Page 82 - 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

建立了世界坐标系, 就可以通过一个 3×1 的位置矢 坐标系的z E 轴平行, 检测到的距离分别用 d 1 d 2
, ,
量对任意一点的位置进行描述。在坐标系{ A } 中, 表示, 则待测面上 3 个激 光 点 在 探 头 坐 标 系 中
d 3
A
三维空间中任意一点 P 的位置可以用位置矢量 P 的位置为
表示 d - d 0

P x A 1 = 0 , B 1 = 0 , C 1 = d ( 5 )

A ( 1 ) d 1 d 2 d 3
P = P y

, ,
P z 此时在待测面上, 构建两个向量 B 1 A 1 B 1 C 1
, , 分别为 P 点在世界坐标系中的位 并求出待测平面的法向量

式中: P x P y P z
置坐标。 d -d 2d
刚体的姿态可由固定在刚体上的坐标系{ B } 来 B 1 A 1 = 0 - 0 = 0 ( 6 )

描述, 记坐标系{ B } 主轴方向的 3 个单位矢量分别 d 2
d 1
d 1 -d 2

, , , 将这 3 个单位矢量按顺序排列即可 0 -d - d
为 X B Y B Z B
得到工具坐标系相对于世界坐标系的表示 R 为 B 1 C 1 = d - 0 = d ( 7 )
A
B

A A A A ) ( 2 ) d 2
B R = ( X B Y B Z B
d 3 -d 2
d 3

通过前面的位置描述和姿态描述, 可得到刚体 Z B 1 =B 1 A 1 ×B 1 C 1 ( 8 )
B 的位姿描述为{ R , P }。 为了和探头坐标系保持一致, 求得的法向量应
A
A
B
通常情况下, 为了便于运算, 在机 械 手 运 动 学 垂直 待 测 面 向 下。 运 用 施 密 特 正 交 化 将 B 1 A 1 ,
,
中, 采用齐次矩阵来对机械手的位姿进行描述。即 B 1 C 1 Z B13 个向量正交化, 再标准化得到被测点在

将原来的旋转变换矩阵增加 1 行, 原来的平移变换 探头坐标系中的姿态。
矩阵增加 1 列, 从而构成一个 4×4 的矩阵 T , 即 通对机械手进行运动学分析, 采用 D-H 参数
A
B
法建立运动学模型, 得到探头坐标系相对于世界坐
A A P
B R
A
B T = 0 1 ( 3 ) 标系的旋转关系和平移关系, 结合被测点处的坐标
系相对于探头坐标系的旋转关系和平移关系, 可以
得到被测点处坐标系相对于世界坐标系的旋转关系
和平移关系。进一步地, 为了实现探头对待测点的
准确检测, 只需要将机械手末端探头姿态调整为与
被测点一致的姿态, 机械手位置调整到待测点上方,
声耦合特性最好的水声距处即可。
4 入射角和回波信号的关系
为验证上述方法的有效性, 需要验证调整后机
械臂声束的实际入射角度是否符合检测要求。声束
图 4 坐标转换关系示意
倾斜入射时, 探头接收回波信号的有效面积减少, 反
射率降低导致回波信号时域特征值发生变化, 可以
坐标转换关系如图 4 所示, 其中 O W -x W yW z W
为 探 头 坐 标 系; O p -
通过分析回波信号的时域特征值反求出当前声束的
为 世 界 坐 标 系; O E -x E y E z E
为被测零件曲面上任一被测点 P 的坐标。
x p y p z p 、 能量
入射角。构件的信号时域特征值为峰值 h max
激光传感器分别布置在探头坐标系的坐 标轴 E 、 回波脉冲宽度 W 。
上, 且其到探头坐标系原点的距离都为 d , 3 个激光 表 1 为晶片直径为 12mm 的 5MHz纵波探头

传感器在探头坐标系中的位置为( A , B , C 分别表示 ) 为 12.5 的不锈钢钢板进行试验
对表面粗糙度( R a
3 个探头的坐标) 得到的时域特征值, 可见, 参数 E 对入射角α 很敏
- d 0 感, 其对应的关系曲线如图 5 所示。在相同的检测
d

A = 0 , B = 0 , C = d ( 4 ) 条件下, 可以根据 E 、 h max 和 W 得出相应的 α 。

0 0 0 由图 5 可见, 随着入射角的增大, 反射波的能量

安装 激 光 传 感 器 时, 检 测 光 线 的 方 向 与 探 头 特 征值不断减小, 且声束入射角与能量特征值的关
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2022 年 第 44 卷 第 7 期
无损检测