单目视觉三维超声无损检测系统及检测方法与流程

本发明涉及对复杂曲面结构工件的新型三维超声无损检测系统，具体涉及一种单目视觉三维超声无损检测系统，使无损检测结果与被检工件理论数模一一对应，实现无损检测结果三维可视化，属于无损检测系统领域。

背景技术：

随着工业自动化水平的不断提高，机械结构加工工艺也在不断进步，不规则自由曲面结构广泛的应用在各个领域中，相应的无损检测工作遇到了新的技术挑战。在传统的超声无损检测过程中，为了更准确地对结构试件进行检测，通常将超声探头固定在不同的二维扫查器上，分别读取编码器的数值获得所检测区域的缺陷情况，待完成检测后，将缺陷位置的定位以记号笔的形式给予标记。对于不同的结构件，需要配备不同的扫查装置以保证测量数据的完整性，且由于扫查装置的设置也使得超声无损检测结果一直局限于二维图像显示。对于大型结构件，通常会设计相应的机械手带动超声探头对其进行检测，系统庞大，不易携带。随着超声无损检测技术的不断发展，检测结果可以通过软件分析进行后期拼接，显示出缺陷的相对位置信息。但是这种缺陷定位方式在很大程度上依赖检测人员的工作经验，存在很大的定位误差，无法精确地确定缺陷的位置。而且，就超声无损检测系统而言，当工件曲率变化较大、结构较为复杂时，超声扫查装置的设计和制造成本将会大幅提高，但是检测可达性问题仍无法得到有效的改善。

无损检测工作是航空、航天、铁路、汽车和船舶等各种领域中必不可少的工艺组成部分，超声无损检测则是无损检测领域中最为成熟、可靠地质量检测和控制手段，而不同领域中的各种大型复杂曲面结构的出现使它们的无损检测工作成为了难题。

技术实现要素：

本发明提供一种大型复杂曲面结构件单目视觉三维超声无损检测系统，针对不同领域中的各种复杂曲面结构件进行三维超声无损检测工作，突破了传统二维超声的局限性，同时保证测量精度，提高检测效率。复杂曲面结构件单目视觉三维超声无损检测系统结合了传统超声无损检测的技术优势和光笔式单目坐标测量系统的高精度定位和校准技术，使无损检测系统更轻便、更准确、更成熟、更可靠，可以应用于大型复杂曲面结构件的无损检测领域。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种单目视觉三维超声无损检测系统，包括单目视觉测量系统、超声相控阵探头反射目标和超声无损检测系统组成，单目视觉测量系统由相机支架和ccd高速摄像机组成；超声无损检测系统由高级涡流、超声相控阵主机系统和处理系统工作站组成；ccd高速摄像机固定在相机支架上且ccd高速摄像机与处理系统工作站通过数据线连接，ccd高速摄像机实时获取超声常规相控阵探头反射目标和被测工件之间的位置实时传输至工作站，将检测到的位置信息一一对应至工件结构的设计理论数模下；高级涡流、超声相控阵主机系统与超声相控阵探头反射目标通过数据传输线连接，实时显示超声检测结果；高级涡流、超声相控阵主机系统通过网线与处理系统工作站连接，实现实时传输数据的功能，；测量完成后，在超声检测结果中选择检测图像结果一一还原至工件的理论三维数模下，进行无损检测数据拼接，实现基于工件数模的超声无损检测数据三维可视化。

所述的一种单目视觉三维超声无损检测系统，其中，超声相控阵探头反射目标为超声常规相控阵探头反射目标或超声轮式相控阵探头反射目标。

所述的一种单目视觉三维超声无损检测系统，其中，超声常规相控阵探头反射目标包括超高亮度发光二极管式光笔、常规探头光笔连接架、超声64晶片常规相控阵无损检测探头、超声探头楔块、一号位置编码器；超高亮度发光二极管式光笔固定在常规探头光笔连接架一端，常规探头光笔连接架另一端与超声探头楔块连接固定，超声64晶片常规相控阵无损检测探头在常规探头光笔连接架与超声探头楔块的预紧力下固定，一号位置编码器安装在超声探头楔块侧面。

