摘 要:對(duì)曲面工件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí),為了獲得較好的回波信號(hào),要求聲束入射方向與曲面工 件外表面法線方向一致?，F(xiàn)有的方法通常是預(yù)先知道曲面的 CAD 模型,再對(duì)輪廓已知的曲面進(jìn) 行檢測(cè),這使得系統(tǒng)的靈活性和適用性變差。針對(duì)上述問題,提出了一種基于激光檢測(cè)的探頭對(duì)正 算法,原理為:激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)待測(cè)曲面工件上檢測(cè)點(diǎn)的位置和姿態(tài)信息進(jìn)行識(shí)別,后將所獲取到 的檢測(cè)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)械手的控制系統(tǒng),機(jī)器手控制系統(tǒng)在獲取檢測(cè)點(diǎn)信息后,根據(jù)對(duì)正控制 策略將探頭位姿調(diào)整信息發(fā)送給相應(yīng)的機(jī)械臂控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的探頭對(duì)正。通過探究不同 入射角度與回波信號(hào)時(shí)域特征值間關(guān)系,反求出實(shí)際的對(duì)正角度偏差,驗(yàn)證了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞:機(jī)器人輔助;曲面工件;超聲檢測(cè);激光檢測(cè);探頭對(duì)正
中圖分類號(hào):TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-6656(2022)07-0046-04
隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展,采用自動(dòng)化 設(shè)備取代人工方式對(duì)工件進(jìn)行探傷成為了當(dāng)前較為 先進(jìn)的檢測(cè)手段[1]。機(jī)械手可以根據(jù)內(nèi)部程序自動(dòng) 完成特定操作,因而可以替代人工完成一些繁重、復(fù) 雜、危險(xiǎn)的檢測(cè)作業(yè),并具有運(yùn)動(dòng)精度高、工作效率 高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。超聲無損檢測(cè)技術(shù)作為 工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的檢測(cè)技術(shù),是保證工件加 工質(zhì)量以及在役工件可靠性的重要手段。將機(jī)械手 與超聲無損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)化檢測(cè)是無損檢 測(cè)技術(shù)未來的重要發(fā)展方向[4]。
徐春廣等[5]采用機(jī)械手夾持葉片,超聲換能器 固定的方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片葉身、進(jìn)排氣邊等部位的無損檢測(cè),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了葉片厚度的精確檢測(cè)。吳思 源等[6]提出了一種復(fù)雜型面工件超聲自動(dòng)檢測(cè)的匹 配定位方法,利用少量超聲檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)被測(cè)工 件與 CAD模型的匹配定位,以提高復(fù)雜型面工件 超聲自動(dòng)檢測(cè)的效率和精度,同時(shí)提高超聲自動(dòng)檢 測(cè)系統(tǒng)的通用性。然而,在使用超聲對(duì)曲面工件進(jìn) 行無損檢測(cè)時(shí),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(duì)檢測(cè)最有利的角度入射工件[7-8]。為了實(shí)現(xiàn) 對(duì)復(fù)雜曲面形狀工件的自動(dòng)化檢測(cè),需要對(duì)超聲換 能器的位置和姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確定位[9]。
現(xiàn)有的方法是預(yù)先知道曲面的 CAD 模型,根 據(jù)模型采用專用軟件對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行規(guī)劃,自動(dòng)生 成檢測(cè)軌跡,超聲探頭按照事先規(guī)劃好的軌跡對(duì)工 件進(jìn)行跟蹤檢測(cè)[10-11]。這種檢測(cè)方法只能對(duì)輪廓 已知的曲面進(jìn)行檢測(cè),降低了系統(tǒng)的靈活性和適用 性,不能滿足特殊要求。對(duì)于形狀未知的工件,應(yīng)在 超聲檢測(cè)前根據(jù)曲面工件的 CAD 模型對(duì)工件進(jìn)行 檢測(cè),計(jì)算出探頭在各檢測(cè)點(diǎn)的位置和姿態(tài),保證獲 取準(zhǔn)確的發(fā)射(或接收)信號(hào)。針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化超 聲檢測(cè)過程中探頭的對(duì)正問題,提出了一種基于激 光測(cè)距的探頭自動(dòng)對(duì)正算法,并對(duì)算法的有效性進(jìn) 行了驗(yàn)證。
