本发明属于金属塑性成形工艺及检测领域，更具体地，涉及一种对多沟槽型面板材成形缺陷的检测方法及检测系统。
背景技术
板式换热器作为一种结构紧凑、性能高效的热能传递设备，常用于不同温度间发生热接触的两种流体间的热传递过程。结构上主要是由一组具有一定波纹形状和四个角孔的金属板片叠装而成，在这其中，波纹板作为核心部件，板片间流通着两种不同温度、不同压力的液体，其工作特性和疲劳寿命将直接由板片的成形质量决定。板式换热器制造时对每一板片的成形质量，如表面质量、板片厚度减薄量等均具有严格要求。目前没有一种自动检测方法及装置可以实现无损检测，多采用人工抽检方式实现。
目前企业针对板式换热器波纹板片的抽检方法主要有：渗透检测法，借助于专用的渗透染料和显影剂溶液来实现缺陷检测；紫外检测法，通过采用紫外灯对喷涂的渗透染料进行检查，找到波纹板的缺陷；实验打压法，在安装成换热器后，通入具有一定压力的液体进行压力实验，检测组装的板片是否有缺陷。而从实际检测结果来看，上述三种方法主要适用于诸如穿孔、裂纹或较小的裂缝等明显缺陷的检测，且使用此类方法存在检测效率低、成本较高的缺点，且对操作人员及环境都会带来一定的伤害。而现阶段工业质量检测领域所采用的接触式测量方法，如传统三坐标测量仪(接触式)是测量和获得高精度尺寸数据的最有效方法之一，但由于多数情况下仍然采用接触测头以逐点进出方式进行测量，因而存在速度慢、型面某些位置无法接触测量；而对于一些非接触式方法：如依据脉冲反射设计的超声波测量法、通过线圈中的阻抗变化量来实施检测的涡流检测法及利用射线穿透被测物体之后的强度变化来获取物体厚度值的射线测量法，则常用于常规几何形状的物体尺寸检测，但由于测量设备的复杂性及检测环境等的相关限制，因而在工业生产线上应用较少；另外，作为现代新兴的机器视觉检测法，其原理是通过将目标特性经由图像处理系统转化为数字信号来实现测量，虽然该方法能实现对缺陷分布进行定性分析，但对于一些诸如减薄不均等缺陷的存在则无法定量获悉，且该方法的设备成本较高。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种对多沟槽型面板材成形缺陷的检测方法及检测系统，通过提供的检测系统，使得在板片上、下两侧对称位置设置一组激光位移传感器扫描测量获取待测板片上、下表面三维形貌数据信息，并通过后期的算法处理，得到板材的法向厚度，超出减薄偏差范围的，则视为缺陷点。通过该方法实现了对多沟槽型面板片缺陷的自动化快速检测，具备效率高，检测结果可靠性强等优点，由此解决无法定量获悉板材厚度的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种对多沟槽型面板材成形缺陷的检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)将待检测板材划分为多个横截面，每个横截面作为一个待检测面，采用所述测量装置扫描每个待检测面的上下表面，由此获得所有待检测面的上下表面上各个扫描点的坐标；
(b)根据每个待检测面的上下表面上各个扫描点的坐标计算该待检测面各个扫描点处的法向厚度，将各个扫描点处的法向厚度与待检测板材的标准厚度比较，小于预设偏差范围内的为合格，否则为缺陷所在处。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述计算各个扫描点的法向厚度的具体过程如下：
(b1)对于所述每个待检测面的上下表面上所有的扫描点，根据每个扫描点的坐标计算每个扫描点的曲率，然后计算每个扫描点的所述曲率与预设最大曲率阈值的差值的绝对值，当该绝对值小于预设曲率变化阈值时，该扫描点为间断点；
(b2)将相邻的间断点之间的所有扫描点拟合为曲线，以此获得待检测面的上下表面各自对应的曲线，计算每个扫描点沿其自身的法向方向到上或者下表面的距离即法向厚度，由此获得所有扫描点的法向厚度。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述扫描每个待检测面上下表面，由此获得所有待检测面上下表面上各个扫描点的坐标，具体按照下列步骤进行：
(a1)建立以待检测板材为xoy平面，所述待检测面的方向为y轴方向，垂直于待检测板材所在平面的方向为z轴方向，
(a2)针对一个待检测面，记录该待检测面的当前x轴坐标，沿y轴正方向扫描该待检测面的上下表面，以此获得该待检测面上下表面上所有扫描点的坐标；
(a3)重复步骤(a2)，直至完成所有待检测面的扫描，由此获得所有待检测面上下表面上各个扫描点的坐标。
