曲面工件自动超声检测轨迹规划

赵新玉; 李鹏飞; 段晓敏; 张斌

doi:10.3901/JME.2022.24.041

曲面工件自动超声检测轨迹规划

doi: 10.3901/JME.2022.24.041

1.
大连交通大学材料科学与工程学院大连 116028
2.
大连交通大学理学院大连 116028
3.
北京航空制造技术研究院北京 100024

基金项目:

国家重点研发计划 2016YFF0203000

国家自然科学基金 61401058

详细信息

作者简介:
赵新玉，男，1979年出生，博士，副教授，主要研究方向为焊接、检测技术与装备，发表学术论文50余篇。E-mail：xyz@djtu.edu.cn

李鹏飞，男，1996年出生。主要研究方向为自动化超声检测。E-mail：769524512@qq.com

段晓敏，女，1979年出生。博士，副教授，主要研究方向为信息几何及其应用。E-mail：dxmhope@djtu.edu.cn

张斌，男，1972年出生。主要研究方向为超声无损检测研究与检测系统研制。E-mail：2414378254@qq.com

中图分类号: TB553
计量
- 文章访问数: 29
- HTML全文浏览量: 10
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2022-02-12
- 修回日期: 2022-08-20
- 网络出版日期: 2024-03-07
- 刊出日期: 2022-12-20

Motion Planning of Curved Surface for Automatic Ultrasonic Testing

1.
School of Material Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028
2.
School of Science, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028
3.
AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024

摘要

摘要: 航空发动机叶片是典型复杂曲面结构，为实现叶片的自动化超声检测，提出基于曲面点云数据重建的自动化检测轨迹规划方法，在此基础上实现7轴联动复杂曲面自动扫描成像。叶片点云采用线激光轮廓仪配合工件旋转轴自动扫描获取，数据拼接整理后采用数据拟合方法获得曲面轮廓方程，基于曲面上的曲线方程规划加减速扫描轨迹，进一步对各扫描轨迹点进行多轴运动分解，获得包括六轴机械手和工件旋转轴在内的各轴轨迹。实际检测试验表明，轨迹规划算法可以实现叶片自动扫描，获得清晰C扫描图像。

航空发动机叶片是典型复杂曲面结构，为实现叶片的自动化超声检测，提出基于曲面点云数据重建的自动化检测轨迹规划方法，在此基础上实现7轴联动复杂曲面自动扫描成像。叶片点云采用线激光轮廓仪配合工件旋转轴自动扫描获取，数据拼接整理后采用数据拟合方法获得曲面轮廓方程，基于曲面上的曲线方程规划加减速扫描轨迹，进一步对各扫描轨迹点进行多轴运动分解，获得包括六轴机械手和工件旋转轴在内的各轴轨迹。实际检测试验表明，轨迹规划算法可以实现叶片自动扫描，获得清晰C扫描图像。
- 航空发动机叶片 /
- 六轴机械手 /
- 轨迹规划 /
- 超声检测
Abstract: Aeroengine blade is a typical complex surface. In order to realize automatic ultrasonic inspection on blades, an trajectory planning method based on surface point cloud data reconstruction was proposed for the automatic ultrasonic testing. Furthermore, an automatic scanning with seven-axis motion was realized the image this kind complex surface. The blade point cloud data are acquired using linear laser scan and two-axis motion. The surface contour equation is obtained by data fitting method, then acceleration and deceleration trajectory is planning based on the curve equation. An motion decomposition method including the six-axis manipulator and blade rotation axis is developed for each trace point. The actual inspection experiment shows that this path planning algorithm can obtain a clear C-scan image autocratically.
- aeroengine blade /
- six-axis manipulator /
- trajectory planning /
- ultrasonic testing

HTML全文

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 1 叶片自动超声检测系统

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 激光轮廓仪采集范围

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 激光轮廓仪扫描叶片

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 叶片两侧采集的点云

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 叶片点云

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 最小二乘法拟合叶片轮廓曲线

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 叶片拟合曲面

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 轨迹点位置

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 轨迹点位姿

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 叶片自动超声检测系统

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 叶片表面示意图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 叶片3D-C扫描图像

