本發(fā)明涉及超聲檢測領(lǐng)域，特別涉及一種基于串聯(lián)機(jī)械臂的平面焊接件的定位超聲檢測裝置及方法。適用于大尺寸平面焊接件的檢測。

背景技術(shù)：

定量超聲波檢測，常采用機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，通過控制機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，使超聲波探頭達(dá)到特定位置，并在特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃查。在每一個(gè)掃查點(diǎn)，由機(jī)械機(jī)構(gòu)反饋位置信息，由超聲波探頭反饋工件內(nèi)部狀態(tài)，再通過計(jì)算機(jī)擬合，即可獲得工件內(nèi)部所有掃查點(diǎn)的缺陷信息。工件的二維表面常采用X-Y雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)并帶動(dòng)超聲探頭在工件表面進(jìn)行掃查。隨著工件尺寸的增加，機(jī)械機(jī)構(gòu)的尺寸、復(fù)雜程度和加工難度也隨之增加，其成本也更加昂貴，同時(shí)精度保證更加困難，亟待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種平面焊接件的定位超聲檢測裝置及方法，適用于大尺寸平面焊接件的檢測，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的超聲掃查機(jī)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大的問題，實(shí)現(xiàn)大尺寸焊件的定量超聲檢測，同時(shí)對(duì)工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行高精度在線定量掃查，并通過計(jì)算機(jī)擬合形成數(shù)值和圖像。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

平面焊接件的定位超聲檢測裝置，包括工業(yè)計(jì)算機(jī)1、超聲探頭7、超聲波檢測模塊3、串聯(lián)機(jī)械臂4、角度傳感器和數(shù)據(jù)采集卡6。超聲探頭7通過探頭連接線與超聲波檢測模塊3連接，超聲波檢測模塊3由超聲波脈沖發(fā)射電路、超聲波接收電路和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，通過PCI 總線與工業(yè)計(jì)算機(jī)1連接，串聯(lián)機(jī)械臂4是由連桿串聯(lián)組成的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，可使超聲探頭7實(shí)現(xiàn)在串聯(lián)機(jī)械臂所能達(dá)到的平面范圍內(nèi)進(jìn)行檢測；位于串聯(lián)機(jī)械臂4上的角度傳感器A501、角度傳感器B502將各連桿的角度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋到數(shù)據(jù)采集卡6，并通過USB連接線輸入工業(yè)計(jì)算機(jī)1。

所述的串聯(lián)機(jī)械臂4是：底座401為固定串聯(lián)機(jī)械臂4的基座，連桿A402與底座401相連，連桿B403與連桿A402相連；在連桿A402和連桿B403上分別螺接角度傳感器A501和角度傳感器B502，以測量連桿A402和連桿B403的旋轉(zhuǎn)角度；為保證旋轉(zhuǎn)順暢，在連桿A402與底座401連接處安裝大軸承A404，在連桿B403與連桿A402連接處安裝大軸承B405；銷A406通過頂絲與底座401固定在一起，在角度傳感器A501與銷A406之間設(shè)置聯(lián)軸器A408并通過頂絲固定在一起；為保證旋轉(zhuǎn)順暢，在聯(lián)軸器A408與連桿A402之間安裝小軸承A407；銷B409通過頂絲與連桿B403固定在一起，在角度傳感器B502與銷B409之間設(shè)置聯(lián)軸器B并通過頂絲固定在一起，在聯(lián)軸器B410與連桿A402之間安裝小軸承B411；超聲探頭連接線2和超聲探頭7固定在連桿B403上，隨連桿B403的位置和姿態(tài)變化，超聲探頭7可到達(dá)掃查范圍內(nèi)平面任意位置進(jìn)行檢測。

所述的工業(yè)計(jì)算機(jī)1為強(qiáng)固型便攜機(jī)，作為人機(jī)交互界面協(xié)調(diào)控制超聲波檢測模塊3及數(shù)據(jù)采集卡6，完成超聲探頭7位置信息和檢測數(shù)據(jù)信息的分析處理和結(jié)果的輸出；所述人機(jī)交互界面主要由參數(shù)設(shè)置區(qū)、A 掃描信號(hào)區(qū)、C 掃描成像區(qū)和計(jì)算結(jié)果顯示區(qū)等構(gòu)成。