所述的一种单目视觉三维超声无损检测系统，其中，超声轮式相控阵探头反射目标包括高反射目标标识点式光笔、激光导向装置、步进点击器按钮、轮式探头手柄、二号位置编码器、编码器连接轮、透明轮胎材料滚轮及轮式探头光笔连接架；激光导向装置及步进点击器按钮均设置在轮式探头手柄前端，高反射目标标识点式光笔与轮式探头手柄通过轮式探头光笔连接架连接；透明轮胎材料滚轮及编码器连接轮均固定在支承架上，且保证编码器连接轮与透明轮胎材料滚轮均与被测工件接触，支承架与轮式探头手柄连接，位置编码器与编码器连接轮接触。

本发明同时提供一种单目视觉三维超声无损检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：安装ccd高速摄像机，将被测工件和反射目标放置在ccd高速摄像机的视场范围内；

步骤二：将ccd高速摄像机与处理系统工作站通过数据线连接，高级涡流、超声相控阵主机系统与超声相控阵探头反射目标通过数据传输线连接，高级涡流、超声相控阵主机系统通过网线与处理系统工作站连接；

步骤三：分别启动接通高级涡流、超声相控阵主机系统和处理系统工作站；

步骤四：对超声相控阵探头反射目标中的光笔进行标定，得到光笔中反射点之间的位置关系；将光笔连接探针，对被测工件上的特征点进行检测，再通过特征点对齐至被测工件的理论数模下；

步骤五：将光笔与超声探头连接，安装超声相控阵探头反射目标，由ccd高速摄像机测得光笔上的目标反射点，进而得到超声探头测量被测工件的准确位置信息；

步骤六：手持超声相控阵探头反射目标在被测工件上进行扫查测量测试和路径预设，确保手持超声相控阵探头反射目标在ccd高速摄像机内的可见度达到98％；

步骤七：按照预设路径对曲面被测工件进行扫查测量，检测结果上传至系统工作站中，同时，ccd高速摄像机实时测量光笔和被测工件之间的位置关系，并且传输至处理系统工作站中；

步骤八：处理系统工作站将无损检测结果还原至被测工件的理论数模下，将检测结果进行图像拼接，并且显示结果，实现基于三维理论数模的超声无损检测可视化。

系统主要工作原理是：首先对光笔式单目系统进行标定，目的是获取光笔反射目标分布点的位置关系，降低相机成像质量的影响；将光笔与超声探头连接；然后，对曲面平面被测工件上的特征点进行检测，再通过相应的特征点信息对齐至设计的理论数学数模下；由ccd高速摄像机直接捕捉连接超声探头和工装上的反射目标上的分布点，从而获取当前超声探头在工件上所测得的相应位置坐标，该位置坐标此时即可以与超声相控阵探头反射目标结构的设计理论数学数模对齐。当测量结束后，将高级涡流、超声相控阵主机系统中的超声检测数据还原至被测工件相应的三维数模下，在处理系统工作站中，对无损检测数据进行拼接，通过缺陷识别技术完成基于被测工件三维理论数模的无损检测数据三维可视化工作，从而进一步提升复杂曲面结构件的超声无损检测的可视化程度。

本发明的优点和有益的效果：

本发明主要针对大型平面工件或者复杂曲面构件，这种结构工件的尺寸远大于超声检测探头，而针对这种构件的扫查装置设计复杂、效率较低且费用昂贵，最主要的是其检测结果局限于二维图像显示，在检测过程中有划线、记号等人工参与，检测精度较低，不符合现代工业自动化水平的要求。本发明提出一种单目视觉三维超声无损检测系统，主要采用光笔式单目视觉测量系统、多晶片超声无损检测常规探头、多晶片相控阵超声无损检测轮式探头和相控阵超声无损检测测量系统配合使用，相控阵技术在扫查工件时，可以不移动探头本身而快速的改变声束角度，代替多个探头及机械部分充分发挥检测性能，对复杂几何形状的检测有很大灵活性，并且可以高速扫查。通过上述系统集成，实现基于视觉定位的三维超声无损检测系统，提高超声无损检测系统的缺陷定位精度和无损检测数据结果的完整性和准确性，有效的解决了检测的灵活性，并且可以实现检测结果三维化显示，提高检测精度和检测效率，拥有广泛的应用前景。

