CN115575503A - 一种大型构件焊接缺陷超声探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型构件焊接缺陷超声探测方法及装置，搭建柔性机器人底盘系统在大型钢制焊接构件壁面进行自主式爬行运动，基于高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术构建大视场环境下大型装备外轮廓空间位置坐标，所述机器人底盘的运动控制系统搭载空间位置坐标解算模块进行机器人空间运动路径导航，可远程数据传输的高清图像视觉系统辅助操控人员对所述机器人底盘系统行走路线进行在线监控，机器人行进到预定探测点后，安装在所述机器人底盘系统两侧的四个高刚性气缸伸出将气缸杆连接的强力吸附电磁铁贴附于所述构件壁面；本发明能够实现大型构件内部损伤焊接缺陷的快速检测，可以提升探测点定位精度，操作简单、简便可行、通用性良好。
Description
技术领域
本发明涉及分段建造的船舶等大型装备焊接缺陷的超声探测技术领域，具体说是一种大型构件焊接缺陷超声探测方法及装置。
背景技术
潜艇、航母等类型的大型舰艇重大装备正向结构整体化、零件结构大型化、制造工艺精密化方向发展。大型构件经过整体焊接工艺进行分段拼接建造是现代舰船制造的常用方式，所以对大厚超高强度钢板的多层多道焊接工艺有着极高的要求。大型装备在运行或者作战环境中往往存在强烈的流-固耦合、巨幅瞬态冲击等复杂应力应变场景，焊接后的大尺寸结构件在这些环境中承受外界复杂应变载荷条件下可能会产生外壁面轮廓形变，进而可能会导致结构内部损伤甚至疲劳断裂失效等严重后果，对装备的正常运行带来重大的风险。由于此类大型装备难以在实验室条件下进行外轮廓形变和结构内部损伤的快速检测，传统的人工探伤检测方式存在探测效率低、作业前需搭建结构复杂的脚手架等准备工作、探测过程劳动强度大且存在作业安全风险等不利因素，人工探伤作业的探测点位置也难以进行实时追踪，对大面积、复杂结构工件无法快速且精准地实现外轮廓变形风险评估和结构内部损伤探测面全局拼接及在线智能识别，成为制约大型装备维修保障速度和精度亟待解决的技术难题。
大型装备建造或者维修保障过程中检测现场需要仪器配合目标进行在线检测，会存在测量偏移、环境干扰因素多、基准缺失等不利影响，最终会带来测量精度的损失。通过复杂表面轮廓高精度三维扫描测量手段，可以快速完成大型舰艇的外轮廓三维点云重建，从而可以对船身外轮廓进行快速形面变形评估，提升对船体结构完整性检测的速度，也可以构建大场景下三维立体位置坐标模型，为检测现场在线检测仪器提供检测位置坐标导航，进而减小测量偏移、基准缺失等不利因素影响，提高仪器检测的位置一致性精度。
由于外轮廓三维扫描技术尚处在发展阶段，对于大型装备外轮廓的微形变以及内部可能存在的微裂纹难以识别。通常，大型构件分段拼接制造过程中和装备服役后的维修保障过程中，常使用超声波无损探伤技术进行焊接缝内部微裂纹等损伤进行识别和评估，但是当前的技术一般都是人工携带探伤仪进行作业，对作业人员的专业程度严重依赖，很容易因为作业人员体力疲劳、视觉盲区等因素导致焊接缺陷误判、漏判等风险，全局探测对人的体能考验很大，同时人工探测也难以实现探测点实时位置追踪，探测面无法实现全局拼接。所以迫切需要针对大型构件焊接缝结构内部损伤探测的技术需求，研发自主执行式多传感融合机器人测试平台；开发多空间位置的自适应超声波损伤测试工艺和大视场环境下的探测面空间位置导航分析方法进行保障，结合激光动态导航技术实现超声损伤探测面全局拼接。最后，搭建面向大型构件的便携式超声全流程在线检测平台和内部损伤智能识别方案，实现大型装备现场保障过程的检测自动化和智能化水平，提升我国在大型装备综合维保方面的综合技术水平。总的来说，提高大型装备维修保障过程中大视场环境感知能力、快速探测能力以及探测面完整性和结构损伤评估的准确性，对大尺寸构件进行快速且精准的在线检测及风险评估，对提升我国大型装备的制造和维修保障水平具有重要的科学价值和实际工程意义。
发明内容
为了解决大型装备的大尺寸构件焊接建造和维修保障过程中实现快速、精准的结构内部全局数字化损伤检测技术难题，本发明提供了一种能够快速、便捷且成本较低的大型构件焊接缺陷超声探测方法及爬壁机器人装置。
本发明解决其技术难题所采用的技术方案如下：
一种大型构件焊接缺陷超声探测方法，基于大型构件焊接缺陷超声探测装置，包括如下步骤：
1）搭建柔性机器人底盘系统，实现在钢制焊接构件壁面进行自主式爬行运动；
2）基于高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术构建大视场环境下装备外轮廓空间位置坐标；
3）机器人底盘系统上搭载空间位置坐标解算模块进行机器人空间运动路径导航；
4）机器人行进到预定探测点后，吸附于所述钢制焊接构件壁面；
5）机器人底盘系统搭载圆盘式表面打磨机构对待检测表面进行清理和打磨作业；
6）机器人底盘系统搭载自适应超声波探测系统，对打磨后的表面进行多空间位置自适应内部损伤检测；
7）融合激光动态导航技术将大尺寸构件（如潜艇或航母等分段建造过程中需要拼装焊接的船体构件）结构内部超声探测数据进行全局拼接，从而实现大型装备（如潜艇或航母等大型船舶）表面结构内部全程数字化损伤检测。
一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，包括机器人底盘系统、护罩、工业相机、圆盘式表面打磨机构、空间位置激光追踪模块、自适应超声波探测系统、供电模块、伺服电机控制器及信息处理模块，所述圆盘式表面打磨机构、自适应超声波探测系统、供电模块、伺服电机控制器及信息处理模块分别设置在机器人底盘系统上，所述护罩罩设在机器人底盘系统上方，所述工业相机设置在护罩一端，所述空间位置激光追踪模块设置在护罩另一端。
