CN104502456A - 单机械手超声无损检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单机械手超声无损检测装置及方法,能对具有复杂曲面特征的工件缺陷进行精确的自动化无损检测。其包括:工控机;机械手扫查机构,包括一个机械手和机械手控制器,机械手和机械手控制器连接和通讯,机械手控制器与工控机连接和通讯,机械手用于夹持被测件;水槽,其内部收容作为耦合剂的水;超声收发机构,包括超声换能器、超声脉冲收发卡、数据采集卡,超声脉冲收发卡和高速采集卡装在工控机上,由工控机控制进行脉冲信号的收发和采集,超声换能器设置在水槽中,在进行超声无损检测时,工控机控制夹持有被测件的机械手的运行轨迹,超声换能器发射超声,并接收由被测件反射后的超声脉冲回波信号,将超声回波信号反馈给工控机。
Description
技术领域
本发明涉及一种单机械手超声无损检测装置及方法,可以实现对工件缺陷进行自动化无损检测,尤其对具有复杂曲面特征的工件缺陷进行自动化无损检测。
背景技术
现有技术中,复杂型面构件通常具有不规则的曲面特征或者轮廓曲率变化范围较大,传统的基于笛卡尔坐标系进行定位的超声检测装置已不能准确地获取此类复杂型面构件的内部缺陷位置,例如本发明所检测的航空发动机叶片,其被测面曲率变化范围较大,传统的超声扫查机构无法实现对其空间曲面特征进行检测。而依据被测件的检测需求设计的专用扫查设备,在对被测件进行自动检测时,存在着超声波在被测表面传播规律较复杂,扫查路径难以规划的特点。
目前针对具有复杂型面特征的被测件仍缺少必要的专用扫查机构。
如专利文献CN201120298053.8公开了一种通过转盘/三爪卡盘夹持被测件,五轴机械手夹持超声换能器的检测装置。但这种机构增加了机械手运动过程中超声换能器收发超声波的不稳定性,降低了检测的灵敏度。且该机构利用的三爪卡盘完全限制了被测件的自由度,仅依靠机械手夹持超声换能器实现空间运动,检测区域依赖于机械手的活动范围,因此不适用于对具有复杂曲面特征的试件轮廓面进行检测。
专利文献CN202903743U公开了一种使用特制的超声检测扫查架对被测件进行检测的方法。但这种方法利用衍射时差法仅对被测件进行平行扫查和斜扫查,不适用于对曲率较大的构件扫查,因此无法对航空发动机叶片进行自动化检测。
因此需要一种对具有复杂曲面特征的工件缺陷进行自动化无损检测的机构和方法。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的,本发明的目的在于,提供一种单机械手超声无损检测装置,实现对工件缺陷进行自动化无损检测,尤其对具有复杂曲面特征的工件缺陷进行自动化无损检测。
本发明的另一个目的是提供一种适用于复杂构件的单机械手超声无损检测方法。
本发明的技术方案一提供一种单机械手超声无损检测装置,用于对被测件的内部缺陷进行检测,其包括:工控机;机械手扫查机构,包括一个机械手和机械手控制器,所述机械手和机械手控制器通过电源与信号集成线缆进行连接和通讯,所述机械手控制器与所述工控机通过网线进行连接和通讯,所述机械手用于夹持被测件;水槽,其内部收容作为耦合剂的水;超声收发机构,包括超声换能器、超声脉冲收发卡、数据采集卡,所述超声脉冲收发卡和高速采集卡装在所述工控机上,由所述工控机控制进行脉冲信号的收发和采集,所述超声换能器设置在所述水槽中,在进行超声无损检测时,所述工控机控制夹持有被测件的所述机械手的运行轨迹,所述超声换能器发射超声,并接收由被测件反射后的超声脉冲回波信号,将超声回波信号反馈给所述工控机。
