一种焊缝定位探伤检测系统及方法与流程

1.本发明涉及探伤检测技术领域，尤其涉及一种焊缝定位探伤检测系统及方法。


背景技术：

2.在工业生产过程中，许多设备(如换热器、压力容器、锅炉等)采用管子-管板焊接结构，即在金属板上钻出比管子外径一样略大一些的孔，将管子穿入孔中焊住固定。
3.在加工完成后，需要对焊接区域进行射线探伤检测。对于多管子密集排列的设备而言，传统探伤检测方式需要人工前往检测区域(因存在辐射，检测区域与操作区域分离且需密封)操作x射线机，将射线管插入管子中，再回到操作区域进行操作。该方式操作繁琐，效率低下，且易碰伤射线管(当射线管外径与管子内径差距较小时极易发生)。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供一种焊缝定位探伤检测系统及方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种焊缝定位探伤检测系统，系统具体包括：
6.姿态调节机构，其上设有待检工件，用于调节待检工件的姿态；
7.机械臂，其上设有姿态检测单元、管口定位单元、标定件及检测探头；姿态检测单元用于对待检工件、标定件进行姿态检测；管口定位单元用于对待检工件的管口进行定位；检测探头用于伸入待检工件的管口进行探伤检测；
8.控制单元，与姿态调节机构、机械臂、姿态检测单元、管口定位单元连接。
9.在一示例中，所述姿态调节机构包括偏摆调节子机构和/或俯仰调节子机构。
10.在一示例中，所述姿态检测单元为激光轮廓采集设备、图像采集设备中任意一种；管口定位单元为图像采集设备。
11.在一示例中，所述检测探头为射线探头、超声波探头、磁性探头、涡流探头中任意一种。
12.在一示例中，所述机械臂上还设有受力检测单元，检测探头设于受力检测单元上。
13.需要进一步说明的是，上述系统各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
14.本发明还包括一种焊缝定位探伤检测方法，与上述任一示例或者多个示例组合形成的检测系统具有相同技术构思，所述方法包括以下步骤：
15.对标定件、待检工件进行姿态检测，得到标定件的标准姿态信息以及待检工件的当前姿态信息；
16.根据当前姿态信息与标准姿态信息比较待检工件与标定件的姿态差异，若姿态差异超出阈值范围，调节待检工件的姿态，直至姿态差异处于阈值范围内；
17.对所有待检工件进行定位检测，进而使检测探头伸入待检工件的管口进行探伤检
测。
18.在一示例中，所述对标定件、待检工件进行姿态检测包括以下子步骤：
19.采集标定件、待检工件的点云数据；
20.基于点云数据计算标定件、待检工件管板所在平面相较于姿态检测平面的偏转角度与俯仰角度，进而得到标定件的标准姿态信息以及待检工件的当前姿态信息。
21.在一示例中，所述定位检测包括以下子步骤：
22.计算待检工件与姿态检测平面之间的位置信息，根据姿态检测平面与定位检测平面之间的距离信息进而计算得到待检工件与定位检测平面之间的初步位置信息；
23.根据初步位置信息采集待检工件的图像信息，并进行畸变校正、图像滤波、图像分割处理以及轮廓拟合处理，得到待检工件的管口中心的位置信息；
24.计算管口中心与检测探头之间的位置信息，进而实现对待检工件的精细定位。
25.在一示例中，所述方法还包括标定步骤：
26.计算待检工件的管口中心与定位检测平面中心之间的距离信息v
oc
；
27.计算检测探头移动至管口中心处位移控制机构的实际位移v
′
，则检测探头至管口中心的位移标定为v＝v
′‑voc
。
28.在一示例中，所述方法还包括偏差纠正步骤：
29.采集检测探头伸入待检工件的管口中心时检测探头的受力信息；
30.若受力信息大于阈值，调整待测工件的姿态，直至受力信息处于阈值范围内，继续使检测探头伸入待检工件。
