CN115494157A - 超声无损检测工件轮廓动态加载方法和连续加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声无损检测工件轮廓动态加载方法，通过构建三维数字孪生模型，通过将超声扫查路径映射得到动态加载路线，以获得每一个动态加载点处的工件截面作为工件轮廓，在超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测过程中，可动态加载工件轮廓。同理，本发明还公开了一种超声无损检测工件轮廓连续加载方法，通过构建三维数字孪生模型，通过映射得到动态加载路线、当前扫查映射点和当前扫查方向，如此，可得到当前扫查点和当前扫查方向条件下的工件轮廓并进行实时加载，可在超声扫查的过程中实现连续加载工件轮廓的技术目的。如此，可提高超声扫查数据与工件轮廓结合的准确度，提高检测准确性和稳定性。

Description

超声无损检测工件轮廓动态加载方法和连续加载方法
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，具体的为一种超声无损检测工件轮廓动态加载方法。
背景技术
工件轮廓加载已广泛运用于超声无损检测领域，在超声成像中叠加工件轮廓，能有效的辅助区分检测成像信号属于工件边缘信号还是内部缺陷信号，并对内部缺陷信号进行定位。但现有的工件轮廓加载技术均为静态加载，在检测前已经固定了轮廓形态，在形状相对规则的焊缝、工件检测中较为实用。如公开号为CN104515808A的中国专利申请公开了一种汽轮发电机护环超声成像检测方法，其中记载了一种工件轮廓静态加载方法，即首先利用超声相控阵换能器对护环外表面进行扫查和定位后，再调取汽轮发电机护环工件轮廓图，最后调节工件图形尺寸，使工件图形相应位置与反射波位置相对应。现有的工件轮廓静态加载方法虽然在一定程度上能够满足使用要求，但对于各种形状不规则的工件（如反应器探头、涡轮机、发动机、吊钩等），由于在超声扫查路径上检测平面和工件的相贯面形状会不断发生动态变化，现有的静态固定的工件轮廓不能准确的描述不同的扫查位置，导致检测结果可能和实际情况发生相当大的偏差，造成对超声信号误判，导致出现漏检、误检等各种情况，大大降低了检测的准确性和稳定性，在实际的生产中埋下了各种安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声无损检测工件轮廓动态加载方法和连续加载方法，通过动态或连续加载工件轮廓以准确描述超声扫查位置，提高检测准确性和稳定性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种超声无损检测工件轮廓动态加载方法，包括如下步骤：
步骤一：构建待检测工件的三维数字孪生模型；
步骤二：在待检测工件上规划超声扫查路径，将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上得到动态加载路径；
步骤三：在动态加载路径上选取动态加载点；以过动态加载点法向方向并与动态加载路径垂直的平面在所述三维数字孪生模型上截取得到工件截面，以该工件截面作为对应动态加载点的工件轮廓；以此得到所有动态加载点的工件轮廓；
步骤四：利用超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测，实时获取超声探头的位置信息并将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上，当超声探头的位置经过动态加载路径上的动态加载点时，加载该动态加载点对应的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应。
进一步，所述步骤二中，在考虑超声扫查路径连续性以及工件轮廓易于辨识的条件下，在待检测工件相对平整的表面上规划超声扫查路径。
进一步，当动态加载路径为曲线时，平面与动态加载路径在对应动态加载点处的切向方向垂直；当动态加载点所在区域的动态加载路径为直线时，平面与该动态加载点所在区域的动态加载路径垂直。
进一步，所述步骤三中，动态加载点的选取方法为：
对于形状规律变化的待检测工件或待检测工件部分区域，采用等间距的方式在动态加载路径上选取动态加载点；
对于形状不规律变化的待检测工件或待检测工件部分区域，在待检测工件的每一个特征位置处选取至少一个动态加载点。
进一步，所述步骤四中，当超声探头位于相邻两个动态加载点之间时，利用三维数字孪生模型计算超声探头当前所在位置的工件截面相对于相邻的其中一个动态加载点对应的工件轮廓的缩放比例和旋转角度，以该缩放比例和旋转角度调整该动态加载点对应的工件轮廓，得到超声探头当前所在位置点的工件轮廓。