检测时超声换能器发射脉冲波抵达被测件内部,经反射后被超声换能器接收并传递至工控机显示,通过观察来自内部缺陷或试件底面反射波的情况即可对被测件缺陷进行评估。并可以通过图像的形式实时显示扫查结果。因为采取机械手夹持被测件运动的检测装置,本发明适用范围广,降低了超声换能器收发超声波的不稳定性,提高了检测的灵敏度,对被测件的扫查空间和机械手的运动范围限制因素少,保证扫查结果的精度。
本发明的技术方案二提供一种单机械手超声无损检测方法,其包括如下步骤:将被测件夹持在机械手的末端手腕上;使所述机械手相对于固定在水槽中的超声换能器进行扫查轨迹运动;所述机械手的位置数据和由被测件反射的超声信号反馈给工控机;所述工控机对上述数据和信号进行处理,获取所述被测件的内部缺陷信息。
本发明的单机械手超声无损检测方法,实现了对工件缺陷进行自动化无损检测,降低了超声换能器收发超声波的不稳定性,提高了检测的灵敏度,尤其适用于对具有复杂曲面特征的工件缺陷进行自动化无损检测。
附图说明
图1为航空发动机叶片示意图;
图2为可夹持复杂构件的单机械手超声无损检测方法示意图;
图3为机械手轨迹规划离散点路径示意图;
图4为机械手坐标系转换示意图;
图5为复杂构件超声检测装置组成框图;
图6为超声检测与运动控制机构示意图。
【符号说明】
1、工控机;2、机械手扫查机构:3、超声收发机构;4、水槽;21、机械手;22、机械手控制器;31、超声换能器;A:榫头
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。如图1至图6所示,本发明提出的可夹持复杂构件的单机械手超声无损检测装置包括:工控机1、机械手扫查机构2和超声收发机构3、辅助机构等。在集成了结构设计、运动控制技术、伺服驱动技术和超声检测技术的基础上,通过机械手扫查机构2和超声收发机构3、辅助机构的协同工作,实现对复杂型面被测件的自动化检测。这是一种能够适用于复杂非规则曲面的、检测效率较高的超声检测装置。本发明以航空发动机叶片作为复杂型面被测件的一个例子进行说明。
工控机1通过网线连接机械手扫查机构2,同时也控制着超声收发机构3和辅助机构的运行,工控机1与机械手扫查机构2、超声收发机构3保持通讯,进行参数设置、发送控制指令和读取检测数据等工作。
单机械手超声无损检测装置的组成框图如图5所示,包括:工控机1;机械手扫查机构2,其包括一个机械手21和机械手控制器22,机械手21和机械手控制器22通过电源与信号集成线缆进行连接和通讯,机械手控制器22与工控机1通过网线进行连接和通讯,机械手21用于夹持被测件;水槽4,其内部收容作为耦合剂的水;超声收发机构3,包括超声换能器31、超声脉冲收发卡、数据采集卡,超声脉冲收发卡和高速采集卡装在工控机1上,由工控机1控制进行脉冲信号的收发和采集。辅助机构包括PLC控制面板、水循环机构等。
本发明利用六自由度机械手21夹持被测件相对超声换能器31进行空间轨迹的扫查运动,通过工控机1控制机械手21扫查运动、超声波脉冲的收发以及对采集信号进行处理等。所述机械手21为关节式六自由度机械手,为六个不同方向的关节串联,其单臂结构紧凑,运动灵活,能精确定位到球形空间的大部分区域;工控机1能实现机构控制、数据处理、机械手轨迹规划和超声发射及数据采集等工作。
本发明通过对轨迹规划技术、超声检测技术和超声C扫图像显示技术的集成,实现了对复杂构件的快速、准确的超声无损检测。机构结构紧凑、易于控制和操作,检测效率和适应性较高。
下面对本发明涉及的超声无损检测的方法进行说明。
