徐春廣，張翰明，郭燦志，肖 振，藺廉普

(1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081；2. 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081)

機(jī)械手無損檢測技術(shù)*

徐春廣1，張翰明1，郭燦志1，肖 振1，藺廉普2

(1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081；2. 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081)

隨著新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝在現(xiàn)代工業(yè)尤其是航空航天工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，無損檢測的應(yīng)用范圍不再局限于常規(guī)材料和常規(guī)形狀，復(fù)雜構(gòu)件的檢測給無損檢測技術(shù)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。將目前工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的機(jī)械手與無損檢測技術(shù)相結(jié)合，可以替代人工實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的精確檢測，同時(shí)還可以提高檢測效率和安全性。文中依據(jù)檢測方式的不同，分別對(duì)單機(jī)械手夾持換能器、單機(jī)械手夾持工件、雙機(jī)械手檢測和機(jī)械手射線檢測進(jìn)行綜述，并對(duì)比分析了不同檢測方法的適用范圍。

機(jī)械手；無損檢測；超聲檢測；射線檢測；渦流檢測

引 言

隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟和發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在焊接、碼垛、裝配、噴涂、拋光、上下料等不同領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。其中，根據(jù)不同應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)出的各種形式的機(jī)械手都屬于工業(yè)機(jī)器人范疇[1]。機(jī)械手可以根據(jù)內(nèi)部程序自動(dòng)完成特定操作，因而可以替代人工完成一些繁重、復(fù)雜、危險(xiǎn)的勞動(dòng)，并具有運(yùn)動(dòng)精度高、工作效率高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]。無損檢測技術(shù)作為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的檢測技術(shù)，是保證工件加工質(zhì)量以及在役工件可靠性的重要手段，在航空、航天、船舶、石化等各領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用[3-9]。無損檢測技術(shù)以其非破壞性的優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸受到人們的重視，然而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的機(jī)械手，還沒有大范圍應(yīng)用于無損檢測，將機(jī)械手與無損檢測技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)化檢測方法目前還處于研究階段[10]。

為了滿足流體力學(xué)、空間利用、設(shè)計(jì)美學(xué)等方面的需求，現(xiàn)代的零件設(shè)計(jì)越來越趨于曲面化，曲面化的設(shè)計(jì)理念不僅給加工制造帶來新的困難，也給檢測領(lǐng)域帶來新的挑戰(zhàn)。曲面工件在航空、航天、船舶、汽車、模具等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)其實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高可靠性的檢測是機(jī)械手無損檢測技術(shù)的前沿研究課題[11]。

非接觸無損檢測技術(shù)適合應(yīng)用于復(fù)雜曲面檢測，具有無需耦合劑、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前無損檢測技術(shù)的研究熱點(diǎn)[12]。機(jī)械手與非接觸無損檢測技術(shù)結(jié)合可以充分發(fā)揮機(jī)械手空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)靈活、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，從而提高檢測效率、保證人員安全，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的自動(dòng)化檢測。例如，機(jī)械手與超聲、渦流檢測相結(jié)合可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片無損檢測，能有效提高檢測精度；機(jī)械手與射線、激光超聲檢測相結(jié)合可避免射線、激光對(duì)人體的危害，提高檢測安全性。

機(jī)械手無損檢測技術(shù)可劃分為單機(jī)械手和雙(多)機(jī)械手檢測模式。根據(jù)檢測對(duì)象的不同，單機(jī)械手檢測可劃分為機(jī)械手夾持換能器和機(jī)械手夾持工件兩類；雙(多)機(jī)械手檢測可劃分為雙機(jī)械手夾持換能器和機(jī)械手分別夾持工件和換能器兩類。

1 單機(jī)械手夾持換能器檢測方法

單機(jī)械手在檢測領(lǐng)域的應(yīng)用多于雙(多)機(jī)械手，其中既有針對(duì)特定檢測需求而設(shè)計(jì)的專用機(jī)械手，也有采用通用六自由度機(jī)械手搭建的檢測系統(tǒng)。出于對(duì)航空航天零件質(zhì)量保證的需要，國外較早開展了曲面工件的無損檢測研究。如圖1所示，文獻(xiàn)[13]將超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUID)安裝于三坐標(biāo)平臺(tái)和六自由度機(jī)械手上，搭建了一套無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)不銹鋼中因馬氏體或奧氏體相變而產(chǎn)生的鐵磁性進(jìn)行檢測。德國Nukem Nutronik[14]公司研制的自動(dòng)化檢測系統(tǒng)Multi Aix Ultrasonic System(MAUS)能夠通過編程完成曲面輪廓的自動(dòng)跟蹤檢測。德國智能無損檢測系統(tǒng)與服務(wù)有限公司[15]研制的薩菲爾智能超聲檢測系統(tǒng)將超聲檢測技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)采集和分析軟件組成無損檢測評(píng)估系統(tǒng)，應(yīng)用于飛機(jī)生產(chǎn)線上的復(fù)合材料加工質(zhì)量檢測。英國Ultrasonic Sciences Ltd(USL)[16]自1987年以來就開始從事超聲無損檢測研究，已成功研制復(fù)合材料超聲自動(dòng)化掃查系統(tǒng)，具有10個(gè)自由度，采用多軸并行控制的策略，掃查范圍可達(dá)8 m × 1.5 m × 3 m。文獻(xiàn)[17]對(duì)機(jī)械手渦流探傷的軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行研究，采用分治算法實(shí)現(xiàn)了航空復(fù)雜曲面構(gòu)件的精確檢測。文獻(xiàn)[18]基于機(jī)械手掃查系統(tǒng)搭建了超聲層析成像檢測裝置，對(duì)機(jī)械手非接觸校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，提高了裝置掃查精度。

