GB∕T 34892-2017 無(wú)損檢測(cè) 機(jī)械手超聲檢測(cè)方法

GB/T34892—2017無(wú)損檢測(cè)機(jī)械手超聲檢測(cè)方法GB/T34892—2017本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC56)提出并歸口。IlGB/T34892—2017無(wú)損檢測(cè)機(jī)械手超聲檢測(cè)方法1范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用機(jī)械手對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化超聲檢測(cè)的方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于采用單機(jī)械手和雙(多)機(jī)械手的自動(dòng)超聲檢測(cè)，適合不易于人工操作的復(fù)雜形廓結(jié)2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文GB/T9445無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證GB/T11259無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)用鋼參考試塊的制作和控制方法GB/T11343無(wú)損檢測(cè)接觸式超聲斜射檢測(cè)方法GB/T11344無(wú)損檢測(cè)接觸式超聲脈沖回波法測(cè)厚方法GB/T12604.1無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)超聲檢測(cè)GB/T12642工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法GB/T12643機(jī)器人及機(jī)器人裝備詞匯GB/T18694無(wú)損檢測(cè)超聲檢驗(yàn)探頭及其聲場(chǎng)的表征GB/T19397工業(yè)機(jī)器人電磁兼容性試驗(yàn)方法和性能評(píng)估準(zhǔn)則指南GB/T20737無(wú)損檢測(cè)通用術(shù)語(yǔ)和定義GB/T23905無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)用試塊GB/T23908無(wú)損檢測(cè)接觸式超聲脈沖回波直射檢測(cè)方法GB/T23912無(wú)損檢測(cè)液浸式超聲縱波脈沖反射檢測(cè)方法GB/T27664.1無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)設(shè)備的性能與檢驗(yàn)第1部分：儀器GB/T27664.2無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)設(shè)備的性能與檢驗(yàn)第2部分：探頭GB/T12604.1、GB/T12643、GB/T20737界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定3.1如圖1所示。其中連桿轉(zhuǎn)角α;和連桿長(zhǎng)度ai兩個(gè)參數(shù)用來(lái)描述連桿本身，關(guān)節(jié)角0;和連桿偏距d;兩個(gè)參數(shù)用于描述連桿之間的連接關(guān)系。連桿長(zhǎng)度a;表示連接連桿i兩端關(guān)節(jié)軸的公垂線長(zhǎng)度；連桿轉(zhuǎn)述兩相鄰連桿繞公共軸線旋轉(zhuǎn)的夾角。2GB/T34892—2017圖1關(guān)節(jié)式機(jī)械手D-H參數(shù)示意圖3.2確定超聲換能器與受檢件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在其表面形成掃查軌跡的方案。通過(guò)計(jì)算掃查軌跡上離散采樣點(diǎn)的坐標(biāo)和法向角，并根據(jù)掃查方式和超聲換能器聲束軸線與采樣點(diǎn)法線方向間關(guān)系(直射或斜射)以及聲程長(zhǎng)度等約束條件將掃查軌跡上離散采樣點(diǎn)的坐標(biāo)和法向角變換為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)末端執(zhí)行器位3.3坐標(biāo)系找正alignmentofthecoordinatesystem利用機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件，確定出受檢件坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