进一步的，所述机器人底盘系统，包括机器人底盘、氮气弹簧、主动轮组、从动轮组、行走功能驱动伺服电机及转向功能驱动伺服电机，所述主动轮组设置在驱动轮连接板上，所述驱动轮连接板上设有浮动轮组安装板，所述浮动轮组安装板设置在机器人底盘底部的浮动轮组铰链连接块上，所述氮气弹簧一端氮气弹簧固定端安装块设置在机器人底盘上，另一端通过氮气弹簧浮动端安装块设置在浮动轮组铰链连接块上；所述从动轮组设置在从动轮安装架上，所述从动轮安装架上设有从动轮浮动铰链连接块，所述所述氮气弹簧一端氮气弹簧固定端安装块设置在机器人底盘上，另一端通过氮气弹簧浮动端安装块设置在从动轮浮动铰链连接块上；所述行走功能驱动伺服电机安装于驱动轮连接板上，所述主动轮组通过行星齿轮减速机法兰连接伺服驱动电机，实现行走功能，所述主动轮组通过轴向支撑轴承与所述驱动轮连接板连接，并通过转向功能驱动伺服电机与驱动轮连接板连接，实现转向功能。
机器人底盘系统，由四个高刚性可伸缩氮气弹簧组成的独立悬架轮组构成，所述独立悬架轮组是一种多连杆机构，其中氮气弹簧浮动端安装块上安装有所述高精度伺服驱动磁性吸附轮组。所述高刚性可伸缩氮气弹簧初始状态为中位平衡状态，此时多连杆机构所连接的磁性吸附轮组为水平状态，即所述独立悬架轮组都为水平状态。当所述磁性吸附轮组遇到凸起障碍物时，所述吸附轮上抬，所述氮气弹簧伸出相应的一段行程，但还需要保持所述机器人底盘系统的整体平衡。当所述磁性吸附轮组遇到下凹路况时，所述吸附轮组下沉，所述氮气弹簧缩回一段相应的行程，所述机器人底盘系统还可以保持整体的平衡状态。进一步的，可以根据所述柔性机器人底盘系统需要搭载的负载进行所述氮气弹簧的伸缩力选型，从而实现所述柔性机器人底盘系统在一定负载的条件下还具有一定的避障通过性能。
高精度伺服驱动磁性吸附轮组，是由高精度伺服电机驱动的一对主动轮组和一对无驱动力的从动轮组组成，其中所述主动轮组由四个高精度伺服电机分别驱动两个主动轮组实现行走和转向功能；所述行走功能由两个所述高精度伺服驱动电机所连接的行星齿轮减速机法兰直接与所述一对主动轮组连接进行驱动，所述行走功能驱动伺服电机安装于驱动轮连接板上；所述转向功能驱动伺服电机通过轴向支撑轴承与所述驱动轮连接板连接，进而实现所述转向功能；所述行走功能驱动伺服电机和转向功能驱动伺服电机分别由独立的伺服控制器进行控制，可以根据所述运动控制系统进行独立控制，进而提高所述柔性机器人底盘系统的运动灵活性；进一步的，所述柔性机器人底盘系统供电和控制信号均采用远程线缆传输方式，从而可以实现较长一段距离内的远程控制功能。
进一步的，所述机器人底盘系统还包括高刚性支撑机构，所述高刚性支撑机构，包括高刚性双导向杆支撑气缸、气缸连接块、气缸安装板及电磁铁，所述高刚性双导向杆支撑气缸通过所述气缸安装板与所述机器人底盘系统连接，所述电磁铁安装于所述气缸导向杆端头。电磁铁通电后可与大型构件壁面通过电磁力紧密吸合，进而形成一个所述爬壁机器人探测作业过程中的高刚性支撑机构，避免了所述机器人底盘系统在后续探测作业过程中因受外力而产生所述爬壁机器人机身与所述壁面发生相对位移，确保了探测作业过程的整体系统稳定性和探测准确性。
进一步的，所述圆盘式表面打磨机构包括旋转圆盘、旋转圆盘驱动机构、探测面高度测量与光洁度检测视觉传感器、表面清理机构、表面精细打磨机构及高速吹气头，所述探测面高度测量与光洁度检测视觉传感器、表面清理机构、表面精细打磨机构及高速吹气头沿旋转圆盘圆周分布，所述旋转圆盘驱动机构与旋转圆盘传动连接。探测面高度测量与光洁度检测视觉传感器包括探测面高度测量传感器和探测面光洁度检测视觉传感器；探测面高度测量传感器是一种基于高精度三角测距原理的激光反射式距离传感器，可以用来测量待超声检测面的高度距离，进而可以为所述圆盘式表面打磨机构提供打磨机构作业距离等控制参数数据。所述探测面高度测量是所述爬壁机器人行进到待测面进行的第一步数据收集作业，所测得的数据将输送给所述爬壁机器人控制系统；探测面光洁度检测视觉传感器是一种带LED照明灯的视觉传感器系统，其在所述探测面高度测量传感器对待测量面进行高度测量后进行待测面表面清洁度进行视觉判定，进而将数据传送给控制系统进行分析，确定后续的打磨工艺方案；进一步的，所述探测面光洁度检测视觉传感器在精细打磨作业完成后还要再进行表面光洁度二次判定，决定是否能够达到超声波探测的要求，如能达到，则进行下一步的超声波探测，如不能达到，则还需再制定打磨方案进行二次打磨，直到待检测面达到光洁度要求为止；
进一步的，所述旋转圆盘驱动机构包括圆盘转动驱动电机、同步带机构、高刚性悬臂支撑轴承座机构；所述圆盘转动驱动电机通过圆盘转动电机安装板固定在机器人底盘系统上，所述高刚性悬臂支撑轴承座机构固定在机器人底盘系统上，所述旋转圆盘设置在高刚性悬臂支撑轴承座机构上，且所述高刚性悬臂支撑轴承座机构通过同步带机构与圆盘转动驱动电机传动连接；所述高刚性悬臂支撑轴承座机构包括支撑座本体、角接触球轴承、深沟球轴承、高刚性转轴、端盖、轴套以及锁紧螺母；所述高刚性转轴设置在支撑座本体内部，所述轴套设置在支撑座本体与高刚性转轴之间，所述角接触球轴承安装在靠近转动圆盘一端的转轴上，所述深沟球轴承安装在靠近同步带轮一侧的轴端，所述端盖设置在支撑座本体的两端部位置。
进一步的，所述表面清理机构包括钢丝刷直线运动导轨、伺服驱动电缸、驱动电机及表面清理定制钢丝刷，所述定制钢丝刷与所述驱动电机相连，安装在所述钢丝刷直线运动导轨上，所述伺服驱动电缸与所述钢丝刷直线运动导轨的滑块相连，驱动所述定制钢丝刷对超声波待检测面进行旋转刷洗粗清理。
