摘 要:對曲面工件進行超聲檢測時,為了獲得較好的回波信號,要求聲束入射方向與曲面工 件外表面法線方向一致。現有的方法通常是預先知道曲面的 CAD 模型,再對輪廓已知的曲面進 行檢測,這使得系統的靈活性和適用性變差。針對上述問題,提出了一種基于激光檢測的探頭對正 算法,原理為:激光檢測系統對待測曲面工件上檢測點的位置和姿態信息進行識別,后將所獲取到 的檢測點信息數據發送給機械手的控制系統,機器手控制系統在獲取檢測點信息后,根據對正控制 策略將探頭位姿調整信息發送給相應的機械臂控制器,實現對檢測點的探頭對正。通過探究不同 入射角度與回波信號時域特征值間關系,反求出實際的對正角度偏差,驗證了該方法的有效性。
關鍵詞:機器人輔助;曲面工件;超聲檢測;激光檢測;探頭對正
中圖分類號:TG115.28 文獻標志碼:A 文章編號:1000-6656(2022)07-0046-04
隨著現代化工業技術的高速發展,采用自動化 設備取代人工方式對工件進行探傷成為了當前較為 先進的檢測手段[1]。機械手可以根據內部程序自動 完成特定操作,因而可以替代人工完成一些繁重、復 雜、危險的檢測作業,并具有運動精度高、工作效率 高、運行成本低等優點[2-3]。超聲無損檢測技術作為 工業領域應用非常廣泛的檢測技術,是保證工件加 工質量以及在役工件可靠性的重要手段。將機械手 與超聲無損檢測技術相結合的自動化檢測是無損檢 測技術未來的重要發展方向[4]。
徐春廣等[5]采用機械手夾持葉片,超聲換能器 固定的方式,實現了對葉片葉身、進排氣邊等部位的無損檢測,同時實現了葉片厚度的精確檢測。吳思 源等[6]提出了一種復雜型面工件超聲自動檢測的匹 配定位方法,利用少量超聲檢測點數據實現被測工 件與 CAD模型的匹配定位,以提高復雜型面工件 超聲自動檢測的效率和精度,同時提高超聲自動檢 測系統的通用性。然而,在使用超聲對曲面工件進 行無損檢測時,要求超聲換能器的聲軸線方向與被 檢工件靠近探頭的表面法線方向重合,以保證超聲 波以對檢測最有利的角度入射工件[7-8]。為了實現 對復雜曲面形狀工件的自動化檢測,需要對超聲換 能器的位置和姿態進行準確定位[9]。
現有的方法是預先知道曲面的 CAD 模型,根 據模型采用專用軟件對檢測路徑進行規劃,自動生 成檢測軌跡,超聲探頭按照事先規劃好的軌跡對工 件進行跟蹤檢測[10-11]。這種檢測方法只能對輪廓 已知的曲面進行檢測,降低了系統的靈活性和適用 性,不能滿足特殊要求。對于形狀未知的工件,應在 超聲檢測前根據曲面工件的 CAD 模型對工件進行 檢測,計算出探頭在各檢測點的位置和姿態,保證獲 取準確的發射(或接收)信號。針對機器人自動化超 聲檢測過程中探頭的對正問題,提出了一種基于激 光測距的探頭自動對正算法,并對算法的有效性進 行了驗證。
1 超聲波垂直入射曲面工件界面的傳播特性
當超聲波從一種介質傳播到另一種介質時,會 在兩種介質的界面上發生反射與透射現象。超聲波 聲束垂直入射曲面構件界面時,將產生一個與入射 方向相反的反射波和一個與入射方向一致的透射 波。為了避免檢測曲面構件時聲波發生聚焦或發散 現象進而影響超聲回波信號的強弱,要求聲束垂直 入射工件表面。
2 試驗系統及原理
曲面工件超聲檢測系統(見圖1)主要由六自由 度機械手、超聲收發系統以及激光檢測系統組成。 該系統通過機械手夾持超聲探頭進行掃查運動,激 光檢測系統則對待測曲面工件上檢測點的位置和姿 態信息進行識別,然后將獲取到的檢測點信息數據 發送給機械手的控制系統,機器手控制系統在獲取 檢測點信息后,根據對正控制策略將探頭位姿調整 信息發送給相應的機械臂控制器,實現對一個檢測 點的探頭對正。
在試驗開始前,需要在曲面工件上方設置若干檢測點,當機械手到達檢測點后,按照上述方法依次完 成檢測點的探頭對正,直至完成對整個工件曲面的檢 測。探頭和測距傳感器的布置方式如圖2所示。
超聲信號收發系統包括超聲縱波探頭、信號發生 儀和數字示波器以及配套測試程序(見圖3)。試驗 采用反射式檢測方法,即超聲信號的發射和接收都由 同一個探頭完成。激光檢測系統主要包括測距傳感 器、數據采集卡以及配套程序。3個激光測距傳感器 型號為 HG-C1050,檢測范圍為65~135mm,檢測精 度為30μm,3個傳感器通過信號采集卡接收數據,并 將數據傳輸到計算機Labview程序中。
