棒材超声波探伤(分享：机器人辅助超声曲面检测的探头自主对正技术)

Posted 2023-05-30

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棒材超声波探伤(分享：机器人辅助超声曲面检测的探头自主对正技术)

摘要:对曲面工件进行超声检测时,为了获得较好的回波信号,要求声束入射方向与曲面工件外表面法线方向一致。现有的方法通常是预先知道曲面的 CAD 模型,再对轮廓已知的曲面进行检测,这使得系统的灵活性和适用性变差。针对上述问题,提出了一种基于激光检测的探头对正算法,原理为:激光检测系统对待测曲面工件上检测点的位置和姿态信息进行识别,后将所获取到的检测点信息数据发送给机械手的控制系统,机器手控制系统在获取检测点信息后,根据对正控制策略将探头位姿调整信息发送给相应的机械臂控制器,实现对检测点的探头对正。通过探究不同入射角度与回波信号时域特征值间关系,反求出实际的对正角度偏差,验证了该方法的有效性。

关键词:机器人辅助;曲面工件;超声检测;激光检测;探头对正

中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1000-6656(2022)07-0046-04

随着现代化工业技术的高速发展,采用自动化设备取代人工方式对工件进行探伤成为了当前较为先进的检测手段[1]。机械手可以根据内部程序自动完成特定操作,因而可以替代人工完成一些繁重、复杂、危险的检测作业,并具有运动精度高、工作效率高、运行成本低等优点[2-3]。超声无损检测技术作为工业领域应用非常广泛的检测技术,是保证工件加工质量以及在役工件可靠性的重要手段。将机械手与超声无损检测技术相结合的自动化检测是无损检测技术未来的重要发展方向[4]。

徐春广等[5]采用机械手夹持叶片,超声换能器固定的方式,实现了对叶片叶身、进排气边等部位的无损检测,同时实现了叶片厚度的精确检测。吴思源等[6]提出了一种复杂型面工件超声自动检测的匹配定位方法,利用少量超声检测点数据实现被测工件与 CAD模型的匹配定位,以提高复杂型面工件超声自动检测的效率和精度,同时提高超声自动检测系统的通用性。然而,在使用超声对曲面工件进行无损检测时,要求超声换能器的声轴线方向与被检工件靠近探头的表面法线方向重合,以保证超声波以对检测最有利的角度入射工件[7-8]。为了实现对复杂曲面形状工件的自动化检测,需要对超声换能器的位置和姿态进行准确定位[9]。

现有的方法是预先知道曲面的 CAD 模型,根据模型采用专用软件对检测路径进行规划,自动生成检测轨迹,超声探头按照事先规划好的轨迹对工件进行跟踪检测[10-11]。这种检测方法只能对轮廓已知的曲面进行检测,降低了系统的灵活性和适用性,不能满足特殊要求。对于形状未知的工件,应在超声检测前根据曲面工件的 CAD 模型对工件进行检测,计算出探头在各检测点的位置和姿态,保证获取准确的发射(或接收)信号。针对机器人自动化超声检测过程中探头的对正问题,提出了一种基于激光测距的探头自动对正算法,并对算法的有效性进行了验证。

1 超声波垂直入射曲面工件界面的传播特性

当超声波从一种介质传播到另一种介质时,会在两种介质的界面上发生反射与透射现象。超声波声束垂直入射曲面构件界面时,将产生一个与入射方向相反的反射波和一个与入射方向一致的透射波。为了避免检测曲面构件时声波发生聚焦或发散现象进而影响超声回波信号的强弱,要求声束垂直入射工件表面。

2 试验系统及原理

曲面工件超声检测系统(见图1)主要由六自由度机械手、超声收发系统以及激光检测系统组成。该系统通过机械手夹持超声探头进行扫查运动,激光检测系统则对待测曲面工件上检测点的位置和姿态信息进行识别,然后将获取到的检测点信息数据发送给机械手的控制系统,机器手控制系统在获取检测点信息后,根据对正控制策略将探头位姿调整信息发送给相应的机械臂控制器,实现对一个检测点的探头对正。

在试验开始前,需要在曲面工件上方设置若干检测点,当机械手到达检测点后,按照上述方法依次完成检测点的探头对正,直至完成对整个工件曲面的检测。探头和测距传感器的布置方式如图2所示。

超声信号收发系统包括超声纵波探头、信号发生仪和数字示波器以及配套测试程序(见图3)。试验采用反射式检测方法,即超声信号的发射和接收都由同一个探头完成。激光检测系统主要包括测距传感器、数据采集卡以及配套程序。3个激光测距传感器型号为 HG-C1050,检测范围为65~135mm,检测精度为30μm,3个传感器通过信号采集卡接收数据,并将数据传输到计算机Labview程序中。

3 基于激光测距的探头对正算法

为了描述机械手系统本身各个连杆之间、机械手和检测工件、检测工件与超声波探头之间的运动关系,通常将其假设为刚体,再研究各个刚体之间的运动关系。

一般通过世界坐标系来描述刚体的位置。一旦建立了世界坐标系,就可以通过一个3×1的位置矢量对任意一点的位置进行描述。在坐标系A中, 三维空间中任意一点 P 的位置可以用位置矢量AP 表示