进一步的，所述精细打磨机构包括气压砂轮磨头直线运动导轨、伺服驱动电缸、驱动电机及表面精细打磨气囊砂轮，所述表面精细打磨气囊砂轮与所述驱动电机连接，安装在所述直线运动导轨上，所述伺服驱动电缸与所述直线运动导轨滑块相连，驱动所述表面精细打磨气囊砂轮对超声波待检测面进行旋转研磨精细打磨处理。
进一步的，所述高速吹气头设在高刚性滑台气缸上，所述高刚性滑台气缸安装在旋转圆盘上，所述高压吹气头与储气罐相连，并通过储气罐提供气源；高速吹气头是一种由一排微细小气孔组成的线扫式高压吹气头，所述高速吹气头是分别在完成所述表面粗处理和所述精细处理作业后对待检测面进行杂质吹除的机构。
进一步的，所述自适应超声波探测系统包括耦合剂喷射阀、耦合剂自动填充储罐、带位移检测的伺服电缸、贴合力传感器及超声波探测头；所述耦合剂喷射阀通过喷射阀安装板安装在机器人底盘系统上，带位移检测的伺服电缸通过电推缸安装板安装在机器人底盘系统上，所述耦合剂喷射阀与所述耦合剂自动填充储罐之间通过供胶管连通，所述耦合剂喷射阀安装于所述带位移检测的伺服电缸一侧，所述超声波探测头通过所述贴合力传感器与所述带位移检测的伺服电缸伸出杆相连接。耦合剂喷射阀是一种程控高精度点喷射阀，可以将所述超声波探测所需的耦合剂自动地精确喷射到所述待测面。在所述爬壁机器人完成所述待测面完成表面打磨处理后，所述机器人需要进行移动将所述自适应超声波探测系统移动到达所述待检测面区域，所述耦合剂喷射阀向所述待检测面自动喷射一定量的凝胶状耦合剂；所述凝胶状耦合剂由所述耦合剂自动填充储罐自动供胶，所述自动填充储罐内设有一个橡胶制活塞，所述活塞与所述自动填充储罐的端盖间充入一定压力的压缩空气，从而实现凝胶可以持续出胶，保证所述耦合剂喷射阀管内持续补充所述凝胶状耦合剂。所述耦合剂自动填充储罐安装在所述爬壁机器人机身内，由一根供胶管连接所述耦合剂喷射阀，所述耦合剂喷射阀安装于所述带位移检测的伺服电缸一侧，由一定倾斜角度向所述待探测面进行自动喷涂所述凝胶状耦合剂；超声波探测头通过所述贴合力传感器与所述带位移检测的伺服电缸伸出杆相连接，当所述耦合剂喷射阀完成耦合剂喷涂作业后，所述伺服电缸伸出将所述超声波探测头贴合于所述待检测面，所述伺服电缸附带的位移检测功能将对所述圆盘式表面打磨机构中所述探测面高度测量传感器所输出的数据进行换算后自动计算出所述超声波探测头需伸出的行程；进一步的，所述贴合力传感器会自动进行所述超声波探测头与壁面的贴合力，保证所述超声波探测头与壁面的贴合力处在设计阈值内，从而保证了探测精度和自动探测过程中设备的安全性。
本发明的技术构思为：采用高精度伺服驱动磁性吸附轮组搭建柔性机器人底盘系统在大型钢制焊接构件壁面进行自主式爬行运动，开发具有自主执行功能的爬壁机器人装置，基于高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术、高清图像视觉辅助控制技术、激光动态导航技术将大尺寸构件结构内部超声探测数据进行全局拼接，从而实现大型装备表面结构内部全程数字化损伤检测，从而避免了传统的人工探伤检测方式存在探测效率低、作业前需搭建结构复杂的脚手架等准备工作、探测过程劳动强度大且存在作业安全风险等不利因素。
此过程具有如下特点：1）高精度伺服驱动磁性吸附轮组，是由高精度伺服电机驱动的一对主动轮组和一对无驱动力的从动轮组组成，其中所述主动轮组由四个高精度伺服电机分别驱动两个驱动轮实现行走和转向功能；所述行走功能驱动伺服电机和转向功能驱动伺服电机分别由独立的伺服控制器进行控制，可以根据所述运动控制系统进行独立控制，进而提高所述柔性机器人底盘系统的运动灵活性；2）柔性机器人底盘系统，由四个高刚性可伸缩氮气弹簧组成的独立悬架轮组构成，所述独立悬架轮组是一种多连杆机构，其中一个摆臂上安装有所述高精度伺服驱动磁性吸附轮。所述高刚性可伸缩氮气弹簧初始状态为中位平衡状态，此时多连杆机构所连接的磁性吸附轮为水平状态，即所述独立悬架轮组都为水平状态。当所述磁性吸附轮遇到凸起障碍物时，所述吸附轮上抬，所述氮气弹簧伸出相应的一段行程，但还需要保持所述底盘系统的整体平衡。当所述磁性吸附轮遇到下凹路况时，所述吸附轮组下沉，所述氮气弹簧缩回一段相应的行程，所述底盘系统还可以保持整体的平衡状态。所述柔性机器人底盘系统在一定负载的条件下还具有一定的避障通过性能；3）高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术，是一种利用高精度线激光对大尺寸构件表面结构进行三维轮廓扫描，然后再进行外轮廓复杂结构数字化点云重建，进而实现大型装备表面空间位置点坐标系的快速构建，最后基于所构建的坐标系对所述爬壁机器人进行探测点位置导航的综合性技术；4）激光动态导航技术是一种利用激光定位基站与安装于所述爬壁机器人尾部的定位靶球协调工作进而实现所述爬壁机器人空间坐标位置的求解和导航的综合性技术；其中所述爬壁机器人空间坐标位置求解需要用到所述高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术构建的大型装备表面空间位置点坐标系数据，经过所述爬壁机器人底盘的运动控制系统搭载空间位置坐标解算模块进行解算后再对机器人进行爬行运动控制，进而可以达到运动控制和实际位置的实时追踪和调整，确保所述爬壁机器人可以准确到达所述待检测面。
此技术方法可以为大型装备的大尺寸构件在制造和维护过程中提供全程数字化便携式超声波探测方案，省去了人工探测过程需要搭建复杂脚手架或者布置大型抬升设备的繁琐过程，也避免了人工探测过程中由于体力和空间局限而带来的探测位置不准确、探测结果判定不准确等风险因素，为我国在大型装备开发和使用过程实施数字化快速检测提供了一种操作简单、成本节约的新方法和新装备。