所述的超聲探頭7為單點(diǎn)式超聲探頭，超聲頻率根據(jù)焊接件的材料及板厚進(jìn)行選擇，超聲探頭7通過探頭連接線與超聲波檢測模塊3連接，實(shí)現(xiàn)在非水浸的情況下對(duì)平面焊接件進(jìn)行掃描檢測。

所述的超聲波檢測模塊3由集成設(shè)計(jì)在一塊PCI 總線主板上的超聲波脈沖發(fā)射電路、超聲波接收電路和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，通過PCI 總線與工業(yè)計(jì)算機(jī)1連接，其作用是發(fā)射和采集超聲波脈沖，將回波脈沖的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳入工業(yè)計(jì)算機(jī)。

所述的角度傳感器A501、角度傳感器B502采用高精度增量式角度傳感器，內(nèi)置光碼盤，角度傳感器每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，輸出一次脈沖值。角度傳感器可以將各連桿的角度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋到數(shù)據(jù)采集卡；并通過USB連接線輸入計(jì)算機(jī)。

所述的數(shù)據(jù)采集卡6為USB多通道數(shù)據(jù)采集卡，輸入端通過數(shù)據(jù)線與角度傳感器A501、角度傳感器B502相連，每個(gè)通道連接一個(gè)角度傳感器；輸出端通過USB連接線與工業(yè)計(jì)算機(jī)1相連，其作用在于讀取各個(gè)角度傳感器的脈沖數(shù)，并反饋至工業(yè)計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種平面焊接件的定位超聲檢測方法，包括如下步驟：

步驟1、工件表面處理：在超聲波掃查之前，需要對(duì)工件表面進(jìn)行除塵、除油、涂抹耦合劑處理，減少工件表面雜質(zhì)對(duì)超聲信號(hào)的干擾；

步驟2、工件表面掃查，采集工件內(nèi)部的超聲信號(hào)，同時(shí)識(shí)別缺陷信息；

2.1 通過手持固定在串聯(lián)機(jī)械臂端部的超聲探頭，在工件表面進(jìn)行往復(fù)掃查運(yùn)動(dòng)，其中，手持探頭運(yùn)動(dòng)的最高速度V(mm/s)的決定因素包括：超聲卡的采樣頻率fs(Hz)；被掃查件的精度要求ε(mm)和串聯(lián)式機(jī)械臂坐標(biāo)反饋時(shí)間t(s)，其基本計(jì)算公式為：

V≤min（ε×fs，ε/t）

2.2 在手動(dòng)掃查路徑中的任一點(diǎn)，采集串聯(lián)式機(jī)械臂上的角度傳感器A、角度傳感器B反饋的角度信息θ₁，θ₂，其中，θ₁為連桿A402相對(duì)于底座旋轉(zhuǎn)的角度，θ₂為連桿B403相對(duì)于連桿A402旋轉(zhuǎn)的角度；

2.3 根據(jù)角度傳感器A、角度傳感器B反饋的信息，計(jì)算超聲探頭所處坐標(biāo)位置(X₂,Y₂)；

其中，底座的坐標(biāo)位置為（X₀,Y₀），根據(jù)連桿A的長度a₁和連桿A相對(duì)于底座的旋轉(zhuǎn)角度θ₁，可以求得角度傳感器B502的坐標(biāo)O₁（X₁,Y₁）分別為：

X₁= a₁*sinθ₁

Y₁= a₁*cosθ₁

在經(jīng)歷兩次變換后O₂相對(duì)于O₀的坐標(biāo)為：

X₂= a₁*sinθ₁+ a₂*sinθ₂

Y₂= a₁*cosθ₁+ a₂*cosθ₂

其中，a₁為連桿A的長度，a₂為連桿B的長度，θ₁為連桿A相對(duì)于底座旋轉(zhuǎn)的角度，θ₂為連桿B相對(duì)于底座旋轉(zhuǎn)的角度；