31.需要进一步说明的是，上述方法各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
32.与现有技术相比，本发明有益效果是：
33.1.在一示例中，结合姿态检测、定位检测，通过控制机械臂带动检测探头伸入待检工件的管口进行探伤检测，以此实现自动、连续探伤检测，大大提高了检测效率。
34.2.在一示例中，引入偏摆/俯仰调节子机构，能够实现对待检工件的姿态的精细调节，有效保证了检测探头与待检工件之间的对位精度。
35.3.在一示例中，通过受力检测避免检测探头伸入管口时与管口内壁的碰撞，防止检测探头受损；同时，能够根据受力大小调节待检工件的姿态，进一步提高了检测成功率。
36.4.在一示例中，通过位移标定步骤能够大大降低检测探头至管口中心的位移误差，使检测探头能够精准伸入待检工件的管口中心，提高了检测可靠性。
附图说明
37.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
38.图1为本发明一示例中的系统结构示意图；
39.图2为本发明一示例中的机械臂端示意图；
40.图3为本发明一示例中的偏摆调节子机构示意图；
41.图4为本发明一示例中的俯仰调节子机构示意图；
42.图5为本发明一示例中的方法流程图。
43.图中：工作平台1、姿态调节机构2、偏摆调节子机构21、偏摆支撑板211、旋转轴212、第一驱动机构213、导轨214、俯仰调节子机构22、俯仰支撑板221、转动轴222、第二驱动机构223、机械臂3、姿态检测单元4、管口定位单元5、标定件6、检测探头7、受力检测单元8。
具体实施方式
44.下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置信息为基于附图所述的方向或位置信息，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等)是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
48.在一示例中，如图1-图2所示，一种焊缝定位探伤检测系统，该系统包括工作平台1，工作平台1上设有姿态调节机构2，姿态调节机构2上设有待检工件，通过姿态调节机构2调节待检工件的姿态，如调节待检工件的偏摆姿态(三轴姿态)和/或待检工件的俯仰姿态，进而使待检工件与检测探头处于同一轴线。
49.进一步地，工作平台1上还安装有具有三轴位移的机械臂3，机械臂3上设有姿态检测单元、管口定位单元、标定件及检测探头，姿态检测单元、管口定位单元以及检测探头由机械臂3带动进而运动，并均与待检工件处于相对面。其中，姿态检测单元用于对待检工件、标定件进行姿态检测，进而获取待检工件的当前姿态信息以及标定件的标准姿态信息；更为具体地，标定件用于为待检工件的姿态提供参考，根据标定件的标准姿态信息对待检工件的姿态进行调节。管口检测单元用于对标定件、待检工件管板上管口进行定位检测，进而确定检测探头与管口之间的位置信息，以使检测探头能够精准伸入待检工件的管口中心。检测探头用于伸入待检工件的管口进行探伤检测，检测探头连接有探伤检测系统，通过检测探头检测焊缝信息并传输至后端探伤检测系统进行数据分析，进而输出探伤检测结果，即当前焊缝是否存在缺陷的检测结果。
50.进一步地，本发明系统还包括控制单元，优选包括顺次前端处理器(如plc)以及后端工控机，前端处理器的输出端与姿态调节机构、机械臂连接，进而控制姿态调节机构以及
机械臂的工作状态；前端处理器的输入端与姿态检测单元、管口定位单元连接，用于接收姿态检测单元反馈的图像信息或者点云信息进而计算待检工件、标定件的姿态信息，并接收管口定位单元反馈的图像信息，进而计算检测探头与待检工件之间的位置信息。当然，作为一选项，姿态检测单元、管口定位单元的输出端分别连接有数据处理器，用于实现数据处理，得到待检工件、标定件的姿态信息，以及检测探头与待检工件之间的位置信息，并反馈至上述控制单元。在另一示例中，检测探头的输出端与前端处理器连接，以将采集的探伤信息反馈至前端处理器，前端处理器将该探伤信息传输工控机，工控机基于探伤信息进一步计算焊缝是否存在缺陷。