本发明的有益效果如下：
1）柔性机器人底盘系统，由四个高刚性可伸缩氮气弹簧组成的独立悬架轮组构成，所述独立悬架轮组是一种多连杆机构，其中一个摆臂上安装有所述高精度伺服驱动磁性吸附轮；所述高精度伺服驱动磁性吸附轮组，是由高精度伺服电机驱动的一对主动轮组和一对无驱动力的从动轮组组成，其中所述主动轮组由四个高精度伺服电机分别驱动两个驱动轮实现行走和转向功能；所述行走功能驱动伺服电机和转向功能驱动伺服电机分别由独立的伺服控制器进行控制，可以根据所述运动控制系统进行独立控制，进而提高所述柔性机器人底盘系统的运动灵活性；
2）当所述爬壁机器人到达所述待探测面时，所述气缸导向杆伸出将所述电磁铁贴附于所述大型构件壁面，所述电磁铁通电后可与大型构件壁面通过电磁力紧密吸合，进而形成一个所述爬壁机器人探测作业过程中的高刚性支撑机构，避免了所述机器人柔性底盘在后续探测作业过程中因受外力而产生所述爬壁机器人机身与所述壁面发生相对位移，确保了探测作业过程的整体系统稳定性和探测准确性；
3）由圆盘旋转机构、探测面高度测量传感器、探测面光洁度检测视觉传感器、表面清理机构、表面精细打磨机构和高速吹气头等部件构成的“类盾构机”圆盘式表面打磨机构，是用来对超声波待测面进行表面清理和精细打磨处理的专用机构，为超声波探测的准确性提供了保障；
4）本发明可以为大型装备的大尺寸构件在制造和维护过程中提供全程数字化便携式超声波探测方案，省去了人工探测过程需要搭建复杂脚手架或者布置大型抬升设备的繁琐过程，也避免了人工探测过程中由于体力和空间局限而带来的探测位置不准确、探测结果判定不准确等风险因素，为我国在大型装备开发和使用过程实施数字化快速检测提供了一种操作简单、成本节约的新方法和新装备，具有较为广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明整体装置结构示意图一；
图3是本发明整体装置结构示意图二；
图4是本发明整体装置结构示意图三；
图5是本发明整体装置结构示意图四；
图6是本发明整体装置结构示意图五；
图7是本发明装置底盘结构示意图一；
图8是本发明装置底盘结构示意图二；
图9是本发明装置底盘结构示意图三；
图10是本发明装置底盘结构示意图四；
图11是本发明圆盘式表面打磨机构结构示意图一；
图12是本发明圆盘式表面打磨机构结构示意图二；
图13是本发明圆盘式表面打磨机构结构示意图三；
图14是超声波探测系统结构示意图；
图中：1、机器人底盘系统；2、护罩；3、工业相机；4、圆盘式表面打磨机构；5、空间位置激光追踪模块；6、自适应超声波探测系统；7、供电模块；8、伺服电机控制器；9、信息处理模块；10、耦合剂自动填充罐；11、储气罐；12、电磁控制阀；1-1、磁性吸附轮组；1-2、行走功能驱动伺服电机；1-3、驱动轮连接板；1-4、浮动轮组安装板；1-5、转向功能驱动伺服电机；1-6、机器人底盘安装板；1-7、浮动轮组铰链连接块；1-8、氮气弹簧固定端安装块；1-9、氮气弹簧浮动端安装块；1-10、氮气弹簧铰链销；1-11、氮气弹簧；1-12、浮动轮组连接铰链销；1-13、从动轮安装架；1-14、从动轮浮动连接块；1-15、电磁铁；1-16、气缸连接块；1-17、电磁铁；1-18、气缸安装板；1-19、高刚性双导向杆支撑气缸；1-20、高刚性双导向杆支撑气缸安装板；1-21轴承；1-22、轴向支撑轴承；4-1、旋转圆盘；4-2、伺服驱动电缸； 4-3、钢丝刷直线运动导轨；4-4、表面清理定制钢丝刷；4-5、驱动电机夹持机构；4-6、驱动电机；4-7、安装轴端面锁紧螺母；4-8、气压砂轮磨头电推缸；4-9、探测面光洁度检测视觉传感器；4-10、相机安装板；4-11、气压砂轮磨头直线运动导轨；4-12、驱动电机；4-13、表面精细打磨气囊砂轮；4-14、气压砂轮磨头安装座；4-15、高刚性滑台气缸；4-16、高速吹气头；4-17、圆盘转动电机安装板；4-18、圆盘转动驱动电机；4-19、探测面高度测量传感器；4-20、高刚性悬臂支撑轴承座机构；4-21、从动侧同步驱动轮；4-22、同步带；4-23、驱动侧同步驱动轮；4-24、深沟球轴承；4-25、角接触球轴承；4-26、支撑座本体；4-27、高刚性转轴；4-28、端盖；4-29、轴套；4-30、锁紧螺母；6-1、超声波探测头；6-2、贴合力传感器；6-3、带位移检测的伺服电缸；6-4、耦合剂喷射阀；6-5、喷射阀安装板；6-6、电推缸安装板；6-7、力传感器连接板；6-8、超声波探测头连接板。
具体实施方式
结合附图，下面对本发明进行详细说明。
参照附图1～附图14，一种大型构件焊接缺陷超声探测方法，其技术思路如附图1～14所示，具体实施步骤可以描述如下：采用高精度伺服驱动磁性吸附轮组1-1搭建柔性机器人底盘系统1在大型钢制焊接构件壁面进行自主式爬行运动，基于高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术构建大视场环境下大型装备外轮廓空间位置坐标，所述机器人底盘1的运动控制系统搭载空间位置坐标解算模块进行机器人空间运动路径导航，可远程数据传输的高清图像视觉系统辅助操控人员对所述机器人底盘系统1行走路线进行在线监控，机器人行进到预定探测点后，安装在所述机器人底盘系统1两侧的四个高刚性双导向杆支撑气缸1-19伸出将气缸杆连接的强力吸附电磁铁1-17贴附于所述构件壁面，所述电磁铁1-17将所述机器人机身与所述构件壁面连接形成一个高刚性支撑机构；进一步的，所述机器人底盘系统1搭载“类盾构机”圆盘式表面打磨机构4对待检测表面进行清理和打磨作业，进而自适应超声波探测系统6对打磨后的表面进行多空间位置自适应内部损伤检测，最后融合激光动态导航技术将大尺寸构件结构内部超声探测数据进行全局拼接，从而实现大型装备表面结构内部全程数字化损伤检测，提高了大尺寸焊接结构件内部损伤检测的效率和探测点定位精度。
