基于超声换能器标定的机械手定位方法、系统及标定工具的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声波无损检测领域，具体涉及一种基于超声换能器特性的机械手定位方法、系统及标定工具。
【背景技术】
[0002]目前，对用于航空航天及核电等领域的工件的质量要求比较高，比如航空发动机的叶片，核电站运输管路的阀门部件等，对此类工件的加工过程及成品需要进行无损检测以保证其内部及表面无缺陷。超声波在产品无损检测领域得到了广泛的应用，而且技术已经很成熟。
[0003]目前，对产品的无损检测是在产品加工成型后，将产品挪到无损检测的相关部门在进行人工检测，这种检测方法一方面效率较低，不能及发现并剔除在生产过程中有缺陷的产品；另一方面对于成批加工、数量较多的产品，只能抽样检测，不能对每个产品进行检测。
[0004]机械手被广泛应用于各生产线中的加工及搬运过程中，如机械手的重复定位精度可以达到20-60微米之间，绝对定位精度可以达到50-100微米之间，而且配套有完善的自动编程及离线编程程序，可以根据实际情况进行编程，控制机械手的运动轨迹。机械手的使用，很大程度提高了提高生产效率，大大减少了人力的投入。
[0005]综上所述，在产品生产过程中，根据产品的质量要求，在产品加工的某一重要工序用机械手夹持工件，将超声换能器用与生产线中进行无损检测具有较好的应用前景。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种基于超声换能器标定的机械手定位方法、系统及标定工具，利用了超声信号的基本特性及机械手可行的运动方式，能够通过简单的机械手操作及超声信号判定完成传感器定位。
[0007]—种基于超声换能器标定的机械手定位标定工具，所述标定工具具体包括:标定平板和用于与机械手固连的法兰盘；
[0008]所述法兰盘一面垂直固定标定平板；在所述标定平板的中心设置等宽的水平方向条型槽和竖直方向条型槽，槽宽与标定所用超声波声束直径相当，为声束直径的110% -125% ;水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇处设置圆型凹槽，圆型凹槽直径与水平方向条型槽槽宽相等、槽深大于水平方向条型槽槽深；水平方向条型槽和竖直方向条型槽将标定平板划分为四个区域，在任意两个对角区域内分别设置直径与水平方向条型槽槽宽相等的圆形凹槽作为验证槽，且两个验证槽槽深不同。
[0009]本发明还提供了一种基于超声换能器标定的机械手定位系统，具体包括:机械手及其远程控制系统、超声检测系统和如权利要求1所述的标定工具；
[0010]所述机械手及其远程控制系统，具体包括:机械手、控制器和计算单元；所述超声检测系统，具体包括:数据采集卡、脉冲收发仪和超声换能器；标定工具固定在机械手上，与机械手一起联动；
[0011]控制器在计算单元的指挥下控制机械手的运动，从而带动标定工具相对于超声波入射位置相对运动，并将机械手相对于基座的实际位姿反馈给计算单元；
[0012]脉冲收发仪驱动超声换能器发射超声波，将打到标定工具后返回的回波信号传递给数据采集卡进行采集并传递给计算单元；
[0013]所述计算单元利用机械手的运动，使得超声波在标定工具的标定平板表面进行扫查，通过超声波幅值识别标定平板上的起伏，识别水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，进而利用机械手的运动使得超声波打在圆型凹槽的位置；此时，由机械手相对于基座的当前位姿，计算得到相对于机械手基座的超声换能器声束轴线的空间向量与超声换能器空间位置，进而获得超声换能器相对于机械手基座的空间向量和空间位置。
[0014]优选地，所述控制器进一步通过发送脉冲激励信号触发脉冲收发仪和数据采集卡开始工作。
[0015]优选地，所述计算单元在超声波打在圆型凹槽的位置并利用该位置确定超声换能器空间位置后，进一步根据超声换能器的空间位置，规划机械手运动轨迹使得超声波打到两个验证槽的位置，由回波信号判断传感器定位是否符合定位精度要求。
[0016]本发明基于上述机械手和定位系统，还提供了一种定位方法，该定位方法包括如下步骤:
[0017]步骤一、将标定工具与机械手固连，令法兰盘水平方向条型槽和竖直方向条型槽槽底所形成的十字型面与机械手工具坐标系OXZY的YOZ平面重合；其中，X正方向为水平向后，Y正方向为水平向右，Z正方向为水平向下，原点O在机械手手腕中心处；
[0018]步骤二、控制器在计算单元的指挥下控制机械手运动，从而带动标定工具相对于超声波入射位置运动，使超声波扫查所述标定平板，通过超声波幅值识别标定平板表面上水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，接着通过控制机械手运动使得超声波声束打在水平方向条型槽和竖直方向条型槽的交汇位置处，即圆型凹槽位置；
[0019]步骤三、计算单元根据机械手相对于基座的当前位姿以及回波信号计算得到超声换能器相对于机械手基座坐标系的坐标。
[0020]优选地，步骤三之后，该方法进一步包括:控制器控制机械手运动，使得超声传感器的声束分别打入标定平板的两个验证槽，根据超声波打在验证槽内时机械手相对于基座的位姿以及回波信号再次计算超声换能器相对于机械手基座的空间坐标，从而验证步骤三中得到的超声换能器相对于机械手基座的空间位置是否准确，如果不准确，则重新执行步骤二和步骤三。
[0021]优选地，步骤二具体步骤包括:
[0022]步骤201、设置机械手运动方式为工具坐标系OXYZ运动方式；
[0023]步骤202、控制器控制机械手沿着平行于Z轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Y轴移动，使得超声波照射反复垂直经过水平方向条型槽；计算单元根据控制器反馈的机械手相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的超声信号得到超声幅值沿Z方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置A ；
[0024]步骤203、计算单元通过控制器控制机械手运动，使得超声波声束打到位置A，同时控制机械手绕工具坐标系Y轴转动；计算单元根据控制器反馈的机械手相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的超声信号，获得绕Y轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置B ；
[0025]步骤204、控制器控制机械手沿着平行于Y轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Z轴移动，使得超声波照射点反复垂直经过竖直方向条型槽；计算单元根据控制器反馈的相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的回波信号得到超声幅值沿Y方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置C ；
[0026]步骤205、计算单元通过控制器控制机械手运动使得超声波声束打到位置C，同时控制机械手绕工具坐标系绕Z轴转动；计算单元根据控制器反馈的相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的回波信号获得绕Z轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置D ;
[0027]步骤206、计算单元根据位置B和位置D的信息，计算得到超声波打入标定平板上水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇位置处即圆形凹槽时机械相对于基座的位姿，并控制机械手运动到此处，此时超声波光束打入圆形凹槽内并且光束垂直于标定平板。
[0028]有益效果:
[0029]本发明通过机械手的移动对超声换能器进行定位，提高了超声换能器定位的便捷性和精确度，同时很大程度上减少了人力的投入，提高了生产效率。
【附图说明】
[0030]图1为本发明定位系统定位流程图。
[0031]图2为用于定