基于超声测距的自由曲面数字化方法研究

　　0　引言

　　在航空、航天、船舶等领域中,经常需要对一些具有自由形状的曲面工件进行超声波无损探伤。因超声波传播具有很强的指向性,为保证检测结果的准确性,探伤时要求超声探头对准工件外表面法矢方向。曲面工件超声检测系统为多自由度检测系统(反射法检测需五自由度),要控制探头对准曲面法矢方向,必须根据工件的CAD模型进行扫描路径规划。因此对于数学模型未知的曲面工件,首先必须建立满足检测要求的CAD模型。

　　可采用三坐标测量机对实物工件进行曲面测量,对测量数据进行坐标转换等前处理操作后,输入到超声检测系统。但这样需要额外增加一套曲面测量设备,会导致系统成本大大增加。因此,我们借用超声检测系统的多自由度机械手,采用超声测距原理进行曲面测量,实现曲面工件的超声测量、曲面重建和超声检测的一体化[1]。

　　基于超声测距的曲面自动测量和一般的三坐标曲面测量有两个主要区别:一是超声测量机构必须是能调整探头位姿的五自由度机械手;二是为了使超声探头能够对准曲面的法矢方向,需要事先估算各测量点的曲面法矢。针对上述特点,我们采用了一种两次采样的数字化方法,即首先对曲面进行粗略的特征采样,生成初始曲面,使数学模型未知的曲面得到一个近似的数学描述,然后对初始曲面进行自适应采样路径规划。

　　1　超声波测距原理

　　超声波测距方法有脉冲回波法、连续波调频法、相位法检测法和脉冲响应—低通变换法等,本文采用脉冲回波法测量探头到工件表面的距离。设工件界面回波到达探头的时间与探头发射脉冲之间的时间差为t,超声波在耦合剂中的传播速度为c,则探头与测量点之间的距离为

　　d =1/2ct                                                      (1)

　　在超声波测距过程中,因超声波传播具有很 强的指向性,为获得较强的回波信号,超声波入射方向和曲面法矢方向的夹角需保持在一定的角度范围内。如对于5MHz的水浸直探头,夹角通常需保持在8°~10°的范围内才能获得较强的回波信号,超出这个角度范围则回波信号较弱或检测不到回波信号,从而使超声测距无法进行。

　　2　曲面特征采样及初始曲面生成

　　曲面特征采样的主要目的是通过提取基本反映曲面形状的数据点来生成一个初始曲面,使数学模型未知的曲面得到一个近似的数学描述,然后由初始曲面引导探头对整个曲面进行测量。曲面特征线是反映曲面形状的关键几何要素,因此可采用基于曲面特征线的初始曲面建模方法。可以手动控制探头对曲面进行特征线采样,但用手动方法调整探头对准曲面法矢效率低下,特别是对于水浸式超声测量,工件和探头都浸在水下,水的折射会导致视觉误差,使得探头位姿调整很不方便,因此有必要采用自动跟踪的方法对曲面进行特征线的采样。