)械手基準(zhǔn)坐標(biāo)系或工具坐標(biāo)系位置4.1.1檢測(cè)人員應(yīng)按GB/T9445或合同各方同意的體系進(jìn)行資格鑒定與認(rèn)證，并取得相應(yīng)等級(jí)的資格4.1.4檢測(cè)人員應(yīng)熟悉所使用的機(jī)械手超聲檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)過(guò)程中需按照檢測(cè)系統(tǒng)操作使用規(guī)范實(shí)施4.2.1檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括機(jī)械手及其控制器、超聲換能器、超聲檢測(cè)儀和用于集成機(jī)械手控制和超聲檢3GB/T34892—2017根據(jù)受檢件的檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)制作參考試塊。參考試塊的制作應(yīng)符合GB/T11259和GB/T23905的相關(guān)要求。在參考試塊上預(yù)制規(guī)定的參考缺陷，通過(guò)對(duì)參考缺陷的檢測(cè)結(jié)果確認(rèn)機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力和有效性。4.4.3環(huán)境溫度宜在+5℃~+45℃之間，相對(duì)濕度宜在20%～95%之間且無(wú)結(jié)露。4.5.1采用合適的工裝夾具保證工件坐標(biāo)系與機(jī)械手坐標(biāo)系之間具有確定的空間關(guān)系，以利于檢測(cè)系4.5.2基于關(guān)節(jié)式機(jī)械手D-H參數(shù)及機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)中坐標(biāo)系分布(參見(jiàn)附錄A),根據(jù)受檢件的形距，建議掃查行距和間距應(yīng)小于待檢出最小缺陷的尺寸(推薦為1/4～1/2缺陷當(dāng)量直徑)。4.5.3根據(jù)受檢件材料及待檢出缺陷的類(lèi)型、尺寸、方向和位置等可能的缺陷特征，確定超聲檢測(cè)方本標(biāo)準(zhǔn)所述的機(jī)械手超聲檢測(cè)指的是利用機(jī)械手夾持超聲換能器或受檢件，通過(guò)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手檢測(cè)方式通常有：機(jī)械手夾持換能器運(yùn)動(dòng)的超聲反射法(方式1);機(jī)械手夾持換能器運(yùn)動(dòng)的超聲穿透法(方式2);機(jī)械手夾持受檢件運(yùn)動(dòng)的超聲反射法(方式3);機(jī)械手夾持受檢件運(yùn)動(dòng)的超聲穿透法(方式4)。機(jī)械手夾持超聲換能器運(yùn)動(dòng)的超聲反射法。受檢件放置于位置固定的工裝夾具上(或依據(jù)檢測(cè)需構(gòu)件。如圖2所示。4GB/T34892—2017受檢件水槽工控機(jī)圖2機(jī)械手夾持換能器超聲反射法檢測(cè)示意圖(檢測(cè)方式1)6.2方式2機(jī)械手夾持換能器運(yùn)動(dòng)的超聲穿透法。受檢件放置于位置固定的工裝夾具上(或依據(jù)檢測(cè)需要增換能器曲面工件機(jī)械手機(jī)械手機(jī)械手水循環(huán)系統(tǒng)圖3機(jī)械手夾持超聲換能器縱波穿透法示意圖(檢測(cè)方式2)6.3方式3機(jī)械手夾持受檢件運(yùn)動(dòng)的超聲反射法。超聲換能器裝在位置固定的夾具上(或依據(jù)檢測(cè)需要增加動(dòng)，完成覆蓋式掃查檢測(cè)。該方式適合檢測(cè)尺寸和重量較小的復(fù)雜形廓構(gòu)件。如圖4所示。5輔助運(yùn)動(dòng)輔助運(yùn)動(dòng)輔助運(yùn)動(dòng)輔助運(yùn)動(dòng)輔助運(yùn)動(dòng)輔助運(yùn)動(dòng)GB/T34892—2017圖4機(jī)械手夾持受檢件超聲反射法檢測(cè)示意圖(檢測(cè)方式3)6.4方式4機(jī)械手夾持受檢件的超聲穿透檢測(cè)方式。兩個(gè)超聲換能器分別裝在兩個(gè)位置固定的夾具上(或依圖5機(jī)械手夾持受檢件超聲穿透法檢測(cè)示意圖(檢測(cè)方式4)7檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械手，其性能規(guī)范及試驗(yàn)方法應(yīng)符合GB/T12642和GB/T12643,機(jī)械手手臂、手腕的防護(hù)等級(jí)應(yīng)符合GB/T12642的要求，機(jī)械手電磁兼容性應(yīng)符合GB/T19397的要求。