51.本示例中，结合姿态检测、定位检测，通过控制机械臂带动检测探头伸入待检工件的管口进行探伤检测，以此实现自动、连续探伤检测，大大提高了检测效率，经实验论证，本发明能够实现间隙(即焊接后管口最大内接圆半径与射线管外径的差值)》0.2mm的管子的探伤检测。
52.在一示例中，姿态调节机构包括偏摆调节子机构和/或俯仰调节子机构，优选包括偏摆调节子机构和俯仰调节子机构，俯仰调节子机构安装于偏摆调节子机构上。如图3所示，偏摆调节子机构21包括偏摆支撑板211、水平旋转轴212、圆弧导轨214、第一驱动机构213(伺服电机、伺服电动缸)。具体地，第一驱动机构213与控制单元中前端处理器连接，伺服电机驱动伺服电动缸推动偏摆支撑板211沿着旋转轴212回转，整个偏摆支撑板211通过圆弧导轨214支撑，即实现对俯仰调节子机构22的支撑同时实现回转导向。圆弧导轨214为精密导轨214，可保证整个偏摆支撑板211的回转同轴度和平面度，以及偏摆调节机构的回转精度。作为一选项，偏摆调节子机构21还包括第一编码器，与控制单元中前端处理器连接，用于反馈偏摆转动角度，以此保证偏摆调节精度。进一步地，偏摆调节子机构21还包括第一限位开关(图中未示意)，用于限定旋转轴212的最大旋转角度。
53.进一步地，如图4所示，俯仰调节子机构22包括俯仰支撑板221、转动轴222、第二驱动机构223(伺服电机、伺服电动缸)。具体地，第二驱动机构223与控制单元中前端处理器连接，伺服电机驱动伺服电动缸推动俯仰支撑板221沿着转轴俯仰旋转，进而实现俯仰调节。本示例中结构设计为杠杆原理，通过缩小调节比例，结合高精度伺服丝杆传动机构调节管板组件端部管孔俯仰角度。作为一选项，俯仰调节子机构22还包括第二编码器，用于与与控制单元中前端处理器连接，用于反馈俯仰调节角度，以此保证俯仰调节精度。进一步地，俯仰调节子机构22还包括第二限位开关(图中未示意)，用于限定转动轴222的最大旋转角度。本示例中，引入偏摆调节子机构21、俯仰调节子机构22，能够实现对待检工件的姿态的精细调节，有效保证了检测探头7与待检工件之间的对位精度。
54.在一示例中，姿态检测单元为激光轮廓采集设备、图像采集设备中任意一种，本示例优选为3d激光轮廓传感器，安装于机械臂末端，由机械臂带动从待检工件或标定件一侧向另一侧匀速直线运动，进而扫描采集数据并传输至控制单元进行数据处理，以获取待检工件或标定件的姿态信息。
55.进一步地，管口定位单元为图像采集设备，优选为高分辨率工业相机配备远心镜头。具体地，通过配备远心镜头的工业相机采集待检工件的图像信息，并将该图像信息传输至控制单元，工控机进行图像分析处理进而得到待检工件的管口中心的位置信息，结合机械臂带动检测探头位移至待检工件的管口中心的位移信息，实现待检工件的精细定位。作
为一选项，镜头上加装环形光源进行照明，以提升采集的图像的清晰度。
56.在一示例中，检测探头为射线探头、超声波探头、磁性探头(基于磁粉探伤原理的检测探头)、涡流探头中任意一种，本示例采用射线探头即射线管，能够有效实现焊缝内部的裂纹、未焊透、气孔、夹渣等缺陷检测。
57.在一示例中，机械臂上还设有受力检测单元，优选为力传感器，安装于机械臂末端，可实现上下、左右、前后三个方向的受力大小与方向测量。进一步地，检测探头安装于力传感器上，不与机械臂直接连接，保证力传感器精准输出检测探头的受力信息。具体地，当检测探头与装置或待测工件等物体发生碰撞，即受到外力时，该力将直接传导给与其直接连接的力传感器上，由力传感器将受力大小与方向反馈至控制单元。本示例中，通过受力检测避免检测探头伸入管口时与管口内壁的碰撞，防止检测探头受损；同时，能够根据受力大小调节待检工件的姿态，实现了偏差纠正处理，进一步提高了检测成功率。
