基于时空同步的机器人与ACFM协同检测系统.pdf
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1、无损检测2023年第45卷第5期56仪器研制DOI:10.11973/wsjc202305011基于时空同步的机器人与ACFM协同检测系统杜颖,袁新安”,武斌斌,韩敬艳,王汉?,卡旭东,刘杰(1.海洋石油工程股份有限公司,天津30 0 46 1;2.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,青岛2 6 6 58 0)摘要:针对交流电磁场检测(ACFM)技术在机器人自动化检测过程中对时空同步的需求,围绕工业机器人与ACFM协同检测方法展开系统研究,解决机器人与ACFM协同检测过程中位置与磁场信号同步提取方法、三维磁场特征信号成像、缺陷量化与定位方法等关键问题。搭建完整的一套机器人与AC
2、FM协同检测试验系统并对系统进行测试。结果表明,时空同步协同检测系统能够实现试件表面缺陷检测成像显示和精准定位与量化,位置同步精度为0.5mm,可提升ACFM自动化检测过程中的效率和精度。关键词:交流电磁场检测技术;协同检测;时空同步;缺陷定位;三维成像中图分类号:TG156;T G 115.2 8文献标志码:A文章编号:10 0 0-6 6 56(2 0 2 3)0 5-0 0 56-0 8Robot and ACFM collaborative detection system based on space-time synchronizationDU Ying,YUAN Xinan,WU
3、 Binbin,HAN Jingyan,WANG Han,BIAN Xudong,LIU Jie?(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.CNOOC,Tianjin 300461,China;2.Center for Offshore Engineering andSafety Technology,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)Abstract:Aiming at the requirements of space-time synchronization in t
4、he process of robot automatic detectionbased on ACFM technology,the collaborative detection method of industrial robot and ACFM was systematicallystudied.The key problems such as synchronous acquisition method of position and magnetic field signal,three-dimensional magnetic field characteristic sign
5、al imaging,defect quantification and location method in the process ofcooperative detection of robot and ACFM were solved consequently.A complete set of robot and ACFMcollaborative detection experimental system was developed and systematically tested.The results show that theexperimental system of s
6、pace-time synchronization can realize surface defect detection and imaging,precisepositioning and quantification of surface defect in specimens.The location synchronization accuracy is O.5 mm,which will promote the efficiency and accuracy of ACFM detection automation.Key words:ACFM;collaborative det
7、ection;space-time synchronization;defect location;three-dimensionalimaging机器人作为智能化生产线的关键装备,已被广泛应用于汽车、电子、重型机械等行业,极大地提高了工收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 1基金项目:国家自然科学基金青年项目(52 0 0 5512);山东省自然科学基金(ZR201911040388)作者简介:杜颖(197 9一),女,硕士,高级工程师,主要从事海洋工程检测工作通信作者:杜颖,业生产的效率和智能化水平1-5。无损检测技术作为产品质量检测手段,与生产线的智能化机器人结合已成必然趋势,可为检测工