圖1 超導(dǎo)量子干涉磁成像檢測系統(tǒng)

國內(nèi)在復(fù)雜曲面工件超聲自動(dòng)化檢測方面的研究起步相對(duì)較晚，但也取得了較快的進(jìn)展。如圖2所示，文獻(xiàn)[19]研制了適用于檢測煤氣管道內(nèi)缺陷的管道檢測機(jī)器人，通過搭載超聲檢測裝置和渦流檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部的缺陷檢測。文獻(xiàn)[20]針對(duì)平板或小曲率復(fù)合材料板研制了超聲噴水C掃描檢測系統(tǒng)，對(duì)層壓板和蜂窩復(fù)合材料板可實(shí)現(xiàn)有效的掃描成像。浙江大學(xué)的周曉軍研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)械手復(fù)雜曲面超聲檢測方面做了深入研究，其中文獻(xiàn)[21]提出了基于B樣條的自由曲面超聲自動(dòng)化檢測掃查路徑生成方法；文獻(xiàn)[22]提出了復(fù)雜形狀航空鍛件的超聲自動(dòng)化檢測方法；文獻(xiàn)[23-24]對(duì)曲面工件超聲自動(dòng)化檢測中的曲面建模以及曲面重構(gòu)技術(shù)做了研究，提出了曲面輪廓測量、曲面建模、曲面重構(gòu)和自動(dòng)化檢測于一體的檢測方法，在工件CAD模型未知的情況下同樣可以進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于復(fù)雜曲面的超聲檢測機(jī)械手，根據(jù)超聲測距原理可以反求被測工件的曲面模型。文獻(xiàn)[26]通過爬行機(jī)器人搭載超聲探頭的方法實(shí)現(xiàn)了船體對(duì)接焊縫的自動(dòng)化無損檢測，在記錄缺陷數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可以標(biāo)識(shí)缺陷位置并報(bào)警。文獻(xiàn)[27]通過搭建蘭姆波復(fù)合成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)板結(jié)構(gòu)中裂紋方向的識(shí)別和定量檢測。

圖2 管道檢測機(jī)器人

在眾多機(jī)械手無損檢測裝置中，通用六自由度機(jī)械手是應(yīng)用最為廣泛的一類，它在工作空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)靈活，可以達(dá)到任意位姿，因而特別適合應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽車輪轂、軸承、齒輪等復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的檢測。

1.1 單機(jī)械手夾持換能器檢測系統(tǒng)組成

對(duì)于大型復(fù)雜曲面構(gòu)件適合采用機(jī)械手夾持換能器進(jìn)行檢測，以汽車輪轂為檢測對(duì)象，搭建如圖3所示檢測系統(tǒng)。輪轂是車輛的主要承重部件，直接關(guān)系到行車安全，汽車廠商特別重視輪轂出廠前的檢測。汽車輪轂加工過程中不僅需要保證外部質(zhì)量，如加工精度、表面粗糙度等，更需要控制輪轂內(nèi)部質(zhì)量，如鑄造過程中產(chǎn)生的氣孔、砂眼、縮孔、縮松以及殘余應(yīng)力等[28]。輪轂超聲檢測系統(tǒng)基于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理分析、數(shù)控技術(shù)(CNC)、聲學(xué)理論等實(shí)現(xiàn)檢測功能[29]。檢測系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖3所示，其中包括伺服控制系統(tǒng)、超聲檢測系統(tǒng)、六自由度通用機(jī)械手、工控機(jī)、檢測轉(zhuǎn)臺(tái)和水槽。

圖3 汽車輪轂檢測系統(tǒng)示意圖

伺服控制系統(tǒng)由PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和安川伺服控制器組成，PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡是應(yīng)用非常廣泛的運(yùn)動(dòng)控制器，與成套伺服控制系統(tǒng)不同，PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡具有很好的開放性，可編程能力強(qiáng)，適合對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，因而廣泛應(yīng)用于科研領(lǐng)域[30]。超聲檢測系統(tǒng)由換能器和脈沖收發(fā)卡組成，脈沖收發(fā)卡與工控機(jī)連接，通過上位機(jī)編程可實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)射、信號(hào)采集功能，發(fā)射脈沖激勵(lì)換能器通過壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓電晶體的振動(dòng)，并以聲波形式向外傳播[31]。采用通用六自由度機(jī)械手作為檢測系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由其搭載換能器實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂的掃查。工控機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)檢測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)和超聲檢測系統(tǒng)的波形信號(hào)由工控機(jī)接收，經(jīng)過C++程序處理定位回波信號(hào)中的缺陷位置信息，并以C掃查圖像形式顯示[32]，檢測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 單機(jī)械手夾持換能器檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2 單機(jī)械手夾持換能器軌跡規(guī)劃方法

