專利名稱：一種雙機械手超聲透射檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型曲面復(fù)合材料缺陷的雙機械手超聲透射檢測裝置，屬于無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料具有重量輕、強度高、隔熱性能好等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、海洋、化工等領(lǐng)域。復(fù)合材料在制造和使用過程中，不可避免的存在或出現(xiàn)裂紋、孔洞、分層等缺陷，這將對復(fù)合材料工件質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。超聲波檢測由于具有傳播能量大、穿透力強、設(shè)備成本低廉、結(jié)構(gòu)輕便等優(yōu)點，在復(fù)合材料缺陷檢測方面得到廣泛應(yīng)用；超聲透射檢測是一種常用的復(fù)合材料缺陷檢測方法，在穿透性和檢測敏感性方面有顯著優(yōu)勢，適合檢測衰減較嚴重和厚度較大的曲面復(fù)合材料。
在復(fù)合材料工件形狀檢測方面，針對簡單形廓工件(如平面、回轉(zhuǎn)體等)的超聲自動檢測比較容易實現(xiàn)，在相關(guān)文獻中有過介紹，一般是通過最多五軸掃查架來完成。對于復(fù)雜曲面形廓工件的自動檢測實現(xiàn)起來比較困難，浙江大學周曉軍等曾開發(fā)出了多軸曲面工件自動檢測系統(tǒng)，但其檢測系統(tǒng)是建立在原有五軸掃查系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，由于受到掃查架大小的限制，不適合檢測大型復(fù)雜曲面工件，采用的是伺服電機來驅(qū)動多軸，在檢測速度、精度上存在一定的局限性。本文介紹的雙機械手曲面超聲透射檢測系統(tǒng)，采用的是兩個具有六自由度的高端機械手，在檢測速度和精度上相比原有五軸超聲掃查系統(tǒng)有很大提高，同時不受掃查架大小的限制，通過選擇不同手臂長度的機械手即可實現(xiàn)大型曲面工件的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用雙機械手檢測系統(tǒng)對曲面復(fù)合材料工件進行自動化無損探傷，解決原有五軸超聲掃查系統(tǒng)難以檢測大型曲面工件的問題，同時提高缺陷檢測的精度、靈敏度和檢測效率。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案為一種雙機械手超聲透射檢測系統(tǒng)，包括機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),如附圖I所示。所述機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是整個測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括高端機械手、底座、工件運動導軌、水循環(huán)單元、工件支架；所述硬件系統(tǒng)為檢測系統(tǒng)中用到的所有電子硬件設(shè)備，包括工控機、超聲換能器、脈沖發(fā)射/接收卡、高速數(shù)據(jù)采集卡、電控柜等；所述軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、超聲收發(fā)及信號采集、形廓跟蹤、運動控制、信號處理、圖像顯示和參數(shù)設(shè)置模塊。所述高端機械手具有移動速度快、精度高、靈活性好等諸多優(yōu)點，對其進行實時精確控制是雙機械手檢測控制系統(tǒng)所要完成的主要任務(wù)，所述高端機械手的頂端安裝有噴水耦合探頭。為了實現(xiàn)機械手實時控制和較高的控制精度，所述檢測系統(tǒng)采用上位機和下位機聯(lián)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，所述上位機為一臺高性能工控機，主要負責所述機械手的路徑規(guī)劃、任務(wù)分配、系統(tǒng)監(jiān)視等任務(wù)，所述下位機采用的是高端機械手運動控制器，所述控制器使用了當前最新的PC控制和光纖通訊、數(shù)字和現(xiàn)場總線控制技術(shù)，DSI實現(xiàn)機器人系統(tǒng)絕對編碼系統(tǒng)，主要負責伺服控制和位置傳感器的信號采集等。所述底座用來連接和支承各主要部件(包括雙機械手、工件支架、工件運動導軌等)，其形狀為矩形凹槽狀，即四周圍有高出底面5至10厘米的鋼板，用于儲存噴水探頭在檢測時灑落的水。所述工件運動導軌的兩端應(yīng)與底座固定在一起，同時嵌在底座內(nèi)，且具有防水功能。所述工件支架安裝在所述工件運動導軌上，來帶動被檢工件的移動。在噴水檢測過程中，所述水循環(huán)單元的壓力泵將底座內(nèi)的耦合液水通過固定在所述機械手上的塑料水管輸送到前端的噴水探頭，用于提供壓力和流量穩(wěn)定、不含有氣泡以及流動狀態(tài)接近層流的稱合水柱，其中穩(wěn)壓、穩(wěn)流和除氣可在如端系統(tǒng)完全實現(xiàn)，而控制I禹合水柱的流動狀態(tài)則需要對噴嘴進行水力學設(shè)計。
四


圖I為雙機械手超聲透射檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2為曲面復(fù)合材料雙機械手檢測示意圖。
