淺談機(jī)械手無損檢測(cè)

王華

摘 要：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(cè)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(cè)給無損檢測(cè)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(cè)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(cè)，同時(shí)還可以提高檢測(cè)效率和安全性。文中依據(jù)檢測(cè)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(cè)和機(jī)械手射線檢測(cè)進(jìn)行綜述，并對(duì)比分析了不同檢測(cè)方法的適用范圍。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；無損檢測(cè)；超聲檢測(cè)；射線檢測(cè)；渦流檢測(cè)

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。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)。無損檢測(cè)技術(shù)作為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的檢測(cè)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。無損檢測(cè)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(cè)，將機(jī)械手與無損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)化檢測(cè)方法目前還處于研究階段。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(cè)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(cè)是機(jī)械手無損檢測(cè)技術(shù)的前沿研究課題。非接觸無損檢測(cè)技術(shù)適合應(yīng)用于復(fù)雜曲面檢測(cè)，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(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。機(jī)械手與非接觸無損檢測(cè)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(cè)效率、保證人員安全，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的自動(dòng)化檢測(cè)。例如，機(jī)械手與超聲、渦流檢測(cè)相結(jié)合可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片無損檢測(cè)，能有效提高檢測(cè)精度；機(jī)械手與射線、激光超聲檢測(cè)相結(jié)合可避免射線、激光對(duì)人體的危害，提高檢測(cè)安全性。機(jī)械手無損檢測(cè)技術(shù)可劃分為單機(jī)械手和雙（多）機(jī)械手檢測(cè)模式。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，單機(jī)械手檢測(cè)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(cè)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。

一、單機(jī)械手夾持換能器檢測(cè)方法

單機(jī)械手在檢測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)。出于對(duì)航空航天零件質(zhì)量保證的需要，國(guó)外較早開展了曲面工件的無損檢測(cè)研究。自1987 年以來就開始從事超聲無損檢測(cè)研究，已成功研制復(fù)合材料超聲自動(dòng)化掃系統(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×1.5m×3m。國(guó)內(nèi)在復(fù)雜曲面工件超聲自動(dòng)化檢測(cè)方面的研究起步相對(duì)較晚，但也取得了較快的進(jìn)展。如，（1）研制了適用于檢測(cè)煤氣管道內(nèi)缺陷的管道檢測(cè)機(jī)器人，通過搭載超聲檢測(cè)裝置和渦流檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部的缺陷檢測(cè)。（2）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(cè)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(cè)方面做了深入研究]提出了基于B樣條的自由曲面超聲自動(dòng)化檢測(cè)掃查路徑生成方法。（3）對(duì)曲面工件超聲自動(dòng)化檢測(cè)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(cè)量、曲面建模、曲面重構(gòu)和自動(dòng)化檢測(cè)于一體的檢測(cè)方法，在工件CAD模型未知的情況下同樣可以進(jìn)行檢測(cè)。在眾多機(jī)械手無損檢測(cè)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(cè)。

（一）單機(jī)械手夾持換能器檢測(cè)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(cè)，以汽車輪轂為檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)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(cè)。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。輪轂超聲檢測(cè)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(cè)功能。

（二）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(cè)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。

（三）單機(jī)械手夾持換能器檢測(cè)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(cè)方法。檢測(cè)過程，噴水耦合的超聲檢測(cè)方法可以檢測(cè)汽車輪轂內(nèi)部的砂眼、縮孔、縮松等鑄造缺陷。超聲檢測(cè)方法受檢測(cè)分辨率的限制，只能檢測(cè)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，可采用渦流檢測(cè)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(cè)。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(cè)方法。

二、單機(jī)械手夾持工件檢測(cè)方法

無損檢測(cè)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(cè)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(cè)，國(guó)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(cè)。國(guó)內(nèi)針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的超聲無損檢測(cè)多采用專用掃查設(shè)備，即對(duì)每一類被測(cè)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?gòu)V泛使用的針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件自動(dòng)化檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)與方法，機(jī)械手在無損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍在不斷完善之中。

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(cè)系統(tǒng)。結(jié)合超聲檢測(cè)、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(cè)。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(cè)件的缺陷和厚度進(jìn)行檢測(cè)，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，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(cè)件的缺陷和厚度信息。

三、雙機(jī)械手檢測(cè)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(guó)內(nèi)外學(xué)者均有所研究。在國(guó)外，德國(guó)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； 美國(guó)宇航局（NASA）研制的Robonaut2雙臂機(jī)器人由“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)。雙機(jī)械手檢測(cè)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(cè)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(cè)方法，能夠自動(dòng)選擇相應(yīng)的檢測(cè)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(cè)。

雙機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)組成主要包括機(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(cè)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(cè)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。

四、機(jī)械手CT檢測(cè)技術(shù)

工業(yè)CT（ Computerized Tomography）作為一種無損檢測(cè)的重要方法，憑借其檢測(cè)分辨率高，檢測(cè)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(cè)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(guó)和美國(guó)是世界上研究應(yīng)用CT技術(shù)較為領(lǐng)先的國(guó)家。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、自動(dòng)化程度和檢測(cè)工件的適用范圍均提出了越來越高的要求。機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)適合多變的檢測(cè)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(cè)。通過對(duì)不同機(jī)械手檢測(cè)方法的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

單機(jī)械手夾持換能器檢測(cè)方法適用于大型復(fù)雜曲面構(gòu)件檢測(cè)，檢測(cè)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(cè)范圍，特別適用于閉合曲面檢測(cè)。

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

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

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

機(jī)械手在無損檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用為構(gòu)建自動(dòng)化超聲檢測(cè)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(cè)的適用范圍。