（信号与信息处理专业论文）复杂构件超声检测系统扫描路径规划及扫描时间优化研究.pdf

图书分类号图书分类号 tp273.5tp273.5 密级密级 非密非密 udcudc 注注 1 1_ _ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 复杂复杂构件超声检测构件超声检测系统系统扫描扫描路径规划及扫描时间优化路径规划及扫描时间优化研究研究 李天宁李天宁 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 王召巴王召巴 教授教授 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 信号与信息处理信号与信息处理 论文提交日期论文提交日期 年年 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期 年年 月月 日日 学位授予日期学位授予日期 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人_ 答辩委员会主席答辩委员会主席_ 年年 月月 日日 注注 1 1：注：注明国际十进分类法明国际十进分类法 udcudc的分类的分类 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 复杂构件超声检测系统扫描路径规划及扫描时间优化研究 摘 要 复杂构件在各种工业制品中应用广泛，由于其在生产过程中可能造成内部缺陷，因 此对构件进行高效、准确地缺陷检测具有较高的实际价值。 本文针对复杂构件外形特点，根据构件外形参数，提出了对各类型复杂构件进行超 声扫描检测的路径规划方法；针对利用零点传感器进行检测时效率较低的问题，提出了 不使用零点传感器进行零点判断的情况下，运用零点一致性判断对得到的结果进行零点 匹配的扫描时间优化方法。 针对已知外形参数的复杂构件存在不同的结构部分，将已知外形构件的不同结构部 分拆分进行分析。 采用对探头各轴运动量分别计算的方法， 构成相邻截面间的运动路径， 完成构件各组成部分以及其结合部位的检测路径分析，得到了一种构件扫描检测路径规 划方法。 零点一致性判断方法基于构件匀速旋转过程中自身椭圆度引起的固定周期。由于机 械振动和坯料构件表面的凸起与凹陷会使此周期带入不同频率的噪声，本文采用小波多 分辨分析的方法对信号进行降噪处理，提取周期信号。采用互相关函数法和 hilbert 变 换法进行零点一致性判断，并根据一致性判断得到的偏移量进行零点匹配。将零点匹配 结果与使用机械零点检测得到的结果进行对比，验证了零点匹配的方法对缺陷检测结果 进行校正的有效性。 通过对构件检测路径的规划以及系统扫描时间的优化，使系统可以进行精确位置的 检测，减少对零点传感器的依赖，提高系统平均检测效率约 35%。 关键字关键字：路径规划；零点匹配；降噪；超声扫描；复杂构件 中北大学学位论文 research on scanning path planning and scanning time optimizing in ultrasonic detecting system for complex components abstract complex components are applied vastly in industrial products. it is practical to detect defects in their production process efficiently and accurately because they are possible to cause inner defects. in this paper, path planning methods for various complex components were proposed according to their outside features and parameters. whats more, a method for time optimizing was put forward. it is inefficient when zero points sensors were used in detecting process. so zero points sensors were eliminated in this paper. then method of zero consistency judgement was applied to match zero points. thus detecting