本發(fā)明涉及一種考慮工件偏心裝夾誤差的超聲C掃描路徑校正方法
背景技術：
：超聲檢測是一種應用廣泛的無損檢測方法，其中采用縱波垂直入射的超聲C型掃描是通過放置水中的超聲探頭根據(jù)被測對象的形狀按照一定的路徑進行掃描，可以快速，有效，直觀地檢測出被測對象內(nèi)部某一深度的缺陷圖像，因此成為工業(yè)上常用的零部件內(nèi)部缺陷檢測方法。采用超聲C掃描檢測回轉體零部件時，通常使用轉盤裝夾工件，三坐標運動儀或機械手夾持探頭，利用轉盤，三坐標運動儀以及機械手的復合運動路徑進行掃描。在裝夾工件方面，由于三爪卡盤裝夾工件具有裝夾方便，自動定心等優(yōu)點，通常采用三爪卡盤裝夾回轉體工件。但是隨著使用時間的增長，三爪卡盤往往會失去原本的精度，三爪卡盤前端會出現(xiàn)嚴重的磨損，而后端磨損較輕，另一方面由于長時間在水中作業(yè)造成三爪卡盤生銹，導致在裝夾工件時，前后端受力不均勻，使工件裝夾不穩(wěn)，被測工件裝夾時往往出現(xiàn)傾斜或偏心等問題，降低了裝夾精度。當三爪卡盤自動對心精度降低，回轉體工件產(chǎn)生偏心裝夾誤差，在沒有對路徑進行矯正的情況下，按照原掃描路徑檢測，一方面會由于裝夾不正確導致工件部分區(qū)域掃描不到，形成掃描盲區(qū)，一方面會造成超聲波傾斜入射零部件，會使部分超聲波發(fā)生波型轉換，造成缺陷的誤檢，另一部分超聲波發(fā)生折射現(xiàn)象，降低了進入回轉體工件內(nèi)部的超聲波能量，進而減弱缺陷波反射信號，因此折射現(xiàn)象會導致對缺陷的漏檢，以及影響缺陷的定量分析?？梢?，回轉體工件的裝夾誤差對超聲C掃描帶來巨大影響。目前，在超聲檢測方面關于三爪卡盤定心誤差消除的研究，在工業(yè)上通常加工鑄鐵套圈，讓工件套在套圈里，用卡盤夾緊套圈，以消除定心誤差帶來的影響，但是鑄鐵套圈加工精度高，使用不方便，且會導致超聲檢測路徑無法全面覆蓋工件；青島科技大學盧學玉等人設計了一種分體式三爪卡盤，能夠及時更換磨損的卡爪，重新組裝，有效延長了三爪卡盤的使用時間，但分體式三爪卡盤制造難度大，增加了制造成本；愛荷華大學研究了關于主軸方向?qū)χ靼昱c旁瓣的影響，為傾斜入射信號補償提供理論依據(jù)，能夠在產(chǎn)生裝夾誤差的情況下，對超聲信號進行補償，一定程度上彌補了由于裝夾誤差帶來的缺陷漏檢與誤檢，但該方法的針對性較強，不同的材料前期需要做大量的工作；浙江大學張楊提出通過曲面重構與仿形測量技術，結合CAD模型信息對工件重定位方法，對探頭的入射方向進行矯正，能夠準確矯正探頭的入射方向，但是由于過程繁瑣，且無法避免因裝夾誤差帶來的掃描盲區(qū)。基于上述現(xiàn)狀，本發(fā)明了一種超聲檢測過程中裝夾偏心下的掃描路徑校正補償算法，利用超聲表面波測距的方法有效識別出裝夾偏心誤差的偏移量，根據(jù)路徑規(guī)劃與自動校正算法，實現(xiàn)對工件裝夾誤差的路徑矯正，有效抑制了由于裝夾偏心帶來的缺陷漏檢與誤檢。技術實現(xiàn)要素：為了解決目前工件出現(xiàn)裝夾誤差而導致檢測精度下降的技術問題，本發(fā)明的技術方案是，一種考慮工件偏心裝夾誤差的超聲C掃描路徑校正方法，包括以下步驟：步驟1：固定超聲探頭，旋轉工件，通過分析水聲距的變化情況，計算工件的實際偏離量；步驟2：根據(jù)實際偏離量，分別在世界坐標系、夾具坐標系以及工件坐標系下，推導探頭、夾具及工件在其對應坐標系下的運動軌跡，建立偏心誤差修正的運動學模型；步驟3：根據(jù)偏心誤差修正的運動學模型，計算工件坐標系到世界坐標系的路徑變換矩陣，最后將工件在工件坐標系下的掃描目標路徑經(jīng)過矩陣變換計算得到探頭在世界坐標系下的運動路徑。