1 超聲波垂直入射曲面工件界面的傳播特性
當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí),會(huì) 在兩種介質(zhì)的界面上發(fā)生反射與透射現(xiàn)象。超聲波 聲束垂直入射曲面構(gòu)件界面時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)與入射 方向相反的反射波和一個(gè)與入射方向一致的透射 波。為了避免檢測(cè)曲面構(gòu)件時(shí)聲波發(fā)生聚焦或發(fā)散 現(xiàn)象進(jìn)而影響超聲回波信號(hào)的強(qiáng)弱,要求聲束垂直 入射工件表面。
2 試驗(yàn)系統(tǒng)及原理
曲面工件超聲檢測(cè)系統(tǒng)(見圖1)主要由六自由 度機(jī)械手、超聲收發(fā)系統(tǒng)以及激光檢測(cè)系統(tǒng)組成。 該系統(tǒng)通過機(jī)械手夾持超聲探頭進(jìn)行掃查運(yùn)動(dòng),激 光檢測(cè)系統(tǒng)則對(duì)待測(cè)曲面工件上檢測(cè)點(diǎn)的位置和姿 態(tài)信息進(jìn)行識(shí)別,然后將獲取到的檢測(cè)點(diǎn)信息數(shù)據(jù) 發(fā)送給機(jī)械手的控制系統(tǒng),機(jī)器手控制系統(tǒng)在獲取 檢測(cè)點(diǎn)信息后,根據(jù)對(duì)正控制策略將探頭位姿調(diào)整 信息發(fā)送給相應(yīng)的機(jī)械臂控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)檢測(cè) 點(diǎn)的探頭對(duì)正。
在試驗(yàn)開始前,需要在曲面工件上方設(shè)置若干檢測(cè)點(diǎn),當(dāng)機(jī)械手到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)后,按照上述方法依次完 成檢測(cè)點(diǎn)的探頭對(duì)正,直至完成對(duì)整個(gè)工件曲面的檢 測(cè)。探頭和測(cè)距傳感器的布置方式如圖2所示。
超聲信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)包括超聲縱波探頭、信號(hào)發(fā)生 儀和數(shù)字示波器以及配套測(cè)試程序(見圖3)。試驗(yàn) 采用反射式檢測(cè)方法,即超聲信號(hào)的發(fā)射和接收都由 同一個(gè)探頭完成。激光檢測(cè)系統(tǒng)主要包括測(cè)距傳感 器、數(shù)據(jù)采集卡以及配套程序。3個(gè)激光測(cè)距傳感器 型號(hào)為 HG-C1050,檢測(cè)范圍為65~135mm,檢測(cè)精 度為30μm,3個(gè)傳感器通過信號(hào)采集卡接收數(shù)據(jù),并 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)Labview程序中。
3 基于激光測(cè)距的探頭對(duì)正算法
為了描述機(jī)械手系統(tǒng)本身各個(gè)連桿之間、機(jī)械 手和檢測(cè)工件、檢測(cè)工件與超聲波探頭之間的運(yùn)動(dòng) 關(guān)系,通常將其假設(shè)為剛體,再研究各個(gè)剛體之間的 運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
一般通過世界坐標(biāo)系來描述剛體的位置。一旦建立了世界坐標(biāo)系,就可以通過一個(gè)3×1的位置矢 量對(duì)任意一點(diǎn)的位置進(jìn)行描述。在坐標(biāo)系{A}中, 三維空間中任意一點(diǎn) P 的位置可以用位置矢量AP 表示
式中:Px,Py,Pz分別為P 點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位 置坐標(biāo)。
剛體的姿態(tài)可由固定在剛體上的坐標(biāo)系{B}來 描述,記坐標(biāo)系{B}主軸方向的3個(gè)單位矢量分別 為XB,YB,ZB,將這3個(gè)單位矢量按順序排列即可 得到工具坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的表示A BR 為
通過前面的位置描述和姿態(tài)描述,可得到剛體
B的位姿描述為
通常情況下,為了便于運(yùn)算,在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué) 中,采用齊次矩陣來對(duì)機(jī)械手的位姿進(jìn)行描述。即 將原來的旋轉(zhuǎn)變換矩陣增加1行,原來的平移變換 矩陣增加1列,從而構(gòu)成一個(gè)4×4的矩陣A BT,即
