CN106990171A - 一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法，能够针对工件存在装夹误差的情况下，通过工业机器人携带超声波探头进行C扫描检测路径的修正来实现装夹误差的补偿。具体过程为：通过工件转动过程中水声距随时间的变化规律，识别出工件的实际装夹误差，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，即可得到校正后的探头运动路径。

Description

一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法

技术领域

本发明涉及一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法。

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。

在对回转体工件进行超声扫描检测时，通常将工件装夹后由转台带动其旋转，并利用机械平台携带超声波探头沿工件母线运动，从而完成对工件的螺旋式扫查。检测过程中，需要探头时刻对准工件法线方向以保证声束垂直入射。由于三爪卡盘具有装夹方便自动定心等优点，通常采用三爪卡盘来装夹回转体工件。而在实际检测过程中，往往由于检测人员的不当操作导致夹持过紧，使得工件倾斜。另外由于检测过程中转台长期处于水浸环境，造成三爪卡盘生锈，也会导致工件装夹倾斜的问题。此时，扫描过程中由于工件的畸形转动，会严重影响超声信号质量，造成C扫描成像错位，甚至漏检误检的问题。

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探头的检测装置。但该机构增加了机械手运动过程中超声探头收发信号的不稳定性,降低了检测的灵敏度且难以实现工件装夹误差的补偿。

发明内容

针对回转体工件超声自动检测现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种能够实现对回转体工件高精度、高效率、全覆盖式的超声自动检测系统，且能从探头运动路径上补偿装夹倾斜误差带来的影响。

为解决工件出现装夹误差而导致检测精度下降的技术问题，本发明的技术方案提供一种考虑工件装夹误差的超声C扫描路径校正方法，包括以下步骤：

步骤1，建立存在装夹误差时的工件转动模型，以固定的超声探头对水下工件进行超声波扫描，得到水声距随时间的变化规律，通过分析水声距的变化情况，识别工件的实际装夹误差；

步骤2：建立世界坐标系、夹具坐标系和工件坐标系，并推导探头、夹具及工件在对应坐标系下的运动轨迹，建立装夹误差修正的运动学模型；

步骤3：根据装夹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装夹误差的超声C扫描路径校正方法，所述的步骤1中，工件的实装夹误差通过以下步骤计算：

建立装夹误差时工件转动模型，表达式为公式1：

其中，初始位置中心轴在XOY面的投影线与X轴夹角为α₀，r、表征偏心误差的影响下圆筒底面圆心的偏移量和偏心初相角，工件中心轴与Z轴夹角即装夹倾斜角为θ，在装夹误差的影响下，工件横截面在XOY面的投影为椭圆，Ω表示为O_eP₀与椭圆长轴的夹角。

以超声波探头朝向工件上某一位置并固定，转动固定工件的转盘，得到工件该位置上环绕一圈A波信号，取A波信号的首时刻点为发射时刻点，表面一次回波的峰值所对应的时刻点n_FW为接收时刻点，则该圆周上某一点的实际水声距可通过下式计算：

其中，Δt表示始波至工件表面回波的渡越时间，c_w表示声速，利用公式2得到工件上所扫描的圆周上各点各自对应水声距l_w，绘制水声距与时间曲线l_w-t，与公式1进行最小二乘法曲线拟合，即可得到初始位置时工件的装夹误差。

所述的一种考虑工件装夹误差的超声C扫描路径校正方法，步骤3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)，Δx和Δy为工件中心与坐标系O₂的相对位置。

所述的一种考虑工件装夹误差的超声C扫描路径校正方法，所述的步骤3中，探头在世界坐标系下的运动路径和方向变化为：

其中，为工件正确装夹时的扫描路径；

为工件正确装夹时的探头的方向；

c(*)＝cos(*)，s(*)＝sin(*)，t为扫描时间，θ，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。

本发明的技术效果在于，通过超声波检测定量识别出工件装夹误差，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，从而实现对工件的全覆盖扫查。另一方面，通过对路径进行矫正，使超声波垂直入射工件，提高进入工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为本发明检测系统的结构示意图；

图2为本发明信号发生/接收器、数字采集卡同步外部触发原理示意图；

图3为本发明工件装夹误差示意图；

图4为工件存在装夹误差时的水平截面；

图5为本发明探头校正后的运动情况示意图，蓝色箭头为探头的方向，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。

本实施例采用的硬件装置包括6自由度工业机器人、机器人控制器、水槽、水循环系统、独立转盘、直流伺服电机、驱动器、超声探头、信号发生/接收器、工控机(含运动控制卡、高速数据采集卡)以及配套线缆等。检测时，工件竖直放置在水槽底部由伺服电机驱动的转盘上，并用三爪卡盘定心夹紧，转盘按特定转速转动。同时，由工业机器人夹持超声探头沿镁合金弹壳母线路径匀速运动，过程中始终保证探头轴线与壳体表面垂直，并实时采集超声信号，从而完成对镁合金弹壳的螺旋式扫描检测。

