利用双多轴机器人装置检查零件的系统和方法与流程

本文所公开的主题涉及零件的无损测试和检查，并且更特别地，涉及使用多轴机器人装置通过将信号穿过该零件传递来执行检查的系统。

背景技术：

无损检查（“ndi检查”）涉及不损害结构或不要求重要分解地检验零件。这种类型的检查对于要求结构的外部和/或内部的彻底的检查的许多应用是有利的。例如，飞行器产业使用ndi检查来检查飞行器零件的内部和外部损坏、异常以及瑕疵（flaw）。

技术人员可通过在结构上手动移动适当的传感器来执行ndi检查。ndi检查的示例可使用包含脉冲-回波（pe）、透射（through-transmission，tt）以及剪切波传感器的各种传感器以获得例如零件中的厚度计量、层状异常和孔隙度的检测、和/或裂缝检测的数据。手动检查要求技术人员在结构上移动传感器。在一些检查中，如果在结构中有任何异常，技术人员还必须观察显示器以确定异常的位置。因此，检查的质量很大程度上取决于技术人员的表现和技巧。

尽管自动化（例如，机器人）的使用可补救许多手动检查的缺陷，但由于不能实时确定传感器（相对于零件）的精确位置，所以多轴机器人在ndi检查中相对于零件操纵传感器的用处不大。而是，操作多轴机器人的程序简单地指示机器人去何处，但不报告传感器的相对位置。当传感器采集数据时，此限制使相对于零件获得传感器的位置（例如，在三维空间）的能力具有挑战。此外，多轴机器人的限制更可能限制这些机器人与透射（tt）传感器的组合的应用，其中来自传感器的超声信号穿过零件从一个机器人传递到另一机器人。

以上论述仅提供一般背景信息并且不旨在用作确定要求保护的主题的范围时的辅助。

技术实现要素：

本公开描述示范性检查系统，其中在一个示例中，检查系统可使用多轴机器人以使用透射（tt）传感器进行检查。检查系统的一些所公开的实施例的实践提供大的检查包封以容纳大的零件（例如，飞行器零件）而不用典型地使用框架式线性自由度平移传感器的检查系统的成本、复杂性以及限制。

在一个实施例中，本公开描述一种用于执行零件的扫描的检查系统。检查系统包含具有第一末端执行器（endeffector）的第一多轴机器人装置和具有第二末端执行器的第二多轴机器人装置。检查系统还包含滑动组件（slideassembly），该滑动组件包含第一线性滑动（linearslide）和第二线性滑动，用于分别在其上支撑第一多轴机器人装置和第二多轴机器人装置。在一个示例中，将第一线性滑动和第二线性滑动放置在零件的任一侧以允许第一多轴机器人装置的独立于第二多轴机器人装置的线性移动。在另一示例中，在扫描期间，将第一末端执行器和第二末端执行器安置在零件的相反侧，以在第一机器人装置和第二机器人装置之间交换信号。

在另一实施例中，本公开描述一种用于实现零件的扫描的检查系统。检查系统包含具有可生成超声信号的第一末端执行器的第一多轴机器人装置，以及具有可接收超声信号的第二末端执行器的第二多轴机器人装置。检查系统还包含控制器，该控制器耦合到第一多轴机器人装置和第二多轴机器人装置的每个，控制器包含配置为执行一个或多个可执行指令的处理器。可执行指令包含用于在零件的相反侧安置第一末端执行器和第二末端执行器以穿过零件将超声信号从第一多轴机器人装置传递到第二多轴机器人装置的可执行指令。可执行指令还包含用于沿着扫描路径平移第一末端执行器和第二末端执行器以收集关于零件的超声数据的可执行指令，扫描路径包含对应于零件的计算机辅助设计（cad）模型上的位置的检查点，检查点定义在何处收集超声数据。

在又一实施例中，本公开描述一种用于执行零件的超声扫描的方法，该零件具有分别放置在第一多轴机器人装置和第二多轴机器人装置上的第一末端执行器和第二末端执行器。方法包含沿着扫描路径平移第一末端执行器和第二末端执行器以收集关于零件的超声数据的步骤，其中第一末端执行器传送超声信号，并且第二末端执行器在超声信号穿过零件传递后接收超声信号。该方法还包含生成显示的步骤，该显示包含超声数据和零件的模型，其中第一多轴机器人装置可独立于第二多轴机器人装置地从零件的第一端平移到第二端。