在使用機(jī)械手檢測系統(tǒng)掃查工件前，需要明確系統(tǒng)各部分之間的位置關(guān)系，將系統(tǒng)各構(gòu)件均視為剛體，則對(duì)剛體的位姿描述采用位置矩陣與姿態(tài)矩陣組合的形式[33]。例如，在剛體上建立固定坐標(biāo)系{A}，笛卡爾坐標(biāo)系{O}中，位置矩陣由坐標(biāo)系{A}相對(duì)于坐標(biāo)系{O}的坐標(biāo)分量表示：

(1)

姿態(tài)矩陣由坐標(biāo)系{A}三個(gè)坐標(biāo)軸的單位矢量xA、yA、zA相對(duì)于坐標(biāo)系{O}三個(gè)坐標(biāo)軸xO、yO、zO的方向余弦表示：

(2)

對(duì)剛體的位姿描述以位置矩陣與姿態(tài)矩陣組合的形式表示：

(3)

為簡單起見，對(duì)姿態(tài)矩陣的表示采用X-Y-Z固定角坐標(biāo)系方法，首先使坐標(biāo)系{A}與坐標(biāo)系{O}重合，然后使坐標(biāo)系{A}繞xO旋轉(zhuǎn)rx角，再繞yO旋轉(zhuǎn)ry角，最后繞zO旋轉(zhuǎn)rz角[34]。

由此，將剛體的位姿描述簡化為：

(4)

如圖3所示，換能器安裝于機(jī)械手末端執(zhí)行器上，被測工件置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，在機(jī)械手基座處建立坐標(biāo)系{O}作為基坐標(biāo)系，末端執(zhí)行器處建立坐標(biāo)系{e}描述末端執(zhí)行器位姿，換能器末端處建立換能器坐標(biāo)系{t}描述換能器位姿，被測工件圓心處建立工件坐標(biāo)系描述工件相對(duì)于基坐標(biāo)系{O}的位姿，被測工件任意點(diǎn)w處建立坐標(biāo)系{w}。

(5)

1.3 單機(jī)械手夾持換能器檢測實(shí)例

針對(duì)汽車輪轂曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、重量大的特點(diǎn)，采用機(jī)械手夾持換能器的檢測方法。檢測過程如圖5所示，噴水耦合的超聲檢測方法可以檢測汽車輪轂內(nèi)部的砂眼、縮孔、縮松等鑄造缺陷。

圖5 汽車輪轂超聲檢測

超聲檢測方法受檢測分辨率的限制，只能檢測工件內(nèi)部缺陷，對(duì)于工件表面由于殘余應(yīng)力、疲勞、鑄造溫度不均而產(chǎn)生的表面裂紋，可采用如圖6所示的渦流檢測方法，通過機(jī)械手夾持渦流換能器可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)復(fù)雜曲面表面的缺陷檢測[35]。

圖6 汽車輪轂渦流檢測

對(duì)于大型曲面構(gòu)件焊接中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同樣可以采用機(jī)械手夾持超聲換能器的檢測方法，圖7(a)是針對(duì)焊縫殘余應(yīng)力的檢測實(shí)物，圖7(b)是檢測結(jié)果，其中深色區(qū)域的應(yīng)力值高于淺色區(qū)域，下部黑色區(qū)域是尚未獲得檢測數(shù)據(jù)的區(qū)域。由圖可見，焊縫位置的殘余應(yīng)力高于其他位置，圖7(a)中被測平板焊縫的熱影響區(qū)寬50mm，圖7(b)中的應(yīng)力集中區(qū)與實(shí)際焊縫熱影響區(qū)尺寸基本一致。

圖7 平板焊縫檢測

2 單機(jī)械手夾持工件檢測方法

無損檢測中，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、軸承、螺栓等小型復(fù)雜構(gòu)件的檢測需求較大，同時(shí)也是目前的研究熱點(diǎn)。針對(duì)葉片等復(fù)雜形廓構(gòu)件的無損檢測，國外通常采用超聲、電磁、滲透、紅外熱成像與射線等多種方法進(jìn)行檢測[36]。文獻(xiàn)[37]研究了利用空耦超聲檢測風(fēng)力渦輪葉片的方法。文獻(xiàn)[38]提出利用中子/X射線計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)對(duì)不同材料、形廓的被測件進(jìn)行無損檢測，該技術(shù)已趨近成熟。文獻(xiàn)[39]提出渦流法檢測玻璃纖維增強(qiáng)材料的航空及風(fēng)力機(jī)葉片，基于電流脈沖的熱影像檢測出葉片的缺陷。文獻(xiàn)[40]提出用熒粉滲透檢測方法對(duì)葉片等航空構(gòu)件進(jìn)行無損檢測，并構(gòu)建了自動(dòng)化滲透檢測系統(tǒng)，提高了檢測效率。文獻(xiàn)[41]提出用紅外熱成像法檢測葉片，構(gòu)建了一套自動(dòng)化多軸聯(lián)動(dòng)掃查裝置，保證掃查軌跡具有較高的重復(fù)定位精度。文獻(xiàn)[42]利用線性掃查熱成像技術(shù)檢測復(fù)合材料構(gòu)件，對(duì)多組標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行了檢測，熱影像結(jié)果與超聲C掃查結(jié)果基本保持一致。文獻(xiàn)[43]對(duì)復(fù)雜曲面的機(jī)械手快速掃查進(jìn)行研究，利用合成孔徑聚焦技術(shù)減少掃查角度變化對(duì)聲速和相干噪聲的影響，提高了掃查圖像質(zhì)量。文獻(xiàn)[44]利用工業(yè)攝像頭和圖像拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測軌跡的自動(dòng)規(guī)劃。文獻(xiàn)[45]針對(duì)管道焊縫研制了相控陣檢測機(jī)器人。如圖8所示，文獻(xiàn)[46]設(shè)計(jì)的四自由度管道檢測機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)直徑200～350mm管道的無損檢測。