7.1.3機(jī)械手末端額定速度時(shí)最大負(fù)載能力不小于2kg。6GB/T34892—20177.2.1超聲換能器性能應(yīng)符合GB/T18694和GB/T27664.2。7.2.2超聲檢測(cè)儀器性能應(yīng)符合GB/T27664.1。7.3.1工件夾持工裝應(yīng)能可靠地夾持受檢件，應(yīng)能避免機(jī)械手在檢測(cè)過(guò)程中與受檢件出現(xiàn)干涉或碰7.3.2超聲換能器的夾持工裝應(yīng)能可靠地夾持換能器，同時(shí)確保聲束軸線方向上無(wú)遮擋，且具有與受檢件表面或形廓特征相適配的結(jié)構(gòu)，以利于進(jìn)行受檢件的坐標(biāo)系對(duì)正。對(duì)采用液浸檢測(cè)方式的換能器夾持工裝應(yīng)防水防銹。機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)通常采用液體或氣體耦合介質(zhì)實(shí)現(xiàn)非接觸的超聲自動(dòng)掃查。7.5.1機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置的采樣頻率應(yīng)不低于100MHz,幅度分辨力應(yīng)不低于8位(二進(jìn)7.5.2機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)與掃查位置數(shù)據(jù)的同步采集，可采用位置觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集，也可采用時(shí)間觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集。位置觸發(fā)方式基于掃查軌跡位移增量觸發(fā)據(jù)檢測(cè)要求確定。時(shí)間觸發(fā)方式基于時(shí)間增量觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，當(dāng)時(shí)間增量達(dá)到設(shè)定值時(shí)同步采集掃查7.5.3機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)應(yīng)具有掃查位置信號(hào)和超聲檢測(cè)信號(hào)同步采集的軟硬7.5.4機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有在機(jī)械手基準(zhǔn)坐標(biāo)系或工具坐標(biāo)系中采集受檢件位姿數(shù)據(jù)、識(shí)別受檢件8.2.2根據(jù)檢測(cè)要求和選用的超聲換能器，依據(jù)GB/T23908、GB/T23912、GB/T27664.1和8.2.3根據(jù)換能器聲束直徑確定掃查點(diǎn)間距和掃查軌跡行距，掃查點(diǎn)間距和掃查軌跡行距宜選為(1/4～1/2)聲束直徑。8.3.1對(duì)于已知計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型的受檢件，可借助計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)軟件進(jìn)行軌跡7GB/T34892—2017械手D-H參數(shù)等通過(guò)坐標(biāo)變換計(jì)算得到機(jī)械手工具坐標(biāo)系位置和姿態(tài)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用于生成機(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)的掃查運(yùn)動(dòng)軌跡。參見(jiàn)附錄A。8.3.2對(duì)于幾何模型未知的受檢件，可通過(guò)測(cè)繪獲取受檢件的幾何模型，然后再借助計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)軟件進(jìn)行軌跡規(guī)劃。8.3.3利用CAM軟件進(jìn)行軌跡規(guī)劃的方法，參見(jiàn)附錄A。利用超聲換能器或在機(jī)械手末端執(zhí)行器上安裝長(zhǎng)度測(cè)量傳感器的方法，測(cè)量受檢件表面6個(gè)以上關(guān)系與掃查軌跡規(guī)劃時(shí)的設(shè)定不同，應(yīng)按實(shí)測(cè)的位姿關(guān)系重新進(jìn)行掃查軌跡規(guī)劃或通過(guò)調(diào)整工件的裝夾位置和姿態(tài)使其與軌跡規(guī)劃時(shí)的設(shè)定關(guān)系一致。