本發(fā)明涉及對復雜曲面結構工件的新型三維超聲無損檢測系統(tǒng)，具體涉及一種單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，使無損檢測結果與被檢工件理論數(shù)模一一對應，實現(xiàn)無損檢測結果三維可視化，屬于無損檢測系統(tǒng)領域。

背景技術：

隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，機械結構加工工藝也在不斷進步，不規(guī)則自由曲面結構廣泛的應用在各個領域中，相應的無損檢測工作遇到了新的技術挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的超聲無損檢測過程中，為了更準確地對結構試件進行檢測，通常將超聲探頭固定在不同的二維掃查器上，分別讀取編碼器的數(shù)值獲得所檢測區(qū)域的缺陷情況，待完成檢測后，將缺陷位置的定位以記號筆的形式給予標記。對于不同的結構件，需要配備不同的掃查裝置以保證測量數(shù)據(jù)的完整性，且由于掃查裝置的設置也使得超聲無損檢測結果一直局限于二維圖像顯示。對于大型結構件，通常會設計相應的機械手帶動超聲探頭對其進行檢測，系統(tǒng)龐大，不易攜帶。隨著超聲無損檢測技術的不斷發(fā)展，檢測結果可以通過軟件分析進行后期拼接，顯示出缺陷的相對位置信息。但是這種缺陷定位方式在很大程度上依賴檢測人員的工作經驗，存在很大的定位誤差，無法精確地確定缺陷的位置。而且，就超聲無損檢測系統(tǒng)而言，當工件曲率變化較大、結構較為復雜時，超聲掃查裝置的設計和制造成本將會大幅提高，但是檢測可達性問題仍無法得到有效的改善。

無損檢測工作是航空、航天、鐵路、汽車和船舶等各種領域中必不可少的工藝組成部分，超聲無損檢測則是無損檢測領域中最為成熟、可靠地質量檢測和控制手段，而不同領域中的各種大型復雜曲面結構的出現(xiàn)使它們的無損檢測工作成為了難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種大型復雜曲面結構件單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，針對不同領域中的各種復雜曲面結構件進行三維超聲無損檢測工作，突破了傳統(tǒng)二維超聲的局限性，同時保證測量精度，提高檢測效率。復雜曲面結構件單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)結合了傳統(tǒng)超聲無損檢測的技術優(yōu)勢和光筆式單目坐標測量系統(tǒng)的高精度定位和校準技術，使無損檢測系統(tǒng)更輕便、更準確、更成熟、更可靠，可以應用于大型復雜曲面結構件的無損檢測領域。

本發(fā)明的目的是通過以下方案實現(xiàn)的：

一種單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，包括單目視覺測量系統(tǒng)、超聲相控陣探頭反射目標和超聲無損檢測系統(tǒng)組成，單目視覺測量系統(tǒng)由相機支架和ccd高速攝像機組成；超聲無損檢測系統(tǒng)由高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)和處理系統(tǒng)工作站組成；ccd高速攝像機固定在相機支架上且ccd高速攝像機與處理系統(tǒng)工作站通過數(shù)據(jù)線連接，ccd高速攝像機實時獲取超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標和被測工件之間的位置實時傳輸至工作站，將檢測到的位置信息一一對應至工件結構的設計理論數(shù)模下；高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)與超聲相控陣探頭反射目標通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，實時顯示超聲檢測結果；高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)通過網線與處理系統(tǒng)工作站連接，實現(xiàn)實時傳輸數(shù)據(jù)的功能，；測量完成后，在超聲檢測結果中選擇檢測圖像結果一一還原至工件的理論三維數(shù)模下，進行無損檢測數(shù)據(jù)拼接，實現(xiàn)基于工件數(shù)模的超聲無損檢測數(shù)據(jù)三維可視化。

所述的一種單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，其中，超聲相控陣探頭反射目標為超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標或超聲輪式相控陣探頭反射目標。

所述的一種單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，其中，超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標包括超高亮度發(fā)光二極管式光筆、常規(guī)探頭光筆連接架、超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭、超聲探頭楔塊、一號位置編碼器；超高亮度發(fā)光二極管式光筆固定在常規(guī)探頭光筆連接架一端，常規(guī)探頭光筆連接架另一端與超聲探頭楔塊連接固定，超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭在常規(guī)探頭光筆連接架與超聲探頭楔塊的預緊力下固定，一號位置編碼器安裝在超聲探頭楔塊側面。