圖8 管道檢測機(jī)器人

國內(nèi)針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的超聲無損檢測多采用專用掃查設(shè)備，即對(duì)每一類被測件設(shè)計(jì)專屬的夾具或掃查架等運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)用范圍受限。目前仍缺少廣泛使用的針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件自動(dòng)化檢測的標(biāo)準(zhǔn)與方法，機(jī)械手在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用仍在不斷完善之中。文獻(xiàn)[47]提出超聲波探傷和激光散斑干涉相結(jié)合的方法，超聲波應(yīng)用于玻璃纖維層合板較厚區(qū)域與膠黏劑粘接區(qū)域的檢測，激光散斑干涉用于葉片夾層結(jié)構(gòu)層的檢測，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的整體無損檢測。文獻(xiàn)[48]提出利用閃光燈脈沖激勵(lì)紅外無損檢測方法對(duì)風(fēng)電葉片制作過程中產(chǎn)生的幾種典型缺陷進(jìn)行檢測，紅外熱波無損檢測作為一種大面積、快速、非接觸的無損檢測技術(shù)在風(fēng)電葉片無損檢測領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[49]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的渦流陣列檢測方法進(jìn)行仿真，分析結(jié)果對(duì)工程檢測實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。對(duì)于類似航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的小尺寸復(fù)雜構(gòu)件，采用機(jī)械手夾持工件的檢測方法，可有效提高檢測精度，是較為常用的檢測方法。

2.1 單機(jī)械手夾持工件檢測系統(tǒng)組成

對(duì)于尺寸較小的復(fù)雜曲面構(gòu)件，適合采用機(jī)械手夾持工件進(jìn)行檢測，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為檢測對(duì)象，搭建如圖9所示的檢測系統(tǒng)。

圖9 葉片檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片具有變厚度、變曲率的特點(diǎn)，通過對(duì)葉片缺陷分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，基于六自由度機(jī)械手平臺(tái)搭建了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測系統(tǒng)。結(jié)合超聲檢測、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)編程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片缺陷和厚度的自動(dòng)化無損檢測。系統(tǒng)集成了機(jī)械手、超聲換能器、脈沖收發(fā)儀等硬件以及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制、掃查成像等軟件，利用超聲掃查方法對(duì)被測件的缺陷和厚度進(jìn)行檢測，實(shí)時(shí)顯示掃查過程中航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片反射的A掃查脈沖回波信號(hào)，并提取A掃查缺陷回波的峰峰值[50]，轉(zhuǎn)換為灰度值后作為C掃查中各軌跡點(diǎn)的色彩值，并以圖像的方式顯示被測件的缺陷和厚度信息[51]。

單機(jī)械手超聲無損檢測系統(tǒng)的組成如圖10所示，包括機(jī)械手控制系統(tǒng)、超聲檢測系統(tǒng)以及其他模塊構(gòu)成的輔助系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。其中機(jī)械手控制系統(tǒng)采用六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手，其重復(fù)定位精度達(dá)到0.08mm，可有效保證被測葉片的定位精度及其與超聲換能器的位置精度，減少形位誤差對(duì)檢測結(jié)果的影響。超聲檢測系統(tǒng)采用高速采集卡和脈沖收發(fā)儀，可實(shí)時(shí)獲得葉片反射的脈沖回波信號(hào)。

圖10 單機(jī)械手檢測系統(tǒng)組成框圖

2.2 單機(jī)械手夾持工件檢測實(shí)例

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是典型的復(fù)雜曲面構(gòu)件，由于尺寸小、重量輕，且檢測精度要求高，適合采用機(jī)械手夾持工件的檢測方法。

圖11(a)是仿形葉片超聲檢測實(shí)物，在葉片表面分別制作5個(gè)長1cm深1mm的人工缺陷，圖11(b)是相應(yīng)C掃查檢測結(jié)果，與實(shí)物對(duì)應(yīng)的5個(gè)人工缺陷可以在C掃圖像中清晰顯示，且尺寸基本保持一致。

圖11 仿形葉片超聲檢測

單機(jī)械手夾持工件檢測方法具有較好的通用性，除應(yīng)用于超聲檢測外，還可以應(yīng)用于激光超聲和渦流檢測。圖12是單機(jī)械手夾持工件進(jìn)行激光超聲檢測，激光光源照射到被測工件表面，工件吸收高能激光，表面溫度上升，由于熱膨脹而產(chǎn)生超聲波，激勵(lì)源與被測工件間不需要直接接觸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測，激光對(duì)人體有一定危害，因而適合采用機(jī)械手夾持工件的檢測方法[52]。