本发明的超声换能器31固定在水槽4中,机械手21夹持航空发动机叶片(被测件)相对超声换能器31在空间中按照预先规划轨迹进行扫查运动,以实现对叶片缺陷的自动化检测。
采用机械手21夹持叶片,而超声换能器31固定在水槽4中的方式,减少了机械手运动范围可能带来的空间限制,这种方法适用于各种复杂型面构件的自动化检测,扩大了检测的适用范围,检测速度更快。
本发明采用水浸式检测,即,将超声换能器31固定在水槽4的侧壁,水槽4中收容有水,机械手21夹持叶片按照规划的扫查路径在水槽4中相对超声换能器31匀速运动,保证扫查过程中超声换能器31垂直于叶片的被测表面且水声程距离保持恒定,采用超声C扫查方法检测被测面内部裂纹、气孔和夹渣等缺陷。检测信号经数据处理后可在计算机上实时显示。
如图2所示,将叶片通过卡盘连接到机械手21上,机械手21的末端气动手爪以特定姿态夹持航空发动机叶片的榫头A以保证叶片被测面法向始终与超声换能器31的声束轴线方向保持一致,机械手21的姿态由预先规划的轨迹路径离散点位姿来确定。机械手21夹持叶片使叶片进入水槽4中,并移动到超声换能器31所发射超声波的聚焦区域,利用位置固定的超声换能器31对叶片缺陷进行检测。
测量过程中超声换能器31固定在水槽4的侧壁,机械手21夹持叶片沿预先规划的扫查轨迹运动,如图3所示。保持被测点的外表面法线方向与超声换能器31的声束轴线方向一致,整个检测过程都在水耦合状态下进行。当完成一个被测面的缺陷检测之后,机械手21夹持叶片旋转一个角度,准确移动到下一个被测面轨迹点起始处,进行下一个被测面的缺陷检测,以此类推。
由于被测件运动过程中位姿不断调整,超声波在被测表面传播时间应尽量少,本发明采用脉冲反射法对被测件缺陷进行超声检测。脉冲反射法超声检测要求检测过程中一方面要保证超声换能器31与叶片表面等距即水声程,另一方面要保证在各个扫查点位置超声换能器31的声束轴线与叶片的轨迹离散点表面法线方向一致。
检测过程中,超声换能器31采集叶片表层及内部缺陷的超声反射波,将信号送至工控机1进行处理后以图像的形式显示叶片缺陷的超声C扫查结果。结合超声换能器与被测面的水声程即可以分析得到缺陷的类型、大小、深度等信息。在对扫查图像进行分析时,由缺陷在时间轴上的位置即可确定其在叶片中的深度位置,而缺陷的大小则可以由缺陷回波高度来表征,当有缺陷时底波高度下降。
检测时机械手21夹持被测件相对超声换能器31的运动速度恒定,且机械手21运动时的位置信号和检测信号应同步采集,减少检测信号采集过程中可能出现的误差,保证检测结果的精度和机构可靠性。
对本发明的具体实施例进行详细说明如下。
机械手21的轨迹规划方法:1、获取叶片的CAD/数学特征模型;2、CAM软件仿真模拟获取叶片的被测表面的扫查轨迹离散点;3、MATLAB软件构建离散点位姿矩阵并对其进行坐标变换,获取适用于机械手21的扫查点位姿信息;4、将获取的扫查点数据输入机械手控制机器22,控制机械手21沿预定轨迹运动。
叶片轨迹规划的实施方式:复杂型面构件的扫查运动主要是借助机械手21完成,鉴于叶片结构的复杂性以及被测表面曲率变化范围较大的特点,为保证检测结果的精确性,本发明从叶片的CAD/数学模型文件中提取特征信息以进行扫查路径的规划。即依据加工过程中的刀轨控制点信息生成叶片扫查路径的轨迹点位姿,并将扫查轨迹位姿参数信息传给机械手控制器22,控制机械手21严格按照规划的轨迹路径运动。
按照轨迹规划的方法,在叶片CAD模型已知的条件下,利用CAM软件模拟仿真叶片表面在制造过程中的刀轨路径,在后处理器中获得被测表面规划路径的各离散点位姿参数,用向量P=[X,Y,Z,nx,ny,nz]表示离散点的位置坐标和法向矢量在工件坐标系下的表征(法向量的方向余弦)。