所述的一種考慮工件偏心裝夾誤差的超聲C掃描路徑校正方法，步驟1中工件的實際偏離量通過以下步驟計算：以固定工件的轉盤中心為坐標原點O，r、表征管狀工件的偏移量和初相角，初始位置時工件中心為(x0,y0)，超聲探頭晶片中心固定在T(xT,0)位置，lw為水聲距，當管狀工件隨轉盤以ω勻速轉動，工件中心(x0(0),y0(0))形成一個動態(tài)圓，圓心表達式為：動態(tài)圓與X軸交點P(xP,0)的橫坐標xP的表達式為：xP=x0+R2-y02]]>水聲距l(xiāng)w與P點橫坐標的關系式為：lw＝xT-xP故得到：然后根據(jù)實際測量的水聲距l(xiāng)w值，得到lw-t曲線，與偏心識別模型進行最小二乘法擬合，得到偏心表征量r、所述的一種考慮工件偏心裝夾誤差的超聲C掃描路徑校正方法，步驟2中世界坐標系O1的原點位于整個系統(tǒng)的中心固定不變，坐標系O1原點位于轉盤卡爪中心位置，Z1軸為垂直向上的方向，Y1軸為探頭中心軸由Z軸指向探頭的方向；夾具坐標系O2的原點位于裝夾工具的中心，初始位置與坐標系O1重合，若裝夾工具靜止，則坐標系O2與坐標系O1重合，若裝夾工具旋轉，則坐標系O2隨著裝夾工具的旋轉或平移而運動；工件坐標系O3的原點位于工件的中心，與坐標系O2的相對位置固定不變，偏心裝夾時與坐標系O2的相對位置為(Δx，Δy，0)T。所述的一種考慮工件偏心裝夾誤差的超聲C掃描路徑校正方法，步驟3中，探頭在世界坐標系下的運動路徑通過以下步驟計算，其中iAj表示坐標系j到坐標系i的位置變換矩陣，iBj表示坐標系j到坐標系i的方向變換矩陣：A12=cos(ωt)-sin(ωt)00sin(ωt)cos(ωt)0000100001]]>A23=100Δx010Δy00100001]]>因此A13=A12·A23=R13P1301]]>R13=cos(ωt)-sin(ωt)0sin(ωt)cos(ωt)0001]]>P13=cos(ωt)Δx-sin(ωt)Δysin(ωt)Δx+cos(ωt)Δy0]]>其中，t為掃描時間，ω為三爪卡盤旋轉角速度，(Δx，Δy，Δz)為工件中心與坐標系O2的相對位置，工件在工件坐標系下的掃描目標路徑為：xyz1T=fx(t)fy(t)fz(t)1T]]>探頭在世界坐標系下校正后的運動路徑為：xyz1p=A13·xyz1T=R13P1301·fx(t)fy(t)fz(t)1T]]>探頭在世界坐標系下的運動方向通過以下步驟計算：B13=cos(ωt)-sin(ωt)00sin(ωt)cos(ωt)0000100001=R13001]]>其中，t為掃描時間，ω為三爪卡盤旋轉角速度，工件在工件坐標系下的探頭的方向變化為：pxpypz1P=fpx(t)fpy(t)fpz(t)1T]]>探頭在世界坐標系下的方向變化為：pxpypz1p=B13·pxpypz1T=R13001·fpx(t)fpy(t)fpz(t)1T.]]