取閘門(mén)內(nèi)檢測(cè)信號(hào)的特征(缺陷回波信號(hào)幅度機(jī)械手超聲檢測(cè)的流程一般為：b)進(jìn)行掃查軌跡規(guī)劃；9檢測(cè)報(bào)告8GB/T34892—2017(資料性附錄)基于CAM軟件的軌跡規(guī)劃方法和實(shí)例A.1概述檢測(cè)前可利用計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)數(shù)控仿真軟件規(guī)劃?rùn)C(jī)械手檢測(cè)系統(tǒng)的掃查路徑，獲取覆蓋受手對(duì)受檢件的自動(dòng)化連續(xù)掃查檢測(cè)提供路徑數(shù)據(jù)。A.2機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑的軌跡規(guī)劃流程基于受檢件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)學(xué)模型，利用CAM軟件獲取受檢件掃查軌跡點(diǎn)在笛卡爾坐標(biāo)系下的位姿坐標(biāo)和法向矢量(超聲入射角方向)。根據(jù)檢測(cè)方式(機(jī)械手夾持超聲換能器或受檢件運(yùn)動(dòng))的不同，以及超聲換能器/受檢件裝夾位置、角轉(zhuǎn)換為機(jī)械手末端工具坐標(biāo)系的軌跡點(diǎn)位姿信息。軌跡規(guī)劃時(shí)，提取出CAM后處理文件中離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)用于構(gòu)建機(jī)械手末端工具坐標(biāo)系的位姿驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的軌跡規(guī)劃流程如圖A.1所示。將轉(zhuǎn)換后的機(jī)械手軌跡點(diǎn)將轉(zhuǎn)換后的機(jī)械手軌跡點(diǎn)信息傳輸給控制器經(jīng)坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)為機(jī)械手在滿足各點(diǎn)約束條件下的位置和姿態(tài)構(gòu)建受檢件表面軌跡點(diǎn)坐標(biāo)系并獲取位姿變換矩陣Q仿覆面被測(cè)件的CAD-數(shù)學(xué)特征模型9GB/T34892—2017提取的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖A.3所示：X圖A.3受檢件的表面軌跡離散點(diǎn)提取A.3機(jī)械手夾持換能器運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式的掃查點(diǎn)坐標(biāo)變換方法參考圖A.4,機(jī)械手基準(zhǔn)坐標(biāo)系以{W}表示，將機(jī)械手的末端工具坐標(biāo)系{M}沿裝配位置參數(shù)(包括裝夾長(zhǎng)度和偏移量)平移，使其與超聲換能器坐標(biāo)系相重合，以{C}表示。受檢件的工件坐標(biāo)系以{A}來(lái)表示，在掃查軌跡點(diǎn)處建一個(gè)輔助坐標(biāo)系{B}。輔助坐標(biāo)系{B}在坐標(biāo)系{A}中的位姿，通過(guò)規(guī)定{B}坐標(biāo)系的原點(diǎn)和各軸的方向與掃查軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系確定，一般規(guī)定{B}坐標(biāo)系的原點(diǎn)在掃查點(diǎn)位置[x,y,z],其Z軸沿掃查點(diǎn)法向，X軸沿掃查軌跡切線方向(可通過(guò)相鄰兩掃查點(diǎn)的矢量差近似逼近軌跡切線方向),Y軸方向可通過(guò)求解X軸和Z軸的矢量積得出。圖A.4機(jī)械手夾持超聲換能器時(shí)坐標(biāo)系分布示意圖對(duì)于某空間矢量P,設(shè)其在坐標(biāo)系{A},{B},{C}中的位姿表示分別為AP,?P,CP,根據(jù)坐標(biāo)變換原理，其位姿表達(dá)從{C}坐標(biāo)系變換到{B}坐標(biāo)系的變換見(jiàn)式(A.1):GB/T34892—2017BP=TCP=kTATCP…………(A.1){B}坐標(biāo)系與{C}坐標(biāo)系之間的變換矩陣ST可分解為求解旋轉(zhuǎn)矩陣SR和位置平移矢量CPBoRG,見(jiàn)…(A.2)式中：ξ=[ξx,ξy,5z]T——坐標(biāo)系{B}的X軸在坐標(biāo)系{A}中的方向矢量；φ=[4x,φy,φz]T——坐標(biāo)系{B}的Y軸在{A}坐標(biāo)系下的方向矢量；ψ=[ψx,ψy,ψz]——坐標(biāo)系{B}的Z軸在{A}坐標(biāo)系下的方向矢量依據(jù)坐標(biāo)變換原理，此時(shí)，同一矢量在坐標(biāo)系{A}和{C}中的表述見(jiàn)式(A.3)。