圖12 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片激光超聲檢測

圖13是采用單機(jī)械手夾持工件的方法進(jìn)行渦流檢測，受超聲檢測分辨率所限，超聲檢測方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面缺陷的檢測，而渦流檢測方法可以利用探測線圈測量工件表面的磁場變化，適合工件的表面缺陷檢測[53]。

圖13 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片渦流檢測

3 雙機(jī)械手檢測方法

在一些應(yīng)用領(lǐng)域，雙機(jī)械手能夠完成單機(jī)械手無法實(shí)現(xiàn)的操作任務(wù)，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)是雙機(jī)械手研究中的重要內(nèi)容，對(duì)此國內(nèi)外學(xué)者均有所研究。在國外，德國宇航局(DLR)研制了由輕型臂構(gòu)成的雙臂系統(tǒng)可完成擰瓶蓋的復(fù)雜操作[54]；美國宇航局(NASA)研制的Robonaut2雙臂機(jī)器人[55]由“發(fā)現(xiàn)號(hào)”搭載進(jìn)入太空，可協(xié)助宇航員完成太空任務(wù)；如圖14所示，文獻(xiàn)[56]對(duì)雙機(jī)械手在復(fù)雜曲面中的軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行研究，提出利用超聲數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行自適應(yīng)修正的方法，并通過Matlab仿真驗(yàn)證了方法的可行性。在國內(nèi)，文獻(xiàn)[57]基于遺傳算法對(duì)雙臂機(jī)器人混合控制技術(shù)進(jìn)行研究，可實(shí)現(xiàn)雙臂協(xié)調(diào)搬運(yùn)箱體運(yùn)動(dòng)；文獻(xiàn)[58]采用集散控制原理有效減小了雙機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)中的誤差和延遲問題；文獻(xiàn)[59]將雙機(jī)械手集成于瓦楞紙箱生產(chǎn)線終端，分別完成單層碼垛和整層抓取操作，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)械手的協(xié)調(diào)控制。

圖14 英國萊德大學(xué)雙機(jī)械手超聲檢測系統(tǒng)

雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)具有能夠自動(dòng)適應(yīng)不同種類曲面構(gòu)件的特點(diǎn)，通過不同工件CAD模型的掃查軌跡規(guī)劃或自適應(yīng)輪廓識(shí)別技術(shù)，靈活地滿足自適應(yīng)檢測要求，同時(shí)，能夠根據(jù)材料特性自動(dòng)選擇可適應(yīng)的傳感器類型和檢測方法，能夠自動(dòng)選擇相應(yīng)的檢測算法和顯示模式，以滿足對(duì)不同曲率、厚度、形廓和材料特性構(gòu)件的快速無損檢測[60]。

3.1 雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)組成

雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)組成如圖15所示，主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)3部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是整個(gè)檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括2臺(tái)機(jī)械手、底座、直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、水循環(huán)單元、工件支架；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(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、超聲換能器、超聲信號(hào)收發(fā)裝置、高速數(shù)據(jù)采集卡、電控柜等；軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、超聲收發(fā)及信號(hào)采集、形廓跟蹤、運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)處理、圖像顯示和參數(shù)設(shè)置模塊[61]。

圖15 雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)組成框圖

圖16是雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)實(shí)物圖。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它對(duì)復(fù)雜曲面的高效、準(zhǔn)確掃查起到至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)采用已經(jīng)高度工業(yè)化的高精度六自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)械手作為超聲換能器的運(yùn)動(dòng)載體，并采用2臺(tái)機(jī)械手搭配運(yùn)動(dòng)的模式，以適應(yīng)透射檢測。為了擴(kuò)大可檢測工件類型范圍，系統(tǒng)中加入外部運(yùn)動(dòng)軸，使機(jī)械手可以沿著外部軸移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型開放式、半開放式復(fù)雜非規(guī)則曲面以及筒型零件等工件的檢測。

圖16 雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 雙機(jī)械手軌跡規(guī)劃方法

當(dāng)雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)檢測曲面工件時(shí)，因?yàn)榍婀ぜ砻娲嬖谇?，超聲波通過界面會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象[62]。為了保證接收換能器能收到更多的透射能量，換能器需要根據(jù)工件表面變化進(jìn)行調(diào)整[63]。換句話說，兩個(gè)機(jī)械手所持的換能器的位置和指向需要適當(dāng)變化，保證發(fā)射換能器的方向正好指向工件表面的法線方向，使接收換能器的位置和指向處于最佳的接收位置[64]，軌跡跟蹤工件表面的過程如圖17所示。圖17是變厚度曲面工件檢測系統(tǒng)中聲束傳播過程，從發(fā)射換能器發(fā)出的聲束，沿著工件上表面法線方向入射到界面，發(fā)生反射和透射，透射波經(jīng)過界面并沿著原方向在工件內(nèi)部傳播至下表面[65]。由于變厚度曲面兩側(cè)面并非對(duì)稱，在界面處通常會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象。超聲波聲束的折射原理遵循Snell定律，最終聲束透過工件，并被接收換能器接收到[66-67]。