五具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明參見圖2曲面復(fù)合材料雙機械手檢測示意圖，圖中I為所述高端機械手，2為噴水耦合探頭，3為被檢測復(fù)合材料工件。在對所述曲面復(fù)合材料工件進行超聲檢測時，由于所述工件表面曲率的存在,超聲波在其中會產(chǎn)生散射、反射、折射等相當復(fù)雜的傳播，為了保證超聲波信號較強地入射到工件中，要求所述超聲換能器應(yīng)自動跟隨工件表面形狀的變化，當被檢測工件的形廓曲率變化時，所述軟件系統(tǒng)要控制高端機械手帶動換能器及時調(diào)整位姿，即保證超聲波入射方向始終與曲面法線方向重合。當所述超聲換能器實際位置與外表面法矢相差一定角度時，工件件上下表面和缺陷對聲波的散射都將增大，導致接收探頭收到的實際聲波幅度減小，甚至接收不到，因此檢測時必須保證檢測設(shè)備的機械軸精確控制探頭指向，使發(fā)射和接收探頭始終指向被檢測構(gòu)件的表面法向。為了實現(xiàn)對所述曲面工件的自動化精確檢測，首先需要獲取被測曲面的表面坐標數(shù)據(jù)。對于所述雙機械手檢測系統(tǒng)來說，每個機械手本身具有獨立的笛卡爾和工具坐標系，要實現(xiàn)兩個機械手的同步透射檢測，首先需要建立公共坐標系，且保證兩個機械手的工具坐標位置能夠處于公共坐標系內(nèi)。對于所述曲面工件的檢測路徑生成和規(guī)劃主要分自動檢測方式和示教檢測方式兩種。對于CAD模型已知的被測曲面工件，可以直接將其CAD三維數(shù)據(jù)導入所述軟件系統(tǒng)自動生成檢測掃查路徑，基本原則是曲率變化大的部位掃查點設(shè)置緊密一些，而曲率變化小的部位掃查點設(shè)置可以疏松一些。對于CAD模型未知的測量工件，應(yīng)采用示教檢測方式生成檢測掃查路徑?；具^程為曲面工件固定后，先人工進行關(guān)鍵點采樣，即找出曲面上最能反映曲面特征的線或若干測量點，采用超聲反射回波法測量、計算水聲距，并記錄此時點坐標；移動到下一個測量點，保持水聲距固定不變，可得到一定數(shù)量的曲面軌跡點坐標，將測量得到的坐標點采用曲線擬合的方法構(gòu)建初始曲面。有了曲面模型，根據(jù)檢測間距、檢測效率等要求進行路徑規(guī)劃，將曲面離散成一系列的檢測點坐標，在各檢測點處采集超聲信號，并實時繪制檢測圖像。要實現(xiàn)雙機械手的精確同步檢測可以采用兩種方法來完成檢測路徑的形成和規(guī)劃。一種是對于各個部位厚度不變的曲面工件，采用主從機械手同步檢測的方法，首先由主機械手單獨運動獲取曲面檢測點的坐標，然后通過所述運動控制器的同步參數(shù)設(shè)置程序獲取從機械手的掃查點坐標。另一種是針對厚度變化的曲面工件，主從機械手應(yīng)分別采用上述方法獲得各自的檢測點坐標。所述曲面工件可以通過所述工件運動導軌做與地面平行的移動，同時所述工件支架具有升降的功能，這樣可以將被檢測工件移動到不同的檢測位置，再通過所述雙機械手檢測系統(tǒng)完成對其不同部位的探傷，解決大型曲面工件難以檢測的難題?！?br> 權(quán)利要求
1.一種雙機械手超聲透射檢測裝置，其特征在于包括機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。所述機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括高端機械手、底座、工件運動導軌、水循環(huán)單元、工件支架；所述硬件系統(tǒng)包括工控機、超聲換能器、脈沖發(fā)射/接收卡、高速數(shù)據(jù)采集卡、電控柜等；所述軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、超聲收發(fā)及信號采集、形廓跟蹤、運動控制、信號處理、圖像顯示和參數(shù)設(shè)置模塊。
2.如權(quán)利要求I所述的雙機械手超聲透射檢測裝置，其特征在于所述檢測系統(tǒng)采用上位機和下位機聯(lián)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，所述上位機為一臺高性能工控機，所述下位機為高端機械手運動控制器。
3.如權(quán)利要求I所述的雙機械手超聲透射檢測裝置，其特征在于所述單個高端機械手具有6個自由度，整個檢測系統(tǒng)可以最多具有14個自由度。
4.如權(quán)利要求I所述的雙機械手超聲透射檢測裝置，其特征在于所述高端機械手的頂端安裝有噴水耦合探頭，所述水循環(huán)單元的壓力泵將底座內(nèi)的耦合液水通過固定在所述機械手上的塑料水管輸送到前端的噴水耦合探頭，用于提供壓力和流量穩(wěn)定、不含有氣泡以及流動狀態(tài)接近層流的耦合水柱。
5.如權(quán)利要求I所述的雙機械手超聲透射檢測裝置，其特征在于所述超聲換能器應(yīng)自動跟隨工件表面形狀的變化，當被檢測工件的形廓曲率變化時，所述軟件系統(tǒng)要控制高端機械手帶動換能器及時調(diào)整位姿，即保證超聲波入射方向始終與曲面法線方向重合。
6.如權(quán)利要求I所述的雙機械手超聲透射檢測裝置，其特征在于所述曲面工件可以通過所述工件運動導軌做與地面平行的移動，同時所述工件支架具有升降的功能，這樣可以將被檢測工件移動到不同的檢測位置，解決大型曲面工件難以檢測的難題。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型曲面復(fù)合材料缺陷的雙機械手超聲透射檢測裝置，包括機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。所述機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括高端機械手、底座、工件運動導軌、水循環(huán)單元、工件支架；所述硬件系統(tǒng)包括工控機、超聲換能器、脈沖發(fā)射/接收卡、高速數(shù)據(jù)采集卡、電控柜等；所述軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、超聲收發(fā)及信號采集、形廓跟蹤、運動控制、信號處理、圖像顯示和參數(shù)設(shè)置模塊。該雙機械手超聲透射檢測裝置可用于大型復(fù)雜曲面復(fù)合材料常見缺陷的無損檢測，具有檢測速度快、精度和靈敏度高等優(yōu)點，對于航空航天、汽車等諸多領(lǐng)域的大型復(fù)合材料工件的無損檢測有著很好的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N29/04GK102721746SQ20121023099
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者盧宗興, 張嵐, 徐春廣, 王洪博, 肖定國, 趙新玉, 郝娟 申請人:北京理工大學