本发明的简短描述仅旨在提供根据一个或多个说明性的实施例的本文所公开的主题的简短概述，并且不用作解释权利要求或定义或限制本发明的范围的引导，本发明的范围仅由所附的权利要求限定。提供此简短描述以用以下在详细描述中进一步描述的简化形式引入概念的说明性的选择。此简短描述不旨在识别要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用作确定要求保护的主题的范围时的辅助。要求保护的主题不限于解决背景中提到的任何或所有缺点的实现。

附图说明

所以本发明的特征在其中可以理解的方式，本发明的详细描述可以通过参考某些实施例而具有，其中的一些图示在附图中。然而，要注意，附图仅图示本发明的某些实施例并且因此不认为是其范围的限制，这是由于本发明的范围包含其它同样有效的实施例。附图不一定按比例，通常放置在其上强调，从而图示本发明的某些实施例的特征。在附图中，遍及各视图相似标号用于指示相似零件。因此，为了进一步理解本发明，可以结合附图作出下文的详细描述的参考，附图中：

图1描绘示范性多轴机器人装置；

图2描绘包含图1的一对多轴机器人装置的示范性检查系统；

图3描绘操作例如图2的检查系统等检查系统的示范性方法的流程图；

图4描绘图3的方法中的引导机器人装置的操作的扫描路径的示例，其中扫描路径可从零件的计算机辅助设计（cad）模型生成；

图5描绘示范性检查系统的布线示意图。

具体实施方式

本公开描述使用一对多轴机器人检查零件（也称为“资产”和/或“对象”）的机器人检查系统的实施例。检查可使用各种工具。出于本公开的目的，使用超声工具（即，可生成超声信号的工具）来描述机器人检查系统的各种特征和概念。然而，有关检查领域的技术人员将意识到用于扫描零件例如来识别缺陷和异常的其它类型的工具同样可应用于本文所论述的机器人检查系统。在一个实施例中，机器人检查系统可使用可将超声信号穿过零件从一个机器人传递到另一个机器人的相反超声工具来收集超声数据。多轴机器人支撑可移动臂上的超声工具，该可移动臂与机器人的其它可移动结构组合可通过多个自由度（例如，x、y、z、倾斜、摇摆、滚动）操纵超声工具。

机器人检查系统还包含独立地平移机器人的线性滑动或轨道。在一个构造中，机器人平行于彼此地移动而保持足以穿过零件传递超声信号的超声工具的对准。为了个别机器人上的超声工具的尖端之间的真实位置对准，用于此目的的相反超声工具的对准的容差通常不可超过多于±1mm（或大约±0.003英寸）。以下的机器人检查系统可满足这些要求，并且更特别地，克服许多类型的多轴机器人中的固有限制，其中在这些多轴机器人上的末端执行器的实际位置的容差可超过用于超声工具的对准的可接受的限制。

机器人检查系统的实施例还可将超声数据与零件的三维计算机辅助设计（cad）模型相关。此特征允许实施例生成并显示数据（例如，超声数据）作为cad模型的部分和/或cad模型的覆盖。此特征示出零件的结构中的缺陷和缺点，例如，裂缝、解体、不连续、空隙以及孔隙度，所有这些可影响零件的性能。

图1图示用于本公开的检查系统的示范性机器人装置100。用作机器人装置100的类型的机器人发现于工业装置（例如，汽车、飞行器等）以自动化要消费实质人力资源的任务。机器人装置100的一个示例由kukarobotergmbh（augsburg，germany）制造，尽管可使用具有本文所描述的特征的任何机器人。

广泛地，并且如在图1中所示出的，机器人装置100包含基座102、可移动臂104以及将可移动臂104耦合到基座102的操纵器106。机器人装置100还包含一个或多个接合（joint）（例如，第一接合108、第二接合110、第三接合112、第四接合114、第五接合116以及第六接合118）。这些接合允许可移动臂104和/或操纵器106相对于基座102延伸和缩回。在一个示例中，基座102可旋转和/或转动可移动臂104和操纵器106。总起来说，这些特征提供给机器人装置多个轴中的移动（或“自由度”）。此移动改变附加到可移动臂104的末端的末端执行器120的位置。

末端执行器120的示例可包含用于检查的工具和仪器，包含生成超声信号用于执行超声扫描的工具。在一个示例中，末端执行器120可以按照允许移除和/或重新装配末端执行器120的方式安装于可移动臂104，例如以便改变可移动臂104上的工具和/或仪器的类型。一种类型的工具可将超声信号引导到零件上并且接收超声信号，例如，穿过零件传递和/或从零件的材料的表面反射的超声信号。末端执行器120的示例还可生成喷水器，其有用于将超声信号从超声工具的尖端耦合到零件表面，反之亦然。