圖17 軌跡跟蹤曲面

為了保證換能器以最佳的位姿檢測工件，以發(fā)射側(cè)工件表面為基準(zhǔn)，離散生成檢測點(diǎn)位置S1(u,v)，并根據(jù)離散的檢測點(diǎn)計(jì)算法線矢量，確定發(fā)射換能器的位置。然后計(jì)算聲束與出射面的交點(diǎn)S2(u,v)，求得工件在該點(diǎn)處的切線方向，運(yùn)用Snell定律求解接收換能器的位置和方向矢量。S(u,v)在曲面中的位置關(guān)系如圖18所示。

圖18 曲面法向量求解

假設(shè)聲束和入射面的交點(diǎn)為S1(ui,vj)，可以根據(jù)與該點(diǎn)相鄰的離散軌跡點(diǎn)S1(ui+1,vj)和S1(ui,vj+1)求得一個(gè)法向量：

(6)

同理可以結(jié)合其他6個(gè)點(diǎn)S1(ui-1,vj)、S1(ui-1,vj-1)、S1(ui+1,vj-1)、S1(ui-1,vj+1)、S1(ui,vj-1)、S1(ui+1,vj+1)求得另外3個(gè)法向量nt2(ui,vj)、nt3(ui,vj)、nt4(ui,vj)。對(duì)所求的幾個(gè)法向量進(jìn)行擬合，求得曲面在該點(diǎn)最終法向量：

nt3(ui,vj)+nt4(ui,vj))

(7)

已知發(fā)射換能器到工件的水聲程為s1，發(fā)射換能器的位置：

P1(x,y,z)=S1(ui,vj)+s1n1

(8)

接收換能器位置需要根據(jù)聲束的傳播路徑求得，假設(shè)入射聲束點(diǎn)為S1(ui,vj)，則工件內(nèi)部聲束沿著n1(ui,vj)矢量方向傳播，可以計(jì)算出入射聲束與底面交點(diǎn)S2(ui,vj)。求得工件在該點(diǎn)的曲率，根據(jù)聲波在材料中的傳播定律可以求得聲束的出射矢量n2(ui,vj)。

獲得聲束的出射矢量以后，選定接收換能器合適的水聲程s3。此時(shí)接收換能器在空間中的位姿處于點(diǎn)S2(ui,vj)，方向矢量為n2，位置為：

P2(x,y,z)=S2(ui,vj)+s3n2

(9)

s3即是接收換能器到工件表面的水聲程，n2為接收換能器的空間三維向量。

3.3 雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)檢測實(shí)例

針對(duì)圓筒形工件內(nèi)部檢測空間狹長的特點(diǎn)，機(jī)械手在內(nèi)部的活動(dòng)受限，機(jī)械手臂容易與工件的內(nèi)表面發(fā)生干涉，因此在檢測過程中還需要運(yùn)用外部軸，本系統(tǒng)的外部軸由一個(gè)直線導(dǎo)軌構(gòu)成，承載著機(jī)械手做直線運(yùn)動(dòng)[68]。圖19是對(duì)纖維纏繞圓筒復(fù)合材料工件的檢測過程和結(jié)果，從中可以清楚地看出圓筒形工件表面不同直徑孔的排列，從檢測結(jié)果中也可以看出不同粘膠密度的復(fù)合材料狀況。

針對(duì)開放式大型曲面工件，可以充分應(yīng)用機(jī)械手的靈活性，采用雙機(jī)械手相互適應(yīng)的協(xié)同控制，使得檢測過程更加精確。圖20是雙機(jī)械手檢測系統(tǒng)針對(duì)大型曲面工件中人工缺陷的檢測結(jié)果C掃圖像，圖中字母能夠在C掃圖像中清晰顯示，且顯示尺寸與實(shí)際尺寸基本一致。

圖19 圓筒形工件超聲檢測

圖20 大型曲面工件超聲檢測

4 機(jī)械手CT檢測技術(shù)

工業(yè)CT(Computerized Tomography)作為一種無損檢測的重要方法，憑借其檢測分辨率高，檢測結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到社會(huì)的廣泛認(rèn)可[69]。工業(yè)CT的原理是利用X射線的衰減規(guī)律[70]和計(jì)算機(jī)三維重建的方法完成對(duì)被測工件的三維重建，并對(duì)工件存在的缺陷進(jìn)行相應(yīng)的分析。

