权利要求

1.一种多元X射线检测仪自动标定系统，包括箱体(1)、压电陶瓷振动补偿模块、Y轴驱动装置、X轴驱动装置、探测仪驱动装置、连接臂(10)、X射线探测仪(9)、真空吸附系统(11)、辐射检测仪(12)及触控显示板(13)，其特征在于：所述箱体(1)内嵌压电陶瓷振动补偿模块且其上设有防护罩(2)，防护罩(2)中设有Y轴导轨(3)，所述Y轴驱动装置设于防护罩(2)上并用于驱动托板(4)沿Y轴导轨(3)移动，所述X轴驱动装置设于托板(4)上并用于驱动样品台(5)在托板(4)上的X轴导轨(6)移动，所述探测仪驱动装置设于防护罩(2)上并用于驱动防护罩(2)顶壁的探测仪导轨(7)上的探测仪移动块(8)沿探测仪导轨(7)移动，所述探测仪移动块(8)的底部通过连接臂(10)安装有X射线探测仪(9)，X射线探测仪(9)的底部设有若干X射线管(91)，所述防护罩(2)中还设有温度传感器、TOF传感器、位置传感器、应力传感器、真空吸附系统(11)及辐射检测仪(12)，真空吸附系统(11)的吸附端与样品台(5)连接，样品台(5)上还安装有压力传感器及压电式加速度计，所述防护罩(2)的外侧设有触控显示板(13)。

2.根据权利要求1所述的一种多元X射线检测仪自动标定系统，其特征在于：所述防护罩(2)包括外层铅合金壳体与内层聚酰亚胺电磁屏蔽层，防护罩(2)的前侧设有观察窗。

3.根据权利要求2所述的一种多元X射线检测仪自动标定系统，其特征在于：内层聚酰亚胺电磁屏蔽层的厚度为0.5-1.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种多元X射线检测仪自动标定系统，其特征在于：所述连接臂(10)可帮助X射线探测仪(9)在0°-180°范围内进行俯仰调节。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的多元X射线检测仪自动标定系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、系统初始化与环境校准：硬件进行自检，装置上电后，检测各组件状态，同时环境参数补偿温度传感器实时采集箱体(1)内部温度，若温差>±0.5℃，启动温控模块平衡温度;

S2、样品装载与模型导入：将待测工件放置于样品台(5)，启动真空吸附系统(11)进行吸附，通过压力传感器确认贴合度，若工件为不规则曲面，切换至磁性快拆夹具，适配凹槽或凸起结构，通过触控显示板(13)上传工件的图形模型，系统自动解析几何特征，算法生成标定点;

S3、多轴协同运动与路径规划：标定路径优化自适应算法根据工件几何特征，将标定点按“Z字形”或“螺旋形”路径排序，最小化空行程，若模型包含孔洞或薄弱区域，自动跳过无效检测点，避免碰撞风险，运动控制执行粗定位阶段及精定位阶段;

S4、X射线标定与数据采集：多波长自适应检测根据材料类型自动切换X射线波长，光源功率动态调节，避免过曝光或信号不足，实时数据反馈X射线探测仪(9)采集衍射信号，通过触控显示板(13)实时显示应力分布热图，并标注超差区域;

S5、误差补偿与闭环修正：通过卡尔曼滤波融合多源数据，进行补偿运动，自适应PID参数调整;

S6、标定结果输出与云端同步：报告生成，应力分布云图、最大/最小值统计，关键点数据表，环境参数记录。

6.根据权利要求5所述的一种多元X射线检测仪自动标定系统的工作方法，其特征在于：步骤S1中检查X轴驱动装置、Y轴驱动装置及探测仪驱动装置电机的状态，验证X射线探测仪(9)以及X射线管(91)光源稳定性，测试真空吸附系统(11)的气密性，若检测到异常，通过触控显示板(13)报警并提示维修项。

7.根据权利要求5所述的一种多元X射线检测仪自动标定系统的工作方法，其特征在于：步骤S3中运动控制执行粗定位阶段通过Y轴驱动装置驱动托板(4)沿Y轴导轨(3)快速移动至目标区域，移动速度500mm/s，X轴导轨(6)同步水平推进，覆盖工件全长，精定位阶段通过连接臂(10)调整X射线探测仪(9)的俯仰角度，使探针轴线与工件曲面法线对齐，X轴驱动装置可微调样品台(5)位置。