上述方案所涉及的所述高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术，是一种利用高精度线激光对大尺寸构件表面结构进行三维轮廓扫描，然后再进行外轮廓复杂结构数字化点云重建，进而实现大型装备表面空间位置点坐标系的快速构建，最后基于所构建的坐标系对所述爬壁机器人进行探测点位置导航的综合性技术；
激光动态导航技术是一种利用激光定位基站与安装于所述爬壁机器人尾部的定位靶球协调工作进而实现所述爬壁机器人空间坐标位置的求解和导航的综合性技术；其中所述爬壁机器人空间坐标位置求解需要用到所述高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术构建的大型装备表面空间位置点坐标系数据，经过所述爬壁机器人底盘系统1的运动控制系统搭载空间位置坐标解算模块进行解算后再对机器人进行爬行运动控制，进而可以达到运动控制和实际位置的实时追踪和调整，确保所述爬壁机器人可以准确到达所述待检测面；
超声探测数据全局拼接是指通过激光动态导航技术将超声波探测数据和所述爬壁机器人探测位置传输到控制系统进行比对和存储，进而可以构建虚拟环境下的全局空间大型构件表面数字化探测方案，进而也可以进一步开发超声波探测结果智能化评判方法和智能判定系统。此方法可以为大型装备的大尺寸构件在制造和维护过程中提供全程数字化便携式超声波探测方案，省去了人工探测过程需要搭建复杂脚手架或者布置大型抬升设备的繁琐过程，也避免了人工探测过程中由于体力和空间局限而带来的探测位置不准确、探测结果判定不准确等风险因素，为我国在大型装备开发和使用过程实施数字化快速检测提供了一种操作简单、成本节约的新方法和新装备。
一种大型构件焊接缺陷超声探测爬壁机器人装置，其组成结构如附图2~14所示，包括机器人底盘系统1、护罩2、工业相机3、圆盘式表面打磨机构4、空间位置激光追踪模块5、自适应超声波探测系统6、供电模块7、伺服电机控制器8、信息处理模块9、耦合剂自动填充罐10、储气罐11、电磁控制阀12等部件组成。其中，
柔性的机器人底盘系统1，由四个高刚性可伸缩的氮气弹簧1-11组成的独立悬架轮组构成，所述独立悬架轮组是一种多连杆机构，其中氮气弹簧浮动端安装块1-9上安装有所述高精度伺服驱动的磁性吸附轮组1-1。所述高刚性可伸缩的氮气弹簧1-11初始状态为中位平衡状态，此时多连杆机构所连接的磁性吸附轮组1-1为水平状态，即所述独立悬架轮组都为水平状态。当所述磁性吸附轮组1-1遇到凸起障碍物时，所述吸附轮上抬，所述氮气弹簧1-11伸出相应的一段行程，但还需要保持所述机器人底盘系统1的整体平衡。当所述磁性吸附轮组1-1遇到下凹路况时，所述吸附轮组1-1下沉，所述氮气弹簧1-11缩回一段相应的行程，所述机器人底盘系统1还可以保持整体的平衡状态。进一步的，可以根据所述柔性机器人底盘系统1需要搭载的负载进行所述氮气弹簧1-11的伸缩力选型，从而实现所述柔性机器人底盘系统1在一定负载的条件下还具有一定的避障通过性能；
磁性吸附轮组1-1，是由行走功能驱动伺服电机1-2驱动的一对主动轮组1-15和一对无驱动力的从动轮组1-16组成，其中所述主动轮组1-15由四个高精度的行走功能驱动伺服电机1-2分别驱动两个主动轮组1-15实现行走和转向功能；所述行走功能由两个所述行走功能驱动伺服电机1-2所连接的行星齿轮减速机法兰直接与所述一对主动轮组1-15连接进行驱动，所述行走功能驱动伺服电机1-2安装于驱动轮连接板1-3上；所述转向功能驱动伺服电机1-5通过轴向支撑轴承1-22与所述驱动轮连接板1-3连接，进而实现所述转向功能（电机直接驱动）；所述行走功能驱动伺服电机1-2和转向功能驱动伺服电机1-5分别由独立的伺服控制器进行控制，可以根据所述运动控制系统进行独立控制，进而提高所述柔性机器人底盘系统1的运动灵活性；进一步的，所述柔性机器人底盘系统1供电和控制信号均采用远程线缆传输方式，从而可以实现较长一段距离内的远程控制功能；
高刚性支撑机构，包括高刚性双导向杆支撑气缸1-19、气缸连接块1-18、气缸安装板1-20、电磁铁1-17等部件。其中所述高刚性双导向杆支撑气缸1-17通过所述气缸安装板1-18与所述爬壁机器人底盘系统1连接，所述电磁铁1-17安装于所述气缸1-19导向杆端头；当所述爬壁机器人到达所述待探测面时，所述气缸1-19导向杆伸出将所述电磁铁1-17贴附于所述大型构件壁面，所述电磁铁1-17通电后可与大型构件壁面通过电磁力紧密吸合，进而形成一个所述爬壁机器人探测作业过程中的高刚性支撑机构，避免了所述机器人底盘系统1在后续探测作业过程中因受外力而产生所述爬壁机器人机身与所述壁面发生相对位移，确保了探测作业过程的整体系统稳定性和探测准确性。
