CN108318581B - 一种不用装夹定位的圆弧面工件超声波c扫描自动检测方法 - Google Patents

Abstract

一种针对圆弧面工件的超声波C扫描自动检测方法，利用6自由度工业机器人夹持超声波探头，在圆弧面待检工件不用装夹定位的情况下自动规划探头运动路径，并且能够保证检测过程中探头声束始终能垂直入射于圆弧面工件，实现各扫描点的原始A波实时采集及平面成像。具体过程：将圆弧面工件任意放置在水槽内部检测平台，通过调节机械手位姿以及工件表面的超声回波信号的高低，示教得到圆弧面工件4个关键点的笛卡尔坐标，以此自动规划出完整的探头运动路径并完成对应的超声波采集和C扫描图像。本发明无需装夹定位、且检测快速准确，能够实现针对圆弧面工件高精度、全覆盖式的超声自动检测，大幅度提高曲面跟踪的检测效率，有效避免漏检、误检的发生。

Description

一种不用装夹定位的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法

技术领域

本发明属于超声波检测技术领域，涉及一种不用装夹定位的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法。

背景技术

超声检测是无损检测领域的一个重要分支，而数字化、自动化、智能化的机器人超声检测技术可以有效解决很多人工检测带来的问题，国际上已经开始广泛采用机器人开展检测工作。

在对圆弧面工件等曲面类工件进行超声波C扫描自动检测时，常规做法需要较高精度的装夹定位，以及复杂的路径算法来实现曲面跟踪。曲面跟踪通常由机械跟踪或激光跟踪来实现，需要在超声探头前端加装一个跟随装置，这个装置在扫查过程中，先于超声探头经过工件表面，读取工件各位置点的坐标信息，反馈给计算机，然后计算机控制超声探头对工件进行检测。这种方法检测速度较快，但价格十分昂贵，检测效率也较低。另外，常规龙门架式多轴超声波C扫描自动检测系统难以实现规定空间内任意位姿的调整，且机械精度难以保证。由于曲面工件对于超声波声束具有很高的对正要求，实验发现即使探头偏离曲面工件法线方向>0.2°时，均会严重影响超声回波信号质量，甚至引起漏检、误检的问题。

经查，现有专利号为CN201710341361.6的中国专利《一种圆形焊点多向矢量线阵回转超声波检测装置及方法》，装置包括工业计算机、超声采集卡、电机控制卡和扫查器。扫查器的步进电机固定在上壳体上，步进电机的输出轴与多向矢量线阵超声波探头连接，多向矢量线阵超声波探头与下壳体之间通过轴承连接以保障其运动的平稳性；延迟块位于多向矢量线阵超声波探头的下方，通过拧紧螺母固定在下壳体上，拧紧螺母与下壳体连接。该方法是将多向矢量线阵超声波探头与旋转电机集成在一起，通过机械扫查和电子扫查相结合，实现圆形焊点内部连接状态的超声波成像，但是其检测时对于圆弧面工件还是需要装夹定位，检测效率还不够理想，成本也较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不用装夹定位的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法，具有检测快速方便的特点，能够实现针对圆弧面工件高精度、全覆盖式的超声自动检测，大幅度提高曲面跟踪的检测效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种不用装夹定位的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法，其特征在于：利用一台7自由度超声自动检测系统进行检测，包括以下步骤：

一、将圆弧面工件任意放置在水槽内部的检测平台上，并由6自由度工业机器人示教圆弧面工件几何模型的4个关键点位，4个关键点位为圆弧面工件的左端面圆弧的起点P₀、终点P₂、弧顶位置P₁以及右端面弧顶位置P₃；