8.根据权利要求5所述的一种多元X射线检测仪自动标定系统的工作方法，其特征在于：步骤S5中卡尔曼滤波融合多源数据中输入：Y轴驱动装置及X轴驱动装置的电机编码器位置、温度传感器、振动频谱、X射线强度，输出：预测机械传动误差、探针角度偏移，动态修正：若探测仪法线方向偏差>0.2°，立即触发微调连接臂(10)角度，若定位误差累积>±0.01mm，暂停标定并启动X/Y轴反向补偿运动。

9.根据权利要求5所述的一种多元X射线检测仪自动标定系统的工作方法，其特征在于：步骤S5中自适应PID参数调整中根据实时误差e=目标位置-实际位置，动态更新控制参数公式如下:

Kp=Kpo·(1+ae);

Kd=Kdo/(1+β|e|);

其中:Kpo:基础比例，Kdo：微分系数，a和β:环境适应因子，通过历史数据训练获得，通过调整PID输出，将稳态误差收敛至±0.005mm以内。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及无损检测的技术领域，具体涉及一种多元X射线检测仪自动标定系统及其工作方法。

背景技术

[0002]现有X射线检测仪在标定过程中通常依赖人工调整探测仪位置，存在操作繁琐、精度低、重复性差等问题。尤其在复杂曲面或大尺寸样品检测时，难以快速实现多轴协同标定。此外，现有设备缺乏集成化的防护和自动化控制模块，易受环境干扰且效率低下。因此，亟需一种能够自动完成标定、支持多轴调节并具备高稳定性的装置。

发明内容

[0003]本发明的目的在于提供一种多元X射线检测仪自动标定系统及其工作方法，以克服现有技术中的上述缺陷。

[0004]一种多元X射线检测仪自动标定系统，包括箱体、压电陶瓷振动补偿模块、Y轴驱动装置、X轴驱动装置、探测仪驱动装置、连接臂、X射线探测仪、真空吸附系统、辐射检测仪及触控显示板，所述箱体内嵌压电陶瓷振动补偿模块且其上设有防护罩，防护罩中设有Y轴导轨，所述Y轴驱动装置设于防护罩上并用于驱动托板沿Y轴导轨移动，所述X轴驱动装置设于托板上并用于驱动样品台在托板上的X轴导轨移动，所述探测仪驱动装置设于防护罩上并用于驱动防护罩顶壁的探测仪导轨上的探测仪移动块沿探测仪导轨移动，所述探测仪移动块的底部通过连接臂安装有X射线探测仪，X射线探测仪的底部设有若干X射线管，所述防护罩中还设有温度传感器、TOF传感器、位置传感器、应力传感器、真空吸附系统及辐射检测仪，真空吸附系统的吸附端与样品台连接，样品台上还安装有压力传感器及压电式加速度计，所述防护罩的外侧设有触控显示板。

[0005]优选地，所述防护罩包括外层铅合金壳体与内层聚酰亚胺电磁屏蔽层，防护罩的前侧设有观察窗。

[0006]优选地，内层聚酰亚胺电磁屏蔽层的厚度为0.5-1.2mm。

[0007]优选地，所述连接臂可帮助X射线探测仪在0°-180°范围内进行俯仰调节。

[0008]上述的多元X射线检测仪自动标定系统的工作方法，包括以下步骤：

[0009]S1、系统初始化与环境校准：硬件进行自检，装置上电后，检测各组件状态，同时环境参数补偿温度传感器实时采集箱体内部温度，若温差>±0.5℃，启动温控模块平衡温度;

[0010]S2、样品装载与模型导入：将待测工件放置于样品台，启动真空吸附系统进行吸附，通过压力传感器确认贴合度，若工件为不规则曲面，切换至磁性快拆夹具，适配凹槽或凸起结构，通过触控显示板上传工件的图形模型，系统自动解析几何特征，算法生成标定点;

[0011]S3、多轴协同运动与路径规划：标定路径优化自适应算法根据工件几何特征，将标定点按“Z字形”或“螺旋形”路径排序，最小化空行程，若模型包含孔洞或薄弱区域，自动跳过无效检测点，避免碰撞风险，运动控制执行粗定位阶段及精定位阶段;

[0012]S4、X射线标定与数据采集：多波长自适应检测根据材料类型自动切换X射线波长，光源功率动态调节，避免过曝光或信号不足，实时数据反馈X射线探测仪采集衍射信号，通过触控显示板实时显示应力分布热图，并标注超差区域;

[0013]S5、误差补偿与闭环修正：通过卡尔曼滤波融合多源数据，进行补偿运动，自适应PID参数调整;

