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本书遵循教育部教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。
本书围绕国家高端装备发展需求，以智能超声无损检测技术为主题，将多种无损检测物理原理和技术与机械手多维空间控制原理和技术结合起来，形成独具特色的智能超声无损检测技术。本书内容深度融合了物理、材料、机械、电子、测量、信息、计算机、自动控制等多个学科的知识，凝练形成了本硕博贯通培养的多学科交叉知识体系。
本书融合了编著者的科研和教学成果，将无损检测基础理论、概念、原理和方法与国家航空航天、船舶、轨道交通等高端装备的智能制造结合起来，构建了结合常规无损检测方法与新兴机械手智能检测等技术的系统，以及完备的基础知识和实践能力培养体系，既完整呈现了智能检测的基本原理脉络，又动态反映了工程技术前沿和典型应用进展，细节丰富，结构清晰。
本书既可作为普通高等院校相关专业的教材，也可作为相关工程技术人员的学习参考读物。
前言
第1章 绪论 1
1.1 机械手无损检测技术背景 2
1.1.1 复杂构件自动无损检测方法背景 3
1.1.2 机械手无损检测技术发展趋势 3
1.2 机械手基础 5
1.2.1 机械手的类型与结构 5
1.2.2 机械手的工作模式 6
1.3 坐标系及欧拉角数学关系 7
1.3.1 机械手坐标系定义 7
1.3.2 位姿与坐标系关系 9
1.3.3 四元数与坐标变换 11
参考文献 14
第2章 声波导超声检测方法 16
2.1 波动方程及平面波解 16
2.1.1 理想流体媒质声波动方程 16
2.1.2 平面波与波动方程的解 22
2.2 界面处超声波反射与透射 23
2.3 声波导管的声场分析 28
2.4 声波导管的声场测量 37
参考文献 38
第3章 自由曲面扫查轨迹规划方法 40
3.1 多坐标系映射关系 40
3.1.1 平移、旋转和变换算子 40
3.1.2 等效旋转与四元数算式 42
3.2 基于NURBS（非均匀有理B样条）的曲面分割与重构 43
3.2.1 参数样条曲线与曲面分割方法 43
3.2.2 非均匀有理B样条曲线的扫掠 44
3.2.3 微分方程构造曲面及插值算法 45
3.3 基于CAD/CAM的曲面扫查轨迹算法 48
3.3.1 自由曲面离散点数据生成 48
3.3.2 超声检测原理约束下的坐标变换 51
3.4 扫查轨迹光顺性判别与数据离散处理 53
3.4.1 曲面数据小波处理方法 53
3.4.2 曲面光顺性处理及判别 54
参考文献 58
第4章 单机械手检测技术 60
4.1 单机械手检测系统构成 60
4.1.1 检测系统工作流程 60
4.1.2 设备构成原则 61
4.2 扫查轨迹规划 66
4.2.1 超声/电磁检测参数 66
4.2.2 轨迹规划参数 72
4.3 装配误差校准与找正 73
4.3.1 坐标系找正方法 74
4.3.2 基于超声A扫描信号的找正方法 76
4.3.3 误差补偿策略及高斯-赛德尔迭代 77
4.3.4 定位误差补偿 79
4.4 机械手位姿控制与补偿 80
4.4.1 运动学分析 80
4.4.2 执行器定位误差与补偿策略 85
4.4.3 关节位姿反馈方法 88
4.5 位置与超声信号同步方法 90
参考文献 93
第5章 双机械手检测技术 95
5.1 超声透射检测的基本原理 95
5.1.1 超声反射法与超声透射法基本原理 95
5.1.2 曲面工件的反射法与超声透射法基本原理 96
5.2 双机械手检测系统构成 97
5.2.1 双机械手检测系统硬件构成 98
5.2.2 双机械手检测系统上位机软件 102
5.2.3 双机械手检测系统下位机软件 105
5.3 双机械手基坐标系映射关系 107
5.3.1 基坐标系变换关系求取 107
5.3.2 旋转矩阵正交标准化 112
5.3.3 双机械手基坐标系变换关系实验 116
5.3.4 变换关系式误差分析 118
5.4 双机械手检测过程中的运动约束 121
5.4.1 等壁厚工件检测中双机械手末端的位姿约束 122
5.4.2 变壁厚工件检测中双机械手末端的位姿约束 125
参考文献 128
第6章 机械手无损检测误差分析 129
6.1 机械手检测过程的运动学分析 129
6.1.1 运动装置中建立坐标系 129