二、通过3点确定一个平面以及空间3点确定一个圆，求得左端面3点P₀、P₂、P₁确定的平面方程，左端面圆的圆心坐标值、半径以及空间圆的参数方程；

三、通过示教得到的圆弧面工件关键4点坐标，规划弓字形C扫描时探头的运动路径；

四、规划好弓字形运动路径之后，实时采集原始超声回波，绘制平面C扫描成像图，确定行、列数，将超声信号值赋予C扫描图像中对应像素点的颜色特征值。

作为改进，所述7自由度超声自动检测系统包括6自由度工业机器人、机器人控制器、水槽、独立转盘、直流伺服电机、伺服驱动器、超声波探头、信号发生/接收器和工控机，6自由度工业机器人通过线缆连接机器人控制器，机器人控制器连接工控机，工控机中装载有数据采集卡和运动控制卡，使6自由度工业机器人手臂上的超声波探头经过信号发生/接受器连接数据采集卡，运动控制卡经过伺服驱动器连接直流伺服电机，直流伺服电机驱动独立转盘，独立转盘顶面就是检测平台，伺服驱动器和数据采集卡、信号发生/接受器之间分别是触发连接，超声波探头和信号发生/接受器之间是触发连接，水槽套在独立转盘和工件外面，检测过程中始终保证超声波探头的轴线与工件表面垂直。

作为改进，所述步骤一的4个关键点位的具体示教过程为：

1)示教P₁点坐标(x₁,y₁,z₁)：机器人夹持超声波探头进行位姿调整，并通过查看水-工件界面的超声回波信号来示教其笛卡尔坐标值；

2)示教P₀(x₀,y₀,z₀)、P₂(x₂,y₂,z₂)点坐标

将机器人移动到左端面圆弧的起点与终点，示教得到P₀(x₀,y₀,z₀)与P₂(x₂,y₂,z₂)点的笛卡尔坐标值；

3)示教P₃坐标

移动探头回到P₀点位置，保持Z轴及方向不变，将探头定位到右端面弧顶位置，即为P₃(x₃,y₃,z₃)点笛卡尔坐标值。

再改进，所述步骤二的具体过程为：

通过上述左端面圆弧上3点的坐标值P₀(x₀,y₀,z₀)，P₁(x₁,y₁,z₁)，P₂(x₂,y₂,z₂)，确定该空间圆的圆心坐标C(x_c,y_c,z_c)、半径

以及圆的参数方程

其中

表示该平面内相互垂直且又同时垂直于法向量

的任意两个单位向量。

再改进，所述步骤三的规划运动路径的具体步骤为：

a)根据示教得到的2点P₀(x₀,y₀,z₀)和P₂(x₂,y₂,z₂)，以及圆心C(x_c,y_c,z_c)，向量

与向量

的夹角即为圆弧的圆心角α：

则端面弧长l为l＝αR

假设C扫描准备阶段由用户设置的扫描步距为Δx(mm)，则C扫描弓字形运动的总行数n为：

b)第1行起点P₁₀(x₁₀,y₁₀,z₁₀)为：P₁₀(x₁₀,y₁₀,z₁₀)＝P₀(x₀,y₀,z₀)，

行终点P₂₀(x₂₀,y₂₀,z₂₀)的坐标可由线段P₁₀P₂₀与弧顶线段P₁P₃平行关系得：

由于弓字形扫描路径的特点，第2行路径的起、止点与第0行的起、止点相反，分别在右端面和左端面，则根据圆参数方程、圆心角α以及扫描步距可计算得到第2行终点P₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)的坐标值，由于左端面起点P₀的参数

则P₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)的坐标值为：

同理，第2行起点P₂₁(x₂₁,y₂₁,z₂₁)可由线段P₁₁P₂₁与弧顶线段P₁P₃平行关系得：

以此类推，弓字型扫描的第i行路径中，其两端点P_1i、P_2i的笛卡尔坐标值分别为

c)计算左端面任意一点P_1i的方向向量：

在端点P_1i处假设切向量为

和法向量为

另外P₀、P₁、P₂所在平面的法向量为

现已求得P₀、P₁、P₂三点所确定平面的方程为A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0，则该平面的法向量

