CN106290582B - 一种考虑工件偏心装夹误差的超声c扫描路径校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在采用超声纵波垂直入射回转体工件检测内部缺陷时，回转体工件中心与转盘旋转轴产生装夹偏心的情况下，对超声C扫描路径进行校正补偿的方法。首先通过固定的超声探头来测出工件的实际偏离量，然后计算出工件坐标系到世界坐标系的路径变换矩阵，将工件在工件坐标系下的扫描目标路径经过矩阵变换计算得到探头在世界坐标系下的运动路径。

Description

一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法

技术领域

本发明涉及一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法

背景技术

超声检测是一种应用广泛的无损检测方法，其中采用纵波垂直入射的超声C型扫描是通过放置水中的超声探头根据被测对象的形状按照一定的路径进行扫描，可以快速，有效，直观地检测出被测对象内部某一深度的缺陷图像，因此成为工业上常用的零部件内部缺陷检测方法。

采用超声C扫描检测回转体零部件时，通常使用转盘装夹工件，三坐标运动仪或机械手夹持探头，利用转盘，三坐标运动仪以及机械手的复合运动路径进行扫描。在装夹工件方面，由于三爪卡盘装夹工件具有装夹方便，自动定心等优点，通常采用三爪卡盘装夹回转体工件。但是随着使用时间的增长，三爪卡盘往往会失去原本的精度，三爪卡盘前端会出现严重的磨损，而后端磨损较轻，另一方面由于长时间在水中作业造成三爪卡盘生锈，导致在装夹工件时，前后端受力不均匀，使工件装夹不稳，被测工件装夹时往往出现倾斜或偏心等问题，降低了装夹精度。

当三爪卡盘自动对心精度降低，回转体工件产生偏心装夹误差，在没有对路径进行矫正的情况下，按照原扫描路径检测，一方面会由于装夹不正确导致工件部分区域扫描不到，形成扫描盲区，一方面会造成超声波倾斜入射零部件，会使部分超声波发生波型转换，造成缺陷的误检，另一部分超声波发生折射现象，降低了进入回转体工件内部的超声波能量，进而减弱缺陷波反射信号，因此折射现象会导致对缺陷的漏检，以及影响缺陷的定量分析。可见，回转体工件的装夹误差对超声C扫描带来巨大影响。

目前，在超声检测方面关于三爪卡盘定心误差消除的研究，在工业上通常加工铸铁套圈，让工件套在套圈里，用卡盘夹紧套圈，以消除定心误差带来的影响，但是铸铁套圈加工精度高，使用不方便，且会导致超声检测路径无法全面覆盖工件；青岛科技大学卢学玉等人设计了一种分体式三爪卡盘，能够及时更换磨损的卡爪，重新组装，有效延长了三爪卡盘的使用时间，但分体式三爪卡盘制造难度大，增加了制造成本；爱荷华大学研究了关于主轴方向对主瓣与旁瓣的影响，为倾斜入射信号补偿提供理论依据，能够在产生装夹误差的情况下，对超声信号进行补偿，一定程度上弥补了由于装夹误差带来的缺陷漏检与误检，但该方法的针对性较强，不同的材料前期需要做大量的工作；浙江大学张杨提出通过曲面重构与仿形测量技术，结合CAD模型信息对工件重定位方法，对探头的入射方向进行矫正，能够准确矫正探头的入射方向，但是由于过程繁琐，且无法避免因装夹误差带来的扫描盲区。

基于上述现状，本发明了一种超声检测过程中装夹偏心下的扫描路径校正补偿算法，利用超声表面波测距的方法有效识别出装夹偏心误差的偏移量，根据路径规划与自动校正算法，实现对工件装夹误差的路径矫正，有效抑制了由于装夹偏心带来的缺陷漏检与误检。

发明内容

为了解决目前工件出现装夹误差而导致检测精度下降的技术问题，本发明的技术方案是，

一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法，包括以下步骤：

步骤1：固定超声探头，旋转工件，通过分析水声距的变化情况，计算工件的实际偏离量；

步骤2：根据实际偏离量，分别在世界坐标系、夹具坐标系以及工件坐标系下，推导探头、夹具及工件在其对应坐标系下的运动轨迹，建立偏心误差修正的运动学模型；

步骤3：根据偏心误差修正的运动学模型，计算工件坐标系到世界坐标系的路径变换矩阵，最后将工件在工件坐标系下的扫描目标路径经过矩阵变换计算得到探头在世界坐标系下的运动路径。

所述的一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法，步骤1中工件的实际偏离量通过以下步骤计算：

以固定工件的转盘中心为坐标原点O，r、表征管状工件的偏移量和初相角，初始位置时工件中心为(x₀,y₀)，超声探头晶片中心固定在T(x_T,0)位置，l_w为水声距，当管状工件随转盘以ω匀速转动，工件中心(x₀(0),y₀(0))形成一个动态圆，圆心表达式为：