“类盾构机”圆盘式表面打磨机构4，是用来对超声波待测面进行表面清理和精细打磨处理的专用机构。其中，包括旋转圆盘4-1、探测面高度测量传感器4-19、探测面光洁度检测视觉传感器4-9、表面清理定制钢丝刷4-4、表面精细打磨定制气囊砂轮4-13和高速吹气头4-16等部件。所述旋转圆盘4-1由高精度伺服电机4-18连接同步带机构4-22进行驱动，所述旋转圆盘4-1安装在一套高刚性悬臂支撑轴承座机构4-20的转轴上。所述高刚性悬臂支撑轴承座机构4-20包含支撑座本体4-26、一组面对面安装的角接触球轴承4-25和一个深沟球轴承4-24、高刚性转轴4-27、端盖4-28、轴套4-29以及锁紧螺母4-30等部件；其中，面对面安装的角接触球轴承4-25安装在靠近转动圆盘4-1一端的转轴4-27上，所述角接触球轴承组4-25可以为圆盘式表面打磨机构4提供轴向和径向的双重支撑；进一步的，深沟球轴承4-24安装在靠近同步带轮4-21一侧的轴端，其距离圆盘4-1端面约200mm，可以进一步提高了圆盘式打磨机构4的径向支撑刚性，所述高刚性悬臂支撑轴承座4-20具有安装简便，刚性强的特点，从而可以保证打磨作业过程的整体结构刚性，进而保证打磨质量。
探测面高度测量传感器4-19是一种基于高精度三角测距原理的激光反射式距离传感器，可以用来测量待超声检测面的高度距离，进而可以为所述圆盘式表面打磨机构4提供打磨机构作业距离等控制参数数据。所述探测面高度测量是所述爬壁机器人行进到待测面进行的第一步数据收集作业，所测得的数据将输送给所述爬壁机器人控制系统；
探测面光洁度检测视觉传感器4-9是一种带LED照明灯的视觉传感器系统，其在所述探测面高度测量传感器4-9对待测量面进行高度测量后进行待测面表面清洁度进行视觉判定，进而将数据传送给控制系统进行分析，确定后续的打磨工艺方案；进一步的，所述探测面光洁度检测视觉传感器4-9在精细打磨作业完成后还要再进行表面光洁度二次判定，决定是否能够达到超声波探测的要求，如能达到，则进行下一步的超声波探测，如不能达到，则还需再制定打磨方案进行二次打磨，直到待检测面达到光洁度要求为止；
表面清理机构包括钢丝刷直线运动导轨4-3、伺服驱动电缸4-2、驱动电机4-6和表面清理定制钢丝刷4-4，其中所述定制钢丝刷4-4与所述驱动电机4-6相连，安装在所述钢丝刷直线运动导轨4-3上，所述伺服驱动电缸4-2与所述钢丝刷直线运动导轨4-3的滑块相连，驱动所述定制钢丝刷4-4对超声波待检测面进行旋转刷洗粗清理，确保所述待检测面没有大的杂物，为下一步进行所述表面精细打磨作业做好准备；
精细打磨机构包括气压砂轮磨头直线运动导轨4-11、伺服驱动电缸4-8、驱动电机4-12和表面精细打磨定制气囊砂轮4-13，所述定制气囊砂轮4-13与所述驱动电机4-12连接，安装在所述直线运动导轨4-11上，所述伺服驱动电缸4-8与所述直线运动导轨4-11滑块相连，驱动所述定制气囊砂轮4-13对超声波待检测面进行旋转研磨精细打磨处理；
高速吹气头4-16是一种由一排微细小气孔组成的线扫式高压吹气头，所述高速吹气头4-16是分别在完成所述表面粗处理和所述精细处理作业后对待检测面进行杂质吹除的机构；所述高压吹气头4-16由安装在所述爬壁机器人机身内的储气罐11提供气源；
自适应超声波探测系统6是一种带耦合剂自动喷涂功能的超声探测头贴合力及位移自动控制的多空间位置柔性探测系统，包括耦合剂喷射阀6-4、耦合剂自动填充储罐10、带位移检测的伺服电缸6-3、贴合力传感器6-2、超声波探测头6-1。所述耦合剂喷射阀6-4是一种程控高精度点喷射阀，可以将所述超声波探测所需的耦合剂自动地精确喷射到所述待测面。在所述爬壁机器人完成所述待测面完成表面打磨处理后，所述机器人需要进行移动将所述自适应超声波探测系统6移动到达所述待检测面区域，所述耦合剂喷射阀6-4向所述待检测面自动喷射一定量的凝胶状耦合剂；所述凝胶状耦合剂由所述耦合剂自动填充储罐10自动供胶，所述自动填充储罐10内设有一个橡胶制活塞，所述活塞与所述自动填充储罐10的端盖间充入一定压力的压缩空气，从而实现凝胶可以持续出胶，保证所述耦合剂喷射阀6-4管内持续补充所述凝胶状耦合剂。所述耦合剂自动填充储罐10安装在所述爬壁机器人机身内，由一根供胶管连接所述耦合剂喷射阀6-4，所述耦合剂喷射阀6-4安装于所述带位移检测的伺服电缸6-3一侧，由一定倾斜角度向所述待探测面进行自动喷涂所述凝胶状耦合剂；
超声波探测头6-1通过所述贴合力传感器6-2与所述带位移检测的伺服电缸6-3伸出杆相连接，当所述耦合剂喷射阀6-4完成耦合剂喷涂作业后，所述伺服电缸6-3伸出将所述超声波探测头6-1贴合于所述待检测面，所述伺服电缸6-3附带的位移检测功能将对所述圆盘式表面打磨机构4中所述探测面高度测量传感器4-19所输出的数据进行换算后自动计算出所述超声波探测头6-1需伸出的行程；进一步的，所述贴合力传感器6-2会自动进行所述超声波探测头6-1与壁面的贴合力，保证所述超声波探测头6-1与壁面的贴合力处在设计阈值内，从而保证了探测精度和自动探测过程中设备的安全性。
工作时，使用高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术构建大视场环境下大型装备外轮廓空间位置坐标，随后将采用高精度伺服驱动磁性吸附轮组1-1搭建柔性机器人底盘系统1在大型钢制焊接构件壁面进行自主式爬行运动，所述机器人底盘1的运动控制系统搭载空间位置坐标解算模块进行机器人空间运动路径导航，所述爬壁机器人可以根据指定的空间位置坐标自动寻找需要探测的位置点，可远程数据传输的高清图像视觉系统辅助操控人员对所述机器人底盘系统1行走路线进行在线监控，机器人行进到预定探测点后，安装在所述机器人底盘系统1两侧的四个高刚性气缸1-19伸出将气缸杆连接的强力吸附电磁铁1-17贴附于所述构件壁面行成一个高刚性支撑机构。