为：

根据得到的圆参数方程，则圆弧上任意一点P_1i的切向量

为：

此时，P_1i点的法向量

即为

和

的叉乘：

在求得左端面任意一点P_1i的法向量为

之后，弓字型路径中需要探头保持同样的姿态走完每一行，因此同一行中右端点P_2i的法向量也为

进一步，所述步骤四的采集原始超声回波与绘制平面C扫描成像图的具体过程为：规划好弓字形C扫描路径之后，超声波探头在6自由度机器人的夹持下沿路径运动，完成对应的超声波采集和C扫描图像，成像时，每一个小像素边长所对应的实际长度既等于扫描步距Δx，也等于两行中间所步进的弧长l：l＝Δx

此时，弓字形C扫描总行数n由由弧长和扫描步距可得，总列数m则由圆弧面工件总长|P₁P₃|与扫描步距Δx决定：

成像时调取对应扫描点(i,j)的原始超声回波，取闸门内信号幅值η(i,j)作为该像素点(i,j)成像时的特征值v(i,j)，即得到圆弧面工件的C扫描成像图，该图像在几何模型上即为圆弧面工件的曲面平铺图。

最后，所述步骤四中将超声信号值赋予C扫描图像中对应像素点的颜色特征值是指：根据调色板功能把不同区间的信号特征值对应成不同的颜色，从C扫描成像图上就可判别工件内部是否存在缺陷。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用6自由度工业机器人来实现探头的夹持以及曲面跟踪，其灵活的关节转动可到达规定空间内的任意位姿，并且具有较高的机械精度；通过对圆弧面工件的4个关键点进行示教，规划扫描路径，从而控制超声探头对圆弧面工件曲面进行自动扫描检测。本发明无需装夹定位、且检测快速准确，能够实现针对圆弧面工件高精度、全覆盖式的超声自动检测，大幅度提高曲面跟踪的检测效率，有效避免漏检、误检的发生。

附图说明

图1为本发明所提供的检测系统的结构原理图；

图2为本发明所需要示教的圆弧面工件4个关键点的结构示意图；

图3(a)～图3(b)为本发明圆弧面工件C扫描路径的规划示意图；

图4为本发明路径规划时各端点方向示意图；

图5(a)～图5(b)为本发明信号采集及扫描成像示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～5所示，一种不用装夹定位的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法，利用一台7自由度超声自动检测系统进行检测，检测系统的结构如图1所示，包括6自由度工业机器人、机器人控制器、水槽、独立转盘、直流伺服电机、伺服驱动器、超声波探头、信号发生/接收器和工控机以及配套线缆等，检测过程中始终保证超声探头的轴线与工件表面垂直；具体结构是6自由度工业机器人通过线缆连接机器人控制器，机器人控制器连接工控机，工控机中装载有数据采集卡和运动控制卡，使6自由度工业机器人手臂上的超声波探头经过信号发生/接受器连接数据采集卡，运动控制卡经过伺服驱动器连接直流伺服电机，直流伺服电机驱动独立转盘，独立转盘顶面就是检测平台，伺服驱动器和数据采集卡、信号发生/接受器之间分别是触发连接，超声波探头和信号发生/接受器之间是触发连接，水槽套在独立转盘和工件外面，检测过程中始终保证超声波探头的轴线与工件表面垂直。

具体操作步骤：

一、将圆弧面工件任意放置在水槽内部的检测平台上，并由6自由度工业机器人示教圆弧面工件几何模型的4个关键点位，如图2所示，4个关键点位为圆弧面工件的左端面圆弧的起点P₀、终点P₂、弧顶位置P₁以及右端面弧顶位置P₃；

1、示教P₁点坐标(x₁,y₁,z₁)

机器人夹持超声波探头进行位姿调整，并通过查看水-工件界面的超声回波信号来示教其笛卡尔坐标值。由于P₁是左端面弧顶位置，因此只需要保证探头沿机器人世界坐标系Z轴向下的方向，调整探头X、Y、Z值，使得界面波峰值达到最高，并通过半波法调整探头移动到工件圆弧左端面，此时机器人末端执行器所示教的位姿即为P₁点笛卡尔坐标值。