发明中的主要创新点为：

1基于被测工件的三维理论数模，将超声无损检测数据结果对其至三维理论数模下实现数据三维可视化显示；

2通过高速ccd相机实时测量光笔的位置信息，经过坐标转换算法，可以实时获得超声探头在被测工件上的测量位置信息。在实际测量过程中，为了保证测量的完整性，通常在测量行程边界区域出现重叠测量的情况，超声探头经过相近两次测量行程所得到的结果，利用实时的位置通过软件对其至被测工件三维理论数模上，解决了两次测量行程中可能出现的位置覆盖问题，并且扫查测量结果自动保存且有对应于被测工件的位置信息，测量结果拼接时择优拼接，保证检测结果准确可靠；

3发明中的超高亮度发光二极管式光笔和高反射目标标识点式光笔结构可以根据相控阵超声探头的结构，重新设计连接架，结构灵活、方便，不限制系统的使用范围，且解决了传统超声中的由于不同结构需要不同的扫查装置的局限性问题。

附图说明

图1为本发明实施例一原理示意图；

图2为本发明实施例二原理示意图；

图3为本发明实施例一超声常规相控阵探头反射目标结构示意图；

图4为本发明实施例一超声常规相控阵探头反射目标超高亮度发光二极管式光笔结构示意图；

图5为本发明实施例二超声轮式相控阵探头反射目标结构示意图

图6为本发明实施例二超声轮式相控阵探头反射目标高反射目标标识点式光笔结构示意图；

图7为本发明实施例二超声轮式相控阵探头反射目标轮式探头光笔连接架结构示意图。

图中：

1-相机支架；2-ccd高速摄像机；3-被测工件；4-超声常规相控阵探头反射目标；5-高级涡流、超声相控阵主机系统；6-处理系统工作站；7-超声轮式相控阵探头反射目标；8-超高亮度发光二极管式光笔；9-常规探头光笔连接架；10-超声64晶片常规相控阵无损检测探头；11-超声探头楔块；12-一号位置编码器；13-超高亮度发光二极管；14-发光二极管式空间光笔板；15-高反射目标标识点式光笔；16-激光导向装置；17-步进点击器按钮；18-轮式探头手柄；19-二号位置编码器；20-编码器连接轮；21-透明轮胎材料滚轮；22-轮式探头光笔连接架；23-高反射目标标识点；24-高反射目标标识点式平面光笔板；25-功能孔；26-固定螺纹孔；27-结构孔

具体实施方式

复杂曲面结构件单目视觉三维超声无损检测系统可用于多种材料的超声无损检测，包括金属、非金属和复合材料等。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的基本思路是：在测量之前，需要校准光笔的反射目标分布点之间的位置关系，每隔一段时间，需要对光笔进行一次校准，校准方法是在光笔下方安装一个探针，在相机视场三维立体空间内近似平行移动多个位置，系统对提取到的位置坐标，标定光笔的反射目标分布点。

在标定光笔之后，将光笔连接探针对被检测工件上的特征点进行检测，再通过特征点对其至理论数模下。然后，连接光笔与超声探头，由ccd相机直接捕捉光笔上的反射目标分布点，从而获取超声探头当前所在工件上的相应位置，此时，该位置便与工件结构的理论数模对应。随后，将超声检测结果图像按照坐标还原至三维数模下，完成基于三维理论数模的超声无损检测数据的三维可视化。

参阅图1、图2，单目视觉三维超声无损检测系统，主要由单目视觉测量系统、超声相控阵探头反射目标和超声无损检测系统组成，单目视觉测量系统由相机支架1和ccd高速摄像机2组成；超声无损检测系统由高级涡流、超声相控阵主机系统5和处理系统工作站6组成。

所述超声相控阵探头反射目标为超声常规相控阵探头反射目标4或超声轮式相控阵探头反射目标7。

所述超声常规相控阵探头反射目标4由超高亮度发光二极管式光笔8、常规探头光笔连接架9、超声64晶片常规相控阵无损检测探头10、超声探头楔块11、一号位置编码器12组成。