机器人底盘系统1搭载“类盾构机”圆盘式表面打磨机构4对待检测表面进行清理和打磨作业，首先所述探测面高度测量传感器4-19对待测面进行高度检测，所测得的数据将输送给所述爬壁机器人控制系统作为后续作业的基础数据，此数据将决定表面清理、打磨以及超声探测头下压的行程等控制参数；进一步的，所述圆盘式表面打磨机构4旋转90°进行表面清理作业，一般每次清理时间都为10s，随后圆盘式表面打磨机构4旋转90°进行杂质吹除作业；进一步的，圆盘式表面打磨机构4旋转90°进行表面打磨作业，一般每次打磨作业时间为15s，随后再进行杂质吹除作业；更进一步的，圆盘式表面打磨机构4将所述探测面光洁度检测视觉传感器4-9旋转到作业面进行表面清洁度判定，如果满足超声波探测要求，则进行超声探测作业，若不符合，则将上述表面清理和打磨作业再进行一次，直到待检测表面满足超声检测作业要求为止。
爬壁机器人完成清理和打磨作业后，向前行进一段距离后进行超声波探测作业。所述耦合剂喷射阀6-4向所述待检测面自动喷射一定量的凝胶状耦合剂，所述伺服电缸6-3伸出将所述超声波探测头6-1贴合于所述待检测面，所述伺服电缸6-3附带的位移检测功能将对所述圆盘式表面打磨机构4中所述探测面高度测量传感器4-19所输出的数据进行换算后自动计算出所述超声波探测头6-1需伸出的行程，进而完成超声波探测作业。
最后，通过激光动态导航技术将超声波探测数据和所述爬壁机器人探测位置传输到控制系统进行比对和存储，构建虚拟环境下的全局空间大型构件表面数字化探测过程，进而进行所述超声探测数据全局拼接；进一步的，也可以进一步开发超声波探测结果智能化评判方法和智能判定系统。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或者联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种大型构件焊接缺陷超声探测方法，基于大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于：包括如下步骤：
1）搭建柔性机器人底盘系统（1），实现在钢制焊接构件壁面进行自主式爬行运动；
2）基于高精度面轮廓激光三维扫描及点云重建技术构建大视场环境下装备外轮廓空间位置坐标；
3）机器人底盘系统（1）上搭载空间位置坐标解算模块进行机器人空间运动路径导航；
4）机器人行进到预定探测点后，吸附于所述钢制焊接构件壁面；
5）机器人底盘系统（1）搭载圆盘式表面打磨机构（4）对待检测表面进行清理和打磨作业；
6）机器人底盘系统（1）搭载自适应超声波探测系统（6），对打磨后的表面进行多空间位置自适应内部损伤检测；
7）融合激光动态导航技术将构件结构内部超声探测数据进行全局拼接，从而实现装备表面结构内部全程数字化损伤检测。
2.一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，包括机器人底盘系统（1）、护罩（2）、工业相机（3）、圆盘式表面打磨机构（4）、空间位置激光追踪模块（5）、自适应超声波探测系统（6）、供电模块（7）、伺服电机控制器（8）及信息处理模块（9），所述圆盘式表面打磨机构（4）、自适应超声波探测系统（6）、供电模块（7）、伺服电机控制器（8）及信息处理模块（9）分别设置在机器人底盘系统（1）上，所述护罩（2）罩设在机器人底盘系统（1）上方，所述工业相机（3）设置在护罩（2）一端，所述空间位置激光追踪模块（5）设置在护罩（2）另一端。
3.根据权利要求2所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述机器人底盘系统（1），包括机器人底盘、氮气弹簧（1-11）、磁性吸附轮组（1-1）、行走功能驱动伺服电机（1-2）及转向功能驱动伺服电机（1-5），所述磁性吸附轮组（1-1）包括一对主动轮组（1-15）及一对从动轮组（1-16），所述主动轮组（1-15）设置在驱动轮连接板（1-3）上，所述驱动轮连接板（1-3）上设有浮动轮组安装板（1-4），所述浮动轮组安装板（1-4）设置在机器人底盘底部的浮动轮组铰链连接块（1-7）上，所述氮气弹簧（1-11）一端氮气弹簧固定端安装块（1-8）设置在机器人底盘上，另一端通过氮气弹簧浮动端安装块（1-9）设置在浮动轮组铰链连接块（1-7）上；所述从动轮组（1-16）设置在从动轮安装架（1-13）上，所述从动轮安装架（1-13）上设有从动轮浮动铰链连接块（1-14），所述所述氮气弹簧（1-11）一端氮气弹簧固定端安装块（1-8）设置在机器人底盘上，另一端通过氮气弹簧浮动端安装块（1-9）设置在从动轮浮动铰链连接块（1-14）上；所述行走功能驱动伺服电机（1-2）安装于驱动轮连接板（1-3）上，所述主动轮组（1-15）通过行星齿轮减速机法兰连接伺服驱动电机（1-2），实现行走功能，所述主动轮组（1-15）通过轴向支撑轴承（1-22）与所述驱动轮连接板（1-3）连接，并通过转向功能驱动伺服电机（1-5）与驱动轮连接板（1-3）连接，实现转向功能。
4.根据权利要求2所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述机器人底盘系统（1）还包括高刚性支撑机构，所述高刚性支撑机构，包括高刚性双导向杆支撑气缸（1-19）、气缸连接块（1-18）、气缸安装板（1-20）及电磁铁（1-17），所述高刚性双导向杆支撑气缸（1-19）通过所述气缸安装板（1-18）与所述机器人底盘系统（1）连接，所述电磁铁（1-17）安装于所述高刚性双导向杆支撑气缸（1-19）导向杆端头。
5.根据权利要求2所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述圆盘式表面打磨机构（4）包括旋转圆盘（4-1）、旋转圆盘驱动机构、探测面高度测量与光洁度检测视觉传感器、表面清理机构、表面精细打磨机构及高速吹气头（4-16），所述探测面高度测量与光洁度检测视觉传感器、表面清理机构、表面精细打磨机构及高速吹气头（4-16）沿旋转圆盘（4-1）圆周分布，所述旋转圆盘驱动机构与旋转圆盘（4-1）传动连接。
