智能超聲無損檢測技術（簡體書）

本書圍繞國家高端裝備發展需求，以智能超聲無損檢測技術為主題，將多種無損檢測物理原理和技術與機械手多維空間控制原理和技術結合起來，形成獨具特色的智能超聲無損檢測技術。本書內容深度融合了物理、材料、機械、電子、測量、信息、計算機、自動控制等多個學科的知識，凝練形成了本碩博貫通培養的多學科交叉知識體系。
本書融合了編著者的科研和教學成果，將無損檢測基礎理論、概念、原理和方法與國家航空航天、船舶、軌道交通等高端裝備的智能製造結合起來，構建了結合常規無損檢測方法與新興機械手智能檢測等技術的系統，以及完備的基礎知識和實踐能力培養體系，既完整呈現了智能檢測的基本原理脈絡，又動態反映了工程技術前沿和典型應用進展，細節豐富，結構清晰。
本書既可作為普通高等院校相關專業的教材，也可作為相關工程技術人員的學習參考讀物。

前言
第1章　緒論 1
1.1　機械手無損檢測技術背景 2
1.1.1　複雜構件自動無損檢測方法背景 3
1.1.2　機械手無損檢測技術發展趨勢 3
1.2　機械手基礎 5
1.2.1　機械手的類型與結構 5
1.2.2　機械手的工作模式 6
1.3　坐標系及歐拉角數學關係 7
1.3.1　機械手坐標系定義 7
1.3.2　位姿與坐標系關係 9
1.3.3　四元數與坐標變換 11
參考文獻 14
第2章　聲波導超聲檢測方法 16
2.1　波動方程及平面波解 16
2.1.1　理想流體媒質聲波動方程 16
2.1.2　平面波與波動方程的解 22
2.2　界面處超聲波反射與透射 23
2.3　聲波導管的聲場分析 28
2.4　聲波導管的聲場測量 37
參考文獻 38
第3章　自由曲面掃查軌跡規劃方法 40
3.1　多坐標系映射關係 40
3.1.1　平移、旋轉和變換算子 40
3.1.2　等效旋轉與四元數算式 42
3.2　基於NURBS（非均勻有理B樣條）的曲面分割與重構 43
3.2.1　參數樣條曲線與曲面分割方法 43
3.2.2　非均勻有理B樣條曲線的掃掠 44
3.2.3　微分方程構造曲面及插值算法 45
3.3　基於CAD/CAM的曲面掃查軌跡算法 48
3.3.1　自由曲面離散點數據生成 48
3.3.2　超聲檢測原理約束下的坐標變換 51
3.4　掃查軌跡光順性判別與數據離散處理 53
3.4.1　曲面數據小波處理方法 53
3.4.2　曲面光順性處理及判別 54
參考文獻 58
第4章　單機械手檢測技術 60
4.1　單機械手檢測系統構成 60
4.1.1　檢測系統工作流程 60
4.1.2　設備構成原則 61
4.2　掃查軌跡規劃 66
4.2.1　超聲/電磁檢測參數 66
4.2.2　軌跡規劃參數 72
4.3　裝配誤差校準與找正 73
4.3.1　坐標系找正方法 74
4.3.2　基於超聲A掃描信號的找正方法 76
4.3.3　誤差補償策略及高斯-賽德爾迭代 77
4.3.4　定位誤差補償 79
4.4　機械手位姿控制與補償 80
4.4.1　運動學分析 80
4.4.2　執行器定位誤差與補償策略 85
4.4.3　關節位姿反饋方法 88
4.5　位置與超聲信號同步方法 90
參考文獻 93
第5章　雙機械手檢測技術 95
5.1　超聲透射檢測的基本原理 95
5.1.1　超聲反射法與超聲透射法基本原理 95
5.1.2　曲面工件的反射法與超聲透射法基本原理 96
5.2　雙機械手檢測系統構成 97
5.2.1　雙機械手檢測系統硬件構成 98
5.2.2　雙機械手檢測系統上位機軟件 102
5.2.3　雙機械手檢測系統下位機軟件 105
5.3　雙機械手基坐標系映射關係 107
5.3.1　基坐標系變換關係求取 107
5.3.2　旋轉矩陣正交標準化 112
5.3.3　雙機械手基坐標系變換關係實驗 116
5.3.4　變換關係式誤差分析 118
5.4　雙機械手檢測過程中的運動約束 121
5.4.1　等壁厚工件檢測中雙機械手末端的位姿約束 122
5.4.2　變壁厚工件檢測中雙機械手末端的位姿約束 125
參考文獻 128
第6章　機械手無損檢測誤差分析 129
6.1　機械手檢測過程的運動學分析 129
6.1.1　運動裝置中建立坐標系 129
6.1.2　坐標系位姿關係的矩陣表示 129
6.1.3　機械手與轉檯的協調運動關係 131
6.1.4　協調運動關係的矩陣表示 132
6.2　檢測過程的運動路徑規劃 133
6.2.1　檢測路徑生成算法 133
6.2.2　機械手運動路徑解算 134
6.3　機械手超聲檢測過程的誤差源 137
6.3.1　路徑仿形的幾何誤差 138
6.3.2　機械手運動的定位誤差 139
6.3.3　被測構件的裝夾誤差 139
參考文獻 140
第7章　多維超聲檢測誤差與修正 142
7.1　超聲傳播模型 142