[0014]S6、标定结果输出与云端同步：报告生成，应力分布云图、最大/最小值统计，关键点数据表，环境参数记录。

[0015]优选地，步骤S1中检查X轴驱动装置、Y轴驱动装置及探测仪驱动装置电机的状态，验证X射线探测仪以及X射线管光源稳定性，测试真空吸附系统的气密性，若检测到异常，通过触控显示板报警并提示维修项。

[0016]优选地，步骤S3中运动控制执行粗定位阶段通过Y轴驱动装置驱动托板沿Y轴导轨快速移动至目标区域，移动速度500mm/s，X轴导轨同步水平推进，覆盖工件全长，精定位阶段通过连接臂调整X射线探测仪的俯仰角度，使探针轴线与工件曲面法线对齐，X轴驱动装置可微调样品台位置。

[0017]优选地，步骤S5中卡尔曼滤波融合多源数据中输入：Y轴驱动装置及X轴驱动装置的电机编码器位置、温度传感器、振动频谱、X射线强度，输出：预测机械传动误差、探针角度偏移，动态修正：若探测仪法线方向偏差>0.2°，立即触发微调连接臂角度，若定位误差累积>±0.01mm，暂停标定并启动X/Y轴反向补偿运动。

[0018]优选地，步骤S5中自适应PID参数调整中根据实时误差e=目标位置-实际位置，动态更新控制参数公式如下:

[0019]Kp=Kpo·(1+a|e|);

[0020]Kd=Kdo/(1+β|e|);

[0021]其中:Kpo:基础比例，Kdo：微分系数，a和β:环境适应因子，通过历史数据训练获得，通过调整PID输出，将稳态误差收敛至±0.005mm以内。

[0022]本发明所达到的有益效果为：

[0023]1、本申请的自适应路径规划算法：基于深度学习(CNN+RNN)分析样品三维模型，自动生成最优标定路径，减少冗余移动距离，标定时间缩短。支持动态避障功能，遇样品突起或孔洞时自动绕行，避免碰撞风险。卡尔曼滤波多源融合、传感器数据，实时补偿机械热膨胀及振动偏移。算法迭代周期短，确保高速运动下的实时纠偏能力。云端协同优化：标定数据上传至云端，通过大数据分析优化全局参数，持续提升系统性能。

[0024]2、本申请的连接臂的高精度适配：导轨动态适配，支持0°-180°连续俯仰调节，适配航空叶片(曲率半径150-300mm)、涡轮盘等复杂曲面。

附图说明

[0025]图1为本发明整体的结构示意图。

[0026]图中，1、箱体;2、防护罩;3、Y轴导轨;4、托板;5、样品台;6、X轴导轨;7、探测仪导轨;8、探测仪移动块;9、X射线探测仪;91、X射线管;10、连接臂;11、真空吸附系统;12、辐射检测仪;13、触控显示板。

具体实施方式

[0027]下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

[0028]如图1所示，本发明通过正交布置的X轴导轨6与Y轴导轨3构建二维运动平台，结合样品台5的微步驱动，实现X射线探测仪9与样品的全平面覆盖定位。

[0029]进一步设置为：触控显示板13内置路径规划算法：基于三维模型的检测点自动生成与运动轨迹优化;

[0030]三维模型解析与特征提取：

[0031]1、输入数据：导入工件的CAD模型(STEP或IGES格式)，包含几何拓扑、表面曲率及关键检测区域(如焊缝、孔位)。

[0032]2、曲率敏感度分析：使用微分几何算法(如高斯曲率计算)识别高曲率区域(如涡轮叶片前缘)，优先规划密集检测点。

[0033]3、关键点标记：基于边缘检测(Canny算法)与区域生长法(Region Growing)，标记应力集中区(如圆角过渡处)。

[0034]4、检测点生成：

[0035]自适应网格划分：采用非均匀网格算法(Non-Uniform Grid)，在高曲率区域网格密度提升至1mm×1mm，平坦区域降低至5mm×5mm。

[0036]路径优化目标：最小化总移动距离与时间，同时确保X射线探测仪9法线方向与表面垂直(角度误差≤0.01°)。

[0037]路径规划算法：

[0038]1、基于深度强化学习(DRL)的路径优化：

[0039]状态空间：包括检测点坐标、X射线探测仪9俯仰角、机械臂关节角度。

[0040]动作空间：X/Y轴移动速度、X射线探测仪9角度调整量。

[0041]2、奖励函数：

[0042]正奖励：减少路径长度、降低角度偏差;

