CN102901772A - 焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统 - Google Patents

焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统 Download PDF

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一种焊缝智能识别并实时跟踪的爬行机器人，及其搭载的超声检测采集与软件分析系统，尤其适用于船舶修造中涉及的船体焊缝超声检测领域。应用中可以完整保存检测数据，对检测报告的可追溯性提供了查询依据，以减少对检测结果的争议。应用中可以减少对操作人员自身技术水平的依赖，避免人为因素对检测结果的影响，特别是将数据分析从简单的显示性读取改变为存储式软件读取，通过设定的判断标准进行软件自动分析，降低了大批量数据靠人工分析的漏读概率。机器人可以自动适应表面及内侧焊缝结构，将人工检测中需要多次、多向进行的检测步骤简化为一次单向检测，机器人携带的阵列式超声探头组可以自由更换，以满足不同超声检测方法的需要。

Description

焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统
技术领域
本发明涉及的是一种智能爬行机器人，特别是一种金属焊缝智能识别并实时跟踪的爬壁机器人，及由机器人搭载的超声波检测采集与软件分析系统，属于超声无损检测装备技术领域，尤其适用于船舶修造中涉及的船体拼接焊缝的超声波无损检测领域。
背景技术
爬壁机器人作为高空作业及自动化装备已经较为普遍，以磁轮吸附行走的轮式爬壁机器人在管道、罐体检测、涂装作业中应用较多，以负压吸盘作为行走方式的爬壁机器人主要应用于高空玻璃表面的清洁与维护。
在船舶修造领域，焊接作业占半数以上的制造工序，对于焊缝无损检测的技术应用中目前主要以超声波检测为主。目前，船体表面拼接焊缝及筋板T型焊缝的超声检测大都由人工单探头手动检查，工作强度大，技术水平低下，检测结果易受人为影响，检测数据的保存与判断因操作人员及仪器设备的影响误差较大，无法完整的再现检测过程及检测结果。对有争议的检测结果无法找到原始记录，现有的检测手段与得出的检测报告验证性越来越不科学。
在通过技术检索中发现，专利20041006429.6公开了一种磁轮吸附式爬壁机器人，机器人由磁轮吸附并行走，可以完成对导磁性金属材料体表的爬行作业，该技术虽然在表述中提出可以为焊缝的检测提供爬行机体，但该技术没有深入解决长距离焊缝的变化跟踪，特别是在船舶修造行业中，由于焊接量巨大，焊接位置、焊缝方向变化不一，仅依靠偏移传感器或者类似于位置传感器等来作为控制手段已经无法解决对焊缝的跟踪。在船体焊缝的形式上有表面焊缝与T形筋板内侧焊缝，目前尚无针对上述两种焊接形式的全适应智能超声波检测装备应用。
发明内容
为了解决背景技术中涉及的磁轮吸附爬行机器人等应用于导磁材料焊缝检测装备的不足，提高对焊缝的自动跟踪能力，减少对焊缝检测作业中操作人员的技术依赖，提高超声检测报告的可追溯性，本发明提供了一种焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统。
本发明主要应用于导磁性金属材料焊缝的超声检测以及应用于该领域的采集与分析软件。本发明由二个方面组成：一是磁轮爬行机器人本体，该机器人具有视觉跟踪系统及超声波厚度跟踪系统，可以满足不同结构的焊缝形式需要，在检测过程中可以自动进行缺陷位置的判断与标记。二是超声波检测的多通道采集与数据存储，并通过上位机分析软件进行数据分析与判断，通过I/O数据交换达到实时反馈焊缝缺陷位置与缺陷结构，并自动判断缺陷等级。
本发明的有益效果：在应用中可以完整保存被检测物的检测数据，对自动生成的检测报告的可追溯性提供了查询依据，可以减少对检测结果的争议。应用中可以减少对操作人员自身技术水平的依赖，可以避免人为因素对检测结果的影响，特别是将数据分析从简单的显示性读取改变为存储式回放读取，通过设定的判断标准进行软件自动分析，杜绝了大批量数据靠人工分析的漏读现象。机器人本体可以自动适应表面及内侧焊缝结构，将人工检测中需要多次、多方向进行的检测步骤简化为一次、单方向检测，机器人携带的阵列式超声探头组可以自由更换，以满足不同超声检测方法的需要。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1为本发明的爬行机器人本体结构图