所述的一種單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，其中，超聲輪式相控陣探頭反射目標包括高反射目標標識點式光筆、激光導向裝置、步進點擊器按鈕、輪式探頭手柄、二號位置編碼器、編碼器連接輪、透明輪胎材料滾輪及輪式探頭光筆連接架；激光導向裝置及步進點擊器按鈕均設置在輪式探頭手柄前端，高反射目標標識點式光筆與輪式探頭手柄通過輪式探頭光筆連接架連接；透明輪胎材料滾輪及編碼器連接輪均固定在支承架上，且保證編碼器連接輪與透明輪胎材料滾輪均與被測工件接觸，支承架與輪式探頭手柄連接，位置編碼器與編碼器連接輪接觸。

本發(fā)明同時提供一種單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟：

步驟一：安裝ccd高速攝像機，將被測工件和反射目標放置在ccd高速攝像機的視場范圍內；

步驟二：將ccd高速攝像機與處理系統(tǒng)工作站通過數(shù)據(jù)線連接，高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)與超聲相控陣探頭反射目標通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)通過網線與處理系統(tǒng)工作站連接；

步驟三：分別啟動接通高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)和處理系統(tǒng)工作站；

步驟四：對超聲相控陣探頭反射目標中的光筆進行標定，得到光筆中反射點之間的位置關系；將光筆連接探針，對被測工件上的特征點進行檢測，再通過特征點對齊至被測工件的理論數(shù)模下；

步驟五：將光筆與超聲探頭連接，安裝超聲相控陣探頭反射目標，由ccd高速攝像機測得光筆上的目標反射點，進而得到超聲探頭測量被測工件的準確位置信息；

步驟六：手持超聲相控陣探頭反射目標在被測工件上進行掃查測量測試和路徑預設，確保手持超聲相控陣探頭反射目標在ccd高速攝像機內的可見度達到98％；

步驟七：按照預設路徑對曲面被測工件進行掃查測量，檢測結果上傳至系統(tǒng)工作站中，同時，ccd高速攝像機實時測量光筆和被測工件之間的位置關系，并且傳輸至處理系統(tǒng)工作站中；

步驟八：處理系統(tǒng)工作站將無損檢測結果還原至被測工件的理論數(shù)模下，將檢測結果進行圖像拼接，并且顯示結果，實現(xiàn)基于三維理論數(shù)模的超聲無損檢測可視化。

系統(tǒng)主要工作原理是：首先對光筆式單目系統(tǒng)進行標定，目的是獲取光筆反射目標分布點的位置關系，降低相機成像質量的影響；將光筆與超聲探頭連接；然后，對曲面平面被測工件上的特征點進行檢測，再通過相應的特征點信息對齊至設計的理論數(shù)學數(shù)模下；由ccd高速攝像機直接捕捉連接超聲探頭和工裝上的反射目標上的分布點，從而獲取當前超聲探頭在工件上所測得的相應位置坐標，該位置坐標此時即可以與超聲相控陣探頭反射目標結構的設計理論數(shù)學數(shù)模對齊。當測量結束后，將高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)中的超聲檢測數(shù)據(jù)還原至被測工件相應的三維數(shù)模下，在處理系統(tǒng)工作站中，對無損檢測數(shù)據(jù)進行拼接，通過缺陷識別技術完成基于被測工件三維理論數(shù)模的無損檢測數(shù)據(jù)三維可視化工作，從而進一步提升復雜曲面結構件的超聲無損檢測的可視化程度。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益的效果：

本發(fā)明主要針對大型平面工件或者復雜曲面構件，這種結構工件的尺寸遠大于超聲檢測探頭，而針對這種構件的掃查裝置設計復雜、效率較低且費用昂貴，最主要的是其檢測結果局限于二維圖像顯示，在檢測過程中有劃線、記號等人工參與，檢測精度較低，不符合現(xiàn)代工業(yè)自動化水平的要求。本發(fā)明提出一種單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，主要采用光筆式單目視覺測量系統(tǒng)、多晶片超聲無損檢測常規(guī)探頭、多晶片相控陣超聲無損檢測輪式探頭和相控陣超聲無損檢測測量系統(tǒng)配合使用，相控陣技術在掃查工件時，可以不移動探頭本身而快速的改變聲束角度，代替多個探頭及機械部分充分發(fā)揮檢測性能，對復雜幾何形狀的檢測有很大靈活性，并且可以高速掃查。通過上述系統(tǒng)集成，實現(xiàn)基于視覺定位的三維超聲無損檢測系統(tǒng)，提高超聲無損檢測系統(tǒng)的缺陷定位精度和無損檢測數(shù)據(jù)結果的完整性和準確性，有效的解決了檢測的靈活性，并且可以實現(xiàn)檢測結果三維化顯示，提高檢測精度和檢測效率，擁有廣泛的應用前景。