根據(jù)以上算法，即可根據(jù)兩個(gè)角度傳感器A、B反饋的角度信息，計(jì)算出超聲探頭所處的位置坐標(biāo)(X₂,Y₂)；

2.4 在同一點(diǎn)進(jìn)行超聲波發(fā)射及回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)內(nèi)置算法，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行去噪處理；根據(jù)超聲波在界面處反射的特性，當(dāng)超聲波在工件內(nèi)部遇雜質(zhì)、裂紋、未焊合等缺陷時(shí)，由于缺陷與工件母材有明顯的界面，因此會(huì)在當(dāng)前位置反射回波，在內(nèi)置算法中設(shè)定回波檢測閥值，即可進(jìn)行缺陷有無的特征判定；

2.5 手動(dòng)移動(dòng)超聲探頭至下一個(gè)掃描點(diǎn)，進(jìn)行重復(fù)A掃描檢測；在完成所有掃描點(diǎn)的檢測后，超聲探頭回到原點(diǎn)位置；

2.6 將所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)二維矩陣，然后按照一定的編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)化為該掃描區(qū)域的C掃描圖像；對(duì)初始C掃描圖像進(jìn)行分割處理，然后對(duì)圖像的內(nèi)部缺陷特征進(jìn)行識(shí)別，并通內(nèi)置算法計(jì)算焊縫及內(nèi)部缺陷的面積，完成對(duì)焊接產(chǎn)品的檢測。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種大尺寸平面焊接件的定位超聲檢測方法及裝置，解決超聲掃查機(jī)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大的問題，實(shí)現(xiàn)大尺寸焊件的定量超聲檢測，同時(shí)對(duì)工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行高精度在線定量掃查并通過計(jì)算機(jī)擬合形成數(shù)值和圖像。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工難度較低，在保證檢測高精度的同時(shí)使得制造成本大大降低。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明的平面焊接件的定位超聲檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的平面焊接件的定位超聲檢測裝置的串聯(lián)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的平面焊接件的定位超聲檢測裝置的系統(tǒng)模塊流程圖；

圖4為本發(fā)明的平面焊接件的定位超聲檢測裝置的系統(tǒng)掃查流程圖；

圖5為本發(fā)明的掃查結(jié)果示意圖。

圖中：1、工業(yè)計(jì)算機(jī)；2、超聲探頭連接線；3、超聲波檢測模塊；4、串聯(lián)機(jī)械臂；401、底座；402、連桿A；403、連桿B；404、大軸承A；405、大軸承B；406、銷A；407、小軸承A；408、聯(lián)軸器A；409、銷B；410、聯(lián)軸器B；411、小軸承B；501、角度傳感器A；502、角度傳感器B；6、數(shù)據(jù)采集卡；7、超聲探頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，以醫(yī)療行業(yè)常用的蜂窩釬焊板工件檢測為例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式。

參見圖1及圖2所示，本發(fā)明的平面焊接件的定位超聲檢測裝置，包括工業(yè)計(jì)算機(jī)1、超聲探頭7、超聲波檢測模塊3、串聯(lián)機(jī)械臂4、角度傳感器和數(shù)據(jù)采集卡6。超聲探頭7通過探頭連接線與超聲波檢測模塊3連接，超聲波檢測模塊3由超聲波脈沖發(fā)射電路、超聲波接收電路和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，通過PCI 總線與工業(yè)計(jì)算機(jī)1連接，串聯(lián)機(jī)械臂4是由連桿串聯(lián)組成的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，可使超聲探頭7實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的平面結(jié)構(gòu)檢測；位于串聯(lián)機(jī)械臂4上的角度傳感器A501、角度傳感器B502將各連桿的角度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋到USB多通道數(shù)據(jù)采集卡6，并通過USB連接線輸入工業(yè)計(jì)算機(jī)1。