time was optimized. the given component was separated to different parts according to its different morphological structures. for every part, calculate the moving amounts in different axes respectively and make up the moving paths of adjacent sections. then analyze the detecting paths of interactions of parts and parts themselves. in this way, a path planning method was obtained. methods of zeros consistency judgement was based on inherent period of the component itself which caused by ellipticity in its uniform rotating process. mechanical vibration and parts rough surface gave rise to noise of different frequency to the period signals. so wavelet multi-resolution analysis was utilized to reduce noise and then period signals were extracted. cross correlation function and hilbert transformation were used to judge zero points consistency, then zero points were matched according to offsets. compared the results of zero points matching method and mechanical zero detecting method, it was verified that zero points matching method was effective. by means of planning components paths and optimizing detecting time, it can be 中北大学学位论文 concluded that this optimized system can detect precise positions, eliminate the dependence of zero points sensors and increase average detecting efficiency by 35%. keywords: path planning; zero point matching; denoise; ultrasonic scanning; complex shape components 中北大学学位论文 i 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义 1 1 1.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 2 2 1.2.1 1.2.1 超声扫描路径规划方法现状超声扫描路径规划方法现状 2 2 1.2.2 1.2.2 复杂构件超声无损检测系统现状复杂构件超声无损检测系统现状 3 3 1.3 1.3 课题研究内容以及论文安排课题研究内容以及论文安排 5 5 第二章第二章 复杂构件与超声检测系统分析复杂构件与超声检测系统分析 2.1 2.1 复杂构件分析复杂构件分析 6 6 2.2 2.2 超声检测系统分析超声检测系统分析 6 6 2.3 2.3 起始零点对检测结果的影响分析起始零点对检测结果的影响分析 8 8 2.4 2.4 本章小结本章小结 1010 第三章第三章 超声扫描检测路径分析超声扫描检测路径分析 3.1 3.1 构件整体扫描检测的路径规划构件整体扫描检测的路径规划 1111 3.1.1 3.1.1 柱形结构和圆锥结构部分的运动路径分析柱形结构和圆锥结构部分的运动路径分析 1212 3.1.2 3.1.2 弧形结构部分的运动路径分析弧形结构部分的运动路径分析 1515 3.1.3 3.1.3 混合结构构件连接位置的路径规划混合结构构件连接位置的路径规划 