用于大型钢结构凹槽内壁焊缝的机器人自动超声扫查系统的制作方法

本发明涉及钢结构的自动化超声无损检测，特别涉及一种用于大型钢结构凹槽内壁焊缝的机器人自动超声扫查系统，属于智能制造。

背景技术：

1、大型钢结构广泛应用于船舶、桥梁、海洋工程装备、压力容器、能源装备及大型焊接框架等领域。该类钢结构通常设置有纵向加强筋、横向隔板、箱型梁及深腔支撑结构，从而其中会形成大量凹槽、狭窄空间以及半封闭结构区域，见图1。

2、在上述结构的制造过程中，凹槽内壁焊缝是重要的承力连接部位，其焊接质量直接关系到整体钢结构的安全性和可靠性，因此焊接作业后需要对凹槽内壁焊缝进行超声检测。

3、目前，凹槽内壁焊缝的检测作业主要依赖人工手持超声探头操作完成。由于检测空间狭小、焊缝位置隐蔽、作业姿态受限等因素，存在有如下问题：

4、（1）检测人员进入凹槽区域十分困难，劳动强度大；

5、（2）检测效率低，难以满足大型钢结构批量生产的需求；

6、（3）探头耦合状态受人为因素影响较大，检测结果一致性较差；

7、（4）检测过程难以实现数字化记录和自动追溯；

8、（5）目前传统的机器人超声检测系统通常采用力传感器配合恒力控制方式来保持探头与工件的接触，系统复杂、成本高、调试困难，不适用于大型钢结构凹槽内部空间的检测作业。

9、因此，需要一种适用于大型钢结构凹槽内壁焊缝检测的机器人自动超声扫查系统，以实现焊缝自动定位、自动轨迹规划以及稳定可靠的超声检测结果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种用于大型钢结构凹槽内壁焊缝的机器人自动超声扫查系统，通过协作机器人、激光焊缝定位及非接触式水膜耦合超声检测技术，实现凹槽内壁焊缝的自动检测，以提高检测作业效率和达到检测结果的一致性。

2、基于上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种用于大型钢结构凹槽内壁焊缝的机器人自动超声扫查系统，其特征在于：所述的机器人自动超声扫查系统包括：机器人基座、机械臂、末端扫查机构和控制系统；

4、所述机器人基座为可移动部件，用于安装和支撑所述机械臂、末端扫查机构和控制系统，以保证检测过程中整体系统的稳定性；

5、所述机械臂连接于所述机器人基座上且与所述控制系统连接，用于带动所述末端扫查机构实现空间三维的运动，进入所述大型钢结构的凹槽内部，并按照预设的检测轨迹完成检测运动；

6、所述末端扫查机构安装于所述机械臂的末端且与所述控制系统连接，用于实现焊缝自动定位与超声检测功能；

7、所述控制系统安装于所述机器人基座的内部，用于控制所述机械臂的运动、所述末端扫查机构的数据采集以及超声扫查过程；该控制系统内植有检测分析软件，用于完成工件模型导入、坐标系配准、焊缝轨迹规划、检测数据分析以及检测报告生成。

8、进一步地，所述的末端扫查机构包括激光定位模块、超声检测模块及供水耦合模块；

9、所述超声检测模块采用整体浮动结构，用于对焊缝进行自动扫查，采集焊缝内部缺陷的检测数据，包括导轨、恒力弹簧、探头安装滑套、连接件和超声探头，所述导轨连接于所述机械臂的末端，所述探头安装滑套通过所述恒力弹簧连接于所述导轨上且能够沿该导轨上下运动，为所述超声探头提供垂直方向的微动自由度，该恒力弹簧持续为所述超声探头提供稳定的压紧力，使该超声探头在扫查过程中始终保持与焊缝的稳定贴合状态，所述连接件固定连接于所述探头安装滑套的前面，所述超声探头连接于该连接件的前端且与所述控制系统连接，当工件焊缝存在复杂表面的情况时，所述超声探头能够沿所述导轨的方向产生微量浮动，与焊缝保持自适应跟随贴合状态，以采集并向所述控制系统传输焊缝内部缺陷的稳定检测数据；

10、所述激光定位模块固定连接于所述超声检测模块的后部且与所述控制系统连接，用于对焊缝区域进行扫描，获取焊缝的表面轮廓点云数据并传输至所述控制系统，协同所述控制系统实现焊缝的二次定位及轨迹修正；

11、所述供水耦合模块用于检测过程中向所述超声检测模块持续供水，在所述超声探头与工件焊缝表面之间形成稳定的耦合水膜，以实现超声检测信号稳定一致的非接触式超声检测，所述供水耦合模块包括水箱、水泵和探头水套，所述水泵的一端与水箱连接，另一端通过供水管路与所述探头水套的进水口连接，所述探头水套为套筒型构件，套置且固定于所述超声探头的外周。