图2描绘部署一个或多个机器人装置（例如，图1的机器人装置100）以在零件202上执行超声检查的示范性机器人检查系统200。机器人检查系统200形成检查包封（envelope）204。零件支撑结构206驻留于检查包封204中。零件支撑结构206可操纵零件202，例如，通过转动和/或垂直平移的方式改变零件202相对于机器人装置的方位（orientation）。

在图2中，机器人检查系统200包含一对机器人装置（例如，第一机器人装置208和第二机器人装置210）以及支撑机器人装置208、210的线性滑动组件212。线性滑动组件212包含在检查包封204的任一侧的平行线性滑动（例如，第一线性滑动214和第二线性滑动216）。在线性滑动214、216的长度上容差保持得非常严格，并且在一个构造中，容差从头到尾地在±0.05mm（大约±0.002英寸）内。在一个示例中，线性滑动214、216安装于保持这些线性容差以及平面度和机器人检查系统200中的机器人装置208、210的合适的方位所必需的其它尺寸方面的特别构造的基底和/或支撑结构。

线性滑动214、216包含机器人装置208、210搁在其上的滑架（例如，第一滑架218和第二滑架220）。滑架218、220可沿着线性滑动214、216平移以在相对于零件202的各种位置定位机器人装置208、210。滑架218、220的行进允许机器人装置208、210到达检查包封204的两端（例如，第一端222和第二端224）。在一个示例中，滑架218、220还可支撑工具变换器（例如，第一工具变换器226和第二工具变换器228）以及诊断仪器（例如，第一仪器230和第二仪器232）以在扫描期间支持检查系统200的操作。工具变换器226、228可保持一个或多个用作末端执行器（例如，图1的末端执行器120）的工具。这些工具可附加到机器人装置208、210的可移动臂（例如，图1的可移动臂104）。示范性工具包含超声工具和装置（例如，换能器）以执行超声扫描。与检查系统200一起使用的其它工具可包含对准工具（例如，激光器、指向器等）以及夹子，尽管本公开预期许多不同类型的工具，包含用于与自动化设备和工业装置/应用一起使用的工具，例如，发现于飞行器和汽车工业的工具。

对于类似于那些与检查系统200一起使用的超声工具，诊断仪器可支持各种模式操作。例如，诊断仪器可以按照单通道模式和按照一个或多个相控阵列模式（例如，脉冲回波模式和透射（tt）模式）来操作超声工具。有关检查领域的技术人员将理解这些模式中的每个的操作原理，以及对于超声工具的相关构造以这些各种模式来实现操作。

图3描绘操作检查系统200的机器人装置的示范性方法300的流程图。这些步骤的执行可保证超声工具的合适的对准，由此允许超声信号穿过零件202从一个机器人装置到另一个机器人装置的准确的转移。一个或多个步骤可编码为可执行指令，当该可执行指令由处理器和/或计算装置执行时，引起机器人装置执行零件202的超声扫描。

在图3中，方法300包含在步骤302从零件的三维模型生成扫描路径。模型可以是来自各种设计软件包（例如，catia）的三维cad模型。方法300还包含在步骤304将扫描路径与零件对准，以及在步骤306在零件的相反侧安置第一末端执行器和第二末端执行器。方法300还包含在步骤308沿着扫描路径平移第一末端执行器和第二末端执行器以收集关于零件的超声数据，以及在步骤310将超声数据与第一多轴机器人装置的位置相关。方法300还可包含在步骤312生成包含超声数据和零件模型的显示。

用于生成扫描路径的步骤（例如，在步骤302）限定机器人装置在超声扫描期间将相对于零件定位检查工具的位置。图4图示产生于这些步骤的执行的扫描路径400的示例。扫描路径400横贯cad模型402的表面，cad模型402表示处于检查之下的零件。扫描路径400包含多个检查点（例如，检查点404）和将检查点链接在一起的扫描路径线406。检查点在零件402的表面上限定离散位置，在那里检查系统将收集数据。数据的范围和精确度的偏好将指示检查点的数量和相对间距。例如，靠近的更多的检查点可提供发现于零件的缺陷的更准确的报告，这是因为检查系统在超声扫描期间收集更多的数据。