动态圆与X轴交点P(x_P,0)的横坐标x_P的表达式为：

水声距l_w与P点横坐标的关系式为：

l_w＝x_T-x_P

故得到：

然后根据实际测量的水声距l_w值，得到l_w-t曲线，与偏心识别模型进行最小二乘法拟合，得到偏心表征量r、

所述的一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法，步骤2中世界坐标系O₁的原点位于整个系统的中心固定不变，坐标系O₁原点位于转盘卡爪中心位置，Z₁轴为垂直向上的方向，Y₁轴为探头中心轴由Z轴指向探头的方向；

夹具坐标系O₂的原点位于装夹工具的中心，初始位置与坐标系O₁重合，若装夹工具静止，则坐标系O₂与坐标系O₁重合，若装夹工具旋转，则坐标系O₂随着装夹工具的旋转或平移而运动；

工件坐标系O₃的原点位于工件的中心，与坐标系O₂的相对位置固定不变，偏心装夹时与坐标系O₂的相对位置为(Δx，Δy，0)^T。

所述的一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法，步骤3中，探头在世界坐标系下的运动路径通过以下步骤计算，其中ⁱA_j表示坐标系j到坐标系i的位置变换矩阵，ⁱB_j表示坐标系j到坐标系i的方向变换矩阵：

因此

其中，t为扫描时间，ω为三爪卡盘旋转角速度，(Δx，Δy，Δz)为工件中心与坐标系O₂的相对位置，工件在工件坐标系下的扫描目标路径为：

探头在世界坐标系下校正后的运动路径为：

探头在世界坐标系下的运动方向通过以下步骤计算：

其中，t为扫描时间，ω为三爪卡盘旋转角速度，工件在工件坐标系下的探头的方向变化为：

探头在世界坐标系下的方向变化为：

本发明的技术效果在于，通过超声波检测定量识别出零部件装夹不当造成的偏心误差的偏移量，根据发明的路径规划与自动校正算法，实现对工件装夹误差的路径矫正，使超声探头在工件上的检测路径按照原规划路径进行，从而实现对零部件的全覆盖扫查，另一方面，通过对路径进行矫正，使超声波垂直入射工件，提高进入零部件内部的超声波能量，提高缺陷检测能力，对复杂型面工件超声自动检测的精度和效率的提高具有重要意义。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图说明

图1为本发明管状体装夹偏心示意图；

图2为本发明探头的运动情况示意图，其中a为正视图，b为侧视图，c为俯视图，d为等轴测视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本具体实施方式以圆柱体工件扫描为例，本发明首先将管状工件固定于装满水的水槽内，用超声脉冲发生/接收器(又称超声仪)激励超声纵波探头，把超声纵波探头通过探头架夹持于基于史陶比尔TX60L机械手的7自由度水浸超声检测运动平台，通过计算机上安装的运动控制卡连接控制电路来控制运动平台的运动，调整超声纵波探头在水槽中的位姿，并用计算机上的高速数据采集卡获取并存储超声仪输出的原始超声A波信号，最后通过对比扫描结果说明本发明的有效性。

管状工件在超声检测时，存在装夹偏心误差的示意图如图1所示。其中，坐标原点O表示转盘中心，r、表征管状工件的偏移量和初相角，初始位置时工件中心为(x₀,y₀)，超声探头晶片中心固定在T(x_T,0)位置，l_w为水声距。

当管状工件随转盘以ω匀速转动，超声探头保持固定，利用超声波测距原理实时测量各圆周点水声距l_w的值，即始发波至表面波的距离。工件中心(x₀(0),y₀(0))由于偏移量的存在绕转盘中心转动，转动过程中工件形成一个动态圆，其圆心表达式为：

动态圆与X轴交点P(x_P,0)的横坐标也会随时间变动，其表达式为：

水声距l_w与P点横坐标的关系式为：

l_w＝x_T-x_P (4)

将式(1)，式(2)和式(3)代入式(4)，得：

因此，为测得管状工件的实际偏离量，可固定超声探头不动，转动工件测出一系列圆周点的水声距l_w值，得到l_w-t曲线，与偏心识别模型式(5)进行最小二乘法拟合，可得到偏心表征量r、

工件装夹误差的超声C扫描路径校正方法需要在整个扫描工件体统上定义3个参考坐标系，即世界坐标系，夹具坐标系，工件坐标系，分别表示探头的运动，夹具的运动以及工件的运动，如图1所示。根据实际夹具的运动情况以及工件装夹情况，计算出工件坐标系到世界坐标系的路径变换矩阵¹A₃，由于只矫正偏心误差，探头扫描方向不受平移影响，不需要对探头方向进行矫正，根据式(1)，将工件在工件坐标系下的扫描目标路径(x,y,z)_P ^T经过矩阵变换计算得到探头在世界坐标系下的运动路径(x,y,z)_T ^T。

(x,y,z,1)_P ^T＝¹A₃·(x,y,z,1)_T ^T (6)

