内部填充有水。

作为可能的实施方式，所述移动导轨的设置位置能够保证不阻挡所述复合材料的待测表面，且所述六轴机械手的活动空间能够覆盖所述待测表面。

作为可能的实施方式，所述六轴机械手包括设置于底座上的第一可转动关节，与第一可转动关节转动连接的第二可转动关节，第三可转动关节，以及连接在第二可转动关节和第三可转动关节之间的第一机械臂，连接在第三可转动关节的第二机械臂，与第二机械臂可转动连接的第三机械臂和第四机械臂，所述第三机械臂和第四机械臂之间通过第四可转动关节连接，所述第四机械臂的断臂设置有可转动的机械手，具有六个运行自由度。

所述底座设置于移动导轨上，且能够沿移动导轨运动。

作为可能的实施方式，所述六轴机械手在移动过程中，保证所述超声相控阵传感器的移动路径与复合材料表面法线方向相同。

作为可能的实施方式，所述超声相控阵传感器与所述超声收发装置通过连接线缆连接。

作为可能的实施方式，所述信号处理单元对检测路径的控制利用前馈加反馈方法，根据待测曲面复合材料工件的三维模型与相对位置确定初始检测路径以及路径上各点的超声相控阵传感器方向。

作为可能的实施方式，通过检测到的各个超声回波飞行时间和幅值实时调整检测路径和传感器角度。

作为可能的实施方式，所述信号处理单元与运动控制器连接，所述运动控制器控制所述运动单元的动作，所述运动控制器通过伺服电机驱动所述六轴机械手在所述移动导轨上的移动。

基于上述装置的方法，控制六轴机械手带动柔性水包耦合滚轮在复合材料待测表面上运动，使其到达相应的待测点，控制六轴机械手改变姿态，以设定角度发射并接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时的测量数据对检测路径进行动态规划。

通过检测到的各个超声回波飞行时间和幅值实时调整检测路径和传感器角度时，预先设定超声回波的幅值有效阈值-飞行时间曲线，认为若超声回波的幅值大于相应的飞行时间下的幅值有效阈值时，接收到的超声回波是有效的；

或，当在某处接收到超声回波信号后首先计算其第一个波峰的飞行时间和幅值，若幅值大于其飞行时间对应的幅值有效阈值时，认为接收到的超声回波有效，正常进行下面的扫查和缺陷计算；相反，当幅值小于给定阈值时，认为接收到的超声回波无效，及时调整扫查路径和传感器角度重新对该位置进行扫查，直到接收到的超声回波幅值大于给定阈值；

或，预先设定重复扫查次数最大值，当对某处重复扫查次数达到所述最大值时，对该位置进行标记，并将所得到的幅值最大的超声回波作为有效超声回波，继续进行下一测点的扫查。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开采用柔性水包耦合装置解决了现有的喷水耦合技术实施难的问题，移动导轨和六轴机械手组成的7轴运动系统解决了无法拆卸的大型复合材料难以在役检测的问题，集成化的控制系统、缺陷识别定量分析和状态评估系统能降低检测人员的操作难度和工作强度。解决了现有的超声检测喷水耦合方式难以实施的问题；解决了现有曲面复合材料超声检测技术难以实时、准确地跟踪曲面曲率的问题；解决了现有大型曲面复合材料超声检测方法难以对不可拆卸的在役复合材料进行检测的问题，同时提高检测速率，增加系统的自动化程度。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本实施例的复合材料曲面结构的自动化无损检测系统的结构图。

图2为机械手的机械结构图，图中1-6为分别机械手的6个轴，7为机械手底盘。

图3(a)(b)为柔性水包耦合装置的结构图；其中，i是充满水的圆柱形耦合水包；ii是探头轴；iii、iv为两个可调节滚轮；v为耦合水包中的超声相控阵探头；

图4为本实施例的复合材料曲面结构的自动化无损检测装置工作场景图。

其中，a为大型曲面复合材料，b为导轨，c为6轴机械手，d为柔性水包耦合的超声相控阵传感器，e为超声激励与采集装置、f为运动控制器、g为上位机，x为扫查轴，y为步进轴。