进一步，在超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测的过程中，实时检测超声探头位置信息和位姿信息，将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查映射点，并得到当前扫查映射点相对于动态加载路径的偏移距离，将超声探头的位姿信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查方向，并得到当前扫查方向与待测工件表面在当前扫查映射点处的法向方向之间的偏转角度；以该偏移距离和偏转角度实时修正工件轮廓。
本发明还提出了一种超声无损检测工件轮廓连续加载方法，包括如下步骤：
步骤一：构建待检测工件的三维数字孪生模型；
步骤二：在待检测工件上规划超声扫查路径，将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上得到动态加载路径；
步骤三：利用超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测，实时获取超声探头的位置信息和位姿信息，将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查映射点，将超声探头的位姿信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查方向，以过当前扫查方向并与动态加载路径垂直的平面在三维数字孪生模型上截取得到工件截面，以该工件截面作为当前扫查映射点的工件轮廓；实时加载与当前扫查映射点对应的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应。
进一步，所述步骤二中，在考虑超声扫查路径连续性以及工件轮廓易于辨识的条件下，在待检测工件相对平整的表面上规划超声扫查路径。
进一步，当动态加载路径为曲线时，平面与动态加载路径在对应扫查映射点处的切向方向垂直；当动态加载点所在区域的动态加载路径为直线时，平面与该动态加载点所在区域的动态加载路径垂直。
本发明的有益效果在于：
本发明的超声无损检测工件轮廓动态加载方法，通过构建三维数字孪生模型，并将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上后，在三维数字孪生模型上得到动态加载路线，如此，可以在动态加载路线上选择合适的动态加载点，并获得每一个动态加载点处的工件截面作为工件轮廓，在超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测过程中，将超声探头的位置信息实时映射到三维数字孪生模型上，当超声探头的位置经过动态加载路径上的动态加载点时，加载该动态加载点对应的工件轮廓，如此，即可实现在超声扫查的过程中动态加载工件轮廓的技术目的，使超声扫查数据与工件轮廓相对应，通过动态加载工件轮廓以准确描述超声扫查位置，提高检测准确性和稳定性。
本发明的超声无损检测工件轮廓连续加载方法，通过构建三维数字孪生模型，并将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上后，在三维数字孪生模型上得到动态加载路线，如此，在超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测过程中，将超声探头的位置信息和位姿信息实时映射到三维数字孪生模型上，通过超声探头的位置信息可以得到当前扫查映射点，通过超声探头的位姿信息可以得到当前扫查方向，如此，以过当前扫查方向并与动态加载路径垂直的平面在三维数字孪生模型上截取得到的工件截面作为当前扫查映射点的工件轮廓进行实时加载，即可实现在超声扫查的过程中连续加载工件轮廓的技术目的，使超声扫查数据与工件轮廓相对应，通过动态加载工件轮廓以准确描述超声扫查位置，提高检测准确性和稳定性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明超声无损检测工件轮廓动态加载方法实施例1的结构示意图；
图2为示例工件的三维模型图；
图3为图2的轴测图；
图4为在工件表面规划超声扫查路径的示意图；
图5为在规划超声扫查路径上选取动态加载点的示意图；
图6为部分动态加载点处的工件轮廓的示意图；
图7为将相控阵S扫与工件轮廓结合时的示意图；
图8为本发明超声无损检测工件轮廓动态加载方法实施例2的结构示意图；
图9为示例工件的三维模型图；
图10为在工件表面规划超声扫查路径的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，为本发明超声无损检测工件轮廓动态加载方法实施例1的结构示意图。本实施例的超声无损检测工件轮廓动态加载方法，包括如下步骤：
步骤一：构建待检测工件的三维数字孪生模型。