机器人与工控机的通讯方式采用TCP/IP协议的Socket套接字技术，通过将机器人控制器、工控机设置为服务器端、客户端，完成通信后可由客户端发送数据请求，服务端接收并处理请求。这样，既可实现对机器人手臂的上电、下电、指定轨迹运动等自动控制，工控机也能实时收到机器人端的数据反馈。

本系统所选用的美国GALIL第五代DMC-1846PCI总线运动控制卡来完成独立转盘轴的高速、高精度运动控制。运动卡提供的第二编码器反馈接口可实现信号发生器和数据采集卡的同步外部触发，触发原理如图2所示。将尖峰脉冲发生器设置为外部触发模式，由运动控制卡输出基于转盘轴直流伺服电机编码器位置的脉冲信号，通过脉冲整形器整合后输出2路同步正向方波脉冲，作为发生器、数据采集卡的外部触发源。这样，可有效降低检测过程中的采样延迟。相比于内部触发模式，可保证转盘高速旋转过程中实际采集位置与软件模型一致，防止了成像中扫描点位置的错乱。该信号可由运动卡OC指令来自由设置输出频率，从而实现检测过程中扫描步距的自由设置。

在进行校正时，本发明包括以下步骤：

步骤1：建立存在装夹误差时工件转动模型，得到水声距随时间的变化规律，并固定超声探头，采集工件在旋转一周过程中原始A波信号，进而获取实际水声距，通过分析水声距的变化情况，识别工件的实际装夹误差；

步骤2：建立世界坐标系、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，建立装夹误差修正的运动学模型；

步骤3：根据装夹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装夹误差的超声C扫描路径校正方法，步骤1中工件的实装夹误差通过以下步骤计算：

以转盘中心为坐标原点O，如图3所示，初始位置时工件底面中心为(x₀,y₀)，工件中心轴与Z轴夹角为θ(装夹倾斜角)，初始位置中心轴在XOY面的投影线与X轴夹角为α₀，r、表征偏心误差的影响下圆筒底面圆心的偏移量和偏心初相角。在装夹误差的影响下，工件横截面在XOY面的投影为椭圆，t₀时刻投影椭圆位置形状如图4所示，Ω表示为O_eP₀与椭圆长轴的夹角。

初始时刻，椭圆中心O_e(x₀,y₀)表达式为：

投影椭圆的初始位置方程为：

其中，椭圆长轴椭圆短轴b＝R，R为待扫描回转体工件的半径。投影椭圆与X轴的交点P₀(x_p,0)，由式(1)和式(2)可得：

其中，

投影椭圆与X轴交点P₀(x_p,0)的横坐标实时变动，由式(4)和式(5)可得其表达式为：

水声距l_w与x_P的关系为：

l_w＝x_T-x_P(5)

x_T表示超声波探头晶片中心所处的位置。将式(1)和式(4)代入式(5)，得，

因此，以ω的角速度匀速旋转夹具，每经过Δt时刻采集一次超声信号，获得n组数据，Δt＝360/(ω*n)，然后根据超声信号数据获取探头到工件表面的水声距l_w，绘制l_w-t曲线，由l_w-t曲线与l_w-t数学表达式进行最小二乘法拟合，可求得几个表征装夹误差的变量θ，α₀，r，

由r，z₁可求得投影椭圆中心O_e的坐标(x_e，y_e，z_e)为：

由θ，α₀，可求得工件中心轴的方向向量n：

n＝(-sin(θ)sin(α₀),sin(θ)cos(α₀),cos(θ))^T (8)

由Oe和工件中心轴的方向向量n可求得工件中心轴的表达式为：

由式(10)和O₁(Δx,Δy,Δz)可求得工件装夹初始位置时偏心误差Δx和Δy为：

所述的一种考虑工件装夹误差的超声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；

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，位于工件底面圆的圆心，正确装夹时坐标系O₃与坐标系O₂完全重合；倾斜误差导致坐标系O₃是绕坐标系O₂的X₂轴旋转了θ角；偏心误差导致坐标系O₃与坐标系O₂的相对位置为(Δx，Δy，Δz)^T。

由于转盘相对于世界坐标系是以ω的角速度旋转，因此夹具坐标系相对于世界坐标系以ω的角速度旋转，而由于工件存在装夹误差，因此工件坐标系相对于夹具坐标系存在偏移量，倾斜量以及初始相位，但不随时间变化而改变，当工件不存在装夹误差时，工件坐标系与夹具坐标系重合。基于这三个坐标系，当偏移量，倾斜量以及初始相位已知时，根据推导出可对装夹误差进行补偿的运动路径以及探头方向。