德國和美國是世界上研究應(yīng)用CT技術(shù)較為領(lǐng)先的國家，文獻(xiàn)[71]將X射線背散射技術(shù)應(yīng)用于航空材料無損檢測成像中，可在非平行照射情況下提高圖像質(zhì)量；文獻(xiàn)[72]將有限元方法應(yīng)用于工業(yè)CT中，可以模擬真實(shí)零件上的應(yīng)力和載荷；德國亨廷頓國際CT發(fā)展股份有限公司的OLIVER R介紹了集成于鑄件生產(chǎn)線上的CT檢測系統(tǒng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)裝載、識(shí)別、檢測、評(píng)價(jià)和分類功能[73]。我國工業(yè)CT檢測技術(shù)發(fā)展比較晚，主要是在20世紀(jì)90年代才正式開始研究。我國第一臺(tái)實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)檢測CT誕生于1993年重慶大學(xué)ICT實(shí)驗(yàn)室研究中心[74]。隨后各個(gè)研發(fā)單位陸續(xù)研制出了相應(yīng)的產(chǎn)品樣機(jī)，中國工程物理研究院[75-76]、北京航空航天大學(xué)[77-78]、西北工業(yè)大學(xué)[79-80]等多家高校和研究所都在進(jìn)行工業(yè)檢測CT的研究，檢測工件尺寸從20 mm提升到了2 500 mm，相應(yīng)的空間分辨率也得到了有效提高。文獻(xiàn)[81]以西門子SINUMERIK 840D通用數(shù)控系統(tǒng)為控制核心搭建了模塊化的工業(yè)CT控制平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)CT掃描過程中多軸聯(lián)動(dòng)以及圖像采集與運(yùn)動(dòng)控制同步的要求。文獻(xiàn)[82]研究了利用工業(yè)CT切片數(shù)據(jù)進(jìn)行反求建模和快速成型的技術(shù)，并通過復(fù)雜零件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[83]通過對(duì)圓形和線形缺陷圖像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該類問題可降為一維問題，由此提高了算法運(yùn)算速度。

在工業(yè)CT實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械掃描系統(tǒng)往往采用傳統(tǒng)的工業(yè)CT旋轉(zhuǎn)臺(tái)，這不僅影響到工件的全方位檢測，同時(shí)對(duì)檢測效率也產(chǎn)生了一定阻礙。采用工業(yè)六自由度機(jī)械手代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，可以提高復(fù)雜工件檢測的靈活性，同時(shí)也促進(jìn)了系統(tǒng)重要幾何參數(shù)的測量便利性，提高了系統(tǒng)的檢測效率[84]。

4.1 機(jī)械手CT檢測系統(tǒng)組成

機(jī)械手CT掃描系統(tǒng)由機(jī)械手及其控制系統(tǒng)、平板探測器采集系統(tǒng)、錐束高能X射線源、投影數(shù)據(jù)三維重建軟件系統(tǒng)組成[85]，如圖21所示。通過工業(yè)六自由度機(jī)械手空間坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)被檢測工件空間掃描和投影數(shù)據(jù)采集。錐束CT重建時(shí)需要通過不同角度的旋轉(zhuǎn)完成對(duì)被測工件圖像的采集，即被測工件同步數(shù)據(jù)的獲取，系統(tǒng)依據(jù)上下位機(jī)的協(xié)調(diào)同步控制，以機(jī)械手位置信息作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，觸發(fā)平板探測器通過交互式以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[86]，以此完成對(duì)被測工件的X射線投影同步數(shù)據(jù)的獲取。采用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制核心，通過下位機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)位置時(shí)使能IO端口發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，進(jìn)而觸發(fā)平板探測器進(jìn)行采集和保存；另一方面，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測工件的間歇性照射功能，利用平板探測器的X射線控制信號(hào)進(jìn)行X射線源控制，以保證圖像讀出時(shí)平板探測器各個(gè)像元的曝光時(shí)間一致，進(jìn)而保證圖像質(zhì)量。

圖21 機(jī)械手錐束CT檢測系統(tǒng)組成框圖

在采集過程中，一方面由于被檢測工件的角度位置變化，不可避免地造成圖像在不同角度上有不同的曝光程度；另一方面受平板探測器采集數(shù)據(jù)隨機(jī)性的影響，需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行驗(yàn)證，如果投影圖像的最小灰度值偏小，即小于暗場圖像，需要校正X射線管電流和管電壓，以獲取較好的投影圖像，保證后續(xù)的三維重建。系統(tǒng)通過軟件實(shí)現(xiàn)投影圖像的驗(yàn)證和采集，具體過程如圖22所示。

圖22 投影圖像驗(yàn)證、采集流程圖

4.2 機(jī)械手CT檢測實(shí)例

機(jī)械手錐束CT檢測過程如圖23(a)所示[87]。機(jī)械手自動(dòng)抓取工件定位到檢測位置，同時(shí)機(jī)械手代替工業(yè)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)等角度間歇性照射，機(jī)械手精確、平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)過程可保證后續(xù)三維重建過程生成清晰圖像。圖23(b)是三維重建界面及三維重建結(jié)果。

圖23 盤狀工件錐束CT檢測

圖24所示是對(duì)銅板和葉片的三維重建結(jié)果。檢測過程中機(jī)械手自動(dòng)抓取工件定位到檢測位置，通過機(jī)械手與平板探測器以及高能X射線源的協(xié)調(diào)同步工作，完成對(duì)工件的不同角度位置的投影數(shù)據(jù)采集，根據(jù)投影數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)工件三維圖像重建。

圖24 銅板和葉片錐束CT檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢測精度、檢測效率、自動(dòng)化程度和檢測工件的適用范圍均提出了越來越高的要求。機(jī)械手檢測系統(tǒng)適合多變的檢測條件，可完成對(duì)不同曲率、厚度、形廓，以及不同特性材料的快速無損檢測。通過對(duì)不同機(jī)械手檢測方法的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

1)單機(jī)械手夾持換能器檢測方法適用于大型復(fù)雜曲面構(gòu)件檢測，檢測材料一般為金屬，通過附加轉(zhuǎn)臺(tái)的方法可以擴(kuò)展檢測范圍，特別適用于閉合曲面檢測。