进一步优选地，在步骤(b)之前，还需将所述上下表面对应位置处各个扫描点的z轴坐标进行比较，若上表面上的扫描点ptij(xi,yj,ztij)的z轴坐标小于等于下表面上的扫描点puij(xi,yj,zuij)的z轴坐标，则将扫描点ptij(xi,yj,ztij)和puij(xi,yj,zuij)为穿孔点，将该穿孔点从所有扫描点中删除。
进一步优选地，在步骤(b1)中，计算每个扫描点的曲率优选采用下列方法，选取与该扫描点ptij(xi,yj,ztij)相邻的两个扫描点pti(j-1)(xi,yj-1,zti(j-1))和pti(j+1)(xi,yj-1,zti(j+1))，按照下列表达式计算该扫描点的曲率rtij，
式中，k1和k2是中间变量，xi是ptij、pti(j-1)和pti(j+1)的横坐标，yj、yj-1和yj+1分别是ptij、pti(j-1)和pti(j+1)的纵坐标，ztij、zti(j-1)和zti(j+1)分别是ptij、pti(j-1)和pti(j+1)的z轴坐标。
进一步优选地，在步骤(b2)中，所述将相邻的间断点之间的所有扫描点拟合为曲线所采用的方法，优选采用最小二乘法。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述所述的检测方法的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括数据采集模块、逻辑运动控制模块、数据处理模块和实时显示模块，其中：
所述数据采集模块包括工作台和c型支架，所述工作台用于放置待检测板材，所述c型支架包括上支架，下支架和传感器，所述工作台设置在所述上下支架之间，该上下支架上均设置有传感器，分别用于扫描待检测板材的上下表面，并以此获得每个待检测面的上下表面各个扫描点的坐标；
所述逻辑运动控制模块与所述数据采集模块相连，用于驱动所述传感器沿该上下支架上各自设置的水平导轨运动，并使得所述传感器测量每个待检测面时的开始和结束位置均位于待检测板材的外侧；
所述数据处理模块与所述数据采集模块相连，用于将获得的每个待检测面的上下表面各个扫描点的坐标进行处理，以此获得每个扫描点到相应的上或者下表面的法向厚度，并通过各个扫描点对应的法向厚度绘制待检测板材的厚度减薄量分布图，同时将各个扫描点的法向厚度与待检测板材的标准厚度进行比较；
所述实时显示模块与所述数据处理模块相连，用于显示所述数据处理模块处理的结果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的装置结构简单，采用非接触式激光测量原理，测量时不受待测板片表面形状的影响，提高了测量效率，同时通过在测量装置中设计采用同步带结构，实现了对板片两侧激光位移传感器采集运动的同步控制，提高了上、下激光位移传感器所采集的数据的对中性；
2、本发明通过自动化在线分析得到多沟槽型面板材上各点处的法向厚度值，而后采用法向厚度变化来表征多沟槽板材冲压成形后的弯曲减薄分布，有效解决了传统测量方法对复杂板材沟槽弯曲部位的减薄量难以实施检测的难题，同时也直观的表征了各点处是否存在质量缺陷的情况(穿孔、开裂、及减薄不均等)；
3、本发明通过采用激光位移传感器结合算法处理实施缺陷检测，实现了复杂型面板材成形缺陷的自动化检测，提高了检测效率和检测结果的可靠性。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量方法的流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量装置的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的待检测板材的结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的待检测面上下表面的扫描点示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的计算法向厚度的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-机架2，4-伺服电机3，8和11-丝杆导轨5-c型支架6-同步带7-工作台9,10-激光位移传感器12-待检测面上下表面曲线
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
检测系统包括逻辑运动控制模块、数据采集模块、数据处理模块，实时显示模块，其中：