图5为圆柱型滚轮与其底面平行的切面示意图。其中A是待测复合材料，B是圆柱型滚轮，C是圆柱型滚轮内部空间中装满的水、D是圆柱型滚轮内部空间中位于其轴线上的超声相控阵传感器、E是扫查方向。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种基于柔性水包耦合的7轴大型复合材料曲面结构的自动化检测系统，其系统结构，包括处理系统、运动控制系统和超声硬件系统三个组成部分。

具体的，处理系统包括UI界面、参数设置及调试、超声相控阵聚焦、扫查路径优化、信号采集、信号处理、缺陷报警、缺陷定量分析和状态评估模块。

UI界面模块用于人机交互，操作人员可以在模块上完成扫查操作，其可以将当前扫查位置状态、超声所成图像、缺陷计算结果实时显示给操作人员。

参数设置及调试模块，主要用于修改控制参数与超声扫查系统的各个部分的功能调试。其中预置一些典型扫查对象的参数设定，供操作人员使用，可以减小操作人员的工作强度。

超声相控阵聚焦模块通过对超声相控阵阵列中各个换能器的激发相位进行控制，可以随时控制超声波束的聚焦位置和深度。

扫查路径优化模块预先根据输入的待测复合材料的三维模型生成初始扫查路径。在扫查过程中，若检测到的超声回波幅值小于给定阈值认为此时超声传感器的方向不正确，需要调整方向重新扫查；若经过缺陷计算认为某处是疑似缺陷点，需要对此处进行重复扫查确认。针对上述情况，需要实时调整扫查路径，通过动态规划的方法实现扫查路径的最优控制。

信号采集模块，将超声硬件系统接收到的超声信号实时提取出来并存储于计算机中。

信号处理模块，采用并行多线程处理的方法对采集到的超声信号进行处理。首先，采用带通滤波或小波去噪的方式对信号进行滤波处理。之后基于经验模态分解等算法对缺陷进行定性和定量分析。

缺陷报警模块，根据信号处理模块的判断结果，如果出现损坏或缺陷则进行报警。

缺陷定量分析模块，针对检测到损伤或缺陷的位置，进行缺陷深度、大小进行计算，并判断缺陷类别。

状态评估模块，依据上述缺陷定量分析的结果，计算整个曲面结构复合材料缺陷类型、大小。依照标准和实际经验预先设定各种缺陷类型的大小阈值，本模块可以判断该曲面结构复合材料是否合格或能够继续使用。

运动控制系统一共有7轴自由度，包括机械手运动控制系统和扫查轴运动控制系统。其中机械手运动控制系统控制一个6轴精密机械手(机械结构如附图2所示)运动，图中1-6为分别机械手的6个轴。六轴机械手具有定位精度高、动作灵活、速度快等优点，能够快速准确地携带超声传感器运动，以完成对曲面结构复合材料的检测。

扫查轴运动控制系统是针对在役状态下无法拆卸的大型复合材料设计的扫查装置，在被测复合材料无法移动的情况下，其可以携带机械手完成在扫查轴上的运动，尤其适用于新能源汽车、高铁的车体等一些形状较长的复合材料的无损检测。扫查轴运动控制系统包括运动控制器、导轨、安装机械手的位移平台、伺服电机和编码器，其中，机械手固定在导轨的位移平台上，运动控制器与导轨上的伺服电机、编码器相连，控制导轨上的位移平台移动，进而带动机械手完成一维运动。

如图3(a)、图3(b)所示，超声硬件系统包括超声收发装置、超声相控阵传感器和柔性水包耦合装置，所述的超声相控阵传感器为收发一体的超声相控阵传感器。所述的柔性水包耦合装置为一圆柱形的柔性滚轮，扫查时柔性水包耦合装置滚动前进，而超声传感器始终固定在圆柱型水包的轴线上，i是充满水的圆柱形耦合水包；ii是探头轴，用于连接探头线缆；iii、iv为两个可调节滚轮；v为耦合水包中的超声相控阵探头，其固定在耦合水包的轴心上。柔性水包耦合装置可以解决传统喷水耦合难以用于在役检测的问题，其只需在待测复合材料表面喷洒少量的水就能完成检测。超声收发装置可以依据相控阵聚焦规则产生激励信号，并接受超声回波信号并将其数字化处理。将信号传输给处理系统的信号采集模块。