用于将扫描路径与零件对准的步骤（例如，在步骤304）协调扫描路径与零件的实际方位。此步骤的执行考虑检查系统的部件的相对位置以指示机器人到相当于零件的检查工具的合适的位置。此步骤可包含在“自由空间”中定位零件的步骤，并且更特别地，可要求机器人装置使用对准工具或其它器具以在检查包封中识别零件的方位并且测量相对于该对多轴机器人装置的零件的位置。得到的测量可用于确定坐标和/或零件相对于多轴机器人装置的其它位置指标。在一个实施例中，方法300可包含从工具变换器选择对准工具的步骤以及利用对准工具量化零件的对准的步骤。对于基于激光的对准工具，方法300可包含在零件的一个或多个位置处引导激光的步骤，并且在一个实现中，位置包含零件上的三个单独的点，从其可以确定零件的方位。

用于定位和平移超声工具的步骤（例如，在步骤306和308）跨零件的表面移动末端执行器（例如，第一末端执行器和第二末端执行器）。这些步骤可包含给机器人装置的致动器和各种马达供能的一个或多个步骤。第一末端执行器和第二末端执行器的轨迹可取决于机器人装置的内部软件和编码，例如，其中这样的编码可确定机器人装置的各接合的移动的最有效率的组合，以便在正确的位置安置第一末端执行器和第二末端执行器并且保持用于成功地将超声信号穿过零件从第一末端执行器传递到第二末端执行器的合适的对准。此移动可覆盖整个表面，或在一个备选方案中，仅覆盖已知发生对零件不利的缺陷或瑕疵的表面的部分。如以上所论述的，扫描路径可指示在何处定位第一末端执行器和第二末端执行器。

将超声数据与第一多轴机器人装置的位置相关（例如，在步骤310）可使用来自至少一个机器人装置的机器人装置在操作期间生成的数据。在一个实施例中，并且如在以下示意图中所示出的，一个或多个机器人装置可包含编码器或测量移动、位置和/或一个或多个自由度的其它参数的其它装置。通常使用确定末端执行器的位置以及最终超声工具相对于机器人的坐标系统的位置的一个或多个矩阵来协调来自编码器的信息。方法300的实施例可包含用于限定机器人的位置来使用和协调超声数据的数据的数学操纵的各步骤。

用于生成显示的步骤（例如，在步骤312）可改变和/或修改发现于计算机或其他计算装置的现存的接口。显示可提供三维模型，在其中示出超声数据以指示在超声扫描期间所收集的数据。在一个实现中，通过最终用户的显示的检验可指示在何处可能发现缺陷。显示可允许最终用户关注三维模型的某些区域以及提供特征用于利用如在计算机领域中通常所知的超声数据操纵（例如，缩放、转动等）得到的模型。

图5图示示范性检查系统500的高水平布线示意图。通常各种配置可实现本公开的概念。图5的示例提供一个示范性结构的示意图。在本示例中，检查系统500包含以主-从关系安排的一对机器人装置（例如，主装置502和从装置504），其中在其间耦合有数据管道（dataconduit）506。在此关系中，主装置502指示从装置504的移动、位置以及其它方面的操作。计算装置508与主装置502耦合以与机器人装置502、504通信可执行指令以及交换数据。数据的交换可经由有线和/或无线协议而发生。

机器人装置502、504包含控制单元（例如，控制单元510和512），其可包含处理器（例如，处理器514和516）、存储器（例如，存储器518和520）以及驱动电路（例如，驱动电路522和524）。这些部件利用总线（例如，总线526和528）耦合在一起。还如在图5中所示出的，存储器518、520可以以例如用于操作机器人装置502、504以及执行超声扫描的指令528的形式来存储一个或多个计算机程序或可执行指令。结合以上论述的图3来提供指令528的示例。方法300的步骤可提供为机器人装置502、504的部件（包含处理器514、516和驱动电路522、524）可执行以实现并最终执行本文所公开的超声扫描的可执行指令。

驱动电路522、524可包含操作机器人装置502、504的轴的各马达536的马达驱动器电路（例如，马达驱动532和534）。马达536可包含步进马达和/或部署编码器以追踪并确定马达536连接到其的轴的位置。马达驱动器电路532、534可监测编码器的位置，该编码器包含与机器人装置502、504和线性驱动（未示出）关联的那些编码器。工具驱动器电路（例如，工具驱动器电路538和540）与工具542耦合，并且在一个示例中，与超声仪器544耦合。部件的此组合如本文所描述的和预期的实现超声扫描的操作。工具驱动器电路538、540还可包含与工具变换器550耦合以允许机器人装置如需要地改变工具的工具变换器电路（例如，工具变换器电路546和548）。