逻辑运动控制模块控制激光位移传感器扫描测量开始与结束的位置均处于待测板片的外侧，使得传感器扫描测头在扫描截面的有效区域内的运行是平稳状态且板片在测量系统中的相对位置由激光位移传感器的测量值来确定；
数据采集模块由一组激光位移传感器组成，并通过滑块安装于c型架内侧的丝杆导轨上；待测板片处于c型架喉隙处，上、下传感器在竖直(z轴)方向上的安装需满足二者光斑重合的要求，且在y轴方向的同步采样运动由同步带来保证；
数据采集是通过激光位移传感器在y轴方向上往返运动实现的，即首先激光位移传感器沿y轴方向完成单次板片上、下截面数据采集；然后c型架沿x轴方向移动一定的间隔之后，传感器折回继续扫描测量下一截面；如此通过x、y轴方向的间歇运动，扫描获取到整个待测板片的上、下表面三维形貌数据点；
数据处理模块主要是对所采集的数据点加以分析，得到检测结果，图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量方法的流程图，如图1所示，数据处理模块的实现步骤如下：
1)首先对采集得到的数据点进行缺陷预判断，即对待测板片某一位置处的上、下z坐标进行预处理，当z上≤z下时，则该处出现破裂或穿孔缺陷；
2)对采集得到的数据点分截面处理：
a求解板片某一截面上、下截面中每一个数据点的曲率，并与预设曲率阈值比较，得到间断点位置，间断点将上下表面的曲线分为多段；
b采用算法处理，例如最小二乘法，分别对上、下表面各分段区间内的数据点进行拟合处理，进而求解得到上、下表面每一点处的法向厚度；
c根据计算结果超出减薄偏差范围的数据点，则该处出现厚度减薄超差缺陷；
3)最后将检测结果通过上位机实时显示模块在线显示待测板片减薄分布图。
检测设备还包括用于人机交互的操作装置和显示装置。
本发明通过在待测板片外侧完成激光位移传感器运动的启停，并借助于传感器测量值来确定待测板片在测量系统中的相对位置，有效解决了对多次测量所得数据点的坐标系统一问题；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的待检测板材的结构示意图，如图3所示，通过待测板片的三维轮廓拟合重建及检测结果的实时显示，实现测量过程的高效实时直观性，有效的节省了人力物力。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量装置的结构示意图，如图2所示，工作台7置于c型架5喉隙处，待测板片置于其上；测量开始之前，对激光位移传感器9、10实施标定校准即将上、下传感器保持光斑重合性，确保其在z轴方向上满足同轴度的要求；激光位移传感器9、10在伺服电机4的驱动、同步带6及c型架5内侧上、下的丝杆的带动下，实施扫描。在该过程中，两个传感器9、10始终保持同步运行状态，且将测量所得的数据点同步存储于传感器控制器中；而后c型架5在x轴正方向上完成单次等间隔进给运动，之后激光位移传感器9、10折回重复进行下一横截面扫描采样工作。如此通过x、y轴的运动，完成整个待测板片的扫描测量工作；
当激光位移传感器9、10完成单次板片截面的采样工作后，此时，上位机pc端将传感器9、10所对应的x轴、y轴的位置信息同测量得到的z轴方向上的位移信息，整合转化为相应的空间三维坐标点格式；
对上述步骤中得到的单个截面信息数据点的坐标信息进行处理。首先对数据点进行预判，依据ptij与puij中z坐标的关系，初步判断该点是否为合格点，如果ztij≤zuij则为穿孔；进而求解每一个采样点的曲率值；根据待测板片形状特性设置曲率极限值rmax及变化阈值△r，并以此作为判据来寻找间断点；而后采用算法处理对相邻间断点区间内的数据点进行拟合，最终得到整个板片上、下横截面曲线函数信息；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的待检测面上下表面的扫描点示意图，如图4所示，图中的三角形表示间断点，上下表面的曲线被间断点分为多个部分，将相邻间断点之间的点拟合为曲线后，分别获得上下表面各自对应的曲线，由上、下表面中各分段区间曲线函数信息，通过几何算法处理，得到上、下型面中所有采样点的法向厚度值即厚度减薄量；
将上一步骤中所求解得到的待测板片每一点处的法向厚度值，同系统预设的减薄偏差hmax、hmin进行比较，处于预设标准值范围内的则为合格点；反之，则视为缺陷点；并将检测结果实时显示于上位机pc端。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的计算法向厚度的结构示意图，如图5所示，数据处理模块的具体实现步骤如下：