>本發(fā)明的技術效果在于，通過超聲波檢測定量識別出零部件裝夾不當造成的偏心誤差的偏移量，根據(jù)發(fā)明的路徑規(guī)劃與自動校正算法，實現(xiàn)對工件裝夾誤差的路徑矯正，使超聲探頭在工件上的檢測路徑按照原規(guī)劃路徑進行，從而實現(xiàn)對零部件的全覆蓋掃查，另一方面，通過對路徑進行矯正，使超聲波垂直入射工件，提高進入零部件內(nèi)部的超聲波能量，提高缺陷檢測能力，對復雜型面工件超聲自動檢測的精度和效率的提高具有重要意義。為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。附圖說明圖1為本發(fā)明管狀體裝夾偏心示意圖；圖2為本發(fā)明探頭的運動情況示意圖，其中a為正視圖，b為側視圖，c為俯視圖，d為等軸測視圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。本具體實施方式以圓柱體工件掃描為例，本發(fā)明首先將管狀工件固定于裝滿水的水槽內(nèi)，用超聲脈沖發(fā)生/接收器(又稱超聲儀)激勵超聲縱波探頭，把超聲縱波探頭通過探頭架夾持于基于史陶比爾TX60L機械手的7自由度水浸超聲檢測運動平臺，通過計算機上安裝的運動控制卡連接控制電路來控制運動平臺的運動，調(diào)整超聲縱波探頭在水槽中的位姿，并用計算機上的高速數(shù)據(jù)采集卡獲取并存儲超聲儀輸出的原始超聲A波信號，最后通過對比掃描結果說明本發(fā)明的有效性。管狀工件在超聲檢測時，存在裝夾偏心誤差的示意圖如圖1所示。其中，坐標原點O表示轉盤中心，r、表征管狀工件的偏移量和初相角，初始位置時工件中心為(x0,y0)，超聲探頭晶片中心固定在T(xT,0)位置，lw為水聲距。當管狀工件隨轉盤以ω勻速轉動，超聲探頭保持固定，利用超聲波測距原理實時測量各圓周點水聲距l(xiāng)w的值，即始發(fā)波至表面波的距離。工件中心(x0(0),y0(0))由于偏移量的存在繞轉盤中心轉動，轉動過程中工件形成一個動態(tài)圓，其圓心表達式為：動態(tài)圓與X軸交點P(xP,0)的橫坐標也會隨時間變動，其表達式為：xP=x0+R2-y02---(3)]]>水聲距l(xiāng)w與P點橫坐標的關系式為：lw＝xT-xP(4)將式(1)，式(2)和式(3)代入式(4)，得：因此，為測得管狀工件的實際偏離量，可固定超聲探頭不動，轉動工件測出一系列圓周點的水聲距l(xiāng)w值，得到lw-t曲線，與偏心識別模型式(5)進行最小二乘法擬合，可得到偏心表征量r、工件裝夾誤差的超聲C掃描路徑校正方法需要在整個掃描工件體統(tǒng)上定義3個參考坐標系，即世界坐標系，夾具坐標系，工件坐標系，分別表示探頭的運動，夾具的運動以及工件的運動，如圖1所示。根據(jù)實際夾具的運動情況以及工件裝夾情況，計算出工件坐標系到世界坐標系的路徑變換矩陣1A3，由于只矯正偏心誤差，探頭掃描方向不受平移影響，不需要對探頭方向進行矯正，根據(jù)式(1)，將工件在工件坐標系下的掃描目標路徑(x,y,z)PT經(jīng)過矩陣變換計算得到探頭在世界坐標系下的運動路徑(x,y,z)TT。(x,y,z,1)PT＝1A3·(x,y,z,1)TT(6)其中，iAj表示坐標系j到坐標系i的變換矩陣。坐標系的定義如下：(1).坐標系O1的原點位于整個系統(tǒng)的中心固定不變，本例中坐標系O1原點位于轉盤卡爪中心位置，Z1軸為垂直向上的方向，Y1軸為探頭中心軸由Z軸指向探頭的方向；(2).