發(fā)明中的主要創(chuàng)新點為：

1基于被測工件的三維理論數(shù)模，將超聲無損檢測數(shù)據(jù)結果對其至三維理論數(shù)模下實現(xiàn)數(shù)據(jù)三維可視化顯示；

2通過高速ccd相機實時測量光筆的位置信息，經過坐標轉換算法，可以實時獲得超聲探頭在被測工件上的測量位置信息。在實際測量過程中，為了保證測量的完整性，通常在測量行程邊界區(qū)域出現(xiàn)重疊測量的情況，超聲探頭經過相近兩次測量行程所得到的結果，利用實時的位置通過軟件對其至被測工件三維理論數(shù)模上，解決了兩次測量行程中可能出現(xiàn)的位置覆蓋問題，并且掃查測量結果自動保存且有對應于被測工件的位置信息，測量結果拼接時擇優(yōu)拼接，保證檢測結果準確可靠；

3發(fā)明中的超高亮度發(fā)光二極管式光筆和高反射目標標識點式光筆結構可以根據(jù)相控陣超聲探頭的結構，重新設計連接架，結構靈活、方便，不限制系統(tǒng)的使用范圍，且解決了傳統(tǒng)超聲中的由于不同結構需要不同的掃查裝置的局限性問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一原理示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例二原理示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例一超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例一超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標超高亮度發(fā)光二極管式光筆結構示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例二超聲輪式相控陣探頭反射目標結構示意圖

圖6為本發(fā)明實施例二超聲輪式相控陣探頭反射目標高反射目標標識點式光筆結構示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例二超聲輪式相控陣探頭反射目標輪式探頭光筆連接架結構示意圖。

圖中：

1-相機支架；2-ccd高速攝像機；3-被測工件；4-超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標；5-高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)；6-處理系統(tǒng)工作站；7-超聲輪式相控陣探頭反射目標；8-超高亮度發(fā)光二極管式光筆；9-常規(guī)探頭光筆連接架；10-超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭；11-超聲探頭楔塊；12-一號位置編碼器；13-超高亮度發(fā)光二極管；14-發(fā)光二極管式空間光筆板；15-高反射目標標識點式光筆；16-激光導向裝置；17-步進點擊器按鈕；18-輪式探頭手柄；19-二號位置編碼器；20-編碼器連接輪；21-透明輪胎材料滾輪；22-輪式探頭光筆連接架；23-高反射目標標識點；24-高反射目標標識點式平面光筆板；25-功能孔；26-固定螺紋孔；27-結構孔

具體實施方式

復雜曲面結構件單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)可用于多種材料的超聲無損檢測，包括金屬、非金屬和復合材料等。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

本發(fā)明的基本思路是：在測量之前，需要校準光筆的反射目標分布點之間的位置關系，每隔一段時間，需要對光筆進行一次校準，校準方法是在光筆下方安裝一個探針，在相機視場三維立體空間內近似平行移動多個位置，系統(tǒng)對提取到的位置坐標，標定光筆的反射目標分布點。

在標定光筆之后，將光筆連接探針對被檢測工件上的特征點進行檢測，再通過特征點對其至理論數(shù)模下。然后，連接光筆與超聲探頭，由ccd相機直接捕捉光筆上的反射目標分布點，從而獲取超聲探頭當前所在工件上的相應位置，此時，該位置便與工件結構的理論數(shù)模對應。隨后，將超聲檢測結果圖像按照坐標還原至三維數(shù)模下，完成基于三維理論數(shù)模的超聲無損檢測數(shù)據(jù)的三維可視化。

參閱圖1、圖2，單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，主要由單目視覺測量系統(tǒng)、超聲相控陣探頭反射目標和超聲無損檢測系統(tǒng)組成，單目視覺測量系統(tǒng)由相機支架1和ccd高速攝像機2組成；超聲無損檢測系統(tǒng)由高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5和處理系統(tǒng)工作站6組成。

所述超聲相控陣探頭反射目標為超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4或超聲輪式相控陣探頭反射目標7。