所述的串聯(lián)機(jī)械臂4是：底座401為固定串聯(lián)機(jī)械臂4的基座，連桿A402與底座401相連，連桿B403與連桿A402相連；在連桿A402和連桿B403上分別螺接角度傳感器A501和角度傳感器B502，以測量連桿A402和連桿B403的旋轉(zhuǎn)角度；為保證旋轉(zhuǎn)順暢，在連桿A402與底座401連接處安裝大軸承A404，在連桿B403與連桿A402連接處安裝大軸承B405；銷A406通過頂絲與底座401固定在一起，在角度傳感器A501與銷A406之間設(shè)置聯(lián)軸器A408并通過頂絲固定在一起；為保證旋轉(zhuǎn)順暢，在聯(lián)軸器A408與連桿A402之間安裝小軸承A407；銷B409通過頂絲與連桿B403固定在一起，在角度傳感器B502與銷B409之間設(shè)置聯(lián)軸器B并通過頂絲固定在一起，在聯(lián)軸器B410與連桿A402之間安裝小軸承B411；超聲探頭7固定在連桿B403上，隨連桿B403的位置和姿態(tài)變化，超聲探頭7可到達(dá)掃查范圍內(nèi)平面任意位置進(jìn)行檢測。

所述的工業(yè)計(jì)算機(jī)1為強(qiáng)固型便攜機(jī)，作為人機(jī)交互界面，用于協(xié)調(diào)控制超聲波檢測模塊3及數(shù)據(jù)采集卡6，完成超聲探頭7位置信息和檢測數(shù)據(jù)信息的分析處理和結(jié)果的輸出；所述人機(jī)交互界面主要由參數(shù)設(shè)置區(qū)、A 掃描信號(hào)區(qū)、C 掃描成像區(qū)和計(jì)算結(jié)果顯示區(qū)等構(gòu)成。

所述的超聲探頭7為單點(diǎn)式超聲探頭，超聲頻率根據(jù)焊接件的材料及板厚進(jìn)行選擇，超聲探頭7通過探頭連接線與超聲波檢測模塊3連接，實(shí)現(xiàn)在非水浸的情況下對(duì)平面焊接件進(jìn)行掃描檢測。

所述的超聲波檢測模塊3由集成設(shè)計(jì)在一塊PCI 總線主板上的超聲波脈沖發(fā)射電路、超聲波接收電路和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，通過PCI 總線與工業(yè)計(jì)算機(jī)1連接，其作用是發(fā)射和采集超聲波脈沖，將回波脈沖的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳入工業(yè)計(jì)算機(jī)。

所述的角度傳感器A501、角度傳感器B502采用高精度增量式角度傳感器，內(nèi)置光碼盤，角度傳感器每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，輸出一次脈沖值。角度傳感器可以將各連桿的角度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋到數(shù)據(jù)采集卡；并通過USB連接線輸入計(jì)算機(jī)。

所述的數(shù)據(jù)采集卡6為USB多通道數(shù)據(jù)采集卡，輸入端通過數(shù)據(jù)線與角度傳感器A501、角度傳感器B502相連，每個(gè)通道連接一個(gè)角度傳感器；輸出端通過USB連接線與工業(yè)計(jì)算機(jī)1相連，其作用在于讀取各個(gè)角度傳感器的脈沖數(shù)，并反饋至工業(yè)計(jì)算機(jī)。

參見圖3及圖4所示，本發(fā)明的平面焊接件的定位超聲檢測方法，包括如下步驟：

步驟1、工件表面處理：在超聲波掃查之前，需要對(duì)工件表面進(jìn)行除塵、除油、涂抹耦合劑處理，減少工件表面雜質(zhì)對(duì)超聲信號(hào)的干擾；

步驟2、工件表面掃查，采集工件內(nèi)部的超聲信號(hào)，同時(shí)識(shí)別缺陷信息；

2.1 將串聯(lián)機(jī)械臂的基座固定在工件上，調(diào)整位置，使串聯(lián)機(jī)械臂掃查范圍覆蓋工件待掃查區(qū)域。本工件的待掃查區(qū)域尺寸為1.000m*0.800m，兩側(cè)的板厚分別為2mm（板材）+4mm（蜂窩層）+2mm（板材），串聯(lián)機(jī)械臂的連桿長度a₁、a₂均為0.750m。

