随着航空航天、汽车和能源等领域不断发展,复合材料的应用比例不断提高。复合材料在制造和服役的过程中需要对其进行全面且可靠的检测,以保证结构的质量和应用安全,其中超声检测技术占有举足轻重的作用。对于自由曲面的复合材料,如何提高超声检测的精度、效率和自动化程度,是现代工业给超声检测技术带来新的挑战。结合超声检测项目实际需要和实现方案,本文主要研究自由曲面的复合材料超声自动化检测技术中的一些关键技术,对复合材料声学建模、曲面超声自动化检测、双机械手基座标系标定和双机械手协调运动等问题进行了系统深入的研究。第一章介绍论文的研究目的和意义,然后分析相关领域的国内外研究现状,最后给出本论文的研究内容和章节组织结构。第二章介绍双机械手超声自动检测系统平台,实验平台分为硬件部分和软件部分,其中软件部分包括上位机和下位机软件两部分,对系统结构、硬件配置、软件模型进行描述。第三章研究双机械手基座标系变换关系的求解方法,提出一种仅需要空间中不共线的三个点求解方法,两个机械手在这些点的位置构成“握手”操作。并提出一种基于李代数的指数映射算法的旋转矩阵正交归一化方法,最后在实验室的平台基础上完成两个机械手基座标系的标定实验,实验结果验证所提出方法的有效性,我们将双机械手基座标系的标定结果用于设定两个机械手工件坐标系重合。第四章主要研究机械手运动学模型,首先按照D-H参数法建立机械手的正解模型,并通过臂腕分离的方法求解机械手的逆解模型。对于空间中自由曲面的轨迹规划采用NURBS曲线曲面的算法拟合,并在此基础上分析扫查轨迹生成策略,根据超声检测的约束求解换能器姿态矢量。为了使关节运动平滑消除运动中的冲击,较为详细研究了五次多项式函数、正弦函数和组合正弦函数等关节轨迹规划方法,将三种方法的规划结果进行对比,分析不同规划方法的几个特征指标的优缺点。第五章研究双机械手在不同检测任务条件下的末端位姿约束关系式,从检测任务的超声约束条件出发,推导等壁厚工件检测过程中两个机械手耦合同步运动约束关系式,并给出变壁厚工件检测过程中两个机械手叠加同步运动的约束关系式。这些约束关系式可以为从机械手的运动轨迹求解提供可行性。为了获得双机械检测过程中的超声约束条件,主要介绍超声换能器辐射声场的多高斯声束模型。在单层介质的基础上讨论了各向异性介质中声束的传播理论,推导复合材料中声场的多高斯声束模型计算方法,并介绍了慢度曲面拟合系数的求解方法。完善了多高斯声束模型在复合材料中的描述,确定双机械手检测过程中的超声约束条件。第六章首先,通过声场的检测实验验证多高斯模型的有效性,并通过设计实验验证基于声束传播的换能器布置方法的正确性。然后,通过实验验证两个机械手运动约束关系式的正确性。最后,对等壁厚和变壁厚曲面复合材料进行自动化检测,并分析实验结果,实验结果表明系统对被测工件能够进行超声透射扫查检测,缺陷轮廓与实际缺陷轮廓较好的吻合,验证了基于声束传播方向的换能器布置对变厚度工件的良好的检测结果。