[0043]负惩罚：碰撞风险、超出机械限位。

[0044]3、训练过程：通过虚拟仿真环境(如Gazebo)生成10万组随机模型，训练神经网络(PPO算法)优化策略。

[0045]动态避障功能：

[0046]实时点云处理：通过TOF传感器采集样品表面点云数据，与CAD模型比对，检测突起或凹陷。

[0047]RRT(快速扩展随机树)算法：在检测到障碍时，实时生成绕行路径，确保无碰撞运动。以及实时误差补偿算法：多传感器数据融合与动态修正。

[0048]实时误差补偿算法：

[0049](1)多传感器数据融合

[0050]温度传感器：用以监测并调节箱体温度使其温差稳定温差<±0.5℃,以维持检测环境的稳定;

[0051]位置传感器：实时反馈机械位置，实时监测托板4及探测仪移动块8的绝对位置，精度达±0.001mm;

[0052]应力传感器：X射线探测仪9通过分析衍射角偏移，计算样品表面及内部的残余应力值(精度±3MPa);

[0053]压电式加速度测量仪，用以测量样品台以及样品运行过程中的振动加速度;

[0054]X轴驱动装置及Y轴驱动装置的电机编码器：17位绝对值编码器，角度分辨率0.001°。

[0055]数据同步：通过硬件时间戳(PTP协议)确保多源数据时序对齐。

[0056](2)卡尔曼滤波(Kalman Filter)动态修正

[0057]状态方程:Xk=AXk-1+Buk+Wk;

[0058]其中:Xk：状态向量(位置、角度、温度漂移);

[0059]uk：控制输入(X轴驱动装置的电机，Y轴驱动装置的电机，探测仪驱动装置的电机驱动指令(包括转速，方向指令));

[0060]Wk：过程噪声(机械传动误差);

[0061]Xk-1：前一时刻的状态向量。

[0062]观测方程：

[0063]Zk=HXk+Vk;

[0064]其中:

[0065]H:观测矩阵，用于将状态向量XK映射到观测空间;

[0066]Zk：多种传感器观测值(包括位置，应力，温度);

[0067]Vk：观测噪声(位置，应力，温度传感器误差)。

[0068]实时修正流程：

[0069]1、预测：根据触控显示板13指令预测下一时刻状态;

[0070]2、更新：融合位置，应力，温度传感器数据，计算卡尔曼增益，修正预测误差;

[0071]3、输出：生成补偿指令(如X射线探测仪9角度偏移)。

[0072](3)自适应PID参数调整

[0073]根据实时误差e=目标位置-实际位置，动态更新控制参数公式:

[0074]Kp=Kpo·(1+a|e|);

[0075]Kd=Kdo/(1+β|e|);

[0076]其中:Kpo:基础比例，Kdo：微分系数，a和β:环境适应因子，通过历史数据训练获得，通过调整PID输出，将稳态误差收敛至±0.005mm以内。

[0077]防护罩2采用5mm铅合金外壳(辐定路径规划与实时误差补偿。射衰减率≥99%)+1mm聚酰亚胺电磁屏蔽层，前端设铅当量0.5mmPb的可视窗口。箱体1内嵌压电陶瓷振动补偿模块，响应频率0-200Hz，抵消外部振动干扰;传感器实时监测环境参数并触发主动调节。

[0078]X射线探测仪9集成钨靶(Kα=0.021nm)与钼靶(Kα=0.071nm)双光源，电磁驱动快门切换时间<0.1秒，波长稳定性误差<±0.015nm。样品台5表面设蜂窝状真空吸附孔阵列(孔径1mm，间距5mm)，吸附压力分级可调(-50kPa至-90kPa)，适配碳纤维、钛合金材料。

[0079]自动生成标定路径：1、模型格式支持：触控显示板13内置CAD解析引擎，支持主流三维模型格式(如STEP、IGES、STL)，自动提取以下关键几何特征：曲面曲率：计算局部曲率半径(R)，识别高曲率区域(如叶片边缘、焊接接头)。法线方向：基于网格顶点数据生成每个检测点的法向量(用于X射线探测仪9对准)。

[0080]2、根据模型特征动态选择最优路径模式：Z字形扫描：适用于平坦或低曲率表面，以固定间距(默认2mm)覆盖检测区域。螺旋形路径：针对圆形或回转体工件(如涡轮盘)，从中心向外螺旋扩展，减少空行程。分层检测：对多层结构(如复合材料叠层)，按深度分层生成路径(每层间隔0.5mm)。动态避障与优化：利用AABB(轴向包围盒)算法检测探针与工件的潜在干涉，自动跳过危险点或调整路径高度。