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 激光轮廓仪参数

	测量范围/mm	分辨率/mm
X轴	158~365	0.15~0.3
Z轴	300~700	0.019~0.060

下载: 导出CSV

表 2 各轴角度

1轴角度θ₁	2轴角度θ₂	3轴角度θ₃	4轴角度θ₄	5轴角度θ₅	6轴角度θ₆	旋转轴角度T
−0.658 3	69.153 2	−9.282 9	2.971 6	30.180 3	−176.228 0	26.912 2
−0.658 4	69.153 2	−9.282 8	2.971 6	30.180 3	−176.228 0	26.912 2
−0.658 4	69.153 2	−9.282 8	2.971 6	30.180 3	−176.228 0	26.912 1
−0.658 4	69.153 1	−9.282 8	2.971 7	30.180 3	−176.228 1	26.912 1
−0.658 4	69.153 1	−9.282 7	2.971 7	30.180 2	−176.228 2	26.912 0
−0.658 4	69.153 0	−9.282 6	2.971 8	30.180 2	−176.228 3	26.912 0
−0.658 4	69.153 0	−9.282 5	2.971 8	30.180 1	−176.228 4	26.911 9
−0.658 5	69.152 9	−9.282 4	2.971 9	30.180 0	−176.228 5	26.911 8
−0.658 5	69.152 8	−9.282 2	2.972 0	30.189 9	−176.228 6	26.911 7
−0.658 5	69.152 7	−9.282 0	2.972 1	30.189 8	−176.228 7	26.911 6
−0.658 5	69.152 6	−9.281 8	2.972 2	30.189 7	−176.228 8	26.911 5
−0.658 5	69.152 5	−9.281 5	2.972 3	30.189 6	−176.228 9	26.911 4
−0.658 6	69.152 4	−9.281 2	2.972 4	30.189 5	−176.229 1	26.911 2
−0.658 6	69.152 3	−9.280 9	2.972 5	30.189 3	−176.229 3	26.911 0
−0.658 6	69.152 2	−9.280 5	2.972 6	30.189 1	−176.229 5	26.910 8
−0.658 7	69.152 1	−9.280 1	2.972 7	30.188 9	−176.229 7	26.910 5
−0.658 7	69.151 9	−9.279 6	2.972 8	30.188 7	−176.230 0	26.910 2

下载: 导出CSV

参考文献(16)