尽管示出为个别单元，但构造的变化形式可组合控制单元的一个或多个部件。在一个示例中，处理器是中央处理单元（cpu），例如，asic和/或fpga。处理器还可包含状态机电路或能够从驱动电路和直接从其它部件接收输入的其它合适的部件。存储器可包含易失性和非易失性存储器并且可用于软件（或固件）指令和配置设置的存储。在一些实施例中，处理器、存储器以及驱动器电路可以包含于单个集成电路（ic）或其它部件。作为另一示例，处理器可包含内部程序存储器，例如，ram和/或rom。类似地，这些部件的一个或多个功能中的任一个可以跨附加的部件（例如，多个处理器或其它部件）分布。

如将由本领域的技术人员意识到的，本发明的各方面可以实施为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可采用整体硬件实施例、整体软件实施例（包含固件、常驻软件、微代码等）或将软件和硬件方面组合的实施例的形式，本文其可以全部通常被称为“服务”、“电路”、“电路图”、“模块”和/或“系统”。此外，本发明的各方面可采用实施于具有实施于其上的计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式。

可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以例如是但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、器件或装置、或上述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更多具体示例（非穷举列表）可包含以下：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机软磁盘、硬盘、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、可擦除可编程只读存储器（eprom或闪速存储器）、光纤、便携式光盘只读存储器（cd-rom）、光存储装置、磁存储装置或上述的任何合适的组合。在此文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可包含或存储用于由指令执行系统、器件或装置使用或者与指令执行系统、器件或装置结合的程序的任何有形的介质。

在计算机可读介质上实施的程序代码和/或可执行指令可使用任何适当的介质，包含但不限于无线、有线线路、光缆、rf等、或上述的任何合适的组合来传送。

执行用于本发明的各方面的操作的计算机程序代码可以以一个或多个编程语言的任何组合来书写，该编程语言包含面向对象的编程语言（例如，java、smalltalk、c++等）和传统的过程编程语言（例如，“c”编程语言或类似编程语言）。程序代码可全部在用户的计算机（装置）上、部分在用户的计算机上（如独立软件包）、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上、或全部在远程计算机或服务器上执行。在后者场景中，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，该网络包含局域网（lan）或广域网（wan），或可以对外部计算机作出该连接（例如，使用因特网服务提供商通过因特网）。

本文参考根据本发明的实施例的方法、器件（系统）以及计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各方面。将理解流程图和/或框图的每个框，以及流程图和/或框图中的框的组合，可以由计算机程序指令来实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理器件的处理器以产生机器，以便经由计算机或其它可编程数据处理器件的处理器执行的指令创建用于实现在流程图和/或框图的框或多个框中规定的功能/动作的装备。

这些计算机程序指令还可存储于计算机可读介质，该计算机可读介质可引导计算机、其它可编程数据处理器件或其它装置以特定方式起作用，以便存储于计算机可读介质的指令产生包含实现在流程图和/或框图的框或多个框中规定的功能/动作的指令的制品。

计算机程序指令还可载入计算机、其它可编程数据处理器件或其它装置上以引起将在计算机、其它可编程器件或其它装置上执行的一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，以便在计算机或其它可编程器件上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图的框或多个框中规定的功能/动作的过程。

如本文所使用的，以单数叙述并且冠以词语“一”的元件或功能应该理解为不排除多个所述元件或功能，除非明确地叙述了这样的排除。此外，要求保护的发明的“一个实施例”的提及不应解释为排除也并入所叙述的特征的附加的实施例的存在。

本书面描述使用示例来公开本发明，包含最佳模式，并且也使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包含制作和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求来限定，并且可包含本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件或如果该示例包含与权利要求的字面语言的没有实质差别的等效结构元件，则旨在这样的其它示例在权利要求的范围内。

部件列表

100机器人装置

102基座

104可移动臂

106操纵器

108第一接合

110第二接合

112第三接合

114第四接合

116第五接合

118第六接合

120末端执行器

200机器人检查

202零件

204包封

206支撑结构

208第一机器人装置

210第二机器人装置

212线性滑动组件

214第一线性滑动

216第二线性滑动

218第一滑架

220第二滑架

222第一端

224第二端

226第一工具变换器

228第二工具变换器

230第一仪器

232第二仪器

300方法

302步骤

304步骤

306步骤

308步骤

310步骤

312步骤

400扫描路径

402cad模型

404检查点

406扫描路径线

500检查系统

502主装置

504从装置

506数据管道

508计算装置

510控制单元

512控制单元

514处理器

516处理器

518存储器

520存储器

522驱动电路

524驱动电路

526总线

528指令

532马达驱动

534马达驱动

536马达

538工具驱动器电路

540工具驱动器电路

542工具

544超声仪器

546工具变换器电路

548工具变换器电路

550工具变换器。