在本实施例中，柔性水包耦合装置为一个柔性圆柱型滚轮，其内部是中空的，且内部空间是密封的，装满水。内部空间里，在圆柱型滚轮的轴线上安装超声相控阵传感器。圆柱型滚轮滚动时，位于其轴线上的超声相控阵传感器与滚轮相对位置不变，滚轮内部空间装的水会一直淹没传感器。所以在进行扫查时，只需在复合材料表面喷洒少量的水保证滚轮外表面与复合材料的耦合，就能保证在超声相控阵传感器和待测复合材料之间一直充满水。

为详细说明，参见图5，图5为圆柱型滚轮与其底面平行的切面示意图。其中A是待测复合材料，B是圆柱型滚轮，C是圆柱型滚轮内部空间中装满的水、D是圆柱型滚轮内部空间中位于其轴线上的超声相控阵传感器、E是扫查方向。

如图4所示，系统具体工作时，图4所示，图中给出了一种大型复合材料曲面结构的自动化无损检测装置工作场景。图中a为大型曲面复合材料，b为导轨，c为6轴机械手，d为柔性水包耦合的超声相控阵传感器，e为超声激励与采集装置、f为运动控制器、g为上位机，x为扫查轴，y为步进轴。

传感器在步进轴上的运动由机械手控制，高灵活、高精度的6轴机械手能随时保证传感器方向与复合材料表面法线方向相同。扫查轴为系统的第7轴，由导轨和位移平台带动机械手运动，从而完成传感器在扫查轴上的运动。

系统对扫查路径的控制遵循前馈加反馈的原则。所述的前馈控制为预先在系统中输入待测曲面复合材料工件的三维模型与相对位置，系统根据三维模型与相对位置自动设计初始扫查路径以及路径上各点的传感器方向。初始扫查路径的设计遵循路径最短原则，在复合材料表面较为复杂的区域更换方向进行重复扫查。

复合材料上超声回波的第一个波峰是待测曲面结构复合材料上表面的超声回波，其幅值和飞行时间反映超声探头和复合材料的位置关系，具体如下：超声回波的飞行时间与超声探头与复合材料的距离成正比，相同距离下幅值在超声入射方向与复合材料曲面法线方向平行时最大。由于超声相控阵探头聚焦深度的原因，在超声探头与复合材料的距离不同的情况下，超声回波的最大幅值也不同。本领域技术人员可以根据具体情况进行调整或选择。

预先设定超声回波的幅值有效阈值-飞行时间曲线，认为若超声回波的幅值大于相应的飞行时间下的幅值有效阈值时，接收到的超声回波是有效的。具体方法如下：当在某处接收到超声回波信号后首先计算其第一个波峰的飞行时间和幅值，若幅值大于其飞行时间对应的幅值有效阈值时，认为接收到的超声回波有效，正常进行下面的扫查和缺陷计算；相反，当幅值小于给定阈值时，认为接收到的超声回波无效，需要及时调整扫查路径和传感器角度重新对该位置进行扫查，直到接收到的超声回波幅值大于给定阈值。另设定一个重复扫查次数最大值，当对某处重复扫查次数达到上述最大值时，对该位置进行标记，并将所得到的幅值最大的超声回波作为有效超声回波，继续进行接下来的扫查。

反馈控制是处理系统中的扫查路径优化模块会根据扫查的结果随时调整扫查路径：(1)通过检测到的各个超声回波飞行时间和幅值实时调整扫查路径和传感器角度；(2)在检测到异常时会更换参数进行多次重复扫查来确定有无缺陷，以防止随机误差造成的缺陷误判。

