CN102721746A - 一种双机械手超声透射检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型曲面复合材料缺陷的双机械手超声透射检测装置，包括机械结构系统、硬件系统和软件系统。所述机械结构系统包括高端机械手、底座、工件运动导轨、水循环单元、工件支架；所述硬件系统包括工控机、超声换能器、脉冲发射/接收卡、高速数据采集卡、电控柜等；所述软件系统包括系统管理、超声收发及信号采集、形廓跟踪、运动控制、信号处理、图像显示和参数设置模块。该双机械手超声透射检测装置可用于大型复杂曲面复合材料常见缺陷的无损检测，具有检测速度快、精度和灵敏度高等优点，对于航空航天、汽车等诸多领域的大型复合材料工件的无损检测有着很好的应用前景。

Description

一种双机械手超声透射检测装置

一、技术领域

本发明涉及一种大型曲面复合材料缺陷的双机械手超声透射检测装置，属于无损检测领域。

二、背景技术

复合材料具有重量轻、强度高、隔热性能好等诸多优点，被广泛应用于航空航天、汽车、海洋、化工等领域。复合材料在制造和使用过程中，不可避免的存在或出现裂纹、孔洞、分层等缺陷，这将对复合材料工件质量产生直接影响。超声波检测由于具有传播能量大、穿透力强、设备成本低廉、结构轻便等优点，在复合材料缺陷检测方面得到广泛应用；超声透射检测是一种常用的复合材料缺陷检测方法，在穿透性和检测敏感性方面有显著优势，适合检测衰减较严重和厚度较大的曲面复合材料。

在复合材料工件形状检测方面，针对简单形廓工件（如平面、回转体等）的超声自动检测比较容易实现，在相关文献中有过介绍，一般是通过最多五轴扫查架来完成。对于复杂曲面形廓工件的自动检测实现起来比较困难，浙江大学周晓军等曾开发出了多轴曲面工件自动检测系统，但其检测系统是建立在原有五轴扫查系统的基础上，由于受到扫查架大小的限制，不适合检测大型复杂曲面工件，采用的是伺服电机来驱动多轴，在检测速度、精度上存在一定的局限性。本文介绍的双机械手曲面超声透射检测系统，采用的是两个具有六自由度的高端机械手，在检测速度和精度上相比原有五轴超声扫查系统有很大提高，同时不受扫查架大小的限制，通过选择不同手臂长度的机械手即可实现大型曲面工件的检测。

三、发明内容

本发明的目的是利用双机械手检测系统对曲面复合材料工件进行自动化无损探伤，解决原有五轴超声扫查系统难以检测大型曲面工件的问题，同时提高缺陷检测的精度、灵敏度和检测效率。

本发明为实现上述目的采用的技术方案为：

一种双机械手超声透射检测系统，包括机械结构系统、硬件系统和软件系统，如附图1所示。所述机械结构系统是整个测量系统的基础，包括高端机械手、底座、工件运动导轨、水循环单元、工件支架；所述硬件系统为检测系统中用到的所有电子硬件设备，包括工控机、超声换能器、脉冲发射/接收卡、高速数据采集卡、电控柜等；所述软件系统包括系统管理、超声收发及信号采集、形廓跟踪、运动控制、信号处理、图像显示和参数设置模块。

所述高端机械手具有移动速度快、精度高、灵活性好等诸多优点，对其进行实时精确控制是双机械手检测控制系统所要完成的主要任务，所述高端机械手的顶端安装有喷水耦合探头。为了实现机械手实时控制和较高的控制精度，所述检测系统采用上位机和下位机联合控制的系统结构形式，所述上位机为一台高性能工控机，主要负责所述机械手的路径规划、任务分配、系统监视等任务，所述下位机采用的是高端机械手运动控制器，所述控制器使用了当前最新的PC控制和光纤通讯、数字和现场总线控制技术，DSI实现机器人系统绝对编码系统，主要负责伺服控制和位置传感器的信号采集等。

所述底座用来连接和支承各主要部件（包括双机械手、工件支架、工件运动导轨等），其形状为矩形凹槽状，即四周围有高出底面5至10厘米的钢板，用于储存喷水探头在检测时洒落的水。所述工件运动导轨的两端应与底座固定在一起，同时嵌在底座内，且具有防水功能。所述工件支架安装在所述工件运动导轨上，来带动被检工件的移动。在喷水检测过程中，所述水循环单元的压力泵将底座内的耦合液水通过固定在所述机械手上的塑料水管输送到前端的喷水探头，用于提供压力和流量稳定、不含有气泡以及流动状态接近层流的耦合水柱，其中稳压、稳流和除气可在前端系统完全实现，而控制耦合水柱的流动状态则需要对喷嘴进行水力学设计。