6.根据权利要求5所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述旋转圆盘驱动机构包括圆盘转动驱动电机（4-18）、同步带机构、高刚性悬臂支撑轴承座机构；所述圆盘转动驱动电机（4-18）通过圆盘转动电机安装板（4-17）固定在机器人底盘系统（1）上，所述高刚性悬臂支撑轴承座机构（4-20）固定在机器人底盘系统（1）上，所述旋转圆盘（4-1）设置在高刚性悬臂支撑轴承座机构上，且所述高刚性悬臂支撑轴承座机构（4-20）通过同步带机构与圆盘转动驱动电机（4-18）传动连接；所述高刚性悬臂支撑轴承座机构（4-20）包括支撑座本体（4-26）、角接触球轴承（4-25）、深沟球轴承（4-24）、高刚性转轴（4-27）、端盖（4-28）、轴套（4-29）以及锁紧螺母（4-30）；所述高刚性转轴（4-27）设置在支撑座本体（4-26）内部，所述轴套（4-29）设置在支撑座本体（4-26）与高刚性转轴（4-27）之间，所述角接触球轴承（4-25）安装在靠近转动圆盘（4-1）一端的转轴（4-27）上，所述深沟球轴承（4-24）安装在靠近同步带轮（4-21）一侧的轴端，所述端盖（4-28）设置在支撑座本体（4-26）的两端部位置。
7.根据权利要求5所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述表面清理机构包括钢丝刷直线运动导轨（4-3）、伺服驱动电缸（4-2）、驱动电机（4-6）及表面清理定制钢丝刷（4-4），所述定制钢丝刷（4-4）与所述驱动电机（4-6）相连，安装在所述钢丝刷直线运动导轨（4-3）上，所述伺服驱动电缸（4-2）与所述钢丝刷直线运动导轨（4-3）的滑块相连，驱动所述定制钢丝刷（4-4）对超声波待检测面进行旋转刷洗粗清理。
8.根据权利要求5所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述精细打磨机构包括气压砂轮磨头直线运动导轨（4-11）、伺服驱动电缸（4-8）、驱动电机（4-12）及表面精细打磨气囊砂轮（4-13），所述表面精细打磨气囊砂轮（4-13）与所述驱动电机（4-12）连接，安装在所述直线运动导轨（4-11）上，所述伺服驱动电缸（4-8）与所述直线运动导轨（4-11）滑块相连，驱动所述表面精细打磨气囊砂轮（4-13）对超声波待检测面进行旋转研磨精细打磨处理。
9.根据权利要求5所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述高速吹气头（4-16）设在高刚性滑台气缸（4-15）上，所述高刚性滑台气缸（4-15）安装在旋转圆盘（4-1）上，所述高压吹气头（4-16）与储气罐（11）相连，并通过储气罐（11）提供气源。
10.根据权利要求2所述的一种大型构件焊接缺陷超声探测装置，其特征在于，所述自适应超声波探测系统（6）包括耦合剂喷射阀（6-4）、耦合剂自动填充储罐（10）、带位移检测的伺服电缸（6-3）、贴合力传感器（6-2）及超声波探测头（6-1）；所述耦合剂喷射阀（6-4）通过喷射阀安装板（6-5）安装在机器人底盘系统（1）上，带位移检测的伺服电缸（6-3）通过电推缸安装板（6-6）安装在机器人底盘系统（1）上，所述耦合剂喷射阀（6-4）与所述耦合剂自动填充储罐（10）之间通过供胶管连通，所述耦合剂喷射阀（6-4）安装于所述带位移检测的伺服电缸（6-3）一侧，所述超声波探测头（6-1）通过所述贴合力传感器（6-2）与所述带位移检测的伺服电缸（6-3）伸出杆相连接。
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| CN202211303667.XA CN115575503A (zh) | 2022-10-24 | 2022-10-24 | 一种大型构件焊接缺陷超声探测方法及装置 |
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| CN202211303667.XA CN115575503A (zh) | 2022-10-24 | 2022-10-24 | 一种大型构件焊接缺陷超声探测方法及装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117554488A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 成都工业学院 | 一种超声干耦合的罐体缺陷智能检测小车 |
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2022
- 2022-10-24 CN CN202211303667.XA patent/CN115575503A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117554488A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 成都工业学院 | 一种超声干耦合的罐体缺陷智能检测小车 |
| CN117554488B (zh) * | 2024-01-11 | 2024-03-22 | 成都工业学院 | 一种超声干耦合的罐体缺陷智能检测小车 |
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