2.2通過手持固定在串聯(lián)機(jī)械臂端部的超聲探頭，在工件表面進(jìn)行往復(fù)掃查運(yùn)動(dòng)，其中，手持探頭運(yùn)動(dòng)的最高速度V(mm/s)的決定因素包括：超聲卡的采樣頻率fs(Hz)；被掃查件的精度要求ε(mm)和串聯(lián)式機(jī)械臂坐標(biāo)反饋時(shí)間t(s)，其基本計(jì)算公式為：

V≤min（ε×fs，ε/t）

2.3在手動(dòng)掃查路徑中的任一點(diǎn)，采集串聯(lián)式機(jī)械臂上的角度傳感器A、角度傳感器B反饋的角度信息θ₁，θ₂，其中，θ₁為連桿A402相對(duì)于底座旋轉(zhuǎn)的角度，θ₂為連桿B403相對(duì)于連桿A402旋轉(zhuǎn)的角度；

2.4根據(jù)角度傳感器A、角度傳感器B反饋的信息，計(jì)算超聲探頭所處坐標(biāo)位置(X₂,Y₂)；

其中，底座的坐標(biāo)位置為（X₀,Y₀），根據(jù)連桿A的長度a₁和連桿A相對(duì)于底座的旋轉(zhuǎn)角度θ₁，可以求得角度傳感器B502的坐標(biāo)O₁（X₁,Y₁）分別為：

X₁= a₁*sinθ₁

Y₁= a₁*cosθ₁

在經(jīng)歷兩次變換后O₂相對(duì)于O₀的坐標(biāo)為：

X₂= a₁*sinθ₁+ a₂*sinθ₂

Y₂= a₁*cosθ₁+ a₂*cosθ₂

其中，a₁為連桿A的長度，a₂為連桿B的長度，θ₁為連桿A相對(duì)于底座旋轉(zhuǎn)的角度，θ₂為連桿B相對(duì)于底座旋轉(zhuǎn)的角度；

根據(jù)以上算法，即可根據(jù)兩個(gè)角度傳感器A、B反饋的角度信息，計(jì)算出超聲探頭所處的位置坐標(biāo)(X₂,Y₂)；

2.5在同一點(diǎn)進(jìn)行超聲波發(fā)射及回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)內(nèi)置算法，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行去噪處理；根據(jù)超聲波在界面處反射的特性，當(dāng)超聲波在工件內(nèi)部遇雜質(zhì)、裂紋、未焊合等缺陷時(shí)，由于缺陷與工件母材有明顯的界面，因此會(huì)在當(dāng)前位置反射回波，在內(nèi)置算法中設(shè)定回波檢測閥值，即可進(jìn)行缺陷有無的特征判定；

2.6手動(dòng)移動(dòng)超聲探頭至下一個(gè)掃描點(diǎn)，進(jìn)行重復(fù)A掃描檢測；在完成所有掃描點(diǎn)的檢測后，超聲探頭回到原點(diǎn)位置；

2.7將所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)二維矩陣，然后按照一定的編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)化為該掃描區(qū)域的C掃描圖像；對(duì)初始C掃描圖像進(jìn)行分割處理，然后對(duì)圖像的內(nèi)部缺陷特征進(jìn)行識(shí)別，并通內(nèi)置算法計(jì)算焊縫及內(nèi)部缺陷的面積，完成對(duì)焊接產(chǎn)品的檢測。

參見圖5所示，所述的人機(jī)交互界面主要由參數(shù)設(shè)置區(qū)、A 掃描信號(hào)區(qū)、C 掃描成像區(qū)和計(jì)算結(jié)果顯示區(qū)等構(gòu)成。最終計(jì)算出蜂窩釬焊板工件的焊縫面積為0.0864m²，內(nèi)部缺陷的面積為0.0336m²，同時(shí)將掃描結(jié)果反饋到C掃描成像區(qū)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。