AR=PCPp-1…………(A.3)假定受檢件坐標(biāo)系{A}與換能器坐標(biāo)系{C}在檢測(cè)前已確定位姿，當(dāng){A}坐標(biāo)系與{C}坐標(biāo)系重合時(shí)，為一單位矩陣。AR成為式(A.4)的正交矩陣：此時(shí)ST化簡(jiǎn)為式(A.5):…………(A.4)…………(A.5)以STAUBLITX90XL六自由度機(jī)械手為例，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合X-Y-Z歐拉角的旋轉(zhuǎn)順序，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)原理可知其滿足式(A.6):式中，cosα和sina分別簡(jiǎn)寫(xiě)成cα和sa,以便于觀察。求解矩陣R,得到使{B}坐標(biāo)系與{C}坐標(biāo)系滿足約束條件時(shí)的機(jī)械手的工具坐標(biāo)系需要轉(zhuǎn)過(guò)的歐拉角為：計(jì)算出機(jī)械手控制器所需要的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)[X,Y,Z,α,β,y]。A.4機(jī)械手夾持受檢件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式下掃查點(diǎn)坐標(biāo)變換方法參考圖A.4,機(jī)械手基準(zhǔn)坐標(biāo)系以{W}表示，將機(jī)械手的末端工具坐標(biāo)系沿裝配位置參數(shù)(包括裝夾長(zhǎng)度和偏移量)平移，使其與工件坐標(biāo)系相重合，以坐標(biāo)系{A}來(lái)表示，超聲換能器坐標(biāo)系以{C}表示，在掃查軌跡點(diǎn)處建一個(gè)輔助坐標(biāo)系{B}。輔助坐標(biāo)系{B)在坐標(biāo)系{A}中的位姿，通過(guò)規(guī)定{B}坐標(biāo)系GB/T34892—2017的原點(diǎn)和各軸的方向與掃查軌跡點(diǎn)的位置和方向間的關(guān)系確定，一般規(guī)定{B}坐標(biāo)系的原點(diǎn)在掃查點(diǎn)位置[X,Y,Z],其Z軸沿掃查點(diǎn)法向，X軸沿掃查軌跡切線方向(可通過(guò)相鄰兩掃查點(diǎn)的矢量差近似逼近軌跡切線方向),Y軸方向可通過(guò)求解X軸和Z軸的矢量積得出。對(duì)于某空間矢量P,設(shè)其在坐標(biāo)系{A}、{B}、{C}中的位姿表示分別為AP、BP、CP,根據(jù)坐標(biāo)變換原理，其位姿表達(dá)從{C}坐標(biāo)系變換到{A}坐標(biāo)系的變換見(jiàn)式(A.7):AP=AT&TCP=ATCP…………(A.7){A}坐標(biāo)系與{C}坐標(biāo)系之間的變換矩陣AT可分解為求解旋轉(zhuǎn)矩陣AR和位置平移矢量CPAORG,見(jiàn)式中：…………(A.8)ξ=[ξx,ξy,ξz]T——坐標(biāo)系{B}的X軸在坐標(biāo)系{A}中的方向矢量；φ=[9x,φy,φz]——坐標(biāo)系{B}的Y軸在{A}坐標(biāo)系下的方向矢量；業(yè)=[4x,Vy,Wz]T——坐標(biāo)系{B}的Z軸在{A}坐標(biāo)系下的方向矢量。依據(jù)坐標(biāo)變換原理，此時(shí)，同一矢量在坐標(biāo)系{A}和{C}中的表述見(jiàn)式(A.9)。R=BPCp-1…………(A.9)假定{B}坐標(biāo)系與{C}坐標(biāo)系重合時(shí)，R為一單位矩陣。當(dāng){B}坐標(biāo)系的Z軸與{C}坐標(biāo)系的Z軸反向共線時(shí)(滿足超聲換能器聲束軸線與葉片掃查點(diǎn)法向共線的約束條件),&R成為式(A.10)的正交…………(A.10)此時(shí)CT化簡(jiǎn)為式(A.11):……(A.11)六自由度機(jī)械手為例，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合X-Y-Z歐拉角的旋轉(zhuǎn)順序，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)原理，可知其滿足式(A.12):…(A.12)式中，cosα和sina分別簡(jiǎn)寫(xiě)成cα和sa,以便