Page 81 - 无损检测2022年第七期

胡而已,等:
机器人辅助超声曲面检测的探头自主对正技术

无损检测, 同时实现了叶片厚度的精确检测。吴思
源等 [ 6 ] 提出了一种复杂型面工件超声自动检测的匹
配定位方法,利用少量超声检测点数据实现被测工

件与 CAD 模型的匹配定位,以提高复杂型面工件

超声自动检测的效率和精度,同时提高超声自动检
测系统的通用性。然而, 在使用超声对曲面工件进
行无损检测时, 要求超声换能器的声轴线方向与被
检工件靠近探头的表面法线方向重合, 以保证超声 图 1 曲面工件超声检测系统组成示意
波以对检测最有利的角度入射工件 [ 7-8 ] 。为了实现 测点, 当机械手到达检测点后, 按照上述方法依次完
对复杂曲面形状工件的自动化检测, 需要对超声换 成检测点的探头对正, 直至完成对整个工件曲面的检
能器的位置和姿态进行准确定位 [ 9 ] 。 测。探头和测距传感器的布置方式如图2所示。
现有的方法是预先知道曲面的 CAD 模型, 根
据模型采用专用软件对检测路径进行规划, 自动生
成检测轨迹, 超声探头按照事先规划好的轨迹对工
件进行跟踪检测 [ 10-11 ] 。这种检测方法只能对 轮 廓
已知的曲面进行检测, 降低了系统的灵活性和适用
性, 不能满足特殊要求。对于形状未知的工件, 应在
超声检测前根据曲面工件的 CAD 模型对工件进行
检测, 计算出探头在各检测点的位置和姿态, 保证获
取准确的发射( 或接收) 信号。针对机器人自动化超 图 2 探头和测距传感器的布置方式
声检测过程中探头的对正问题, 提出了一种基于激 超声信号收发系统包括超声纵波探头、 信号发生
光测距的探头自动对正算法, 并对算法的有效性进 仪和数字示波器以及配套测试程序( 见图 3 )。试验
行了验证。 采用反射式检测方法, 即超声信号的发射和接收都由
同一个探头完成。激光检测系统主要包括测距传感
1 超声波垂直入射曲面工件界面的传播特性
器、 数据采集卡以及配套程序。 3 个激光测距传感器
当超声波从一种介质传播到另一种介质时, 会 型号为 HG-C1050 , 检测范围为 65~135mm , 检测精

在两种介质的界面上发生反射与透射现象。超声波 度为30 μ m , 3个传感器通过信号采集卡接收数据, 并

声束垂直入射曲面构件界面时, 将产生一个与入射 将数据传输到计算机 Labview 程序中。
方向相反的反射波和一个与入射方向一致 的透射
波。为了避免检测曲面构件时声波发生聚焦或发散
现象进而影响超声回波信号的强弱, 要求声束垂直
入射工件表面。

2 试验系统及原理
曲面工件超声检测系统( 见图 1 ) 主要由六自由

度机械手、 超声收发系统以及激 光检测系统组成。
该系统通过机械手夹持超声探头进行扫查运动, 激 图 3 超声信号收发系统实物
光检测系统则对待测曲面工件上检测点的位置和姿
态信息进行识别, 然后将获取到的检测点信息数据 3 基于激光测距的探头对正算法
发送给机械手的控制系统, 机器手控制系统在获取
为了描述机械手系统本身各个连杆之间、 机械
检测点信息后, 根据对正控制策略将探头位姿调整 手和检测工件、 检测工件与超声波探头之间的运动
信息发送给相应的机械臂控制器, 实现对一个检测 关系, 通常将其假设为刚体, 再研究各个刚体之间的
点的探头对正。 运动关系。
在试验开始前, 需要在曲面工件上方设置若干检 一般通过世界坐标系来描述刚体的位置。一旦

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2022 年 第 44 卷 第 7 期
无损检测