式中:Px,Py,Pz分别为P 点在世界坐标系中的位置坐标。

刚体的姿态可由固定在刚体上的坐标系B来描述,记坐标系B主轴方向的3个单位矢量分别为XB,YB,ZB,将这3个单位矢量按顺序排列即可得到工具坐标系相对于世界坐标系的表示A BR 为

通过前面的位置描述和姿态描述,可得到刚体 B的位姿描述为

通常情况下,为了便于运算,在机械手运动学中,采用齐次矩阵来对机械手的位姿进行描述。即将原来的旋转变换矩阵增加1行,原来的平移变换矩阵增加1列,从而构成一个4×4的矩阵A BT,即

坐标转换关系如图4所示,其中 OW-xWyWzW 为世界坐标系;OE-xEyEzE 为探头坐标系;Opxpypzp 为被测零件曲面上任一被测点P 的坐标。

激光传感器分别布置在探头坐标系的坐标轴上,且其到探头坐标系原点的距离都为d,3个激光传感器在探头坐标系中的位置为(A,B,C 分别表示 3个探头的坐标)

安装激光传感器时,检测光线的方向与探头坐标系的zE 轴平行,检测到的距离分别用d1,d2, d3 表示,则待测面上3个激光点在探头坐标系中的位置为

此时在待测面上,构建两个向量 B1A1,B1C1, 并求出待测平面的法向量

为了和探头坐标系保持一致,求得的法向量应垂直待测面向下。运用施密特正交化将 B1A1, B1C1,ZB13个向量正交化,再标准化得到被测点在探头坐标系中的姿态。

通对机械手进行运动学分析,采用 D-H 参数法建立运动学模型,得到探头坐标系相对于世界坐标系的旋转关系和平移关系,结合被测点处的坐标系相对于探头坐标系的旋转关系和平移关系,可以得到被测点处坐标系相对于世界坐标系的旋转关系和平移关系。进一步地,为了实现探头对待测点的准确检测,只需要将机械手末端探头姿态调整为与被测点一致的姿态,机械手位置调整到待测点上方, 声耦合特性最好的水声距处即可。

4 入射角和回波信号的关系

为验证上述方法的有效性,需要验证调整后机械臂声束的实际入射角度是否符合检测要求。声束倾斜入射时,探头接收回波信号的有效面积减少,反射率降低导致回波信号时域特征值发生变化,可以通过分析回波信号的时域特征值反求出当前声束的入射角。构件的信号时域特征值为峰值hmax、能量 E、回波脉冲宽度W 。

表1为晶片直径为12mm 的5MHz纵波探头对表面粗糙度(Ra)为12.5的不锈钢钢板进行试验得到的时域特征值,可见,参数 E 对入射角α 很敏感,其对应的关系曲线如图5所示。在相同的检测条件下,可以根据E、hmax 和W 得出相应的α。

由图5可见,随着入射角的增大,反射波的能量特征值不断减小,且声束入射角与能量特征值的关系近似可以表示为

5 曲面构件检测试验

利用上文介绍的探头对正方法进行试验,计算出每次试验中的能量特征值,并代入到公式中计算出声束的实际入射角度,得到的结果如表2所示。

6 结语

针对机器人自动化超声检测过程中探头的对正问题,提出了一种基于激光测距的探头自动对正算法。验证结果表明,该对正算法的平均误差最大不超过6°,且获得的超声回波信号质量较好,完全满足曲面工件超声检测的要求。

参考文献:

[1] 敬人可,李建增,周海林.超声无损检测技术的研究进展[J].国外电子检测技术,2012,31(7):28-30,34.

[2] 禹岳,李立鸿,钟敏,等.挤压棒材的机器人超声无损检测系统[J].无损检测,2021,43(7):74-78.

[3] 徐春广,张翰明,郭灿志,等.机械手无损检测技术 [J].电子机械工程,2017,33(2):1-12.

[4] 孙广开,曲道明,周正干.机器人辅助激光超声检测系统的设计与实现[J].压电与声光,2017,39(5):780- 783.

[5] 徐春广,马朋志,肖定国,等.航空发动机叶片机械手无损检测技术[J].航空制造技术,2019,62(14):42-48.

[6] 吴思源,周晓军,李凌,等.基于超声测距的自由曲面数字化方法研究 [J].中国机械工程,2006,17(22): 2374-2378.

[7] 刘方芳.基于机械手的叶片扫查超声检测技术[D]. 北京:北京理工大学,2016.

[8] 刘希玲,吕铎,李雄兵,等.基于超声检测模型的镁合金弹壳自动检测方法[J].湖南大学学报(自然科学版),2015,42(10):54-58.

[9] 杨辰龙,周晓军.复杂曲面工件的超声无损检测系统研制[J].中国机械工程,2005,16(18):1622-1625.

[10] 李信良.超声检测机械手运动控制及仿真[D].北京: 北京理工大学,2015.

[11] 徐春广,王洪博,肖定国.大型曲面复合材料超声检测技术[J].纤维复合材料,2013,30(3):33-38.

<文章来源 > 材料与测试网> 期刊论文 > 无损检测 > 44卷 > 7期 (pp:46-49)>