1818 3.2 3.2 构件指定的区域与缺陷区域复检的路径规划构件指定的区域与缺陷区域复检的路径规划 1818 3.2.1 3.2.1 构件指定的区域检测的路径规划构件指定的区域检测的路径规划 1919 3.2.2 3.2.2 缺陷区域复检的路径规划缺陷区域复检的路径规划 1919 3.33.3 结果分析结果分析 2121 3.4 3.4 本章小结本章小结 2222 第四章第四章 超声扫描检测时间优化超声扫描检测时间优化 4.1 4.1 扫描时间优化分析扫描时间优化分析 2323 4.2 4.2 小波降噪小波降噪 2424 4.2.1 4.2.1 小波分析小波分析 2525 中北大学学位论文 ii 4.2.24.2.2 小波分解小波分解 2828 4.2.34.2.3 小波阈值法降噪小波阈值法降噪 3232 4.3 4.3 零点匹配零点匹配 3535 4.3.1 4.3.1 互相关函数互相关函数 3636 4 4.3.2 .3.2 基于互相关函数的零点匹配基于互相关函数的零点匹配 3838 4.3.3 hilbert4.3.3 hilbert 变换变换 4040 4.3.4 4.3.4 基于基于 hilberthilbert 变换的零点匹配变换的零点匹配 4141 4.4 4.4 零点匹配误差与结果分析零点匹配误差与结果分析 4444 4.4.1 4.4.1 误差分析误差分析 4444 4.4.2 4.4.2 结果分析结果分析 4545 4.5 4.5 本章小结本章小结 4747 第五章第五章 总结与展望总结与展望 5.1 5.1 本文完成的主要工作本文完成的主要工作 4848 5.2 5.2 创新点与不足创新点与不足 4848 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文和研究成果攻读硕士学位期间发表的论文和研究成果 致致 谢谢 中北大学学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景和意义 复杂构件在各种工业制品中应用广泛，其在生产过程中一般都是通过冲压、温挤或 者注塑等成型工艺制造的，在成型或者冷却的过程中会形成气泡、裂纹、夹杂等缺陷， 如果将有缺陷的构件应用到生产中会造成很大的损失 1,2，所以需要对构件进行缺陷检 测。对毛坯料构件进行超声扫描检测存在如下问题： （1）复杂构件的特点为：构件由不同类型的结构组成；构件表面变化大，存在曲 面。超声探头在检测过程中要求与构件表面保持一定且恒定的距离,因此需要对复杂构 件的超声自动化扫描检测进行探头运动轨迹的路径规划。 （2）一般情况下，超声扫描检测过程都需要安装零点传感器对构件的圆周向零点 进行标记，匀速旋转构件，以固定间隔扫描整个构件,每圈以零点传感器的触发信号作 为检测开始信号和结束,每圈检测结束后探头沿轴向移动一个间隔,再次等待零点传感 器的触发信号,等待的平均时间为一圈检测时间的一半，对较大构件的检测，检测效率 很低。 根据已知构件外形参数，进行构件自动化扫描的探头运动路径规划，可以达到精确 定位探头检测位置的目的。 根据毛坯料构件的结构特点，即毛坯料的外形存在一定的椭圆度，在匀速旋转过程 中该椭圆度存在一个固定周期，在检测时可以通过寻找该周期的起始点实现所检测构件 的零点的一致性判断。通过如上方式，检测时无需等待零点传感器，仅需要在检测完成 后， 根据每圈的周期起始点的偏移量移位即可。 通过该方式的优化， 可以减少检测周期， 对提高系统检测效率具有重要的实际意义。 中北大学学位论文 2 1.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 超声扫描路径规划方法现状 在构件检测尤其是需要对大型构件进行检测的情况下，为了减少劳动力输出和提高 检测效率和准确度， 研究自动化的检测方法和检测设备就成为必然。 要完成自动化检测， 一般情况下检测探头需要沿构件表面移动才能完成对构件的整体扫查，于是探头的运动 路径就关系到检测的效率和准确性。 德国 nukemnutronik 公司研制的 multi aix ultrasonic system (maus 超声自动检测 系统)，操作人员通过编程使超声探头能够检测复杂三维几何轮廓的工件3,4。三维检测 系统 ultrasim 采用软件实现型面跟踪， 该系统包括 simulation module(仿真模块)和 path planning module(路径规划模块)，仿真模块生成检测对象的三维 nurbs 曲面模型，路 径规划模块生成检测时的控制路径 5。美国 matec 公司和加拿大的 r/d tech 公司为了 检测复杂几何形状的工件，分别开发了多自由度超声自动检测系统，其检测扫描模式能 够通过 catia 文件或者自动化学习来完成 6。