其中，ⁱA_j表示坐标系j到坐标系i的变换矩阵。

坐标系的定义如下：

(1).坐标系O₁的原点位于整个系统的中心固定不变，本例中坐标系O₁原点位于转盘卡爪中心位置，Z₁轴为垂直向上的方向，Y₁轴为探头中心轴由Z轴指向探头的方向；

(2).坐标系O₂的原点位于装夹工具的中心，初始位置与坐标系O₁重合，若装夹工具静止，则坐标系O₂与坐标系O₁重合，若装夹工具旋转，则坐标系O₂随着装夹工具的旋转或平移而运动，本例中坐标系O₂位于转盘卡爪的中心位置，以ω的角速度旋转，初始位置与坐标系O₁重合；

(3).坐标系O₃的原点位于工件的中心，与坐标系O₂的相对位置固定不变，本例中位于圆柱形工件底面圆的圆心，正确装夹时坐标系O₃与坐标系O₂完全重合；偏心装夹时与坐标系O₂的相对位置为(Δx，Δy，0)^T。

由以上坐标系的定义，可以求出：

由于方向变化不受平移影响,只受转盘转动的影响，因此

式中，c(*)＝cos(*)，s(*)＝sin(*)，t为扫描时间，ω为三爪卡盘旋转角速度，(Δx，Δy，Δz)为工件中心与坐标系O₂的相对位置。

工件在工件坐标系下的扫描目标路径为：

工件在工件坐标系下的探头方向为：

由式(9)和式(10)可得，探头在世界坐标系下校正后的运动路径为：

探头在世界坐标系下的方向变化为：

以下实施例选用螺旋扫的方式对管状工件进行实验。

工件在工件坐标系下的扫描目标路径为：

工件在工件坐标系下的探头扫描方向为：

式中，R为工件底面半径，l_w为探头水声距，H为工件高度，v为探头在工件母线上的扫描速度。

由式(15)和式(16)可得，探头在世界坐标系下的运动路径为：

探头在世界坐标系下的方向为：

式中，R为工件底面半径，l_w为探头水声距，H为工件高度，v为探头在工件母线上的扫描速度。

图2为R+l_w＝100mm，v＝5mm/s，H＝400mm，ω＝1rad/s，倾斜角θ＝0°,(Δx，Δy，Δz)^T＝(1,1,0)^T时探头的运动情况，探头的方向始终沿着世界坐标系Y轴负方向。

Claims (3)

1.一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：固定超声探头，旋转工件，通过分析水声距的变化情况，计算工件的实际偏离量；

步骤2：根据实际偏离量，分别在世界坐标系、夹具坐标系以及工件坐标系下，推导探头、夹具及工件在其对应坐标系下的运动轨迹，建立偏心误差修正的运动学模型；

步骤3：根据偏心误差修正的运动学模型，计算工件坐标系到世界坐标系的路径变换矩阵，最后将工件在工件坐标系下的扫描目标路径经过矩阵变换计算得到探头在世界坐标系下的运动路径；步骤1中工件的实际偏离量通过以下步骤计算：

以固定工件的转盘中心为坐标原点O，r、表征管状工件的偏移量和初相角，初始位置时工件中心为(x₀,y₀)，超声探头晶片中心固定在T(x_T,0)位置，l_w为水声距，当管状工件随转盘以ω匀速转动，工件中心(x₀(0),y₀(0))形成一个动态圆，ω为三爪卡盘旋转角速度，圆心表达式为：

动态圆与X轴交点P(x_P,0)的横坐标x_P的表达式为：

水声距l_w与P点横坐标的关系式为：

l_w＝x_T-x_P

故得到：

然后根据实际测量的水声距l_w值，得到l_w-t曲线，与偏心识别模型进行最小二乘法拟合，得到偏心表征量r、其中t为扫描时间，R为管状工件的半径。

2.根据权利要求1所述的一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法，其特征在于，步骤2中世界坐标系O₁的原点位于整个系统的中心固定不变，坐标系O₁原点位于转盘卡爪中心位置，Z₁轴为垂直向上的方向，Y₁轴为探头中心轴由Z轴指向探头的方向；

夹具坐标系O₂的原点位于装夹工具的中心，初始位置与坐标系O₁重合，若装夹工具静止，则坐标系O₂与坐标系O₁重合，若装夹工具旋转，则坐标系O₂随着装夹工具的旋转或平移而运动；

工件坐标系O₃的原点位于工件的中心，与坐标系O₂的相对位置固定不变，偏心装夹时与坐标系O₂的相对位置为(Δx，Δy，0)^T。

3.根据权利要求2所述的一种考虑工件偏心装夹误差的超声C扫描路径校正方法，其特征在于，步骤3中，探头在世界坐标系下的运动路径通过以下步骤计算，其中ⁱA_j表示坐标系j到坐标系i的位置变换矩阵，ⁱB_j表示坐标系j到坐标系i的方向变换矩阵：

因此

其中，(Δx，Δy，0)为工件中心与坐标系O₂的相对位置，工件在工件坐标系下的扫描目标路径为：

探头在世界坐标系下校正后的运动路径为：

探头在世界坐标系下的运动方向通过以下步骤计算：

工件在工件坐标系下的探头的方向变化为：

探头在世界坐标系下的方向变化为：