2、示教P₀(x₀,y₀,z₀)、P₂(x₂,y₂,z₂)点坐标

同理，将机器人移动到左端面圆弧的起点与终点，示教得到P₀(x₀,y₀,z₀)与P₂(x₂,y₂,z₂)点的笛卡尔坐标值。

3、示教P₃坐标

移动探头回到P₀点位置，保持Z轴及方向不变，将探头定位到右端面弧顶位置，即为P₃(x₃,y₃,z₃)点笛卡尔坐标值。

二、通过3点确定一个平面以及空间3点确定一个圆，求得左端面3点P₀、P₂、P₁确定的平面方程，左端面圆的圆心坐标值、半径以及空间圆的参数方程；

通过前两步得到了左端面圆弧上3点的坐标值P₀(x₀,y₀,z₀)，P₁(x₁,y₁,z₁)，P₂(x₂,y₂,z₂)，由于空间3点即可确定一个空间圆，因此可通过这3个点来确定该空间圆的圆心坐标、半径，以及圆的参数方程。

假设圆心坐标为C(x_c,y_c,z_c)，半径为r。则空间3点P₀、P₁、P₂可以确定一个平面，该平面方程为：

由于圆心C也属于该平面，则有：

A₁x_c+B₁y_c+C₁z_c+D₁＝0 (2)

另外，P₀(x₀,y₀,z₀)，P₁(x₁,y₁,z₁)，P₂(x₂,y₂,z₂)3点均在同一个圆上，则有：

由(3)＝(4)得

A₂x_c+B₂y_c+C₂z_c+D₂＝0 (6)

由(3)＝(5)得

A₃x_c+B₃y_c+C₃z_c+D₃＝0 (7)

联立(2)、(6)、(7)可得：

由式(8)可解得圆心坐标为：

则半径为：

最终，得到圆的参数方程为：

其中

表示该平面内相互垂直且又同时垂直于法向量

的任意两个单位向量。

三、通过示教得到的圆弧面工件关键4点坐标，规划弓字形C扫描时探头的运动路径；

如图3所示，根据示教得到的2点P₀(x₀,y₀,z₀)和P₂(x₂,y₂,z₂)，以及圆心C(x_c,y_c,z_c)，向量

与向量

的夹角即为圆弧的圆心角α：

则端面弧长l为

l＝αR (13)

假设C扫描准备阶段由用户设置的扫描步距为Δx(mm)，则C扫描弓字形运动的总行数n为：

此时，圆弧面C扫描路径如图3所示，工字型扫描路径中每一行两端点笛卡尔坐标值计算结果下所示。

第1行起点P₁₀(x₁₀,y₁₀,z₁₀)为：

P₁₀(x₁₀,y₁₀,z₁₀)＝P₀(x₀,y₀,z₀) (15)

第1行终点P₂₀(x₂₀,y₂₀,z₂₀)的坐标可由线段P₁₀P₂₀与弧顶线段P₁P₃平行关系得：

由于弓字形扫描路径的特点，第2行路径的起、止点与第0行的起、止点相反，分别在右端面和左端面，则根据式(11)的圆参数方程、圆心角α以及扫描步距可计算得到第2行终点P₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)的坐标值，由于左端面起点P₀的参数

则P₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)的坐标值为：

同理，第2行起点P₂₁(x₂₁,y₂₁,z₂₁)可由线段P₁₁P₂₁与弧顶线段P₁P₃平行关系得：

以此类推，弓字形扫描的第i行路径中，其两端点P_1i、P_2i坐标值分别为：

此时，已求得弓字形扫描路径中所有行两端点的笛卡尔坐标值，下面计算左端面任意一点P_1i的方向向量：

如图4所示，在端点P_1i处假设切向量为

和法向量为

另外P₀、P₁、P₂所在平面的法向量为

现已求得P₀、P₁、P₂三点所确定平面的方程为A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0，则该平面的法向量