美国 panametrics 公司研制的 argus 级 高性能自动机械臂双梁构架的超声自动检测系统，在任意轴的精度为0.25mm 的情况 下，扫描速度超过 750mm/s。而麦道公司专门为曲面构件设计的第五代自动超声扫描系 统，可在九个轴向运动，并能同时保证脉冲振荡器与工件表面垂直，可以完成二维和三 维的数据采集，可确定大型复杂构件内的缺陷尺寸 7。 浙江大学周晓军等对超声自动检测系统的理论和方法作了较为深入的研究，将反求 工程技术应用于曲面工件的超声检测，成功开发出大型十一轴自由度曲面工件超声自动 c 扫描系统；魏娟等研究成功用于超声检测的 5 轴自动扫描装置。北京欧宁航宇检测技 术有限公司研发的十二轴大型自动喷水 c 扫描系统， 该系统在航空大型复杂形状复合材 料构件的检测中，可以完成全覆盖、高精度的自动化检测 8-18。 现有的路径规划方法都是基于未知形状曲面或地形等条件，运用龙门机器人或多自 由度机械臂对检测目标进行单次或多次扫查，或者利用多类型传感器对环境中的各种不 完整信息进行采集，并通过复杂的算法进行信号提取与综合，达到提前预知构件尺寸或 环境条件的目的，然后对接下来的检测工作进行条理的规划。例如： （1）检测中曲面重构和路径规划：针对自由形状曲面工件检测中存在探头难于对 中北大学学位论文 3 准曲面法线方向和检测效率低的问题,一种非等参数检测路径生成算法.对于 cad模型 未知的曲面工件,首先采用传感器测距原理对工件进行仿形测量,然后应用计算方法重 构工件的曲面模型,最后根据重构的 cad 模型用非等参数算法生成检测路径。此类路 径规划的具体方法通常如下： 1）基于测距原理的典型点处运动点位选取； 2）各个典型点的空间位置计算； 3）工件的初始建模； 4）仿形测量路径受控运动点位计算； 5）仿形测量； 6）仿形测量、模型校正后的检测曲面重构； 7）检测受控运动点位生成。 （2）探测机器人路径规划：多传感器的信息融合是把分布在不同位置的多个同类 型或不同类型传感器提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除信息之间的冗余和矛 盾，以形成对环境相对完整和一致的描述，提高智能决策的速度和准确性。多传感器融 合的常用方法有:加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、统计决策理论、d-s 证据推 理、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则 19-22。此类路径规划需解决的 相关问题如下： 1）机器人从环境中有效的获取周围的障碍信息和其他习惯信息； 2）机器人根据内部及外部传感器来确定当前在地图中所处的位置； 3）机器人根据当前所处位置和当前地图中的信息确定行动策略； 4）产生合适的驱动信号使机器人运动在预定的轨迹上。 这些路径规划方法都是事先通过传感器采集目标物或目标环境信息，将信息进行分 析，根据分析结果来完成路径规划。 1.2.2 复杂构件超声无损检测系统现状 扫描系统是整个自动检测系统中检测运动控制与执行的部分，检测过程的快速性、 检测结果的准确性、检测性能的可靠性均依赖于扫描系统。现代的超声扫描系统正朝着 数字化、自动化、图像化方向发展。特别是近年来，随着信号处理技术、电子信息技术、 中北大学学位论文 4 自动控制技术、计算机技术、机电一体化技术的发展，现代无损检测技术已经进入到以 计算机控制为主的信息加工时代， 主要表现在如下几个方面： 工件检测过程中实时监控; 实现自动扫查、自动定位与跟踪检测对象的各种检测机器人系统；对缺陷的自动识别与 计算机仿真技术的深入研究等。计算机与超声检测系统的结合是超声无损检测的重大技 术进步。 国外， 对于超声自动化检测系统， 特别是曲面工件自动化检测系统方面的研究较多。 随着电子学和计算机科学技术的飞速发展，采用人工智能技术、自适应技术、机器人技 术、相关技术、信息融合技术、激光技术和 cad/cam 等技术与无损检测技术有机结合 以实现复杂形面复合构件的超声扫描成像检测，是近年来国外复合材料构件无损检测领 域研究的前沿课题。美国 qmi 公司己生产出商品化的空气耦合式数字超声波探伤仪， 其性能并不比常用普通超声波探伤仪逊色。 丹麦 force 研究所通过 20 年的努力， 开发电 站锅炉与石油化工设备的超声检测投影扫描系统，适合于容器内外表面的纵缝、环缝和 螺旋管焊缝的检查。日本东京煤气公司研制的蜘蛛形超声机器人，采用真空吸盘吸附， 能在球罐运行状态下对其焊缝进行检测。洛克希德马丁公司拥有能实现复杂形状复合 材料零件 100%自动化检测的系统。