图2为本发明的系统控制组成框图
图3为本发明的视觉与厚度跟踪系统组成框图
图4为本发明的超声检测采集与分析系统框图
具体实施方式
图1为焊缝智能跟踪超声检测机器人本体结构图，图1中：1为机架，减振梁架2安装在机架1的两侧，并通过减振套件17与副轮架16连接，给前轮提供自由的浮动空间，以满足在运动过程中出现的爬越交叉焊缝障碍及大落差障碍。角传动箱3也安装在机架1的两侧，并在主轮架14的正上方，角传动箱由箱体、端盖、伞齿轮、主传轴组成，电机4和电机11各安装在一侧的角传动箱3上，电机的驱动力通过角传动箱出轴带轮与同步带传递给主走轮13，主走轮13由走轮壳、摩擦带、磁环安装壳、芯轴、轴承、同步带轮组成，通过启、停两侧电机及控制各电机速度，可以实现主走轮13的前进、后退、行走速度补偿及转向。
在机架1上同时安装有两组纵焊缝扫查机构，由安装座10、位置滑板9、探头贴合架8组成，探头贴合架由滑杆、滑套、滑套座、锁紧卡板、拉簧、连板、偏摆气缸、偏摆架组成，两组纵向扫查前后排列，探头贴合架8上安装的偏摆气缸，自动进行正负15度偏摆用以满足在扫查焊缝纵向缺陷时的需要。缺陷标记机构12安装在机架1的中后部，由标记笔、安装架、导杆、笔套、驱动气缸组成，在扫查中发现有纵向缺陷时，由气缸发生动作伸出标记笔进行标记，气源的提供由安装在机架后部的气泵5完成。
横向扫查架20安装在机架1的前部，在横向扫查架20上安装有带轮座、带轮、电机安装板及扫查电机15，电机通过同步带轮组与同步带的连接，将安装在直线导轨上的滑板19驱动，通过电机15的正反换向可以实现滑板19进行横向往复移动。前位置滑板21安装在滑板19上，在前位置滑板21上安装有探头贴合架22和29，探头贴合架22与29可以在前位置滑板21上自由进行锁定或卸除，适应调整探头需要的位置及分布数量，探头贴合架由滑杆、滑套、滑套座、锁紧卡板、拉簧、连板、偏摆气缸、偏摆架组成。在前位置滑板21上同时安装有前缺陷标记机构30，由标记笔、安装架、导杆、笔套、驱动气缸组成，在扫查中发现有横向缺陷时，由气缸发生动作伸出标记笔进行标记。
在横向扫查架的下方通过吊架安装有测厚跟踪机构，由吊架、导轨安装板、直线导轨23、滑台、同步带卡板、直探头座25、直探头26、副带轮28、主动带轮、同步带24、电机安装板、电机组成，在进行T型筋板内侧焊缝超声检测时，通过电机的正反转动带动同步带驱使滑台往复移动，安装手滑台的直探头往复移动，在探测范围内进行表面厚度探测，通过对T型筋板的厚度变化进行锁定，控制机器人保持对筋板即时定位跟踪。在吊架上安装有摄像头安装座与摄像头27，在进行表面焊缝超声检测时，通过摄像头进行实时图像截取，图像数据通过视频采集系统进行处理，提取焊缝中心作为定位点并比较位置的变化，控制机器人在前进中保持对焊缝图像中心点的锁定，结合前进过程中的实时判断，将前进轨迹控制在焊缝中心线范围内，达到即时跟踪。
在实施例中，机器人得到初始工作指令后首先启动视觉跟踪，摄像头将初始图像交由系统处理，得出当前状态，如有焊缝图像将进入表面焊缝模式，自动启动机器人的移动及超声检测系统进行检测作业。如无焊缝图像，自动转换到直探头厚度探测系统，并自动进入T型筋板内侧焊缝模式，启动机器人的移动及超声检测系统进行检测作业。
在实施例中，具体的机器人完整运动过程为：系统首先进行工作状态的检测，在取得实时状态的同时进行模式转换，并启动检测功能，在表面焊缝检测实施例中，摄像头获取焊缝图像，经过系统处理确定跟踪路线，在人机交互介面的指令控制下，行走电机与前扫查电机进行同步动作，采取伺服闭环控制使探头沿焊缝两侧进行斜三角形移动，探头在探头贴合架偏摆气缸的控制下进行正负15度的偏摆，以满足实际检测中对探头偏角的需要，进行焊缝横向缺陷的实时检测。同时，纵焊缝检测机构分别在焊缝两侧的前后安装有探头，在行走电机的前进过程中，沿焊缝进行纵向缺陷的检测，并由探头贴合架偏摆气缸的控制进行正负15度的偏摆，以满足实际检测中对探头偏角的需要。
