浅谈机械手无损检测

王华

摘 要：随着新材料、新结构和新工艺在现代工业尤其是航空航天工业中的广泛应用，无损检测的应用范围不再局限于常规材料和常规形状，复杂构件的检测给无损检测技术带来了新的机遇和挑战。将目前工业领域广泛应用的机械手与无损检测技术相结合，可以替代人工实现对复杂构件的精确检测，同时还可以提高检测效率和安全性。文中依据检测方式的不同，分别对单机械手夹持换能器、单机械手夹持工件、双机械手检测和机械手射线检测进行综述，并对比分析了不同检测方法的适用范围。

关键词：机械手；无损检测；超声检测；射线检测；涡流检测

随着机器人技术的成熟和发展，工业机器人在焊接、码垛、装配、喷涂、抛光、上下料等不同领域都得到了广泛应用。其中，根据不同应用需求而设计出的各种形式的机械手都属于工业机器人范畴。机械手可以根据内部程序自动完成特定操作，因而可以替代人工完成一些繁重、复杂、危险的劳动，并具有运动精度高、工作效率高、运行成本低等优点。无损检测技术作为工业领域应用非常广泛的检测技术，是保证工件加工质量以及在役工件可靠性的重要手段，在航空、航天、船舶、石化等各领域均得到广泛应用。无损检测技术以其非破坏性的优点，正在逐渐受到人们的重视，然而在工业生产中得到广泛应用的机械手，还没有大范围应用于无损检测，将机械手与无损检测技术相结合的自动化检测方法目前还处于研究阶段。为了满足流体力学、空间利用、设计美学等方面的需求，现代的零件设计越来越趋于曲面化，曲面化的设计理念不仅给加工制造带来新的困难，也给检测领域带来新的挑战。曲面工件在航空、航天、船舶、汽车、模具等工业领域应用日趋广泛，对其实现高精度、高效率、高可靠性的检测是机械手无损检测技术的前沿研究课题。非接触无损检测技术适合应用于复杂曲面检测，具有无需耦合剂、效率高、可靠性好等优点，是目前无损检测技术的研究热点。机械手与非接触无损检测技术结合可以充分发挥机械手空间运动姿态灵活、准确的特点，从而提高检测效率、保证人员安全，实现复杂曲面的自动化检测。例如，机械手与超声、涡流检测相结合可应用于航空发动机叶片无损检测，能有效提高检测精度；机械手与射线、激光超声检测相结合可避免射线、激光对人体的危害，提高檢测安全性。机械手无损检测技术可划分为单机械手和双（多）机械手检测模式。根据检测对象的不同，单机械手检测可划分为机械手夹持换能器和机械手夹持工件两类；双（多）机械手检测可划分为双机械手夹持换能器和机械手分别夹持工件和换能器两类。

一、单机械手夹持换能器检测方法

单机械手在检测领域的应用多于双（多）机械手，其中既有针对特定检测需求而设计的专用机械手，也有采用通用六自由度机械手搭建的检测系统。出于对航空航天零件质量保证的需要，国外较早开展了曲面工件的无损检测研究。自1987 年以来就开始从事超声无损检测研究，已成功研制复合材料超声自动化扫系统，具有10 个自由度，采用多轴并行控制的策略，扫查范围可达8 m×1.5m×3m。国内在复杂曲面工件超声自动化检测方面的研究起步相对较晚，但也取得了较快的进展。如，（1）研制了适用于检测煤气管道内缺陷的管道检测机器人，通过搭载超声检测装置和涡流检测装置可以实现管道内部的缺陷检测。（2）针对平板或小曲率复合材料板研制了超声喷水C扫描检测系统，对层压板和蜂窝复合材料板可实现有效的扫描成像。浙江大学的周晓军研究团队在机械手复杂曲面超声检测方面做了深入研究]提出了基于B样条的自由曲面超声自动化检测扫查路径生成方法。（3）对曲面工件超声自动化检测中的曲面建模以及曲面重构技术做了研究，提出了曲面轮廓测量、曲面建模、曲面重构和自动化检测于一体的检测方法，在工件CAD模型未知的情况下同样可以进行检测。在众多机械手无损检测装置中，通用六自由度机械手是应用最为广泛的一类，它在工作空间范围内运动姿态灵活，可以达到任意位姿，因而特别适合应用于航空发动机叶片、汽车轮毂、轴承、齿轮等复杂曲面结构的检测。

（一）单机械手夹持换能器检测系统组成

对于大型复杂曲面构件适合采用机械手夹持换能器进行检测，以汽车轮毂为检测对象，检测系统。轮毂是车辆的主要承重部件，直接关系到行车安全，汽车厂商特别重视轮毂出厂前的检测。汽车轮毂加工过程中不仅需要保证外部质量，如加工精度、表面粗糙度等，更需要控制轮毂内部质量，如铸造过程中产生的气孔、砂眼、缩孔、缩松以及残余应力等。轮毂超声检测系统基于机械手运动控制、数字信号处理分析、数控技术（ CNC） 、声学理论等实现检测功能。