步骤二：在待检测工件上规划超声扫查路径，将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上得到动态加载路径。具体的，在规划超声扫查路径时，应当在考虑超声扫查路径连续性以及工件轮廓易于辨识的条件下，在待检测工件相对平整的表面上规划超声扫查路径。即，对于不同的待检测工件，超声扫查路径规划方式不同。对于超声扫查路径的选择，需要考虑以下因素：
(1)工件表面平整度；选择相对平整的表面位置作为超声探头与待检测工件的接触面进行检测，以获得更好的耦合效果；
(2)路径的连续性；超声探头在待检测工件表面上扫查移动时，优先考虑连续的路径，减少超声探头抬起放下造成的成像信息干扰；
(3)工件轮廓；优先选择工件轮廓易于辨识的路径，降低后续的超声信号分析和缺陷判定难度，提高准确性和稳定性。
步骤三：在动态加载路径上选取动态加载点；以过动态加载点法向方向并与动态加载路径垂直的平面在所述三维数字孪生模型上截取得到工件截面，以该工件截面作为对应动态加载点的工件轮廓；以此得到所有动态加载点的工件轮廓。具体的，当动态加载路径为曲线时，平面与动态加载路径在对应动态加载点处的切向方向垂直；当动态加载点所在区域的动态加载路径为直线时，平面与该动态加载点所在区域的动态加载路径垂直。动态加载点选取过程中，应当在动态加载路径上取具备代表性、能近似的描述前后附近区域待测工件形状的点作为动态加载点。具体的，动态加载点的选取方法为：对于形状规律变化的待检测工件或待检测工件部分区域，采用等间距的方式在动态加载路径上选取动态加载点；对于形状不规律变化的待检测工件或待检测工件部分区域，在待检测工件的每一个特征位置处选取至少一个动态加载点，特征位置一般指工件形状发生突然变化的位置，以达到优先关注重点位置的目的。
步骤四：利用超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测，实时获取超声探头的位置信息并将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上，当超声探头的位置经过动态加载路径上的动态加载点时，加载该动态加载点对应的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应。
具体的，当超声探头位于相邻两个动态加载点之间时，利用三维数字孪生模型计算超声探头当前所在位置的工件截面相对于相邻的其中一个动态加载点对应的工件轮廓的缩放比例和旋转角度，以该缩放比例和旋转角度调整该动态加载点对应的工件轮廓，得到超声探头当前所在位置点的工件轮廓，如此，以相邻动态加载点的工件轮廓通过缩放和旋转的方式即可近似得到相邻两个动态加载点之间任意位置的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应，通过动态加载工件轮廓以准确描述超声扫查位置，提高检测准确性和稳定性。
当然，在超声扫查过程中，超声探头的位置和姿态可能存在一定偏差，此时需要对工件轮廓进行修正以匹配超声扫查数据。具体的，在超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测的过程中，实时检测超声探头位置信息和位姿信息，将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查映射点，并得到当前扫查映射点相对于动态加载路径的偏移距离，将超声探头的位姿信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查方向，并得到当前扫查方向与待测工件表面在当前扫查映射点处的法向方向之间的偏转角度；以该偏移距离和偏转角度实时修正工件轮廓，从而可提高超声扫查数据与工件轮廓结合的准确度，提高检测准确性和稳定性。
下面以一个具有连续不规则曲面的工件为检测对象，对本实施例的超声无损检测工件轮廓动态加载方法进行详细说明。
1、构建工件的三维数字孪生模型，利用三维软件绘制工件的三维模型作为三维数字孪生模型，如图2-3所示。
2、规划超声扫查路径。
该工件两面均为不规则弧面，需要采用相控阵扇扫模式检测内部缺陷。由于工件表面状况较为良好，无明显凸起或凹下等障碍，探头的耦合效果良好，且探头扫查可连续移动无须抬起。故可以将扫查路径确定为沿一边接近平行的方向，进行多次扫查，达到全覆盖效果，如图4所示。
3、选取动态加载点。
工件曲面的连续变化，工件轮廓在比较近的范围内变化不大，超声探头扫查一段距离后，工件轮廓变化较大。故动态加载点以距离为主要设置依据，每间隔一定距离取一个动态加载点，直至覆盖整个叶片，如图5所示。前期理论规划完成后，可根据实际扫查的情况，适当的添加一些特征点，以达到更好的检测效果。
选取动态加载点后，利用三维数字孪生模型，在动态加载点作一个垂直于扫查路径的截面，获得每一个动态加载点处的工件轮廓，如图6所示。