同样在T型筋板内侧焊缝检测时，直探头获取厚度变化，经过系统处理确定跟踪路线，在人机交互介面的指令控制下，行走电机与前扫查电机进行单步动作，采取伺服闭环控制使探头沿筋板焊缝内侧或两侧进行矩形移动，进行焊缝横向缺陷的实时检测。同时，纵焊缝检测机构分别在筋板焊缝内侧的前后安装有探头，在行走电机的前进过程中，沿焊缝进行纵向缺陷的检测。
检测数据由采集卡进行高速采集，交由系统进行数据存储并同步通过上位机软件进行实时分析，在分析过程中如发现有超过标准范围的缺陷，系统自动反馈给机器人，并由标记机构进行缺陷位置即时标记。
在图2中，通过框图表示了本发明的系统控制，本发明中采用SBC-6410X作为机器人的系统板，采用WINCE6操作系统，实施例的具体表现为：SBC-6410X为主控板，由V302视频采集卡及摄像头组成视频采集模块，负责进行视觉跟踪。由伺服运动卡、MAXON伺服电机、编码器组成伺服运动模块，负责进行机器人的行走与扫查运动。由超声探头、四通道超声采集卡组成为超声采集模块，本发明中超声模块有两个任务，一是采集直探头的厚度数据，负责为分析与控制机器人跟踪T型筋板内焊缝提供厚度数据，二是采集斜探头的检测数据，负责进行作业检测数据的提供。由SD卡或者移动硬盘组成检测数据存储模块，负责进行检测数据的实时存储与调用。由运行于WINCE6系统平台的上位机软件组成数据分析模块，负责进行检测数据的即时分析与判断，并通过与信号反馈模块的实时交互，完成判断结果的实时输出，在检测结束后并将检测结果形成报告输出到打印或者存储设备，进行检测工作的总结。由电机驱动板、继电器驱动板、气泵、SMC微型缸组成电气驱动模块，负责进行检测过程中的非伺服电机的驱动，气源的提供及各标记工作的执行。由电源转换卡、稳压板组成电源模块，负责提供各板卡及电机部件的电力供应。各模块与核心板SBC-6410X交互通讯，在系统程序的控制下完成机器人的机械动作与数据采集存储、分析，通过模块间的配合，完成从跟踪到检测的一系列任务，进行闭合循环达到自动对所检测焊缝的连续检测。
图3为视觉厚度跟踪框图，在图3中，具体的实施方式为：摄像头获取图像特征，并与模版特征进行对比，在有图像特征时，启动特征匹配数据库，在经过对比后将对比数据交由控制策略进行处理，输出控制结果到行走电机，控制行走电机的运动速度，并由电机的编码器进行执行结果反馈，在不断执行与反馈中保持对跟踪数据的定位。
在无图像特征时，启动无图像特征方式，自动启动直探头运动机构，在设定的移动范围内查找厚度信号与数据，并启动厚度数据计算库，在经过计算后将计算结果交由控制策略进行处理，输出控制结果到行走电机，控制行走电机的运动速度，并由电机的编码器进行执行结果反馈，在不断执行与反馈中保持对跟踪数据的定位。
图4为超声检测采集与分析系统框图，在图4中，SBC-6410X为主核板，WINCE6作为操作平台，超声检测分析软件作为运行软件安装在WINCE6系统平台，具体实施方式为：由多个超声探头组成阵列探头组，通过采集卡进行数据采集，并实时将采集数据通过I/O通讯交由存储系统进行存储，在存储的同时交由分析软件进行实时分析，并由SBC-6410X核心板将机器人实时位置交互给分析软件，完成对数据的位置标定，在存储后的数据中，将各数据的实时位置与检测结果进行统一，形成动态扫查结果。由SBC-6410X进行管理，在需要进行检测报告输出时，执行调用命令，将检测分析结果发送到报告文件中，并存储或交由打印设备进行输出打印形成报告表。
通过以上实施例的具体说明，基本再现了本发明的机械与系统结构，通过机器人本体与控制分析软件的交互配合，可以实现本发明的功能需要，在实际焊缝检测过程中可以有效提高超声检测的工作效率，避免人为影响，提高检测与分析水平，有效提供出完整的检测动态数据资料以减少对检测报告的争议，通过对各环节的系统说明，可以完整再现本发明的机器人运动、检测、分析等功能。

Claims (7)

1.一种焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统，其中，焊缝智能跟踪机器人主要由行走机构(14)、搭载平台(1)、纵向扫查机构(10)、横向扫查机构(20)、视觉传感机构(27)、缺陷标示机构(12、30)、气源供应机构(5)组成，其特征在于：纵横向多通道超声扫查机构(10)与(20)均布置在机器人搭载平台(1)上，机器人与超声检测采集与分析系统有线传输，数据通过多通道采集板卡采集与通讯，数据存储于上位机。