（二）单机械手夹持换能器轨迹规划方法

在使用机械手检测系统扫查工件前，需要明确系统各部分之间的位置关系，将系统各构件均视为刚体，则对刚体的位姿描述采用位置矩阵与姿态矩阵组合的形式。

（三）单机械手夹持换能器检测实例

针对汽车轮毂曲面结构复杂、尺寸大、重量大的特点，采用机械手夹持换能器的检测方法。检测过程，喷水耦合的超声检测方法可以检测汽车轮毂内部的砂眼、缩孔、缩松等铸造缺陷。超声检测方法受检测分辨率的限制，只能检测工件内部缺陷，对于工件表面由于残余应力、疲劳、铸造温度不均而产生的表面裂纹，可采用涡流检测方法，通过机械手夹持涡流换能器可以实现针对复杂曲面表面的缺陷检测。对于大型曲面构件焊接中产生的残余应力，同样可以采用机械手夹持超声换能器的检测方法。

二、单机械手夹持工件检测方法

无损检测中，对航空发动机叶片、轴承、螺栓等小型复杂构件的检测需求较大，同时也是目前的研究热点。针对叶片等复杂形廓构件的无损检测，国外通常采用超声、电磁、渗透、红外热成像与射线等多种方法进行检测。国内针对复杂构件的超声无损检测多采用专用扫查设备，即对每一类被测件设计专属的夹具或扫查架等运动执行机构，应用范围受限。目前仍缺少广泛使用的针对复杂构件自动化检测的标准与方法，机械手在无损检测领域的应用仍在不断完善之中。

航空发动机叶片具有变厚度、變曲率的特点，通过对叶片缺陷分布特点进行分析，基于六自由度机械手平台搭建了航空发动机叶片检测系统。结合超声检测、机械手运动控制以及计算机编程，以实现对航空发动机叶片缺陷和厚度的自动化无损检测。系统集成了机械手、超声换能器、脉冲收发仪等硬件以及机械手运动控制、扫查成像等软件，利用超声扫查方法对被测件的缺陷和厚度进行检测，实时显示扫查过程中航空发动机叶片反射的A 扫查脉冲回波信号，并提取A扫查缺陷回波的峰峰值，转换为灰度值后作为C扫查中各轨迹点的色彩值，并以图像的方式显示被测件的缺陷和厚度信息。

三、双机械手检测方法

在一些应用领域，双机械手能够完成单机械手无法实现的操作任务，协调运动是双机械手研究中的重要内容，对此国内外学者均有所研究。在国外，德国宇航局（DLR） 研制了由轻型臂构成的双臂系统可完成拧瓶盖的复杂操作； 美国宇航局（NASA）研制的Robonaut2双臂机器人由“发现号”搭载进入太空，可协助宇航员完成太空任务。双机械手检测系统具有能够自动适应不同种类曲面构件的特点，通过不同工件CAD模型的扫查轨迹规划或自适应轮廓识别技术，灵活地满足自适应检测要求，同时，能够根据材料特性自动选择可适应的传感器类型和检测方法，能够自动选择相应的检测算法和显示模式，以满足对不同曲率、厚度、形廓和材料特性构件的快速无损检测。

双机械手检测系统组成主要包括机械结构系统、硬件系统和软件系统3部分。机械结构系统是整个检测系统的基础，包括2台机械手、底座、直线运动导轨、水循环单元、工件支架； 硬件系统为检测系统中用到的所有电子硬件设备，包括工控机、运动控制器、超声换能器、超声信号收发装置、高速数据采集卡、电控柜等； 软件系统包括系统管理、超声收发及信号采集、形廓跟踪、运动控制、信号处理、图像显示和参数设置模块。

四、机械手CT检测技术

工业CT（ Computerized Tomography）作为一种无损检测的重要方法，凭借其检测分辨率高，检测结果直观等优点已经得到社会的广泛认可[69]。工业CT的原理是利用X射线的衰减规律[70]和计算机三维重建的方法完成对被测工件的三维重建，并对工件存在的缺陷进行相应的分析。德国和美国是世界上研究应用CT技术较为领先的国家。

五、结束语

随着无损检测技术的发展，对检测精度、检测效率、自动化程度和检测工件的适用范围均提出了越来越高的要求。机械手检测系统适合多变的检测条件，可完成对不同曲率、厚度、形廓，以及不同特性材料的快速无损检测。通过对不同机械手检测方法的对比可以发现：

单机械手夹持换能器检测方法适用于大型复杂曲面构件检测，检测材料一般为金属，通过附加转台的方法可以扩展检测范围，特别适用于闭合曲面检测。

单机械手夹持工件检测方法适用于小型复杂曲面构件检测，检测精度高，由于探头固定，被测工件做主动运动，因此检测过程中的机械手坐标变换需要区别于常规方法。

双（多）机械手检测方法适用于大型复杂曲面构件检测，对于需要一发一收两个探头的检测方法，例如复合材料超声检测，可以采用双机械手检测方法，同时双（多）机械手检测方法需要考虑机械手间同步协调运动问题。

机械手与CT检测技术结合可以提高工业检测自动化程度，保证检测人员安全。

机械手在无损检测系统中的应用为构建自动化超声检测系统提供了优秀、便捷的解决方案，可有效提高无损检测的适用范围。