4、超声扫查检测。
工件表面空间较为充裕，为取得更为准确的检测效果，使用一个小型的编码器和探头一起移动，通过编码器实时获得超声探头的位置信息。另外，可以通过视觉视图或陀螺仪等实时获得超声探头的位姿信息。在超声探头沿着超声扫查路径对工件进行检测的过程中，实时将超声探头的位置信息和位姿信息映射到工件的三维数字孪生模型上，当超声探头的位置经过工件的动态加载路径上的动态加载点时，加载该动态加载点对应的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应。同时还可以获得超声探头相对于超声扫查路径的偏移距离、旋转角度、缩放比例等参数，从而实现对工件轮廓进行修正，以提高工件轮廓与超声数据之间的结合准确度。如图7所示，为相控阵S扫和CAD轮廓的结合示意，通过带有CAD轮廓的S扫，可以轻易的分辨出相控阵探头获取的超声信号处于工件内部的位置。
另外，相同的多个待检测工件，仅需创建一个三维数字孪生模型，所有待检测工件均以该三维数字孪生模型实时动态加载工件轮廓。
实施例2
如图8所示，为本发明超声无损检测工件轮廓连续加载方法实施例2的流程图。本实施例的超声无损检测工件轮廓连续加载方法，包括如下步骤：
步骤一：构建待检测工件的三维数字孪生模型。
步骤二：在待检测工件上规划超声扫查路径，将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上得到动态加载路径。具体的，在规划超声扫查路径时，应当在考虑超声扫查路径连续性以及工件轮廓易于辨识的条件下，在待检测工件相对平整的表面上规划超声扫查路径。即，对于不同的待检测工件，超声扫查路径规划方式不同。对于超声扫查路径的选择，需要考虑以下因素：
(1)工件表面平整度；选择相对平整的表面位置作为超声探头与待检测工件的接触面进行检测，以获得更好的耦合效果；
(2)路径的连续性；超声探头在待检测工件表面上扫查移动时，优先考虑连续的路径，减少超声探头抬起放下造成的成像信息干扰；
(3)工件轮廓；优先选择工件轮廓易于辨识的路径，降低后续的超声信号分析和缺陷判定难度，提高准确性和稳定性。
步骤三：利用超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测，实时获取超声探头的位置信息和位姿信息，将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查映射点，将超声探头的位姿信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查方向，以过当前扫查方向并与动态加载路径垂直的平面在三维数字孪生模型上截取得到工件截面，以该工件截面作为当前扫查映射点的工件轮廓；实时加载与当前扫查映射点对应的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应。具体的，当动态加载路径为曲线时，平面与动态加载路径在对应动态加载点处的切向方向垂直；当动态加载点所在区域的动态加载路径为直线时，平面与该动态加载点所在区域的动态加载路径垂直。
下面同样以实施例1中具有连续不规则曲面的工件为检测对象，对本实施例的超声无损检测工件轮廓连续加载方法进行详细说明。
1、构建工件的三维数字孪生模型，利用三维软件绘制工件的三维模型作为三维数字孪生模型，如图9所示。
2、规划超声扫查路径。
该工件两面均为不规则弧面，需要采用相控阵扇扫模式检测内部缺陷。由于工件表面状况较为良好，无明显凸起或凹下等障碍，探头的耦合效果良好，且探头扫查可连续移动无须抬起。故可以将扫查路径确定为沿一边接近平行的方向，进行多次扫查，达到全覆盖效果，如图10所示。
3、超声扫查检测。
工件表面空间较为充裕，为取得更为准确的检测效果，使用一个小型的编码器和探头一起移动，通过编码器实时获得超声探头的位置信息。另外，可以通过视觉视图或陀螺仪等实时获得超声探头的位姿信息。在超声探头沿着超声扫查路径对工件进行检测的过程中，实时将超声探头的位置信息和位姿信息映射到工件的三维数字孪生模型上。具体的，超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查映射点，超声探头的位姿信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查方向，利用当前扫查映射点和当前扫查方向可以在三维数字孪生模型截取得到当前的工件轮廓，加载当前的工件轮廓与超声数据进行结合，即可在叶片部分的任意位置处加载工件轮廓，实现工件轮廓连续加载的技术目的，同时还可使超声数据与工件轮廓结合准确度更高，提高检测准确性和稳定性。