在扫查完成后系统会对缺陷进行定量分析，并参照经验数据对大型曲面复合材料的进行状态评估。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征在于：包括超声检测单元、运动单元以及信号处理单元，其中：

所述超声检测单元包括超声收发装置、超声相控阵传感器和柔性水包耦合滚轮，所述柔性水包耦合滚轮能够沿所述复合材料表面转动而移动，所述超声收发装置依据相控阵聚焦规则产生激励信号，并接收超声回波信号，所述超声相控阵传感器与所述超声收发装置通过连接线缆连接；所述柔性水包耦合滚轮为圆柱形结构，且中心轴位置中空且密封，所述超声相控阵传感器设置于所述中心轴处，且除中空部分，柔性水包耦合滚轮内部填充有水；

所述运动单元包括六轴机械手和作为第七轴的扫查轴，扫查轴包括导轨和安装六轴机械手的位移平台，位移平台设置于导轨上，所述导轨设置在复合材料待测表面上端或旁边，所述六轴机械手能够沿所述导轨运动，所述柔性水包耦合滚轮设置在六轴机械手的前端，六轴机械手带动所述柔性水包耦合滚轮沿检测路径运行，以指定角度检测复合材料表面的指定位置；所述六轴机械手在移动过程中，保证所述超声相控阵传感器的超声波入射方向与复合材料表面法线方向相同；

所述信号处理单元，被配置为接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时测量数据对检测路径进行动态规划；所述信号处理单元对检测路径的动态规划利用前馈加反馈方法，根据待测曲面复合材料工件的三维模型与相对位置确定初始检测路径以及路径上各点的超声相控阵传感器方向，所述信号处理单元通过检测到的各个超声回波飞行时间和幅值实时调整检测路径和超声相控阵传感器角度。

2.如权利要求1所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述导轨的设置位置能够保证不阻挡所述复合材料的待测表面，且所述六轴机械手的活动空间能够覆盖所述待测表面。

3.如权利要求1所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述六轴机械手包括设置于底座上的第一可转动关节，与第一可转动关节转动连接的第二可转动关节，以及连接在第二可转动关节和第三可转动关节之间的第一机械臂，连接在第三可转动关节和第四可转动关节之间的第二机械臂，与第二机械臂可转动连接的第三机械臂，所述第三机械臂和第四机械臂之间通过第五可转动关节连接，所述第四机械臂的断臂设置有可转动的机械手。

4.如权利要求3所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述底座设置于位移平台上，且能够沿导轨运动。

5.如权利要求1所述的一种复合材料曲面结构的自动化无损检测装置，其特征是：所述信号处理单元与运动控制器连接，所述运动控制器控制所述运动单元的动作，所述运动控制器通过伺服电机驱动所述六轴机械手在所述导轨上的移动。

6.基于权利要求1-5中任一项所述的装置的方法，其特征在于：控制六轴机械手带动柔性水包耦合滚轮在复合材料待测表面上运动，使其到达相应的待测点，控制六轴机械手改变姿态，以设定角度发射并接收超声回波信号，根据反馈的超声回波信号确定是否存在损伤，以及损伤位置，并结合待测复合材料三维模型和实时测量数据对检测路径进行动态规划。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是：预先设定超声回波的幅值有效阈值-飞行时间曲线，认为若超声回波的幅值大于相应的飞行时间下的幅值有效阈值时，接收到的超声回波是有效的；

或，当在某位置处接收到超声回波信号后首先计算其第一个波峰的飞行时间和幅值，若幅值大于其飞行时间对应的幅值有效阈值时，认为接收到的超声回波有效，正常进行下面的扫查和缺陷计算；相反，当幅值小于其飞行时间对应的幅值有效阈值时，认为接收到的超声回波无效，及时调整扫查路径和传感器角度重新对该位置进行扫查，直到接收到的超声回波幅值大于其飞行时间对应的幅值有效阈值；预先设定重复扫查次数最大值，当对某处重复扫查次数达到所述最大值时，对该位置进行标记，并将所得到的幅值最大的超声回波作为有效超声回波，继续进行下一测点的扫查。

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