Page 67 - 无损检测2024年第八期

张云淼，等：

基于三维仿形建模的曲面构件水浸超声检测

未熔合等类型的缺陷，需对产品的内部质量进行无
损检测。超声检测具有高效、准确、灵敏度高、检测
结果清晰直观等特点，在产品内体积型缺陷的评价
方面具有优势。而复杂型面构件要求超声C扫描检
测时探头具有能跟踪产品表面曲面特征以及自动调
整姿态的功能，以保证水距和声束垂直于被检构件
表面。国内外的研究机构针对超声C扫描过程中的
路径仿形技术均开展了一定研究。黄光胜等 通过
[3]
对CATIA-CAA二次开发设计了与CAITA系统无
缝集成的复材构件超声C扫描轨迹规划系统，实现
了基于三维数字模型的复材构件扫描检测轨迹的
图 1 三维曲面构件水浸超声检测插点仿形建模流程
[4]
快速规划。王艳颖等 通过预设点位中探头与试件
1.1 扫查角度合成
表面的距离信息自动重建出产品表面的蒙皮模型。

现有水浸超声检测系统由x， y， z， A， B五个运
吴瑞明等 根据给定的测量误差自动加密初始点
[5]
动轴组成， x， y， z轴为直线轴， A， B轴为转动轴，当
列，以此实现了对汽车半轴圆弧部分的仿形。美国
待仿形曲面构件中含有z方向转角分量时，则通过同
[6]
Panametries公司 研制出一套高性能自动机械臂双
时调整A， B两轴使探头指向向量满足需求。空间方
梁构架的超声自动检测系统，使用CAD模型进行复
向向量示意如图2所示。
杂轮廓路径规划。威尔士的IntACom项目开发出了
多自由度机器人，使用两个6轴机械臂部署携带相
控阵超声检测探头，能够检测复杂几何形状的复合
材料部件。MOROZOV ，BURGHARDT 等将机
[7]
[8]
械手和3D扫描仪系统结合，对铸造叶片等曲面构件
进行3D扫描而获得叶片点云数据，再基于数字模型
规划扫查路径。
综合来看，目前曲面构件的检测方法通常是基于
[9]
工件的CAD模型 ，在软件内生成扫查路径再进行检
图 2 空间方向向量示意
测，这种检测方法需依赖准确的数据模型，只能对轮
如图2所示，没探头目标朝向的空间方向向量
廓已知的曲面进行检测，检测效率和灵活性较差。  
文章以增材制造三维曲面构件内部质量检测需 为 = cos , cos , cosα  n  β γ   ，其中α，β，γ 分别为 n 与x，
求为重点，对基于插点仿形建模的三维曲面构件水 y，z轴之间的夹角；轴A，B所转过的角度分别为A ，
0
浸超声检测技术进行研究，实现了三维外形轮廓重 B 。当探头初始位置 n  0 = 1, 0, 0    时，经过轴A，
0

构，三维空间扫查路径规划及检测图像重建，并借助 B旋转后得到的探头方向矢量 n 满足

1

三维曲面试块开展了检测结果验证。 n 1 =n TT （1）
BA
0

1 三维曲面构件插点仿形建模 式中：T ,T 分别为 n 绕x轴和y轴的旋转矩阵。
B
A
0
则有
插点仿形建模方法是最为简单的一种三维曲面  
构件建模方法，该方法通过记录坐标点三维空间信   1 0 0  
T A = 0 cosB 0 -sinB 
息，实现构件外形轮廓的描述，但在水浸超声检测系  0 
0 sinB 0  cosB 0   
统中需要实时控制水浸聚焦探头入射角度及焦距的  cosA 0 sinA  （2）
一致性。笔者将插点仿形建模与水浸超声检测技术   0 0  
B = T  0 1 0 
相结合，提出了一种三维曲面构件水浸超声检测插  -sinA 0 cosB 
点仿形建模方法，仿形建模流程如图1所示。  0 0   
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2024 年 第 46 卷 第 8 期
无损检测