58.本发明还包括一种焊缝定位探伤检测方法，与上述一种焊缝定位探伤检测系统具有相同的发明构思，该方法包括以下步骤：
59.s1：对标定件、待检工件进行姿态检测，得到标定件的标准姿态信息以及待检工件的当前姿态信息；
60.s2：根据当前姿态信息与标准姿态信息比较待检工件与标定件的姿态差异，若姿态差异超出阈值范围，调节待检工件的姿态，直至姿态差异处于阈值范围内；
61.s3：对所有待检工件进行定位检测，进而使检测探头伸入待检工件的管口进行探伤检测。
62.具体地，步骤s1中基于姿态检测单元对标定件、待检工件进行姿态检测，姿态检测单元优选为3d激光轮廓传感器，以采集标定件、待检工件的点云信息，并将点云信息传输至控制单元，控制单元中工控机基于点云信息进行数据分析处理，进而得到标定件的标准姿态信息以及待检工件的当前姿态信息，并将标准姿态信息、待检工件的当前姿态信息传输至控制单元中plc。
63.具体地，步骤s2的执行主体为控制单元，plc比较待检工件与标定件的姿态差异，当姿态差异超出阈值范围，plc控制姿态调节机构调节待检工件的水平偏摆姿态以及垂直俯仰姿态，进而使待检工件当前姿态与标准姿态的姿态差异处于阈值范围内(误差精度内)，保证后续待检工件的管孔能够与检测探头同轴设置。
64.s3：对所有待检工件进行定位检测，进而使检测探头伸入待检工件的管口进行探伤检测。
65.具体地，步骤s3中通过管口定位单元进行定位检测，优选采用高分辨率工业相机配备远心镜头采集待检工件的图像信息，并将该图像信息传输至控制单元，工控机进行图像分析处理进而得到待检工件的管口中心的位置信息，进而实现待检工件的管口中心的精细定位。
66.在一示例中，对标定件、待检工件进行姿态检测包括以下子步骤：
67.s11：采集标定件、待检工件的点云数据；
68.s12：基于点云数据计算标定件、待检工件管板所在平面相较于姿态检测平面(姿态检测单元)的偏转角度与俯仰角度，进而得到标定件的标准姿态信息以及待检工件的当前姿态信息。
69.具体地，根据点云数据计算得到待检工件或标定件管板的数据，进而获得管板上管口的位置坐标，同时计算得到管板所在平面相对于机械臂运动平面的偏转与俯仰角度。更为具体地，管板所在平面的计算式如下：
70.令平面方程为x
t
a＝1(不过原点)
71.其中a＝(a1,a2,a3)
t
为方程的系数
72.xi＝(x
i1
,x
i2
,x
i3
)
t
为平面中单个点的坐标令x＝(
…
,xi,
…
)
t
，
73.则有：
74.xa＝1
75.x
t
xa＝x
t
[0076][0077]
其中x∈r
m*3
为待你和的点坐标集合矩阵。
[0078]
进一步地，偏转角α和俯仰角θ的计算式为：
[0079][0080][0081]
基于上式实现待检工件或标定件管板所在平面以及俯仰角计算，进而实现对待检工件姿态的精准调节。
[0082]
在一示例中，定位检测包括以下子步骤：
[0083]
s31：计算待检工件与姿态检测平面之间的位置信息，根据姿态检测平面与定位检测平面(管口定位单元)之间的距离信息，进而计算得到待检工件与定位检测平面之间的初步位置信息；具体地，通过控制单元对点云数据进行处理得到待检工件管板上所有管口的位置信息，根据姿态检测单元与管口定位单元之间的距离，确定管口与管口定位单元之间的距离，进而计算得到管口定位单元移动至待检工件的管板上待检管口的相对面(图像信息采集位置)的机械臂运动坐标。
[0084]
s32：根据初步位置信息采集待检工件的图像信息，并进行畸变校正、图像滤波、图像分割处理以及轮廓拟合处理，得到待检工件的管口中心的位置信息；具体地，控制单元控制机械臂带动管口定位单元运动至图像信息采集位置，管口定位单元采集待检工件的图像信息后传输至控制控制单元，工控机进行图像定位处理得到待检工件的管口中心的位置信息。更为具体地，图像定位处理包括以下子步骤：
[0085]