所述超声轮式相控阵探头反射目标7由高反射目标标识点式光笔15、激光导向装置16、步进点击器按钮17、轮式探头手柄18、二号位置编码器19、编码器连接轮20、透明轮胎材料滚轮21和轮式探头光笔连接架22组成。

上述超高亮度发光二极管式光笔8和高反射目标标识点式光笔15为光笔的初步设计模型包括光笔结构和光笔标识点分布形式，可以通过改变连接工装设计多种光笔形式，通用于超声相控阵常规探头和轮式探头。

系统主要工作原理是：首先对光笔式单目系统进行标定，目的是获取光笔反射目标分布点的位置关系，降低相机成像质量的影响。将超高亮度发光二极管式光笔8或者高反射目标标识点式光笔15通过常规探头光笔连接架9或者轮式探头光笔连接架22与超声64晶片常规相控阵无损检测探头10或者超声轮式相控阵探头相连接。然后，对曲面/平面被测工件3上的特征点进行检测，再通过相应的特征点信息对齐至设计的理论数学数模下；由ccd高速摄像机2直接捕捉连接超声探头和工装上的反射目标上的分布点，从而获取当前超声探头在工件上所测得的相应位置坐标，该位置坐标此时即与超声常规相控阵探头反射目标4结构的设计理论数学数模对齐。当测量结束后，将高级涡流、超声相控阵主机系统5中的超声检测数据还原至被测工件3相应的三维数模下，在处理系统工作站6中，通过缺陷识别技术完成基于被测工件3三维理论数模的无损检测数据三维可视化工作，从而进一步提升复杂曲面结构件的超声无损检测的可视化程度。

实施例1

如图1所示，单目视觉三维超声无损检测系统，包括相机支架1、ccd高速摄像机2、曲面/平面被测工件3、超声常规相控阵探头反射目标4、高级涡流、超声相控阵主机系统5、处理系统工作站6。其中，ccd高速摄像机2通过螺纹连接固定在相机支架1上且ccd高速摄像机2与处理系统工作站6通过数据线连接，ccd高速摄像机2实时获取超声常规相控阵探头反射目标4与曲面/平面被测工件3之间的位置关系，将检测结果传输至工作站中；高级涡流、超声相控阵主机系统5和超声常规相控阵探头反射目标4通过数据传输线连接，实时显示超声检测结果；高级涡流、超声相控阵主机系统5通过网线与处理系统工作站6连接，实现实时传输数据的功能，将检测到的位置信息一一对应至工件结构的设计理论数模下；在测量完成后，在超声检测结果中，选择检测质量较好受人工、环境影响较小的检测图像结果一一还原至工件的理论三维数模下，进行数据拼接，实现基于工件数模的超声无损检测数据三维可视化。

如图3、图4所示，所述超声常规相控阵探头反射目标4由超高亮度发光二极管式光笔8、常规探头光笔连接架9、超声64晶片常规相控阵无损检测探头10、超声探头楔块11、一号位置编码器12组成，其中，超高亮度发光二极管式光笔8由超高亮度发光二极管13与发光二极管式空间光笔板14装配组成。超高亮度发光二极管式光笔8通过螺钉固定在常规探头光笔连接架9一端，常规探头光笔连接架9另一端与超声探头楔块11连接固定，超声64晶片常规相控阵无损检测探头10在常规探头光笔连接架9和超声探头楔块11的预紧力下固定。此外，为了能初步获得超声检测图像结果，在超声探头楔块11的侧面设计螺纹孔，将一号位置编码器12安装在超声探头楔块11的侧面，实现二维超声检测成像。

本实施例以奥林巴斯多晶片常规探头为例描述单目视觉三维超声无损检测系统的检测方法，其具体检测步骤如下：

步骤一：将ccd高速摄像机2固定在相机支架1上，被测工件3尽量放置在ccd高速摄像机2的视场范围内；

步骤二：分别连接ccd高速摄像机2与处理系统工作站6；处理系统工作站6与高级涡流、超声相控阵主机系统5；以及高级涡流、超声相控阵主机系统5与超声常规相控阵探头反射目标4的电源线、网线和数据传输线；