12、进一步地，所述的超声检测模块还包括有导轨限位块，该导轨限位块固定连接于所述探头安装滑套上方的导轨上，用于限制所述超声探头的运动范围。

13、进一步地，所述的探头水套的下端面设置有水套软垫。

14、进一步地，所述的耦合水膜的厚度为1mm。

15、进一步地，所述的水箱和水泵安装于所述机器人基座内。

16、进一步地，所述的探头水套的进水口通过快速接头与所述供水管路连接。

17、进一步地，所述的供水耦合模块的供水流量根据检测工况进行调节。

18、本发明的另一技术方案如下：

19、一种采用上述机器人自动超声扫查系统实现的用于大型钢结构凹槽内壁焊缝的扫查方法，其特征在于：通过机械臂带动超声扫查执行机构进入凹槽内部，实现焊缝激光自动定位、超声扫查轨迹自动生成和修正及超声自动扫查，采用非接触式水膜耦合检测方式，保证超声波能量有效传输，达到超声检测信号的稳定与一致，实现焊缝的非接触式超声检测，通过控制系统自动生成检测报告和数据存储，实现检测过程的数字化管理和质量追溯，完成大型钢结构凹槽内壁焊缝的自动超声检测作业。

20、进一步地，所述的扫查方法包括如下具体步骤：

21、1）将所述机器人自动超声扫查系统移至大型钢结构待检测凹槽区域附近，并完成设备的初始化；

22、2）在所述控制系统中导入工件三维cad模型，选取工件上三个具有几何唯一性的结构特征点作为基准点，获取该结构特征点对应的实际特征点坐标，完成机器人坐标系与工件坐标系之间的配准，实现所述机器人自动超声扫查系统相对待检测焊缝区域的初定位；

23、3）所述控制系统控制所述机械臂按照cad模型中预设的接近轨迹自动伸入所述凹槽内部，所述末端扫查机构的激光定位模块进行扫描并获取焊缝的轮廓数据；

24、4）所述控制系统根据采集到的焊缝的轮廓数据进行焊缝特征识别，并拟合获得焊缝实际中心线的信息，通过将该焊缝实际中心线与cad模型中的理论焊缝轨迹进行比对，计算该焊缝的位置偏差，实现焊缝二次定位及轨迹修正；

25、5）所述控制系统根据所述焊缝实际中心线自动生成超声扫查轨迹，并控制所述机械臂带动所述末端扫查机构的超声检测模块沿修正后的超声扫查轨迹进行自动扫查检测；

26、6）在扫查检测过程中，所述供水耦合模块持续向所述探头水套内超声探头的前端供水，在该超声探头与工件焊缝表面之间形成稳定的耦合水膜，保证超声波能量有效传输，实现对所述焊缝的非接触式超声检测；

27、7）检测完成后，所述控制系统的检测分析软件自动生成检测报告，并将焊缝位置数据、激光扫描数据、扫查轨迹数据以及超声检测结果进行关联存储，实现检测过程的数字化管理和质量追溯；

28、8）所述机器人自动超声扫查系统重复步骤3）-步骤7）进行下一凹槽内壁焊缝的检测，直至完成大型钢结构全部凹槽内壁焊缝的自动超声检测作业。

29、与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

30、1）采用了机械臂作为运动执行机构，无需大型导轨系统，因而能够灵活地进入大型钢结构凹槽内壁、箱型内部的狭窄空间，避免了人员进入凹槽区域的困难，降低了劳动强度，提高了检测作业效率，能够满足大型钢结构批量生产的需求。

31、2）采用激光扫描实现了焊缝自动识别、超声扫查轨迹的自动生成和修正，提高了检测覆盖率。

32、3）采用了非接触式水膜耦合检测方式，供水耦合模块在超声探头与工件焊缝表面之间形成稳定的耦合水膜，保证了超声波能量的有效传输，避免了探头与工件直接接触，实现了焊缝的非接触式超声检测，克服了力传感器配合恒力控制来保持探头与工件接触的传统方式的缺陷，有效降低了因焊缝表面粗糙、姿态变化或耦合不稳定导致的信号波动与检测失真，确保了超声检测结果的稳定性和一致性，同时降低了检测系统结构的复杂度和设备成本。

33、4）控制系统内植有检测分析软件，能够自动生成检测报告和进行数据存储，从而实现了检测过程的数字化管理和质量自动追溯。

34、总之，本发明具有检测效率高、操作简单、适应性强、自动化程度高、检测结果稳定一致可靠和过程数字化的优点，可广泛应用于船舶、桥梁、海洋平台、风电基础、压力容器等领域的大型复杂钢结构的凹槽内壁焊缝检测。