s321：畸变校正处理：通过事先标定获得管口定位单元(即工业相机)的畸变参数，图像处理时根据该参数对图像进行矫正；
[0086]
s322：图像滤波处理：选取滤波器对图像进行滤波处理，降低噪点等异常值带来的影响，提高图像处理可靠性；
[0087]
s323：图像分割处理：利用所获得的管口图像中管口部分强度低、灰度值小，金属板部分强度高、灰度值大的特点，将图像进行分割，得到图像中管口所在的区域。
[0088]
s324：轮廓拟合处理：对图像中管口区域的外边缘轮廓进行圆拟合，获得的圆心即为管口中心位置c，进而管口中心位置c距图像中心点o的距离，以矢量v
oc
表示，
同时记录机械臂当前坐标coor_c。
[0089]
s33：计算待检工件的管口中心与检测探头之间的位置信息，进而实现对待检工件的精细定位。具体地，根据标定得到的检测探头即射线管p至管口定位单元成像中心o的位移v，即可计算得到机械臂当前的拍摄位置运动至射线管可插入的位置的位移为v v
oc
，则射线管可插入位置的机械臂坐标coor_p为coor_c v v
oc
。
[0090]
在一示例中，方法还包括标定步骤，标定步骤包括机械臂姿态调整及标定。
[0091]
其中，机械臂姿态调整是在正式标定前，通过人工操作机械臂，调整机械臂姿态，确保其能够将射线管插入标定件的管口中，并使射线管处于管口的中心。机械臂姿态调整完毕后，检测标定件当前姿态，获得其偏转与俯仰角度，即为标准姿态。
[0092]
在引导射线管插入管口前，需要标定射线管p至管口定位定远成像中心o的位移，以矢量v表示，包括以下步骤：
[0093]
计算待检工件的管口中心与定位检测平面中心之间的距离信息v
oc
；
[0094]
计算检测探头移动至管口中心处(以射线管探针能否插入管口作为到达其中心位置的判断标准)位移控制机构(机械臂)的实际位移v
′
，则检测探头至管口中心的位移标定为v＝v
′‑voc
。
[0095]
本示例中，通过位移标定步骤能够大大降低检测探头至管口中心的位移误差，使检测探头能够精准伸入待检工件的管口中心，提高了检测可靠性。
[0096]
在一示例中，方法还包括偏差纠正步骤：
[0097]
采集检测探头伸入待检工件的管口中心时检测探头的受力信息；
[0098]
若受力信息大于阈值，调整待测工件的姿态，直至受力信息处于阈值范围内，继续使检测探头伸入待检工件。
[0099]
具体地，当射线管插入管口过程中若发生偏斜，与待检管内壁碰撞时，根据力传感器反馈的受力大小与方向，控制单元控制机械臂调整位姿，直至受力减小至可接受的误差范围，再继续将射线管插入管口中。
[0100]
在一示例中，方法还包括防碰撞处理步骤：
[0101]
采集检测探头伸入待检工件的管口中心时检测探头的受力信息；
[0102]
若受力信息大于警戒阈值，控制单元控制机械臂停止当前动作，防止待检工作受损。
[0103]
本技术还包括一种存储介质，与上述任一示例或多个示例组成的一种焊缝定位探伤检测系统具有相同的发明构思，其上存储有计算机指令，计算机指令运行时执行上述一种焊缝定位探伤检测系统的步骤。
[0104]
基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0105]
本技术还包括一种终端，与上述任一示例或多个示例组成的一种焊缝定位探伤检测系统具有相同的发明构思，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的
计算机指令，处理器运行计算机指令时执行上述一种焊缝定位探伤检测系统的步骤。处理器可以是单核或者多核中央处理单元或者特定的集成电路，或者配置成实施本发明的一个或者多个集成电路。
[0106]
在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0107]
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。