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面向超声检测的曲面自动测量

李雄兵;杨岳;胡宏伟;倪培君;阳程

【摘要】针对手动超声测量中存在的测量点布置不合理、效率低、劳动强度大和

测量精度不稳定等问题,提出一种超声自动测量的实现方法.其原理是:首先通过实验

建立声束入射角与表面波时域特征值之间关系模型,根据机械手调整前后2个入射

角计算转动关节需要偏转的角度;然后,调整探头位姿并根据反馈的对正误差来决定

是否需要下一轮调整;利用已测点的三维坐标定量分析曲面曲率,并根据曲率越大,

测量点布置越密的原理进行测量点自动规划.研究结果表明:运用该方法所得测量效

率和精度高,从而验证了该方法的有效性.

【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2010(041)001

【总页数】7页(P194-200)

【关键词】曲面工件;超声测量;自动对正;自动规划

【作者】李雄兵;杨岳;胡宏伟;倪培君;阳程

【作者单位】中南大学,CAD/CAM研究所,湖南,长沙,410075;重庆大学,机械传动

国家重点实验室,重庆,400044;中南大学,CAD/CAM研究所,湖南,长沙,410075;重

庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400044;长沙理工大学,汽车与机械工程学院,

湖南,长沙,410114;中国兵器科学研究院,宁波分院,浙江,宁波,315103;中南大

学,CAD/CAM研究所,湖南,长沙,410075

【正文语种】中文

【中图分类】TP391.7

超声波无损检测的应用日趋广泛，而实现曲面工件的超声自动检测是近年来该领域

的前沿研究课题[1-2]。超声波检测时要求声束入射方向与测量点法矢方向保持一

致，因此，在检测前需要有满足检测要求的CAD模型。而实际的检测对象往往是

模型未知的实物工件，因此，需要利用曲面测量获取工件表面数据，然后，通过曲

面重构建立其CAD模型[3]。曲面测量技术还有很多种，如三坐标测量机、激光测

量等[4-5]，但这些测量方法应用到超声检测系统存在如下不足：(1)需要额外增加

一套曲面测量设备，导致系统成本大大增加；(2)测量坐标系和检测坐标系不同，

在模型坐标转换时会引入定位误差。借用曲面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，可实现曲面工件的测量和检测的一体化[6]。目前，

超声测量普遍使用的方法是：通过肉眼观察曲面工件的表面状况人工规划测量点，

并用手动方式反复调整探头位姿，以保证声束入射方向与测量点法矢方向保持一致

[7]。这样，会存在测量点布置不合理、测量效率低、测量精度不稳定等问题[8]。

为此，本文作者在分析超声自动测量原理的基础上，提出了一种超声自动测量的实

现方法。

1超声自动测量

超声自动测量的工作流程通常为：先对测量点人工进行初始规划，将曲面分解成若

干条能反映曲面特征的线及线上的若干测量点。启动自动测量程序后，根据初始规

划中当前测量点的位置，利用运动方程逆解得到机械手关节的变量，驱动机械手让

声束照射到当前测量点的领域，由自动测量程序调整探头位姿让声束对正测量点；

然后，读取此时的水声距和关节变量，通过运动方程的正解将其换算为该测量点的

三维坐标值并保存，由此完成了1个点的测量。利用同样的方法测量下一个点。

根据已测点的三维坐标分析曲面曲率，在曲率变化不大处按照初始规划的间距进行

测量，在曲率变化显著处缩小测量点间距，实现测量点的自动规划。

可见，实现基于超声的曲面自动测量涉及3个关键技术：超声检测机械手的运动

学建模、声束自动对正和测量点的自动规划。

1.1超声检测机械手的运动学建模

所研究的超声检测机械手如图1(a)所示。该机械手是一个空间开式运动链，一端

固定，另一端自由，用以安装超声检测探头。其运动原理见图1(b)，它由5根连

杆(L1，L2，L3，L4，L5)，3个移动关节(A1，A2，A3)，2个转动关节(A4，A5)

组成，按照D-H方法[9]和连杆坐标系建立的原则[10]，建立如图2所示的连杆坐

标系。检测机械手运动学方程的正解式为：

图1超声检测机械手的示意图和运动原理Fig.1Schematicdiagramand

kinematicprinciplesofmanipulator

图2超声检测机械手的连杆坐标系Fig.2Coordinatesystemofmanipulator’s

connectingrod

式中：a1