所述超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4由超高亮度發(fā)光二極管式光筆8、常規(guī)探頭光筆連接架9、超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭10、超聲探頭楔塊11、一號位置編碼器12組成。

所述超聲輪式相控陣探頭反射目標7由高反射目標標識點式光筆15、激光導向裝置16、步進點擊器按鈕17、輪式探頭手柄18、二號位置編碼器19、編碼器連接輪20、透明輪胎材料滾輪21和輪式探頭光筆連接架22組成。

上述超高亮度發(fā)光二極管式光筆8和高反射目標標識點式光筆15為光筆的初步設計模型包括光筆結構和光筆標識點分布形式，可以通過改變連接工裝設計多種光筆形式，通用于超聲相控陣常規(guī)探頭和輪式探頭。

系統(tǒng)主要工作原理是：首先對光筆式單目系統(tǒng)進行標定，目的是獲取光筆反射目標分布點的位置關系，降低相機成像質量的影響。將超高亮度發(fā)光二極管式光筆8或者高反射目標標識點式光筆15通過常規(guī)探頭光筆連接架9或者輪式探頭光筆連接架22與超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭10或者超聲輪式相控陣探頭相連接。然后，對曲面/平面被測工件3上的特征點進行檢測，再通過相應的特征點信息對齊至設計的理論數(shù)學數(shù)模下；由ccd高速攝像機2直接捕捉連接超聲探頭和工裝上的反射目標上的分布點，從而獲取當前超聲探頭在工件上所測得的相應位置坐標，該位置坐標此時即與超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4結構的設計理論數(shù)學數(shù)模對齊。當測量結束后，將高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5中的超聲檢測數(shù)據(jù)還原至被測工件3相應的三維數(shù)模下，在處理系統(tǒng)工作站6中，通過缺陷識別技術完成基于被測工件3三維理論數(shù)模的無損檢測數(shù)據(jù)三維可視化工作，從而進一步提升復雜曲面結構件的超聲無損檢測的可視化程度。

實施例1

如圖1所示，單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，包括相機支架1、ccd高速攝像機2、曲面/平面被測工件3、超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4、高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5、處理系統(tǒng)工作站6。其中，ccd高速攝像機2通過螺紋連接固定在相機支架1上且ccd高速攝像機2與處理系統(tǒng)工作站6通過數(shù)據(jù)線連接，ccd高速攝像機2實時獲取超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4與曲面/平面被測工件3之間的位置關系，將檢測結果傳輸至工作站中；高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5和超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，實時顯示超聲檢測結果；高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5通過網線與處理系統(tǒng)工作站6連接，實現(xiàn)實時傳輸數(shù)據(jù)的功能，將檢測到的位置信息一一對應至工件結構的設計理論數(shù)模下；在測量完成后，在超聲檢測結果中，選擇檢測質量較好受人工、環(huán)境影響較小的檢測圖像結果一一還原至工件的理論三維數(shù)模下，進行數(shù)據(jù)拼接，實現(xiàn)基于工件數(shù)模的超聲無損檢測數(shù)據(jù)三維可視化。

如圖3、圖4所示，所述超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4由超高亮度發(fā)光二極管式光筆8、常規(guī)探頭光筆連接架9、超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭10、超聲探頭楔塊11、一號位置編碼器12組成，其中，超高亮度發(fā)光二極管式光筆8由超高亮度發(fā)光二極管13與發(fā)光二極管式空間光筆板14裝配組成。超高亮度發(fā)光二極管式光筆8通過螺釘固定在常規(guī)探頭光筆連接架9一端，常規(guī)探頭光筆連接架9另一端與超聲探頭楔塊11連接固定，超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭10在常規(guī)探頭光筆連接架9和超聲探頭楔塊11的預緊力下固定。此外，為了能初步獲得超聲檢測圖像結果，在超聲探頭楔塊11的側面設計螺紋孔，將一號位置編碼器12安裝在超聲探頭楔塊11的側面，實現(xiàn)二維超聲檢測成像。

本實施例以奧林巴斯多晶片常規(guī)探頭為例描述單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)的檢測方法，其具體檢測步驟如下：

步驟一：將ccd高速攝像機2固定在相機支架1上，被測工件3盡量放置在ccd高速攝像機2的視場范圍內；

步驟二：分別連接ccd高速攝像機2與處理系統(tǒng)工作站6；處理系統(tǒng)工作站6與高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5；以及高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5與超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4的電源線、網線和數(shù)據(jù)傳輸線；