[0081]3、曲率驱动：高曲率区域(R<50mm)标定点密度加倍(间距1mm)，低曲率区域(R>200mm)放宽至3mm。应力权重：根据历史数据或仿真结果，对易产生残余应力的区域(如焊缝、孔洞)增加检测点密度。

[0082]4、运动参数匹配：速度分级：平坦区域采用高速移动(500mm/s)，复杂曲面降速至100mm/s以保证精度。角度预判：根据相邻检测点法线方向变化率，提前调整X射线探测仪9俯仰角度(预测误差<0.05°)。能量参数优化：X射线强度：基于材料厚度(模型解析)自动计算最佳电压/电流(如钛合金：50kV/10mA，碳纤维：30kV/5mA)。多波长切换：对多层材料，规划不同波长检测顺序(如先Kα射线扫描表层，再L系射线穿透深层)。

[0083]5、在线标定验证：每完成10个检测点，系统对比实测应力值与模型预测值，若偏差>10%，触发路径重规划。通过卡尔曼滤波器融合编码器位置、温度漂移数据，实时修正剩余路径点坐标(精度补偿±0.003mm)。

[0084]多轴协同运动控制：粗定位阶段：Y轴驱动装置驱动托板4沿Y轴导轨3快速移动至目标区域(速度500mm/s，误差±5μm)。X轴导轨6同步水平推进，覆盖工件全长(直线度误差<0.01mm/m)。精定位阶段：通过连接臂10调整X射线探测仪9的俯仰角度(0°-180°)，确保探针轴线与曲面法线对齐(角度误差<0.1°)。X轴驱动装置微调样品台5位置，最终定位精度达±0.005mm运动参数自适应。速度分级控制：平坦区域高速(500mm/s)，复杂曲面降速(100mm/s)。角度预判补偿：根据相邻点法线方向变化率，提前调整探针角度(预测误差<0.05°)。防护罩2内层聚酰亚胺屏蔽层(1mm)，隔离高频噪声。真空吸附系统11实时生成反向波形，抵消20-1000Hz振动。

[0085]工作原理及过程：

[0086]启动装置电源，通过触控显示板13触控界面加载系统控制程序，初始化X轴驱动装置的电机、Y轴驱动装置的电机、探测仪驱动装置的电机及各传感器模块。使用标准校准样品进行基准标定：将标准校准样品固定于样品台5表面，启动真空吸附系统11(设定压力-80kPa)，确保无位移。执行零点校准：X射线探测仪9沿探测仪导轨7归零(俯仰角0°)，样品台5在X轴驱动装置的电机、Y轴驱动装置的驱动下移至机械原点，将待测工件(如航空铝合金涡轮叶片)放置于样品台5，根据表面曲率选择吸附压力(-60kPa至-90kPa)，确保接触面贴合无翘曲。在触控显示板13导入工件的三维CAD模型，设置检测区域边界条件(如叶片榫槽、叶身区域)，系统基于自适应标定算法自动生成标定路径，规划X/Y轴移动轨迹及X射线探测仪9俯仰角度序列。选择X射线波长：通过多波长切换模块选择钼靶Kα射线(λ=0.071nm)，由于要匹配X射线波长与晶面间距所以要适配铝合金晶格衍射需求，并设定钼靶管x射线电压35kV、钼靶X射线管91电流20mA。启动自动标定模式：Y轴驱动装置驱动托板4沿Y轴导轨3移动至起始坐标(Y=0mm)，X轴驱动装置带动样品台5水平移动至首个检测点(X=10mm,Y=5mm)。通过连接臂10驱动X射线探测仪9沿探测仪移动块8调整至法线方向(θ=45°)，同步触发激光测距仪验证探测仪与样品表面距离(设定值50mm±0.1mm)。发射X射线并采集衍射信号：探测仪接收晶面衍射峰，通过能谱分析模块计算峰值偏移量，结合应力-应变模型(如sin2ψ法)反演残余应力值，数据实时传输至触控显示板13。动态误差补偿：箱体1内压电陶瓷振动补偿模块基于压电陶瓷驱动器(响应频率1kHz)抵消外部振动干扰，温度传感器反馈环境数据至卡尔曼滤波器，修正热膨胀导致的机械漂移。完成全区域标定后，系统自动生成应力分布云图及统计报告(包括均值、标准差及最大偏差)，并通过Wi-Fi模块上传至MES系统。重复性验证：对同一检测点进行三次标定，计算重复性误差(RSD≤0.8%)，若超限则触发报警并提示重新校准。关闭系统前，X射线探测仪9退回安全位，防护罩2闭合，辐射剂量检测仪确认环境剂量率≤0.5μSv/h。

[0087]以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

说明书附图(1)