四、附图说明

图1为双机械手超声透射检测装置结构框图；

图2为曲面复合材料双机械手检测示意图。

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：参见图2曲面复合材料双机械手检测示意图，图中1为所述高端机械手，2为喷水耦合探头，3为被检测复合材料工件。

在对所述曲面复合材料工件进行超声检测时，由于所述工件表面曲率的存在，超声波在其中会产生散射、反射、折射等相当复杂的传播，为了保证超声波信号较强地入射到工件中，要求所述超声换能器应自动跟随工件表面形状的变化，当被检测工件的形廓曲率变化时，所述软件系统要控制高端机械手带动换能器及时调整位姿，即保证超声波入射方向始终与曲面法线方向重合。当所述超声换能器实际位置与外表面法矢相差一定角度时，工件件上下表面和缺陷对声波的散射都将增大，导致接收探头收到的实际声波幅度减小，甚至接收不到，因此检测时必须保证检测设备的机械轴精确控制探头指向，使发射和接收探头始终指向被检测构件的表面法向。

为了实现对所述曲面工件的自动化精确检测，首先需要获取被测曲面的表面坐标数据。对于所述双机械手检测系统来说，每个机械手本身具有独立的笛卡尔和工具坐标系，要实现两个机械手的同步透射检测，首先需要建立公共坐标系，且保证两个机械手的工具坐标位置能够处于公共坐标系内。

对于所述曲面工件的检测路径生成和规划主要分自动检测方式和示教检测方式两种。对于CAD模型已知的被测曲面工件，可以直接将其CAD三维数据导入所述软件系统自动生成检测扫查路径，基本原则是曲率变化大的部位扫查点设置紧密一些，而曲率变化小的部位扫查点设置可以疏松一些。对于CAD模型未知的测量工件，应采用示教检测方式生成检测扫查路径。基本过程为：曲面工件固定后，先人工进行关键点采样，即找出曲面上最能反映曲面特征的线或若干测量点，采用超声反射回波法测量、计算水声距，并记录此时点坐标；移动到下一个测量点，保持水声距固定不变，可得到一定数量的曲面轨迹点坐标，将测量得到的坐标点采用曲线拟合的方法构建初始曲面。有了曲面模型，根据检测间距、检测效率等要求进行路径规划，将曲面离散成一系列的检测点坐标，在各检测点处采集超声信号，并实时绘制检测图像。

要实现双机械手的精确同步检测可以采用两种方法来完成检测路径的形成和规划。一种是对于各个部位厚度不变的曲面工件，采用主从机械手同步检测的方法，首先由主机械手单独运动获取曲面检测点的坐标，然后通过所述运动控制器的同步参数设置程序获取从机械手的扫查点坐标。另一种是针对厚度变化的曲面工件，主从机械手应分别采用上述方法获得各自的检测点坐标。

所述曲面工件可以通过所述工件运动导轨做与地面平行的移动，同时所述工件支架具有升降的功能，这样可以将被检测工件移动到不同的检测位置，再通过所述双机械手检测系统完成对其不同部位的探伤，解决大型曲面工件难以检测的难题。

Claims (6)

1.一种双机械手超声透射检测装置，其特征在于包括机械结构系统、硬件系统和软件系统。所述机械结构系统包括高端机械手、底座、工件运动导轨、水循环单元、工件支架；所述硬件系统包括工控机、超声换能器、脉冲发射/接收卡、高速数据采集卡、电控柜等；所述软件系统包括系统管理、超声收发及信号采集、形廓跟踪、运动控制、信号处理、图像显示和参数设置模块。

2.如权利要求1所述的双机械手超声透射检测装置，其特征在于所述检测系统采用上位机和下位机联合控制的系统结构形式，所述上位机为一台高性能工控机，所述下位机为高端机械手运动控制器。

3.如权利要求1所述的双机械手超声透射检测装置，其特征在于所述单个高端机械手具有6个自由度，整个检测系统可以最多具有14个自由度。

4.如权利要求1所述的双机械手超声透射检测装置，其特征在于所述高端机械手的顶端安装有喷水耦合探头，所述水循环单元的压力泵将底座内的耦合液水通过固定在所述机械手上的塑料水管输送到前端的喷水耦合探头，用于提供压力和流量稳定、不含有气泡以及流动状态接近层流的耦合水柱。

5.如权利要求1所述的双机械手超声透射检测装置，其特征在于所述超声换能器应自动跟随工件表面形状的变化，当被检测工件的形廓曲率变化时，所述软件系统要控制高端机械手带动换能器及时调整位姿，即保证超声波入射方向始终与曲面法线方向重合。

6.如权利要求1所述的双机械手超声透射检测装置，其特征在于所述曲面工件可以通过所述工件运动导轨做与地面平行的移动，同时所述工件支架具有升降的功能，这样可以将被检测工件移动到不同的检测位置，解决大型曲面工件难以检测的难题。

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