7.1.1　理想流體介質中聲壓的波動 143
7.1.2　描述聲壓幅值的表達式 144
7.1.3　多高斯聲束的疊加 145
7.1.4　曲面對超聲傳播的影響 147
7.2　基於法向量角的三維點雲匹配算法 149
7.2.1　三維點雲的匹配特徵 149
7.2.2　曲面法向量的計算 150
7.2.3　曲面邊界點的識別與剔除 150
7.2.4　三維點雲空間位姿偏差的計算 151
7.3　三維點雲採集與安裝偏差修正實驗 152
7.3.1　三維點雲的匹配步驟 153
7.3.2　位姿偏差修正算法的仿真驗證 154
7.3.3　曲面構件偏差修正的實驗與檢測驗證 155
參考文獻 157
第8章　機械手超聲檢測運動誤差與補償 158
8.1　機械手超聲檢測誤差三維空間分佈模型 158
8.1.1　機械手定位誤差模型 158
8.1.2　距離誤差與運動參數誤差間的關係 160
8.1.3　誤差的三維空間分佈 162
8.2　機械手超聲檢測誤差的反饋補償模型 164
8.2.1　誤差的反饋補償原理 164
8.2.2　運動參數誤差計算 165
8.2.3　運動參數誤差反饋補償步驟 166
8.3　雙半球校準試塊的設計與應用 167
8.3.1　雙半球校準試塊的設計 167
8.3.2　雙半球檢驗誤差對超聲檢測系統的補償方法 168
8.3.3　校準試塊在運動參數誤差補償中的應用 170
參考文獻 174
第9章　半封閉構件雙機械手超聲檢測方法 176
9.1　半封閉曲面複材構件超聲自動檢測面臨的問題 176
9.2　半封閉構件雙機械手超聲檢測軌跡規劃方法 177
9.2.1　雙機械手中的坐標系及其關係確定方法 177
9.2.2　半封閉構件超聲檢測X-軸約束軌跡規劃方法 180
9.2.3　X-軸約束軌跡規劃法實驗驗證 184
9.3　異形延長杆工具振動特性分析與優化 186
9.3.1　異形延長杆工具靜態特性校核 186
9.3.2　改進S型曲線加速度控制算法 189
9.3.3　基於改進S型曲線加速度控制的軌跡插補實現 195
參考文獻 196
第10章　機械手異形工具坐標系標定方法 198
10.1　工具參數的表示方法 198
10.2　工具坐標系四姿態標定方法 199
10.2.1　異形工具末端中心點位置標定 199
10.2.2　異形工具末端中心點姿態標定 202
10.3　工具坐標系四姿態標定誤差修正 202
10.4　工具坐標系四姿態標定實驗 209
10.4.1　異形頂尖工具TCF標定實驗 209
10.4.2　異形頂尖工具TCF標定結果驗證實驗 210
10.5　異形延長杆工具坐標系四姿態標定實驗 211
參考文獻 211
第11章　機械手射線檢測技術 213
11.1　射線CT檢測基本原理 213
11.1.1　X射線的衰減理論 213
11.1.2　工業CT成像數理基礎 214
11.2　機械手射線CT檢測系統構成 216
11.3　射線X射線投影數據采集、顯示及其校正 217
11.3.1　平板探測器原理及其工作模式 217
11.3.2　X射線圖像採集及實時顯示軟件實現 219
11.3.3　X射線投影圖像質量影響因素分析 222
11.4　射線檢測數據與機械手姿態位置關係的協同控制 225
11.4.1　協同控制方案設計 225
11.4.2　機械手運動控制下位機程序設計方法 227
11.4.3　上下位機通信與控制方式 228
11.4.4　協同控制軟件實現方法 230
11.5　空心複雜構件檢測應用實例 233
參考文獻 236
第12章　機械手電磁渦流檢測技術 238
12.1　電磁渦流檢測基本原理 238
12.1.1　電磁渦流檢測的特點 238
12.1.2　電磁渦流檢測原理 239
12.1.3　渦流及其趨膚效應 240
12.1.4　阻抗分析法 241
12.1.5　電磁渦流檢測裝置 246
12.2　機械手電磁渦流檢測系統構成 247
12.2.1　硬件構成 247
12.2.2　軟件構成 249
12.3　機械手電磁渦流檢測成像方法 250
12.3.1　渦流信號的顯示方法 251
12.3.2　渦流C掃描成像方法 252
參考文獻 254
第13章　雙機械手無損檢測技術典型應用 255
13.1　雙機械手無損檢測系統配置方法 255
13.1.1　大型構件無損檢測方法：同步運動雙機械手超聲檢測模式 255
13.1.2　小型複雜構件無損檢測方法：協同運動雙機械手超聲檢測模式 256
13.2　雙機械手超聲透射檢測應用實例 257
13.2.1　大直徑半封閉回轉體構件超聲C掃描檢測 257
13.2.2　小直徑半封閉回轉體構件超聲C掃描檢測 258
13.2.3　矩形半封閉箱體構件超聲C掃描檢測 259
13.2.4　聲波導管超聲檢測實驗 260
參考文獻 261