另外，相同的多个待检测工件，仅需创建一个三维数字孪生模型，所有待检测工件均以该三维数字孪生模型实时动态加载工件轮廓。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种超声无损检测工件轮廓动态加载方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：构建待检测工件的三维数字孪生模型；
步骤二：在待检测工件上规划超声扫查路径，将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上得到动态加载路径；
步骤三：在动态加载路径上选取动态加载点；以过动态加载点法向方向并与动态加载路径垂直的平面在所述三维数字孪生模型上截取得到工件截面，以该工件截面作为对应动态加载点的工件轮廓；以此得到所有动态加载点的工件轮廓；
步骤四：利用超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测，实时获取超声探头的位置信息并将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上，当超声探头的位置经过动态加载路径上的动态加载点时，加载该动态加载点对应的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应。
2.根据权利要求1所述的超声无损检测工件轮廓动态加载方法，其特征在于：所述步骤二中，在考虑超声扫查路径连续性以及工件轮廓易于辨识的条件下，在待检测工件相对平整的表面上规划超声扫查路径。
3.根据权利要求1所述的超声无损检测工件轮廓动态加载方法，其特征在于：当动态加载路径为曲线时，平面与动态加载路径在对应动态加载点处的切向方向垂直；当动态加载点所在区域的动态加载路径为直线时，平面与该动态加载点所在区域的动态加载路径垂直。
4.根据权利要求1所述的超声无损检测工件轮廓动态加载方法，其特征在于：所述步骤三中，动态加载点的选取方法为：
对于形状规律变化的待检测工件或待检测工件部分区域，采用等间距的方式在动态加载路径上选取动态加载点；
对于形状不规律变化的待检测工件或待检测工件部分区域，在待检测工件的每一个特征位置处选取至少一个动态加载点。
5.根据权利要求1所述的超声无损检测工件轮廓动态加载方法，其特征在于：所述步骤四中，当超声探头位于相邻两个动态加载点之间时，利用三维数字孪生模型计算超声探头当前所在位置的工件截面相对于相邻的其中一个动态加载点对应的工件轮廓的缩放比例和旋转角度，以该缩放比例和旋转角度调整该动态加载点对应的工件轮廓，得到超声探头当前所在位置点的工件轮廓。
6.根据权利要求1-5任一项所述的超声无损检测工件轮廓动态加载方法，其特征在于：在超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测的过程中，实时检测超声探头位置信息和位姿信息，将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查映射点，并得到当前扫查映射点相对于动态加载路径的偏移距离，将超声探头的位姿信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查方向，并得到当前扫查方向与待测工件表面在当前扫查映射点处的法向方向之间的偏转角度；以该偏移距离和偏转角度实时修正工件轮廓。
7.一种超声无损检测工件轮廓连续加载方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：构建待检测工件的三维数字孪生模型；
步骤二：在待检测工件上规划超声扫查路径，将超声扫查路径映射到三维数字孪生模型上得到动态加载路径；
步骤三：利用超声探头沿着超声扫查路径对待检测工件进行检测，实时获取超声探头的位置信息和位姿信息，将超声探头的位置信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查映射点，将超声探头的位姿信息映射到三维数字孪生模型上得到当前扫查方向，以过当前扫查方向并与动态加载路径垂直的平面在三维数字孪生模型上截取得到工件截面，以该工件截面作为当前扫查映射点的工件轮廓；实时加载与当前扫查映射点对应的工件轮廓，使超声扫查数据与工件轮廓相对应。
8.根据权利要求7所述的超声无损检测工件轮廓连续加载方法，其特征在于：所述步骤二中，在考虑超声扫查路径连续性以及工件轮廓易于辨识的条件下，在待检测工件相对平整的表面上规划超声扫查路径。
9.根据权利要求7所述的超声无损检测工件轮廓连续加载方法，其特征在于：当动态加载路径为曲线时，平面与动态加载路径在对应扫查映射点处的切向方向垂直；当动态加载点所在区域的动态加载路径为直线时，平面与该动态加载点所在区域的动态加载路径垂直。
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