6.1.2 坐标系位姿关系的矩阵表示 129
6.1.3 机械手与转台的协调运动关系 131
6.1.4 协调运动关系的矩阵表示 132
6.2 检测过程的运动路径规划 133
6.2.1 检测路径生成算法 133
6.2.2 机械手运动路径解算 134
6.3 机械手超声检测过程的误差源 137
6.3.1 路径仿形的几何误差 138
6.3.2 机械手运动的定位误差 139
6.3.3 被测构件的装夹误差 139
参考文献 140
第7章 多维超声检测误差与修正 142
7.1 超声传播模型 142
7.1.1 理想流体介质中声压的波动 143
7.1.2 描述声压幅值的表达式 144
7.1.3 多高斯声束的叠加 145
7.1.4 曲面对超声传播的影响 147
7.2 基于法向量角的三维点云匹配算法 149
7.2.1 三维点云的匹配特征 149
7.2.2 曲面法向量的计算 150
7.2.3 曲面边界点的识别与剔除 150
7.2.4 三维点云空间位姿偏差的计算 151
7.3 三维点云采集与安装偏差修正实验 152
7.3.1 三维点云的匹配步骤 153
7.3.2 位姿偏差修正算法的仿真验证 154
7.3.3 曲面构件偏差修正的实验与检测验证 155
参考文献 157
第8章 机械手超声检测运动误差与补偿 158
8.1 机械手超声检测误差三维空间分布模型 158
8.1.1 机械手定位误差模型 158
8.1.2 距离误差与运动参数误差间的关系 160
8.1.3 误差的三维空间分布 162
8.2 机械手超声检测误差的反馈补偿模型 164
8.2.1 误差的反馈补偿原理 164
8.2.2 运动参数误差计算 165
8.2.3 运动参数误差反馈补偿步骤 166
8.3 双半球校准试块的设计与应用 167
8.3.1 双半球校准试块的设计 167
8.3.2 双半球检验误差对超声检测系统的补偿方法 168
8.3.3 校准试块在运动参数误差补偿中的应用 170
参考文献 174
第9章 半封闭构件双机械手超声检测方法 176
9.1 半封闭曲面复材构件超声自动检测面临的问题 176
9.2 半封闭构件双机械手超声检测轨迹规划方法 177
9.2.1 双机械手中的坐标系及其关系确定方法 177
9.2.2 半封闭构件超声检测X-轴约束轨迹规划方法 180
9.2.3 X-轴约束轨迹规划法实验验证 184
9.3 异形延长杆工具振动特性分析与优化 186
9.3.1 异形延长杆工具静态特性校核 186
9.3.2 改进S型曲线加速度控制算法 189
9.3.3 基于改进S型曲线加速度控制的轨迹插补实现 195
参考文献 196
第10章 机械手异形工具坐标系标定方法 198
10.1 工具参数的表示方法 198
10.2 工具坐标系四姿态标定方法 199
10.2.1 异形工具末端中心点位置标定 199
10.2.2 异形工具末端中心点姿态标定 202
10.3 工具坐标系四姿态标定误差修正 202
10.4 工具坐标系四姿态标定实验 209
10.4.1 异形顶尖工具TCF标定实验 209
10.4.2 异形顶尖工具TCF标定结果验证实验 210
10.5 异形延长杆工具坐标系四姿态标定实验 211
参考文献 211
第11章 机械手射线检测技术 213
11.1 射线CT检测基本原理 213
11.1.1 X射线的衰减理论 213
11.1.2 工业CT成像数理基础 214
11.2 机械手射线CT检测系统构成 216
11.3 射线X射线投影数据采集、显示及其校正 217
11.3.1 平板探测器原理及其工作模式 217
11.3.2 X射线图像采集及实时显示软件实现 219
11.3.3 X射线投影图像质量影响因素分析 222
11.4 射线检测数据与机械手姿态位置关系的协同控制 225
11.4.1 协同控制方案设计 225
11.4.2 机械手运动控制下位机程序设计方法 227
11.4.3 上下位机通信与控制方式 228
11.4.4 协同控制软件实现方法 230
11.5 空心复杂构件检测应用实例 233
参考文献 236
第12章 机械手电磁涡流检测技术 238
12.1 电磁涡流检测基本原理 238
12.1.1 电磁涡流检测的特点 238
12.1.2 电磁涡流检测原理 239
12.1.3 涡流及其趋肤效应 240
12.1.4 阻抗分析法 241