步驟三：分別接通高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5和處理系統(tǒng)工作站6的電源，打開處理系統(tǒng)工作站中三維超聲無損檢測操作軟件和主機系統(tǒng)的操作軟件；

步驟四：進行超高亮度發(fā)光二極管式光筆8標定：將超高亮度發(fā)光二極管式光筆8連接探針，對被測工件3上的特征點進行檢測，再通過特征點對齊至被測工件的理論數(shù)模下；

步驟五：將超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4按照圖3示意圖安裝固定好；由ccd高速攝像機2測得超高亮度發(fā)光二極管式光筆8上的目標反射點，進而確定超聲64晶片常規(guī)相控陣無損檢測探頭10測量被測工件3的準確位置信息；

步驟六：手持超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4在被測工件3上進行掃查測量測試和路徑預設，盡量保證在測量路徑中超高亮度發(fā)光二極管式光筆8內目標反射點能被ccd高速攝像機接收，確保手持超聲常規(guī)相控陣探頭反射目標4在ccd高速攝像機2內的可見度達到98％；

步驟七：按照預設路徑對曲面被測工件3進行掃查測量，檢測結果通過處理系統(tǒng)工作站6和高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5的傳輸線上傳至三維超聲無損檢測操作軟件中，同時，ccd高速攝像機2實時測量光筆和被測工件3之間的位置關系，并且傳輸至處理系統(tǒng)工作站6中；

步驟八：對于測量不理想的區(qū)域可以重復步驟七多次掃查測量；

步驟九：篩選無損檢測數(shù)據(jù)中能明顯顯示被測工件3的質量問題的檢測結果，其他檢測結果留檔備用；

步驟十：處理系統(tǒng)工作站6中的軟件將無損檢測結果還原至被測工件的理論數(shù)模下，將檢測結果進行圖像拼接，并且顯示結果，實現(xiàn)基于三維理論數(shù)模的超聲無損檢測可視化。

實施例2

如圖2所示，單目視覺三維超聲無損檢測系統(tǒng)，包括相機支架1、ccd高速攝像機2、曲面/平面被測工件3、高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5、處理系統(tǒng)工作站6、超聲輪式相控陣探頭反射目標7。其中，ccd高速攝像機2通過螺紋連接固定在相機支架1上；高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5和超聲輪式相控陣探頭反射目標7通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，實時顯示超聲檢測結果；高級渦流、超聲相控陣主機系統(tǒng)5同時與處理系統(tǒng)工作站6通過數(shù)據(jù)線連接，將檢測結果傳輸至工作站中。

如圖5所示，所述超聲輪式相控陣探頭反射目標7由高反射目標標識點式光筆15、激光導向裝置16、步進點擊器按鈕17、輪式探頭手柄18、二號位置編碼器19、編碼器連接輪20、透明輪胎材料滾輪21和輪式探頭光筆連接架22組成，其中，高反射目標標識點式光筆15由高反射目標標識點23與高反射目標標識點式平面光筆板24裝配組成。激光導向裝置16和步進點擊器按鈕17均設置在輪式探頭手柄18前端，高反射目標標識點式光筆15與輪式探頭手柄18通過輪式探頭光筆連接架22連接固定。其中，輪式探頭光筆連接架22細節(jié)圖如圖7所示，輪式探頭光筆連接架22上下頂面分別設有對應的功能孔25和結構孔27，輪式探頭光筆連接架22側匡上設有固定螺紋孔，固定螺紋孔26用于固定高反射目標標識點式光筆15和輪式探頭手柄18，激光導向裝置16穿過輪式探頭光筆連接架22中的功能孔25和結構孔27，指導測量人員保證直線測量路徑。此外，步進點擊器按鈕17是控制測量過程中的開始測量與停止測量。透明輪胎材料滾輪21及編碼器連接輪20均固定在支承架上，支承架與輪式探頭手柄18連接，位置編碼器19與編碼器連接輪20接觸，保證編碼器連接輪20與被測工件3緊密接觸，此時檢測結果可以初步成像，透明輪胎材料滾輪21中有超聲測量晶片和耦合劑水，在測量過程中，透明輪胎材料滾輪21與被測工件3接觸。

本實施例以奧林巴斯多晶片輪式探頭為例描述單目視覺三維超聲無損檢測方法，其具體檢測步驟與實施例1相同，僅在步驟5中將超聲輪式相控陣探頭反射目標7按照圖5示意圖安裝固定。