坐標系O2的原點位于裝夾工具的中心，初始位置與坐標系O1重合，若裝夾工具靜止，則坐標系O2與坐標系O1重合，若裝夾工具旋轉，則坐標系O2隨著裝夾工具的旋轉或平移而運動，本例中坐標系O2位于轉盤卡爪的中心位置，以ω的角速度旋轉，初始位置與坐標系O1重合；(3).坐標系O3的原點位于工件的中心，與坐標系O2的相對位置固定不變，本例中位于圓柱形工件底面圓的圓心，正確裝夾時坐標系O3與坐標系O2完全重合；偏心裝夾時與坐標系O2的相對位置為(Δx，Δy，0)T。由以上坐標系的定義，可以求出：A12=c(ωt)-s(ωt)00s(ωt)c(ωt)0000100001---(7)]]>A23=100Δx010Δy00100001---(8)]]>由于方向變化不受平移影響,只受轉盤轉動的影響，因此B13=c(ωt)-s(ωt)00s(ωt)c(ωt)0000100001=R13001---(9)]]>A13=A12·A23=R13P1301---(10)]]>R13=c(ωt)-s(ωt)0s(ωt)c(ωt)0001---(11)]]>P13=c(ωt)Δx-s(ωt)Δys(ωt)Δx+c(ωt)Δy0---(12)]]>式中，c(*)＝cos(*)，s(*)＝sin(*)，t為掃描時間，ω為三爪卡盤旋轉角速度，(Δx，Δy，Δz)為工件中心與坐標系O2的相對位置。工件在工件坐標系下的掃描目標路徑為：xyz1T=fx(t)fy(t)fz(t)1T---(13)]]>工件在工件坐標系下的探頭方向為：pxpypz1P=fpx(t)fpy(t)fpz(t)1T---(14)]]>由式(9)和式(10)可得，探頭在世界坐標系下校正后的運動路徑為：xyz1p=A13·xyz1T=R13P1301·fx(t)fy(t)fz(t)1T---(15)]]>探頭在世界坐標系下的方向變化為：pxpypz1p=B13·pxpypz1T=R13001·fpx(t)fpy(t)fpz(t)1T---(16)]]>以下實施例選用螺旋掃的方式對管狀工件進行實驗。工件在工件坐標系下的掃描目標路徑為：xyz1P=(R+lw)s(ωt)(R+lw)c(ωt)H-vt1T---(17)]]>工件在工件坐標系下的探頭掃描方向為：pxpypz1P=-s(ωt)-c(ωt)01T---(18)]]>式中，R為工件底面半徑，lw為探頭水聲距，H為工件高度，v為探頭在工件母線上的掃描速度。由式(15)和式(16)可得，探頭在世界坐標系下的運動路徑為：xyz1p=A13·xyz1T=R13P1301·(R+lw)s(ωt)(R+lw)c(ωt)H-vt1T=Δxc(ωt)-Δys(ωt)(R+lw)+Δxs(ωt)+Δyc(ωt)(H-vt)1P---(19)]]>探頭在世界坐標系下的方向為：pxpypz1p=B13·pxpypz1T=R13001·-s(ωt)-c(ωt)01T=0-101p---(20)]]>式中，R為工件底面半徑，lw為探頭水聲距，H為工件高度，v為探頭在工件母線上的掃描速度。圖2為R+lw＝100mm，v＝5mm/s，H＝400mm，ω＝1rad/s，傾斜角θ＝0°,(Δx，Δy，Δz)T＝(1,1,0)T時探頭的運動情況，探頭的方向始終沿著世界坐標系Y軸負方向。當前第1頁1 2 3