8、艺提供更稳定、精准的作业平台。国内外学者就机器人与检测工艺协同作业方法开展了大量研究,在国外,针对利用机器人实现自动化无损检测的研究开始较早。ISAWA等6 将扫描超导量子干涉装置(SQUID)与工业机器人相结合,以操纵SQUID传感器在物体上移动,并用该系统检测无损检测2023年第45卷第5期57基于时空同步的机器人与ACFM协同检测系统杜颖,等:了不锈钢样品的人为损伤,证明了该系统的有效性,可用于测量固定物体的二维磁图像。RUTTERN等研制了一种自动化检测装置,能够通过编程的方式完成曲面轮廓的自动跟踪和检测。2 0 14年,OLIVIERI等7 提出一种基于机器人系统的自动化无损检测方法
9、,采用分治策略实现了对航空结构复杂零件的扫查仿真,证明了该方法的有效性。国内相关研究起步相对较晚,但也取得了一定进展。徐小云等8 研制了适用于管径为40 0 6 50 mm的煤气管道内缺陷自动探测系统,采用网络技术远程控制管道机器人移动,所研制的管道检测机器人系统可在管道中平稳运行,具有稳定的牵引力,其值可达1.40 4kN。江健等9基于10-DOF机械手研发了一体化超声检测系统,采用超声测距和曲面反求的方法得到复杂曲面构建的CAD(计算机辅助设计)数据,并基于机器人D-H(一种对机器人建模的标准方法)模型求解得到控制超声探头走位的运动点位文件,设计了一种可以配合曲面构件厚度变化的灵敏度自动补
10、偿算法。刘新柱等10 设计了一种面向复杂曲面的超声检测用机械手,其具有结构简单、制造成本低、姿态调整速度快、检测范围大以及适应性广等优点。邓平11研究了ROV(遥控无人潜水器)搭载ACFM(交流电磁场检测技术)设备进行水下检测作业的集中探头形式和扫描方法,列举了一些深水检测实施案例。刘波等12 针对铜条检测问题,利用机器人配合高频聚焦超声探头,搭建了用于高铁电机铜导条的超声自动化检测系统,检测系统能够识别铜导条的皮下缩尾缺陷,采用固定检测探头、机器人夹持工件运动的方式完成检测作业。上述检测方法提供了机器人与无损检测技术结合的方式,但尚存在以下难解决的问题。(1)在生产线检测过程中,机械臂运动较
11、快,其位置控制时间与检测采集时间存在偏差,导致检测结果存在滞后现象。(2)机械臂检测位置为物理空间坐标,缺陷检测信息为结构尺寸空间信息,两者坐标难以吻合,造成检测结果空间信息不对应,缺陷定位偏差大,同时评估精度降低,(3)针对非平面工件,空间位置坐标难以捕获,缺陷重构困难,ACFM是一种新型的无损检测技术,该技术不需要耦合剂、对提离不敏感、无需清理工件表面、无需标定13,同时具有检测数学模型精确,量化精度高,检测灵敏度高等优势14-16 ,能够实现对金属零件表面或者近表面缺陷的快速检测。文章以交流电磁场检测技术为研究对象,提出时间位置混合驱动信号采集方法,解决机器人控制信号与采集信号的时空同步
12、问题,搭建时空同步的机器人与ACFM协同检测系统,解决机器人与ACFM协同检测过程中的时空同步问题,实现位置信号与磁场信号的精准同步采集,并设计了基于位置信息的磁场信号三维成像方法,实现三维缺陷定位与量化,最终形成一套完整的机器人与交流电磁场协同的自动化检测系统,并对整套检测系统进行优化和测试。1ACFM仿真选用COMSOL软件建立交流电磁场的有限元仿真模型,模拟机器人与ACFM协同扫查作业过程,分析交流电磁场检测中,三维空间下缺陷外轮廓特征对磁场信号分布的影响规律。使用COMSOL软件中的几何建模工具,建立交流电磁场检测几何模型(见图1),其包括检测试件、缺陷、磁芯、线圈,传感器和空气域,模
13、型参数如表1所示。磁芯材料定义为软铁、线圈材料定义为铜,检测试件材料为铝材,缺陷定义为空气,为线圈加载5V,10 0 0 H z 正弦交流电。表1ACFM检测系统仿真模型参数mm模型组件长度宽度高度厚度检测试件20020010一缺陷2013一磁芯297163线圈20731空气域300300100二提取检测试件正上方1mm处的磁场信号(水平方向磁感应强度B,和竖直方向磁感应强度B。),得到缺陷表面磁场分布如图2 所示。B,信号使用不同颜色表示,B,信号使用面上箭头表示,箭头沿轴方向的长度代表B,信号的大小。磁场信号分空气域线圈磁芯缺陷检测试件传感器图1ACFM检测系统几何模型无损检测2023年第
14、45卷第5期58基于时空同步的机器人与ACFM协同检测系统杜颖,等:布规律与ACFM理论相符合3864202498(Lg-01X)/y之图2缺陷表面磁场分布2机器人轨迹规划ACFM检测在执行面扫过程中,探头提离扰动、电场激励方向的改变等会影响ACFM信号幅值,干扰缺陷判定。因此,为了保证对不同结构零件进行准确的ACFM检测,需要检测设备具有以固定姿态准确跟踪零件表面外轮廓的能力,必须做到以下3点:在ACFM检测过程中要始终保持探头轴方向与零件被测点的法向一致;保证探头扫查过程中,探头始终沿相同方向对零件表面产生激励,即探头长度方向与被测点探头移动方向的切向一致;保证扫查过程中被测点到ACFM检