为：

根据式(1)得到的圆参数方程，则圆弧上任意一点P_1i的切向量

为：

此时，P_1i点的法向量

即为

和

的叉乘：

在求得左端面任意一点P_1i的法向量为

之后，弓字形路径中需要探头保持同样的姿态走完每一行，因此同一行中右端点P_2i的法向量也为

至此，圆弧面工件的弓字形C扫描路径中所有行两端点的笛卡尔坐标值、姿态方向均已求得。

四、规划好弓字形运动路径之后，实时采集原始超声回波，绘制平面C扫描成像图，确定行、列数，将超声信号值赋予C扫描图像中对应像素点的颜色特征值：

如图5所示，规划好弓字形C扫描路径之后，探头需要在机器人的夹持下沿路径运动，并每间隔1个扫描步距Δx采集一次原始超声回波。成像时，每一个小像素边长所对应的实际长度既等于扫描步距Δx，也等于两行中间所步进的弧长l：

l＝Δx (24)

此时，弓字形C扫描总行数n由式(14)可得，总列数m则由圆弧面工件总长|P₁P₃|与扫描步距Δx决定：

成像时调取对应扫描点(i,j)的原始超声回波，取闸门内信号幅值η(i,j)作为该像素点(i,j)成像时的特征值v(i,j)。

这样，得到了圆弧面工件的C扫描成像图，该图像在几何模型上即为圆弧面工件的曲面平铺图。用户可根据调色板功能把不同区间的信号特征值对应成不同的颜色，工件内部是否存在缺陷即可清晰判别。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种不用装夹定位的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法，其特征在于：利用一台7自由度超声自动检测系统进行检测，包括以下步骤：

一、将圆弧面工件任意放置在水槽内部的检测平台上，并由6自由度工业机器人示教圆弧面工件几何模型的4个关键点位，4个关键点位为圆弧面工件的左端面圆弧的起点P₀、终点P₂、弧顶位置P₁以及右端面弧顶位置P₃；

二、通过3点确定一个平面以及空间3点确定一个圆，求得左端面3点P₀、P₂、P₁确定的平面方程，左端面圆的圆心坐标值、半径以及空间圆的参数方程；

三、通过示教得到的圆弧面工件关键4点坐标，规划弓字形C扫描时探头的运动路径；

四、规划好弓字形运动路径之后，实时采集原始超声回波，绘制平面C扫描成像图，确定行、列数，将超声信号值赋予C扫描图像中对应像素点的颜色特征值；

所述步骤一的4个关键点位的具体示教过程为：

1)示教P₁点坐标(x₁,y₁,z₁)：机器人夹持超声波探头进行位姿调整，并通过查看水-工件界面的超声回波信号来示教其笛卡尔坐标值；

2)示教P₀(x₀,y₀,z₀)、P₂(x₂,y₂,z₂)点坐标

将机器人移动到左端面圆弧的起点与终点，示教得到P₀(x₀,y₀,z₀)与P₂(x₂,y₂,z₂)点的笛卡尔坐标值；

3)示教P₃坐标

移动探头回到P₀点位置，保持Z轴及方向不变，将探头定位到右端面弧顶位置，即为P₃(x₃,y₃,z₃)点笛卡尔坐标值；

所述步骤二的具体过程为：

通过上述左端面圆弧上3点的坐标值P₀(x₀,y₀,z₀)，P₁(x₁,y₁,z₁)，P₂(x₂,y₂,z₂)，确定该空间圆的圆心坐标C(x_c,y_c,z_c)、半径