探头在世界坐标系下的运动路径和探头方向为：

其中，

本具体实施例以圆柱体工件扫描为例，首先将工件固定于水槽内，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。

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。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。

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 (1)

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，位于工件底面圆的圆心，正确装夹时坐标系O₃与坐标系O₂完全重合；倾斜误差导致坐标系O₃是绕坐标系O₂的X₂轴旋转了θ角；偏心误差导致坐标系O₃与坐标系O₂的相对位置为(Δx，Δy，Δz)^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,θ为工件装夹倾斜角。

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(4)和式(5)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(10)和式(12)可得，探头在世界坐标系下的运动路径为：

由式(11)和(13)可得，探头在世界坐标系下的方向为：

Claims (4)

1.一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立存在装夹误差时的工件转动模型，以固定的超声探头对水下工件进行超声波扫描，得到水声距随时间的变化规律，通过分析水声距的变化情况，识别工件的实际装夹误差；

步骤2：建立世界坐标系、夹具坐标系和工件坐标系，并推导探头、夹具及工件在对应坐标系下的运动轨迹，建立装夹误差修正的运动学模型；

步骤3：根据装夹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。

2.根据权利要求1所述的一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法，其特征在于，所述的步骤1中，工件的实装夹误差通过以下步骤计算：

建立装夹误差时工件转动模型，表达式为公式1：

其中，初始位置中心轴在XOY面的投影线与X轴夹角为α₀，r、表征偏心误差的影响下圆筒底面圆心的偏移量和偏心初相角，工件中心轴与Z轴夹角即装夹倾斜角为θ，在装夹误差的影响下，工件横截面在XOY面的投影为椭圆，Ω表示为O_eP₀与椭圆长轴的夹角。

以超声波探头朝向工件上某一位置并固定，转动固定工件的转盘，得到工件该位置上环绕一圈A波信号，取A波信号的首时刻点为发射时刻点，表面一次回波的峰值所对应的时刻点n_FW为接收时刻点，则该圆周上某一点的实际水声距可通过下式计算：

其中，Δt表示始波至工件表面回波的渡越时间，c_w表示声速，利用公式2得到工件上所扫描的圆周上各点各自对应水声距l_w，绘制水声距与时间曲线l_w-t，与公式1进行最小二乘法曲线拟合，即可得到初始位置时工件的装夹误差。

3.根据权利要求1所述的一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法，其特征在于，步骤3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)，Δx和Δy为工件中心与坐标系O₂的相对位置。

4.根据权利要求3所述的一种考虑工件装夹误差校正的超声波自动检测方法，其特征在于，所述的步骤3中，探头在世界坐标系下的运动路径和方向变化为：

${\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]}_p=\left[\begin{array}{cc}{R_1}_3& {P_1}_3\\ 0& 1\end{array}\right]\·{\left[\begin{array}{c}{f}_x\left(t\right)\\ f_y\left(t\right)\\ f_z\left(t\right)\\ 1\end{array}\right]}_T$

${\left[\begin{array}{c}{p}_x\\ p_y\\ p_z\\ 1\end{array}\right]}_p=\left[\begin{array}{cc}{R_1}_3& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\·{\left[\begin{array}{c}{f}_{p_x}\left(t\right)\\ f_{p_y}\left(t\right)\\ f_{p_z}\left(t\right)\\ 1\end{array}\right]}_T$

其中，为工件正确装夹时的扫描路径；

为工件正确装夹时的探头的方向；

${R_1}_3=\left[\begin{array}{ccc}c\left(\mathrm{\ω}t\right)& -s\left(\mathrm{\ω}t\right)c\left(\mathrm{\θ}\right)& -s\left(\mathrm{\ω}t\right)s\left(\mathrm{\θ}\right)\\ s\left(\mathrm{\ω}t\right)& c\left(\mathrm{\ω}t\right)c\left(\mathrm{\θ}\right)& c\left(\mathrm{\ω}t\right)s\left(\mathrm{\θ}\right)\\ 0& -s\left(\mathrm{\θ}\right)& c\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right];$

${P_1}_3=\left[\begin{array}{c}c\left(\mathrm{\ω}t\right)\mathrm{\Δ}x-s\left(\mathrm{\ω}t\right)\mathrm{\Δ}y\\ s\left(\mathrm{\ω}t\right)\mathrm{\Δ}x+c\left(\mathrm{\ω}t\right)\mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\Δ}z\end{array}\right];$

c(*)＝cos(*)，s(*)＝sin(*)，t为扫描时间，θ，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。