步骤三：分别接通高级涡流、超声相控阵主机系统5和处理系统工作站6的电源，打开处理系统工作站中三维超声无损检测操作软件和主机系统的操作软件；

步骤四：进行超高亮度发光二极管式光笔8标定：将超高亮度发光二极管式光笔8连接探针，对被测工件3上的特征点进行检测，再通过特征点对齐至被测工件的理论数模下；

步骤五：将超声常规相控阵探头反射目标4按照图3示意图安装固定好；由ccd高速摄像机2测得超高亮度发光二极管式光笔8上的目标反射点，进而确定超声64晶片常规相控阵无损检测探头10测量被测工件3的准确位置信息；

步骤六：手持超声常规相控阵探头反射目标4在被测工件3上进行扫查测量测试和路径预设，尽量保证在测量路径中超高亮度发光二极管式光笔8内目标反射点能被ccd高速摄像机接收，确保手持超声常规相控阵探头反射目标4在ccd高速摄像机2内的可见度达到98％；

步骤七：按照预设路径对曲面被测工件3进行扫查测量，检测结果通过处理系统工作站6和高级涡流、超声相控阵主机系统5的传输线上传至三维超声无损检测操作软件中，同时，ccd高速摄像机2实时测量光笔和被测工件3之间的位置关系，并且传输至处理系统工作站6中；

步骤八：对于测量不理想的区域可以重复步骤七多次扫查测量；

步骤九：筛选无损检测数据中能明显显示被测工件3的质量问题的检测结果，其他检测结果留档备用；

步骤十：处理系统工作站6中的软件将无损检测结果还原至被测工件的理论数模下，将检测结果进行图像拼接，并且显示结果，实现基于三维理论数模的超声无损检测可视化。

实施例2

如图2所示，单目视觉三维超声无损检测系统，包括相机支架1、ccd高速摄像机2、曲面/平面被测工件3、高级涡流、超声相控阵主机系统5、处理系统工作站6、超声轮式相控阵探头反射目标7。其中，ccd高速摄像机2通过螺纹连接固定在相机支架1上；高级涡流、超声相控阵主机系统5和超声轮式相控阵探头反射目标7通过数据传输线连接，实时显示超声检测结果；高级涡流、超声相控阵主机系统5同时与处理系统工作站6通过数据线连接，将检测结果传输至工作站中。

如图5所示，所述超声轮式相控阵探头反射目标7由高反射目标标识点式光笔15、激光导向装置16、步进点击器按钮17、轮式探头手柄18、二号位置编码器19、编码器连接轮20、透明轮胎材料滚轮21和轮式探头光笔连接架22组成，其中，高反射目标标识点式光笔15由高反射目标标识点23与高反射目标标识点式平面光笔板24装配组成。激光导向装置16和步进点击器按钮17均设置在轮式探头手柄18前端，高反射目标标识点式光笔15与轮式探头手柄18通过轮式探头光笔连接架22连接固定。其中，轮式探头光笔连接架22细节图如图7所示，轮式探头光笔连接架22上下顶面分别设有对应的功能孔25和结构孔27，轮式探头光笔连接架22侧匡上设有固定螺纹孔，固定螺纹孔26用于固定高反射目标标识点式光笔15和轮式探头手柄18，激光导向装置16穿过轮式探头光笔连接架22中的功能孔25和结构孔27，指导测量人员保证直线测量路径。此外，步进点击器按钮17是控制测量过程中的开始测量与停止测量。透明轮胎材料滚轮21及编码器连接轮20均固定在支承架上，支承架与轮式探头手柄18连接，位置编码器19与编码器连接轮20接触，保证编码器连接轮20与被测工件3紧密接触，此时检测结果可以初步成像，透明轮胎材料滚轮21中有超声测量晶片和耦合剂水，在测量过程中，透明轮胎材料滚轮21与被测工件3接触。

本实施例以奥林巴斯多晶片轮式探头为例描述单目视觉三维超声无损检测方法，其具体检测步骤与实施例1相同，仅在步骤5中将超声轮式相控阵探头反射目标7按照图5示意图安装固定。