[1]	OGUZHAN Y, NABIL G, GAO J. A repair and overhaul methodology for aeroengine components[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2010, 26: 190-201. doi: 10.1016/j.rcim.2009.07.001
[2]	范永升, 黄渭清, 杨晓光, 等. 某型航空发动机涡轮叶片服役微观损伤研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(13): 122-128. doi: 10.3901/JME.2019.13.122 FAN Yongsheng, HUANG Weiqing, YANG Xiaoguang, et al. Microstructural damage analysis of service turbine blades for an aero-engine[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(13): 122-128. doi: 10.3901/JME.2019.13.122
[3]	俞辉, 王振忠. 航空叶片制造工艺及坐标检测方法分析[J]. 航空制造技术, 2018, 61(9): 64-70. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKGJ201809015.htm YU Hui, WANG Zhenzhong. Analysis of manufacturing technology and coordinate detection method of aviation blade[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2018, 61(9): 64-70. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKGJ201809015.htm
[4]	于卫新, 李淼泉, 胡一曲. 材料超塑性和超塑成形/扩散连接技术及应用[J]. 材料导报, 2009, 23(11): 8-14. doi: 10.3321/j.issn:1005-023X.2009.11.002 YU Weixin, LI Miaoquan, HU Yiqu. Materials superplastic and superplastic forming/diffusion bonding technology and applications[J]. Materials Reports, 2009, 23(11): 8-14. doi: 10.3321/j.issn:1005-023X.2009.11.002
[5]	靳淇超, 汪文虎, 蒋睿嵩, 等. 压气机叶片辊轧模具型腔回弹补偿方法研究[J]. 机械工程学报, 2017, 53(16): 148-155. doi: 10.3901/JME.2017.16.148 JIN Qichao, WANG Wenhu, JIANG Ruisong, et al. Investigation on springback compensation method for the rolling mold of compressor blade[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(16): 148-155. doi: 10.3901/JME.2017.16.148
[6]	LU Z X, XU C G, PAN Q X, et al. Automatic method for synchronizing work-piece frames in twin-robot nondestructive testing system[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2015, 28(4): 860-868. doi: 10.3901/CJME.2015.0424.064
[7]	江健, 郭天太, 吴思源, 等. 曲面构件一体化超声自动检测方法研究[J]. 传感技术学报, 2006, 19(2): 383-387. doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2006.02.028 JIANG Jian, GUO Tiantai, WU Siyuan, et al. Research of integrated ultrasonic auto detecting method on curved surfaces[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2006, 19(2): 383-392. doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2006.02.028
[8]	LU Z X, XU C G, ZHAO X Y, et al. Ultrasonic transmission testing of twin-robot coordinated control [J]. IEEE International Conference on Mechatronics & Automation, 2013, 446(16): 1256-1260.
[9]	张杨, 周晓军, 杨辰龙, 等. 基于声束追踪的变厚度曲面工件超声探头位姿规划[J]. 农业机械学报, 2012, 43(9): 230-234. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYJX201209043.htm ZHANG Yang, ZHOU Xiaojun, YANG Chenlong, et al. Ultrasonic probe position and orientation planning for curved components with variable thickness based on ultrasonic beam analysis[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(9): 230-234. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYJX201209043.htm
[10]	徐春广, 马朋志, 肖定国, 等. 航空发动机叶片机械手无损检测技术[J]. 航空制造技术, 2019, 62(14): 42-48. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKGJ201914008.htm XU Chunguang, MA Pengzhi, XIAO Dingguo, et al. Nondestructive testing technology for aeroengine blade manipulator[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2019, 62(14): 42-48. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKGJ201914008.htm
[11]	赵娜, 李亮玉, 刘杰, 等. 飞机叶片焊接修复中的三维测量重构技术[J]. 焊接学报, 2014, 35(6): 73-76. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJXB201406018.htm ZHAO Na, LI Liangyu, LIU Jie, et al. A three-dimensional reconstruction methodology for aeroengine blade welding repair[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(6): 73-76. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJXB201406018.htm
[12]	BROSED F J, AGUILAR J J, GUILLOMIA D, et al. 3D geometrical inspection of complex geometry parts using a novel laser triangulation sensor and a robot[J]. Sensors, 2011, 11(1): 90-110.
[13]	MALCOMB J R. Laser profilometry for non-contact automated countersink diameter measurement[J]. SAE International Journal of Aerospace, 2014, 7(2): 263-268.
[14]	汪洋, 马孜, 胡英, 等. 新型自由曲面三维激光扫描系统[J]. 机械工程学报, 2009, 45(11): 260-265. http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2009/V45/I11/260 WANG Yang, MA Zi, HU Ying, et al. Novel free-form surface 3D laser scanning system[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(11): 260-265. http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2009/V45/I11/260
[15]	石循磊, 杜坤鹏, 张继文, 等. 基于线激光扫描的飞机表面锪窝孔参数提取方法[J]. 机械工程学报, 2020, 56(8): 148-154. doi: 10.3901/JME.2020.08.148 SHI Xunlei, DU Kunpeng, ZHANG Jiwen, et al. Method for extracting hole parameters of aircraft surface based on linear laser scanning[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(8): 148-154. doi: 10.3901/JME.2020.08.148
[16]	赵新玉, 温欣, 段晓敏. 检测机械手轨迹突变点识别方法[J]. 机械工程学报, 2020, 56(18): 15-21. doi: 10.3901/JME.2020.18.015 ZHAO Xinyu, WEN Xin, DUAN Xiaomin. Recognition method for testing manipulator trajectory change-point[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(18): 15-21. doi: 10.3901/JME.2020.18.015