美国马里兰州 sliver spring 的 infor-matrics 公 司研制的名为 testpro、基于 pc 机的材料检测系统，由一套软件和一套硬件设备系 统构成，数据处理功能强，可以进行图像识别，由于含有人工智能化程序，可以进行自 动波形数据分析，并能和其他检测仪器设备相连。 国内，近几年超声无损检测自动化技术的发展比较迅速。由于起步比较晚，无论在 技术与应用方面都没有国外成熟。国内清华大学、哈尔滨工业大学在超声检测领域也开 展了大量的研究。 清华大学电子工程系研制出一种综合商用 a 型探伤仪功能的小型化超 声检测系统 thsam-3a，它可以工作在 15-100mhz 的频段，同时能进行 a 型探伤和 c 形成像，为小型零件的精密无损检测提供了有效的手段。哈尔滨工业大学进行了厚焊缝 超声波自动探伤仪的研制，它适合直径 800-4500mm 厚度和 40-300mm 的环缝探伤，采 用工控机控制缺陷显示与缺陷信号处理。除了系统越来越自动化，越来越智能化，超声 检测技术也有很多创新 23-25。 中北大学学位论文 5 1.3 1.3 课题研究内容以及论文安排课题研究内容以及论文安排 本学位论文针对复杂构件缺陷的超声扫描检测系统存在的不足，进行了系统优化。 全文共分为五章，具体章节内容如下： 第 1 章首先介绍了课题研究背景及研究意义，然后列举了国内外对超声扫描路径规 划以及在超声检测系统方面的研究成果的现状分析，并在此基础上提出了本学位论文的 主要工作。 第 2 章对现有的复杂构件进行分析，提出需要对对构件扫描检测中的路径进行精确 规划；并对现有超声检测系统进行分析，提出进行扫描检测时间优化的必要性。 第 3 章对复杂构件的各种类型的结构部分分别进行自动化扫描检测时的路径规划， 并分析各种结构连接位置的路径规划方法。 第 4 章利用小波分析，在进行小波基、小波分解层数和软阈值选取规则的对比与选 择的基础上，完成了对信号的降噪；运用相关函数法和 hilbert 变换法对周期信号的进 行零点一致性判断，根据得到的零点偏移量进行零点匹配。完成扫描时间的优化，并进 行误差和结果分析。 第 5 章对全文的研究工作进行了总结，给出主要的研究成果。 中北大学学位论文 6 第二章第二章 复杂构件与复杂构件与超声检测系统分析超声检测系统分析 2.1 复杂构件分析 本文中超声检测的对象为一种存在回转结构的复杂构件，即其存在一个中心轴，横 截面为圆形，轴截面主要是弧形、锥形或柱形等截面，如图 2.1。其中，a 图中的构件 含有柱形和弧形结构，b 图中的构件含有柱形和锥形结构。 由图 2.1 可以看出，构件表面变化较大。超声探头在检测过程中要求与构件表面保 持一定且恒定的距离,保持探头入射角度与构件表面垂直。此过程中，需要探头进行多 轴运动以及一定的角度旋转。相对于柱形构件检测中的探头单方向运动轨迹，需要对复 杂构件的超声自动化扫描检测进行探头多轴运动轨迹的路径规划。利用已知的构件外形 参数，采用对探头各轴运动量分别计算的方法，对构件不同的结构部分以及不同结构部 分结合部位的检测路径进行分析，并在整体构件路径规划的基础上，分析适用于指定的 区域检测或者对存在缺陷的区域进行复检的路径规划方法。 2.2 超声检测系统分析 本课题组在前期开发了一套能够实现自动检测构件缺陷的设备,如图 2.2 所示。实 现构件扫描的过程如图 2.3 所示。 图 2.1 复杂构件示意图 a复杂构件 a b复杂构件 b 中北大学学位论文 7 检测系统的工作方式：将构件放置于支撑轮上，超声探头置于构件轴线的正下方， 与构件表面保持一定的距离。检测时，构件保持匀速旋转，当探头到达检测截面后，等 待安装于构件端面的零点传感器信号，开始单圈扫描检测，以编码器控制数据的均匀采 集， 当下一个零点信号到达时， 表示一圈检测完成， 探头移动至下一检测截面继续检测， 直到完成对构件的整体扫描。 检测过程是以固定间隔扫描整个构件,每圈以零点传感器的触发信号作为检测开始 信号和结束,每圈检测结束后探头沿轴向移动一个间隔,再次等待零点传感器的触发信 号,等待的平均时间为一圈检测时间的一半，构件的检测效率很低。以直径为 160mm 的 构件为例，满足信号采集速度和采集分辨率的条件下，单截面的检测时间为 12 秒。安 装零点传感器的情况下平均等待时间约为 6 秒。如图 2.4 所示。实际检测中，经过对各 类型、规格的构件进行测算，等待的时间大约为整体检测时间的 30%-40%。 图 2.2 现有超声检测系统 图 2.3 构件扫描过程示意图 支撑滚动轮 支撑滚动轮 探头检测轨迹 零点传感器 编码器 超声探头 复杂构件 中北大学学位论文 8 2.3 起始零点对检测结果的影响分析 以某柱形构件为例，构