(1)首先对激光位移传感器上、下测头采集得到的位移信息实施转化为坐标信息，并与测头在xoy平面采集得到有效点时的位置信息一一对应，选取下传感器安装位置即图中虚线所示作为z轴基准线，待测板片边缘作为x、y轴基准线。则有：ztij＝l-atij,zuij＝buij；而在x轴方向上c型架由于是等间隔移动，则有：xi＝i×移动间隔；在y轴方向上测头的位置则由测头移动速度与采样频率共同决定，则有：yj＝移动速度×采样时间。三者一一对应，得到整个板片的上、下表面三维数据信息ptij(xi,yj,ztij)、puij(xi,yj,zuij)；
(2)对采集得到的数据点进行缺陷预判断，即对待测板片某一位置处的上、下z坐标进行比较，即：当ztij≤zuij时，则该处出现破裂或穿孔缺陷，删除并记录该穿孔点的位置信息，记录该穿孔点的位置便于实现缺陷的精准定位，以便后期复查；
(3)将采集得到的数据点分截面处理，由于在单一截面上的维度xi相同，因而在处理某一截面上的数据点时，可将空间三维问题转化为平面二维来处理，具体求解步骤如下但并不仅仅限于该方法：
(31)求解板片某一截面上或下截面中每一个数据点的曲率rtij或ruij，在本实施例中，选取计算上截面数据点的曲率，方法如下：
其中：(yj-1,zti(j-1))、(yj,ztij)、(yj+1,zti(j+1))分别为截面上连续的三个点的坐标；并且有：
设定曲率变化阈值△r，寻找间断点，即将计算得到的曲率值同预设曲率极值rmax比较，判断是否满足|rtij-rmax|≤δr，不满足，则视该点为间断点，以此来找寻上截面间断点位置如图4所示的三角形标志点，圆点表示采集点中的非间断点，下截面间断点位置同上截面；
(32)采用算法处理，例如最小二乘法，分别对上、下截面相邻间断点区间内的数据点实施多项式拟合处理，求解各分段区间近似表达式，进而求解得到上、下表面各点处的法向厚度。具体实施步骤如下：
假定上截面第k段子区间内数据点为ptij_k(xi,yj_l,ztij_l)其中k＝1,2,…,n；l＝1,2,…,m，n代表分段数，m代表分段子区间内数据点个数,在满足间断点处连续性的约束条件下，采用最小二乘法近似拟合曲线：
(33)针对上截面分段子区间内每一数据点求解切矢，即
以上截面子区间
由上截面数据点ptij_k(xi,yj_l,ztij_l)及其求解得到的相应的交点pl(xi,y,z)，由两点间距离公式：
将计算结果同标准减薄板厚作比较，处于偏差范围(hmin～hmax)内的数据点，则该处减薄合格；反之，则判定为厚度减薄超差缺陷；
本发明中结合激光三角测距法来实施自动化在线检测，其检测过程主要分为以下几步：通过上、下激光位移传感器对板片截面进行扫描，获取其截面三维数据信息；然后对数据点进行分段拟合处理，最后得到上、下型面每一个采样点的法向厚度值；最后，通过与标准偏差比较，厚度超出允许减薄偏差，则视作厚度减薄超差缺陷，以此来实现多沟槽型面板片成形缺陷检测。本发明不仅对板材的一些缺陷如穿孔、破裂、成形壁厚超差等实现了有效检测，且对板片的整体的减薄分布有了整体的掌控，可以有效降低后期板材疲劳失效出现概率,进一步提升板材的使用性能。总之，本发明实现了对复杂自由曲面板材缺陷的快速检测，具备效率高、适应性强、检测结果精度高等优点，本发明尤其适用于多沟槽型面板材成形缺陷检测。
现有的无损检测技术从待测板材规格和形貌、检测环境、精度及检测设备等角度考虑均不适合用于多沟槽型面板材的成形缺陷检测[现有的检测技术，诸如：三坐标测量仪(采用接触式测头，则在测量过程中，存在扫描路径难以规划及测量速度慢等缺陷，这直接某些位置无法进行测量及无法实现相应的密集采样检测)、超声波法(易受现场环境噪声影响，因而精度无法得到保证)、射线检测法(如x射线，则存在射线光斑过大，因而采样精度无法满足测量要求)、机器视觉法(测量精度不高，对扫描设备要求较高，直接导致检测成本的上涨，此外也难以准确得到板材成形减薄分布情况)等。本实例中采用激光位移传感器实现复杂板材三维形貌的数据点的采集，基于激光光学的非接触式特性，可以实现非破坏性测量采样，且不受被测板材材料表面特性、形貌等的影响，易实现快速、高精度采样；而通过算法在线辅助分析截面数据，可以实时得到板材冲压成形后的减薄分布情况，而后同标准的减薄量对比，得到缺陷所在位置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。