根据机器人学相关原理,机械手21所能识别的是[X,Y,Z,rx,ry,rz]的运动参数,其中[X,Y,Z]代表机械手21末端关节中心的位置信息(工具坐标系原点位置),而[rx,ry,rz]表示末端关节相对于机械手21世界坐标系的三个坐标轴的旋转角度,rx是相对机械手世界坐标系x轴的旋转角度,ry是相对机械手21世界坐标系y轴的旋转角度,rz是相对机械手21世界坐标系z轴的旋转角度。为实现对机械手21的运动控制,需要将轨迹规划获得的刀轨路径点坐标(x,y,z,nx,ny,nz)转换成为(x,y,z,rx,ry,rz)形式。
检测过程中,将机械手21的末端工具坐标系加上刀具补偿值,以使其坐标系位姿与工件坐标系的位姿相重合,以坐标系{A}来表示,超声换能器31所在的坐标系为{C}。假设在每一规划的路径轨迹点上都设有一个辅助坐标系{B},则机械手21的运动过程为:从超声换能器31声束轴线所在的坐标系{C}转换为工具坐标系姿态{A},即求解出位姿变换矩阵
假设机械手21的末端关节手腕初始位姿为[x,y,z,ψx,ψy,ψz],其中,x,y,z为离散点的位置坐标,ψx,ψy,ψz为离散点{B}单位法向矢量在{A}坐标系中的表征,即AZB。
根据机器人运动学的相关原理,{C}坐标系和{A}坐标系的空间坐标系转换关系可被推导
即由{C}坐标系转换为{A}坐标系的变换矩阵包括旋转矩阵和位置变换矢量BPAORG。
其中,
ζ是坐标系{B}中X轴相对于{A}坐标系的矢量表征;
是坐标系{B}中Y轴相对于{A}坐标系下的矢量表征;
ψ是坐标系{B}中Z轴相对于{A}坐标系下的矢量表征;
由于存在当{B}坐标系与{C}坐标系重合时,为一单位矩阵,当{B}坐标系与{C}坐标系的Z轴反向共线时(同样满足声束轴线与离散点法向共线的约束条件),成为如下的正交矩阵:
此时即可化简为
实际从CAM软件中获取的试件加工轨迹离散点,仅有法向矢量在工件坐标系中的表征,而构建一个位姿矩阵需要该离散点切线和法线矢量在工件坐标系中的表征,由于另一个方向可通过求解两者的点积得出。当轨迹离散点的位置坐标已知时,轨迹规划时通过相邻两离散点的矢量差近似逼近两点的切线方向,经矢量的单位化转换为参考坐标系{B}的切线矢量。
本发明验证试验采用安川DX100型六自由度机械手,各关节运动规律符合Z-Y-X欧拉角的旋转顺序,根据机器人运动学的相关原理,可知
求解上述矩阵,得到机械手21运动到规定的离散点处所需要的欧拉角为
BPAORG=-APBORG=-[X,Y,Z]
从而推算出机械手21每到达一个离散点所需的位姿矩阵和变换矩阵,并得出机械手21末端运动的欧拉角和位置参数。本例中α,β,γ分别为机械手的欧拉角rz,ry,rx。
机械手控制器22读取规划轨迹的各点位姿坐标矩阵R1×n(x,y,z,rx,ry,rz),以实现对机械手21夹持叶片扫查路径的控制。机械手控制器22在接收离散点位姿矩阵后,首先调用自身求逆运动学解的算法,得到机械手21各关节的转角值,经计算为机械手21的各关节电机的脉冲量,从而驱动机械手21沿预定轨迹完成扫查运动。
扫查结果图形实时显示的实施方式:本发明利用计算机数值计算与图形显示并行处理技术来实现对扫查结果的实时显示。依据叶片缺陷的检测数据进行图像处理,同时对被测面缺陷检测的图形进行快速动态显示,叶片缺陷在检测过程中的实时显示采用了双缓冲技术。