2)單機(jī)械手夾持工件檢測方法適用于小型復(fù)雜曲面構(gòu)件檢測，檢測精度高，由于探頭固定，被測工件做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此檢測過程中的機(jī)械手坐標(biāo)變換需要區(qū)別于常規(guī)方法。

3)雙(多)機(jī)械手檢測方法適用于大型復(fù)雜曲面構(gòu)件檢測，對(duì)于需要一發(fā)一收兩個(gè)探頭的檢測方法，例如復(fù)合材料超聲檢測，可以采用雙機(jī)械手檢測方法，同時(shí)雙(多)機(jī)械手檢測方法需要考慮機(jī)械手間同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)問題。

4)機(jī)械手與CT檢測技術(shù)結(jié)合可以提高工業(yè)檢測自動(dòng)化程度，保證檢測人員安全。

機(jī)械手在無損檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用為構(gòu)建自動(dòng)化超聲檢測系統(tǒng)提供了優(yōu)秀、便捷的解決方案，可有效提高無損檢測的適用范圍。

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專家介紹

徐春廣(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，先進(jìn)加工技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室主任，北京理工大學(xué)無損檢測與控制研究所所長，教育部新世紀(jì)人才。

兼任中國無損檢測學(xué)會(huì)常務(wù)理事和超聲分委員會(huì)副主任委員、中國電子學(xué)會(huì)會(huì)士、中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)副主任委員、中國計(jì)量測試學(xué)會(huì)理事、國防科技無損檢測鑒認(rèn)委委員、總裝備部通用測試技術(shù)專業(yè)組成員、中國工程物理研究院客座教授，以及東京工業(yè)大學(xué)兼職研究員( 2015-) 、韓國國立釜山大學(xué)兼職教授研究員( 2009-) 、第20屆世界無損檢測大會(huì)( WCNDT2020) 組委會(huì)副主席、世界無損評(píng)估中心聯(lián)盟委員( WFNDEC)(2015-) 、國際聲發(fā)射委員會(huì)委員( 2015-) 、IEEE FENDT 國際會(huì)議創(chuàng)會(huì)主席( 2014-) 、遠(yuǎn)東無損檢測新技術(shù)論壇大會(huì)執(zhí)行主席( 2011-) 、IEEE 會(huì)員等多個(gè)國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)兼職。

發(fā)表學(xué)術(shù)論文200 余篇，獲得國家發(fā)明專利30 多項(xiàng)，主持制定1 項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)和2 項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。主持完成“電子封裝超聲無損檢測與表征”國家重點(diǎn)自然基金項(xiàng)目、“航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片超聲無損檢測技術(shù)”和“復(fù)合材料特種回轉(zhuǎn)構(gòu)件超聲檢測與完整性評(píng)估技術(shù)”兩項(xiàng)國家( 04 專項(xiàng)) 重大科技工程項(xiàng)目、“非回轉(zhuǎn)構(gòu)件超聲無損檢測與評(píng)估”國家國際科技合作項(xiàng)目以及“殘余應(yīng)力超聲法測量與校準(zhǔn)技術(shù)”科工局科研和總裝項(xiàng)目等50 多項(xiàng)科研項(xiàng)目。獲得國防科技發(fā)明二等獎(jiǎng)( 排名第一) 、國防科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)( 排名第二) 等省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)，曾獲得教育部優(yōu)秀青年教師榮譽(yù)稱號(hào)。

主要從事超聲無損檢測理論和工程應(yīng)用研究，包括殘余應(yīng)力檢測與調(diào)控、超聲顯微檢測技術(shù)、機(jī)械手檢測與控制技術(shù)、陣列超聲與層析檢測理論和技術(shù)。提出了全新的無應(yīng)力制造技術(shù)理論和方法，為智能制造和裝備服役安全奠定了基礎(chǔ)。

主持制定國家標(biāo)準(zhǔn)( GB /T 32073—2015) 《殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波無損檢測方法》、中國石油天然氣集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn)( Q/SY 05009—2016) 《油氣管道焊縫殘余應(yīng)力超聲檢測技術(shù)》等多項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

Nondestructive Test Technology Using Robot Manipulator

XU Chun-guang1，ZHANG Han-ming1，GUO Can-zhi1，XIAO Zhen1，LIN Lian-pu2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China；2.SchoolofAutomation,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

With the wide application of new material, new structure and new technology in modern industry especially in aerospace industry, the application scope of nondestructive test has not been restricted to normal materials or normal shapes, the test of complex components brings new chances and challenges to nondestructive test. The combination of robot manipulator which is widely used in industry and nondestructive test can replace human to realize precise test on complex components, and increase test efficiency and security. The article reviews single manipulator gripping transducer, single manipulator gripping work piece, dual manipulator test and manipulator radiographic test respectively according to different test ways, and the application scopes of different test ways are analyzed.

robot manipulator; nondestructive test; ultrasonic test; radiographic test; eddy current test

2016-12-30

國家04重大專項(xiàng)(2014ZX04012015)；科技部國際合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2012DFA70260)

TP241

A

1008-5300(2017)02-0001-12