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示,其中 OW-xWyWzW 為 世 界 坐 標(biāo) 系;OE-xEyEzE 為 探 頭 坐 標(biāo) 系;Opxpypzp 為被測(cè)零件曲面上任一被測(cè)點(diǎn)P 的坐標(biāo)。
激光傳感器分別布置在探頭坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸 上,且其到探頭坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離都為d,3個(gè)激光 傳感器在探頭坐標(biāo)系中的位置為(A,B,C 分別表示 3個(gè)探頭的坐標(biāo))
安裝激 光 傳 感 器 時(shí),檢 測(cè) 光 線 的 方 向 與 探 頭坐標(biāo)系的zE 軸平行,檢測(cè)到的距離分別用d1,d2, d3 表示,則待測(cè)面上3個(gè)激光點(diǎn)在探頭坐標(biāo)系中 的位置為
此時(shí)在待測(cè)面上,構(gòu)建兩個(gè)向量 B1A1,B1C1, 并求出待測(cè)平面的法向量
為了和探頭坐標(biāo)系保持一致,求得的法向量應(yīng) 垂直 待 測(cè) 面 向 下。運(yùn) 用 施 密 特 正 交 化 將 B1A1, B1C1,ZB13個(gè)向量正交化,再標(biāo)準(zhǔn)化得到被測(cè)點(diǎn)在 探頭坐標(biāo)系中的姿態(tài)。
通對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,采用 D-H 參數(shù) 法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,得到探頭坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐 標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系和平移關(guān)系,結(jié)合被測(cè)點(diǎn)處的坐標(biāo) 系相對(duì)于探頭坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系和平移關(guān)系,可以 得到被測(cè)點(diǎn)處坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系 和平移關(guān)系。進(jìn)一步地,為了實(shí)現(xiàn)探頭對(duì)待測(cè)點(diǎn)的 準(zhǔn)確檢測(cè),只需要將機(jī)械手末端探頭姿態(tài)調(diào)整為與 被測(cè)點(diǎn)一致的姿態(tài),機(jī)械手位置調(diào)整到待測(cè)點(diǎn)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(hào)的關(guān)系
為驗(yàn)證上述方法的有效性,需要驗(yàn)證調(diào)整后機(jī) 械臂聲束的實(shí)際入射角度是否符合檢測(cè)要求。聲束 傾斜入射時(shí),探頭接收回波信號(hào)的有效面積減少,反 射率降低導(dǎo)致回波信號(hào)時(shí)域特征值發(fā)生變化,可以 通過分析回波信號(hào)的時(shí)域特征值反求出當(dāng)前聲束的 入射角。構(gòu)件的信號(hào)時(shí)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(duì)表面粗糙度(Ra)為12.5的不銹鋼鋼板進(jìn)行試驗(yàn) 得到的時(shí)域特征值,可見,參數(shù) E 對(duì)入射角α 很敏 感,其對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線如圖5所示。在相同的檢測(cè) 條件下,可以根據(jù)E、hmax 和W 得出相應(yīng)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(guān)系近似可以表示為
5 曲面構(gòu)件檢測(cè)試驗(yàn)
利用上文介紹的探頭對(duì)正方法進(jìn)行試驗(yàn),計(jì)算 出每次試驗(yàn)中的能量特征值,并代入到公式中計(jì)算 出聲束的實(shí)際入射角度,得到的結(jié)果如表2所示。
6 結(jié)語
針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化超聲檢測(cè)過程中探頭的對(duì)正問題,提出了一種基于激光測(cè)距的探頭自動(dòng)對(duì)正算 法。驗(yàn)證結(jié)果表明,該對(duì)正算法的平均誤差最大不 超過6°,且獲得的超聲回波信號(hào)質(zhì)量較好,完全滿 足曲面工件超聲檢測(cè)的要求。
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<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>無損檢測(cè)>44卷>7期(pp:46-49)>