12.1.5 电磁涡流检测装置 246
12.2 机械手电磁涡流检测系统构成 247
12.2.1 硬件构成 247
12.2.2 软件构成 249
12.3 机械手电磁涡流检测成像方法 250
12.3.1 涡流信号的显示方法 251
12.3.2 涡流C扫描成像方法 252
参考文献 254
第13章 双机械手无损检测技术典型应用 255
13.1 双机械手无损检测系统配置方法 255
13.1.1 大型构件无损检测方法：同步运动双机械手超声检测模式 255
13.1.2 小型复杂构件无损检测方法：协同运动双机械手超声检测模式 256
13.2 双机械手超声透射检测应用实例 257
13.2.1 大直径半封闭回转体构件超声C扫描检测 257
13.2.2 小直径半封闭回转体构件超声C扫描检测 258
13.2.3 矩形半封闭箱体构件超声C扫描检测 259
13.2.4 声波导管超声检测实验 260
参考文献 261
无损检测是利用超声、射线、电磁、渗透、光学等物理原理和方法对机械构件表面和内部非连续性以及材料性能进行无损检测与评估的一门综合性技术，是评价构件制造质量、构件完整性和服役安全性的重要手段，在控制和提高产品制造质量、保障服役装备安全可靠运行等方面发挥着重要作用，是现代工业和高端智能制造装备发展的工业基础。
传统无损检测技术难以实现对复杂曲面构件的自动化检测，尤其是难以实现变曲率、变厚度、复合材料、复杂形廓构件的高精度自动无损检测。传统无损检测依靠人工选点，换能器与被检测构件表面接触状态难以保持恒定，耦合状态难以保持有效稳定，空间检测姿态也难以灵活自适应调整，导致无损检测精度难以保证。
机械手因其具有良好的灵活性和广泛的适应性，在多个工业领域应用中充分体现了智能性，本书将无损检测的物理原理与机械手多维空间姿态灵活运动控制原理结合起来，以无损检测原理为约束条件，控制发射或接收换能器的运动姿态和方位角度，使传统无损检测从平面到曲面、从二维到多维、从人工到智能，形成了具有多学科交叉特点的智能超声无损检测理论和技术，已经在航空航天、船舶和轨道交通等工业领域得到广泛应用。
本书主要内容分13章，第1章至第3章主要论述了智能超声无损检测的基础知识，涵盖了机械手坐标系定义，声波导超声检测，机械手轨迹规划的基本理论和算法，该部分是智能超声无损检测技术的理论基础；第4章和第5章分别介绍了单机械手检测技术和双机械手检测技术，提出了单机械手和双机械手检测系统的构成，详细介绍了机械手检测系统的坐标变换方法；第6章至第8章讲述了单机械手无损检测误差分析与校准的基本理论，第6章主要介绍了误差的3种误差源，第7章介绍了系统的几何误差与修正方法，第8章介绍了系统的运动误差与补偿方法；第9章和第10章介绍了半封闭构件的双机械手超声检测轨迹规划与异形工具坐标系的标定方法；第11章论述了机械手射线检测技术，介绍了机械手射线CT检测系统的构成和射线检测数据与姿态数据的协调控制方法；第12章论述了机械手电磁涡流检测技术，介绍了机械手电磁涡流检测系统的构成、数据处理与成像方法；第13章对双机械手无损检测技术的典型应用进行了介绍，其中包括回转体构件、箱体构件和大型复合材料构件的应用技术。
本书是在北京理工大学徐春广教授研究团队长期从事的科研和教学工作积累基础上，结合国内外最新无损检测技术研究成果总结提炼而成的。衷心感谢肖定国、郝娟、周世圆、潘勤学、贾玉平和孟凡武等多位老师和研究生对本书内容所做的贡献，特别感谢张文君、马朋志博士研究生对本书初稿的形成和文字公式的编辑排版所做的大量工作，诚挚感谢卢宗兴、肖振、张翰明、李飞、郭灿志、马朋志、卢钰仁、郭灿志、陈常宏、杨双旭等多位博士和硕士研究生付出的辛勤的研究工作以及大量的编辑和整理工作！
本书可供致力于自动化无损检测理论和技术研究的人员学习和参考，可作为高级无损检测人员培训和高等院校相关专业的教材，同时本书也可作为国际标准ISO 24647—2023 Non-destructive testing-Robotic Ultrasonic Test Systems-General requirements、国家标准GB/T 34892—2017《无损检测?机械手超声检测方法》以及机械计量技术规范JJF（机械）1059—2021《机械手超声检测系统校准技术规范》的宣贯参考读物。
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