3 基于激光測距的探頭對正算法
為了描述機械手系統本身各個連桿之間、機械 手和檢測工件、檢測工件與超聲波探頭之間的運動 關系,通常將其假設為剛體,再研究各個剛體之間的 運動關系。
一般通過世界坐標系來描述剛體的位置。一旦建立了世界坐標系,就可以通過一個3×1的位置矢 量對任意一點的位置進行描述。在坐標系{A}中, 三維空間中任意一點 P 的位置可以用位置矢量AP 表示
式中:Px,Py,Pz分別為P 點在世界坐標系中的位 置坐標。
剛體的姿態可由固定在剛體上的坐標系{B}來 描述,記坐標系{B}主軸方向的3個單位矢量分別 為XB,YB,ZB,將這3個單位矢量按順序排列即可 得到工具坐標系相對于世界坐標系的表示A BR 為
通過前面的位置描述和姿態描述,可得到剛體
B的位姿描述為
通常情況下,為了便于運算,在機械手運動學 中,采用齊次矩陣來對機械手的位姿進行描述。即 將原來的旋轉變換矩陣增加1行,原來的平移變換 矩陣增加1列,從而構成一個4×4的矩陣A BT,即
坐標轉換關系如圖4所示,其中 OW-xWyWzW 為 世 界 坐 標 系;OE-xEyEzE 為 探 頭 坐 標 系;Opxpypzp 為被測零件曲面上任一被測點P 的坐標。
激光傳感器分別布置在探頭坐標系的坐標軸 上,且其到探頭坐標系原點的距離都為d,3個激光 傳感器在探頭坐標系中的位置為(A,B,C 分別表示 3個探頭的坐標)
安裝激 光 傳 感 器 時,檢 測 光 線 的 方 向 與 探 頭坐標系的zE 軸平行,檢測到的距離分別用d1,d2, d3 表示,則待測面上3個激光點在探頭坐標系中 的位置為
此時在待測面上,構建兩個向量 B1A1,B1C1, 并求出待測平面的法向量
為了和探頭坐標系保持一致,求得的法向量應 垂直 待 測 面 向 下。運 用 施 密 特 正 交 化 將 B1A1, B1C1,ZB13個向量正交化,再標準化得到被測點在 探頭坐標系中的姿態。
通對機械手進行運動學分析,采用 D-H 參數 法建立運動學模型,得到探頭坐標系相對于世界坐 標系的旋轉關系和平移關系,結合被測點處的坐標 系相對于探頭坐標系的旋轉關系和平移關系,可以 得到被測點處坐標系相對于世界坐標系的旋轉關系 和平移關系。進一步地,為了實現探頭對待測點的 準確檢測,只需要將機械手末端探頭姿態調整為與 被測點一致的姿態,機械手位置調整到待測點上方, 聲耦合特性最好的水聲距處即可。
4 入射角和回波信號的關系
為驗證上述方法的有效性,需要驗證調整后機 械臂聲束的實際入射角度是否符合檢測要求。聲束 傾斜入射時,探頭接收回波信號的有效面積減少,反 射率降低導致回波信號時域特征值發生變化,可以 通過分析回波信號的時域特征值反求出當前聲束的 入射角。構件的信號時域特征值為峰值hmax、能量 E、回波脈沖寬度W 。
表1為晶片直徑為12mm 的5MHz縱波探頭 對表面粗糙度(Ra)為12.5的不銹鋼鋼板進行試驗 得到的時域特征值,可見,參數 E 對入射角α 很敏 感,其對應的關系曲線如圖5所示。在相同的檢測 條件下,可以根據E、hmax 和W 得出相應的α。
由圖5可見,隨著入射角的增大,反射波的能量 特 征值不斷減小,且聲束入射角與能量特征值的關系近似可以表示為
5 曲面構件檢測試驗
利用上文介紹的探頭對正方法進行試驗,計算 出每次試驗中的能量特征值,并代入到公式中計算 出聲束的實際入射角度,得到的結果如表2所示。
6 結語
針對機器人自動化超聲檢測過程中探頭的對正問題,提出了一種基于激光測距的探頭自動對正算 法。驗證結果表明,該對正算法的平均誤差最大不 超過6°,且獲得的超聲回波信號質量較好,完全滿 足曲面工件超聲檢測的要求。
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<文章來源>材料與測試網>期刊論文>無損檢測>44卷>7期(pp:46-49)>