保证叶片数据与超声检测信号数据对应性和同步性的实施方法:在对叶片进行检测的过程中,为了有效、准确、真实地表达被检测构件即叶片的各个部位的缺陷情况,应当保证机械手21的运动位置与超声换能器31的检测信号同步采集。所采取的步骤是:当机械手21夹持叶片到达预先规划的检测点位置时,由机械手控制器22反馈给工控机1一个位置到达信号,工控机1向脉冲收发卡发送指令并产生触发电信号,同时触发超声换能器31发射和接收超声波,实现对规划的检测点同步检测,工控机1同时记录该时刻的机械手信号和超声反射脉冲信号,以保证叶片信号数据和超声检测信号数据的对应性、同步性和重复性。
本发明的超声无损检测装置的工作过程:将工控机1与机械手21通过网线连接,将在工控机1中预先规划好的机械手扫查轨迹路径信息及点位文件传输给机械手控制器22;机械手控制器22提供给机械手21各个关节的位置参数和运动参数信号;机械手21按照获取的点位信息执行空间轨迹规划运动。
超声换能器31安装在水槽4中,末端接线端与脉冲收发卡相连接,脉冲收发卡安置在工控机1的卡槽中,工控机1实时显示扫查过程中收集到的反馈信号。
利用机械手21开始检测叶片时,控制面板控制水循环机构对水槽4进行供水,为超声检测提供耦合剂,当水位上升到预定高度(在机械手21按照轨迹规划运动时,水面高于机械手夹持的叶片的待测面的上端)时停止供水。此时利用工控机1调入预先规划好的机械手扫查路径文件信息,并通过通讯网线传输给机械手控制器22,以控制机械手21夹持叶片进入水槽4,并按照规划轨迹开始扫查运动。与此同时,装于工控机1卡槽上的超声脉冲卡也开始接收工控机1的指令,在工控机1的控制下不断激励脉冲信号以激发超声换能器工作。超声换能器31发射超声波声束,对叶片表面进行超声C扫查,此时应保证超声换能器31发射的声束轴线与叶片表面法向量保持一致;并将采集到的反射信号回馈给工控机1,工控机1获取检测信号并进行数据处理,实时在屏幕上显示出扫查结果的图像。
本发明的超声检测装置信号传输过程:检测过程如附图6所示,工控机1控制着超声脉冲收发卡与数据采集卡、运动控制卡,完成超声信号的发射和采集任务的同时,也控制着机械手21的扫查轨迹运动。超声换能器31发射的超声波信号经耦合剂(水)到达被测件表层,经反射后被超声换能器31采集并反馈工控机1,工控机1对采集信号进行处理后以图像的形式显示出来。运动控制卡则接受工控机1发送的轨迹点位文件信息,经传递给机械手控制器22后,控制机械手21完成规划的扫查路径运动。
本发明的单机械手超声无损检测装置针对复杂型面构件结构的特殊性,利用六自由度机械手扫查机构2夹持叶片完成扫查运动,利用超声收发机构3及其辅助机构完成超声信号的发射和采集,利用工控机1完成检测信号的数据处理和图像显示。从而实现对被测件缺陷的自动化超声检测,并保证超声检测结果的可靠性。
本发明适用于复杂构件的超声检测方法。针对复杂构件的结构特殊性,借助机械手21结构的柔性特点和运动精度,夹持叶片相对位置固定的超声换能器31进行空间扫查运动,以保证被测表面匀速通过超声换能器31的聚焦区域,实现检测信号和叶片运动位置信号的同步采集和记录,并完成对被测面内部缺陷的自动化检测和检测结果实时显示。
本发明以航空发动机叶片为例进行了说明,但本发明也可适用于其他被测件,包括简单表面和复杂表面的构件的被测面内部缺陷的无损检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明。例如耦合剂也可以为其他试剂,选择水是因为水比较容易获取,且没有腐蚀性,其他能够起到耦合剂的作用的试剂也可。对于简单构件的被测面内部缺陷的检测,也可以不采用六自由度机械手,而选择能实现简单运动的其他夹持机构。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种单机械手超声无损检测装置,用于对被测件的内部缺陷进行检测,其特征在于,包括:
工控机(1);
机械手扫查机构(2),包括一个机械手(21)和机械手控制器(22),所述机械手(21)和机械手控制器(22)通过电源与信号集成线缆进行连接和通讯,所述机械手控制器(22)与所述工控机(1)通过网线进行连接和通讯,所述机械手(21)用于夹持被测件;
水槽(4),其内部收容作为耦合剂的水;
超声收发机构(3),包括超声换能器(31)、超声脉冲收发卡、数据采集卡,所述超声脉冲收发卡和高速采集卡装在所述工控机(1)上,由所述工控机(1)控制进行脉冲信号的收发和采集,
所述超声换能器(31)设置在所述水槽(4)中,在进行超声无损检测时,所述工控机(1)控制夹持有被测件的所述机械手(21)的运行轨迹,所述超声换能器(31)发射超声,并接收由被测件反射后的超声脉冲回波信号,将超声回波信号反馈给所述工控机(1)。
2.如权利要求1所述的单机械手超声无损检测装置,其特征在于,所述机械手(21)为关节式六自由度机械手,所述被测件能够随所述机械手(21)进行六自由度的运动。
3.一种单机械手超声无损检测方法,其特征在于,
将被测件夹持在机械手(21)的末端手腕上;
使所述机械手(21)相对于固定在水槽(4)中的超声换能器(31)进行扫查轨迹运动;
所述机械手(21)的位置数据和由被测件反射的超声信号反馈给工控机(1);
所述工控机(1)对上述数据和信号进行处理,获取所述被测件的内部缺陷信息。
4.如权利要求3所述的单机械手超声无损检测方法,其特征在于,依据被测件的数学模型或CAD数据,对被测件扫查路径的轨迹进行规划。
5.如权利要求3所述的单机械手超声无损检测方法,其特征在于,在所述机械手(21)进行扫查轨迹运动时,调整所述机械手(21)的轨迹路径离散点的位姿,使所述超声换能器(31)到被测件表面的距离恒定,且所述超声换能器(31)的声束轴线与被测点法线矢量方向一致。
6.如权利要求3所述的单机械手超声无损检测方法,其特征在于,所述机械手(21)与所述超声换能器(31)的相对位置关系通过定义所述超声换能器(31)所在的坐标系相对于所述机械手(21)的世界坐标系来确定,
通过对机械手(21)末端工具坐标系与所述超声换能器(31)所在坐标系的位置找正确定轨迹路径的各离散点及坐标系原点在所述机械手(21)的世界坐标系中的位置。
7.如权利要求3所述的单机械手超声无损检测方法,其特征在于,当所述机械手(21)夹持所述被测件到达预先规划的检测点位置时,由机械手运动控制器(22)反馈当前位置信号,工控机(1)接收位置信号的同时向脉冲收发卡发送指令,产生触发电信号激励超声换能器(31),同时触发超声波的发射和接收,并将经被测件反射后的超声脉冲回波信号反馈给所述工控机(1),所述工控机(1)记录下所述机械手(21)的位置信息及超声脉冲回波信号幅值特性,实现对规划的检测点同步检测。
8.如权利要求3所述的单机械手超声无损检测方法,其特征在于,检测时所述机械手(21)夹持所述被测件相对所述超声换能器(31)的运动速度恒定。
9.如权利要求3所述的单机械手超声无损检测方法,其特征在于,所述机械手(21)为关节式六自由度机械手,所述被测件能够随所述机械手(21)进行六自由度的运动。
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