15、测探头的距离一致,即探头提离一致。因此,为保证机器人能够携带ACFM检测探头以特定的姿态沿规定轨迹运动,在ACFM扫查过程中,需要对不同结构零件进行扫查轨迹规划,机器人正逆运动学计算是机器人运动轨迹规划的前提和基础。2.1D-H模型采用的HRI-6D5机器人具有6 个关节轴,且各关节轴均为旋转关节(见图3)。图3中编号为0 的部件为机器人基座,编号16 的部件分别对应机器人的连杆1到连杆6,机器人的第2,3,4旋转轴相互平行。根据机器人的结构杆长和转轴方向等参数,得到机器人的D-H参数,如表2 所示。0123456图3机器人模型表2机器人D-H参数连杆a;/mmd;/mm1元/20d-1701
16、7020a20-17017030a30-1701704元/20d4-1701705一元/20ds-130130600d6-170170表2 中i为当前连杆坐标系绕上一级连杆坐标系轴旋转的角度;为当前连杆坐标系沿上一级连杆坐标系轴的平移距离;d;为当前连杆坐标系沿上一级连杆坐标系轴的平移距离;0;为当前关节轴绕上一级坐标系轴的旋转角度(i=1,2,为连杆编号)。2.2运动学分析机械手当前连杆坐标系与上一级连杆坐标系之间的变换矩阵Ti-1为Ti-1=cos0;sin;cos isin O;sinia;cos 0,sin 0;cos O;cos;-cos O;sin ia;sin;0sinicosi
17、d;0001(1)同时,定义sin01为S1,s i n(0 1十0 2)为S12,c o s01为C1,cOs(01十0 2)为C12,以此类推。将每个连杆之间的变换矩阵相乘,得到交流电磁场检测探头的位置和姿态矩阵T。为nanayPyT=TITiTTT=(2)02a0001式中:n,n y,n 分别为探头位置坐标系单位法向量n的,y,分量;0,0,0 分别为探头位置坐标系单位方位矢量o的,y,分量;a,a,a 分别为探头位置坐标系单位接近矢量的,分量;p为手部位姿矢量,分量为ppy,p。将式(2)左右两边同时左乘(T)-1,得到na.nyayPy(T)-1=T,TSTiT(3)02az000
18、1根据矩阵元素对应相等的原则进行机械手逆运动学求解,求解结果如式(4)所示(A,B,C 为过渡运算变量)。基于时空同步的机器人与ACFM协同检测系统杜颖,等:01=arctan2da/(p-dea,)+(dea,-p,)?-d-arctan2(deay,)/(p-dear)02=arctan2(C+a2-a)/V4aC-(C+a-a)-arctan2(A/B)03=arctan2(B2S2)/A-a2c2+a r c t a n 2(A/B)arctan2(C+a2-a)/V4aC-(C+a-a)(4)04=arctan2/(ac1+ys1)a r c t a n 2(Ba 2s2)/(A-a
19、2c2)0=arctan2V(nyc1nsi)+(oyci-0,si)/(a,S1ayci)0yC1-01S1nrsi-nyCi0=arctan2S5S5A=prC1+pyS1+deC234S5dsS234,B=p,di+dsC234+deS234Ss,C2=A+B2其中机器人的逆运动闭解共有8 组,实际作业中根据关节角度限位等情况选择最优解。3同步触发模块设计3.1同步触发原理常见的信号采集方法分为时间驱动和位置驱动两种,其中时间驱动方法检测速度快,但缺少准确的位置信息,难以实现精确量化;位置驱动的信号同步方法即采用位置序列驱动检测探头移动,当探头到达指定位置后采集磁场信号,采集完成后探头前
20、往下一个检测点,磁场信号的数据与位置序列对应,实现位置信号同步。该方法能够实现位置信号的准确同步,由于是一步一采,采样精度依赖于数据点的密集程度,采样点数增多时,检测时间会大幅增加,两种信号同步方法无法兼顾精度和效率。不同于常规的ACFM检测信号采集方法,机器人与ACFM协同检测系统采用将时间触发和位置触发相结合的信号同步采集方法,能够兼顾采样效率和采样精度,其工作原理如图4所示机械手位置信号信号同步同步触发模块工检测探头磁场信号采集图4协同检测系统信号同步采集原理ACFM检测探头固连在机器人末端,可借助机器人获取到ACFM检测探头的实时位置信息。磁场信号的获取参考传统ACFM采集系统,通过信
21、号采集卡采集原始磁场信号,并利用数字锁相的方法实现B信号和B,信号的有效提取。检测过程中利用同步触发模块协调位置信号采集系统和磁场信号采集系统,实现时空同步采集,提取得到精确对应的位置信号与磁场信号,3.2同步触发流程位置信号采集速度和ACFM信号采集速度的确定是同步触发模块密切协调位置信号采集系统和磁场信号采集系统工作的关键。位置信号采集时间由机器人的响应时间决定,而磁场信号采集时间由ACFM检测系统采集和处理磁场信号的速度决定,二者存在差异。设计独立的位置信号采集测量程序和交流电磁场采集测量程序,用于测量位置信号和磁场信号的采集时间,采样时间测量程序运行流程如图5所示。程序开始程序初始化(
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