以及圆的参数方程

其中

表示该平面内相互垂直且又同时垂直于法向量

的任意两个单位向量；

所述步骤三的规划运动路径的具体步骤为：

a)根据示教得到的2点P₀(x₀,y₀,z₀)和P₂(x₂,y₂,z₂)，以及圆心C(x_c,y_c,z_c)，向量

与向量

的夹角即为圆弧的圆心角α：

则端面弧长l为l＝αR

假设C扫描准备阶段由用户设置的扫描步距为△x(mm)，则C扫描弓字形运动的总行数n为：

b)第1行起点P₁₀(x₁₀,y₁₀,z₁₀)为：P₁₀(x₁₀,y₁₀,z₁₀)＝P₀(x₀,y₀,z₀)，

行终点P₂₀(x₂₀,y₂₀,z₂₀)的坐标可由线段P₁₀ P₂₀与弧顶线段P₁ P₃平行关系得：

由于弓字形扫描路径的特点，第2行路径的起、止点与第0行的起、止点相反，分别在右端面和左端面，则根据圆参数方程、圆心角α以及扫描步距可计算得到第2行终点P₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)的坐标值，由于左端面起点P₀的参数

则P₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)的坐标值为：

同理，第2行起点P₂₁(x₂₁,y₂₁,z₂₁)可由线段P₁₁ P₂₁与弧顶线段P₁ P₃平行关系得：

以此类推，弓字型扫描的第i行路径中，其两端点P_1i、P_2i的笛卡尔坐标值分别为

c)计算左端面任意一点P_1i的方向向量：

在端点P_1i处假设切向量为

和法向量为

另外P₀、P₁、P₂所在平面的法向量为

现已求得P₀、P₁、P₂三点所确定平面的方程为A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0，则该平面的法向量

为：

根据得到的圆参数方程，则圆弧上任意一点P_1i的切向量

为：

此时，P_1i点的法向量

即为

和

的叉乘：

在求得左端面任意一点P_1i的法向量为

之后，弓字型路径中需要探头保持同样的姿态走完每一行，因此同一行中右端点P_2i的法向量也为

所述步骤四的采集原始超声回波与绘制平面C扫描成像图的具体过程为：规划好弓字形C扫描路径之后，超声波探头在6自由度机器人的夹持下沿路径运动，完成对应的超声波采集和C扫描图像，成像时，每一个小像素边长所对应的实际长度既等于扫描步距△x，也等于两行中间所步进的弧长l：l＝△x

此时，弓字形C扫描总行数n由由弧长和扫描步距可得，总列数m则由圆弧面工件总长|P₁P₃|与扫描步距△x决定：

成像时调取对应扫描点(i,j)的原始超声回波，取闸门内信号幅值η(i,j)作为该像素点(i,j)成像时的特征值v(i,j)，即得到圆弧面工件的C扫描成像图，该图像在几何模型上即为圆弧面工件的曲面平铺图。

2.根据权利要求1所述的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法，其特征在于：所述7自由度超声自动检测系统包括6自由度工业机器人、机器人控制器、水槽、独立转盘、直流伺服电机、伺服驱动器、超声波探头、信号发生/接收器和工控机，6自由度工业机器人通过线缆连接机器人控制器，机器人控制器连接工控机，工控机中装载有数据采集卡和运动控制卡，使6自由度工业机器人手臂上的超声波探头经过信号发生/接受器连接数据采集卡，运动控制卡经过伺服驱动器连接直流伺服电机，直流伺服电机驱动独立转盘，独立转盘顶面就是检测平台，伺服驱动器和数据采集卡、信号发生/接受器之间分别是触发连接，超声波探头和信号发生/接受器之间是触发连接，水槽套在独立转盘和工件外面，检测过程中始终保证超声波探头的轴线与工件表面垂直。

3.根据权利要求1所述的圆弧面工件超声波C扫描自动检测方法，其特征在于：所述步骤四中将超声信号值赋予C扫描图像中对应像素点的颜色特征值是指：根据调色板功能把不同区间的信号特征值对应成不同的颜色，从C扫描成像图上就可判别工件内部是否存在缺陷。

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