2.根据权利要求1所述的焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统，其中，超声检测采集与软件分析系统，主要由SBC-6140X开发板、四通道数字采集卡、四轴运动控制卡、超声测厚探头(26)、超声检测探头组组成，其特征在于：嵌入式系统开发板-BSC6140开发板作为系统主板，利用串口协议完成各板卡间的通讯，实时进行超声信号的采集与处理，数据即时分析与储存，并通过板载CPU进行系统运算，控制机器人进行各指令工作，焊缝检测数据存入SD卡。
3.根据权利要求1所述的焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统，其特征在于：行走机构(14)由磁轮与摩擦带组成走轮，走轮安装在主走轮架与付走轮架(16)上，付走轮架(16)与主走轮架绞接安装，并有簧压套(17)限制作自由弹缩，伺服电机(4)安装在角齿箱(3)上，出轴带动同步带轮，并有同步带连接主走轮同步带轮传递行走驱动，行走轮为左右对称结构，各由一组伺服电机及角齿箱，通过自动调整电机输出速度，控制行走路线及跟踪修正。
4.根据权利要求1所述的焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统，其特征在于：纵向超声扫查机构(10)由定滑套机构、滑道板(9)、探头贴合架(8)、探头架组成，其中，探头贴合架(8)由直线导轨及安装的滑块组成，滑块安装在夹套中，并由长臂板与短臂板及拉簧组成的四边剪框机构形成压缩弹杆，探头架接插座由连接臂与偏摆气缸连接，通过调整偏摆气缸的位置，变化探头架接插座的角度，定滑套机构由卡板、偏心扳卡、弹片、顶位螺杆组成，通过扳合偏心扳卡释放对卡板的压力，定滑套机构即可在滑道板(9)上滑动与固定，调整探头架离焊缝的位置。
5.根据权利要求1所述的焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统，其特征在于：横向超声扫查机构(20)由定滑套机构、滑道板(21)、探头贴合架(22)、探头架、导轨、滑移带轮组(18)、电机(15)组成，其中，探头贴合架(22)由直线导轨及安装的滑块组成，滑块安装在夹套中，并由长臂板与短臂板及拉簧组成的四边剪框机构形成压缩弹杆，探头架接插座由连接臂与偏摆气缸连接，通过偏摆气缸的伸缩位置，变化探头架接插座的角度，定滑套机构由卡板、偏心扳卡、弹片、顶位螺杆组成，通过扳合偏心扳卡释放对卡板的压力，定滑套机构即可在滑道板上滑动与固定，调整探头架离焊缝的位置，电机(15)带动同步带轮(18)，由同步带带动滑台(19)在导轨上移动，并带动安装在滑台(19)上的滑道板(21)及安装在滑道板(21)上的探头机构在焊缝检测区域横向移动。
6.根据权利要求1所述的焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统，其特征在于：视觉传感机构由摄像机(27)、测厚超声探头(26)、探头移动滑座、往复同步带机构、电机组成，摄像机(27)在焊缝形式为平面对焊时应用，由视频图像变化数据反馈给系统，修正跟踪路线，测厚超声探头(26)在焊缝形式为T型筋板内板面焊接，外板面检测时应用，电机带动同步带轮，由同步带(24)带动探头移动滑座在导轨(23)上移动，并带动安装在探头移动滑座上的测厚超声探头(26)在筋板区域横向移动，由厚度变化数据反馈给系统，修正跟踪路线。
7.根据权利要求1所述的焊缝智能跟踪超声检测机器人及其软件分析系统，其特征在于：缺陷标示机构(12)由支架、气缸、标示笔、组成，气源供应机构(5)由电机、气泵、换向阀组成，标示笔安装在笔座上，并由气缸接受换向阀的动作后气源驱动，使笔座在导杆上移动，带动标示笔向下运动接触板面，利用纵向或者横向运动，在板面做线性标记。
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