（机械制造及其自动化专业论文）曲面复合材料构件超声检测控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着曲面复合材料构件在各个领域的广泛应用，研制高精度、高效率的超声检测系 统，是近年来国内外超声检测研究的重点问题。本文结合曲面构件水浸超声自动检测系 统项目，通过建立超声检测控制系统各个部分的数学模型，讨论控制系统的动态响应特 性和稳定性。在系统的动态特性改善、传动系统误差分析、系统误差补偿等方面进行了 深入研究。 第一章介绍复合材料缺陷类型以及曲面构件超声检测系统发展状况，阐述课题的背 景和研究意义，明确本论文主要研究内容和章节安排。 第二章根据曲面构件超声检测基本原理，说明检测过程中探头位置和方向的要求， 接着介绍五自由度检测机器人总体结构以及其关键终端运动副一一直线传动模块和旋转 传动模块的功能。 第三章建立同步带传动控制系统和丝杆传动控制系统的数学模型，分析系统的稳定 性、稳态误差和动态响应特性，研究结构参数变化对系统动态性能的影响，讨论运动控制 器对系统动态性能的改善作用。 第四章分析传动误差对超声检测结果的影响，讨论同步带传动系统、丝杆传动系统 误差产生原因，介绍两种系统误差补偿方法，并验证了补偿法的有效性。 第五章对全文的工作进行回顾和总结，对进一步的工作提出一些初步的设想。 关键词：复合材料构件；超声检测；同步带传动系统；丝杆传动系统；稳态误差；传动误 差；p m a c ；误差补偿 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sc o m p o s i t em a t e r i a l sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s ，d e v e l o p i n gah i g h p r e c i s i o n ，h i g h e f f i c i e n c yu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mi st h ek e yi s s u e sf o ru l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni nr e c e n t y e a r s b a s e do nt h ef l o o d i n ga u t o m a t e du l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mp r o j e c t ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h eu l t r a s o n i ci n s p e c t i o nc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d i tc a i lb eu s e dt od i s c u s st h e c o n t r o ls y s t e m sd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t y e x p e c tt h a t ，t h ei m p r o v e m e n t o ft h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h er e d u c t i o no fs y s t e mt r a n s m i s s i o ne r r o ra n dt h es y s t e m e r r o rc o m p e n s a t i o na r ec a r r i e do u ti n d e p t hs t u d y i nc h a p t e rl ，t h et y p e so fd e f e c t si nc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ed e s c r i b e da n dt h es t a t u so f r e s e a r c ho nt h es u r f a c eu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mw a si n t r o d u c e d t h e nt h eb a c k g r o u n da n d i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo ft h ed i s s e r t a t i o nw e r ed i s c u s s e d f i n a l l yd e t a i l e dr e s e a r c hc o n t e n t s a n dg i v e nc h a p t e r sa r r a n g e m e n t i nc h a p t e r2 ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fu l t r a s o n i ci n s p e c t i o n , t h e p r o b e s p o s i t i o na n do r i e n t a t i o nr e q u e s tw h e nc u r v e ds u r f a c ei n s p e c t e di sp r o p o s e d t h e nt h eo v e r a l l s t r u c t u r eo ft h e5 - d o fr o b o tw a sp r e s e n t e da n dt h ek e yk i n e m a t i cp a i r s - l i n e a rd r i v em o d u l e a n dr o t a r yd r i v em o d u l ew e r ed e t a i l e d i nc h a p t e r3 ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y n c h r o n o u sb e l td r i v es y s t e ma n dt h eb a l l s c r e wd r i v es y s t e mw a sc a l c u l a t e d t h e nt h es y s t e ms t a b i l i t y , s t e a d y - s t a t ee r r o ra n dd y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sw a ss t u d i e db yt h em o d e l f i n a l l y , h o wd i dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s a f f e c tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dh o wd i dt h ep m a c i m p r o v e dt h ed y n a m i cr e s p o n s i v e n e s s w a sr e s e a r c h e d i nc h a p t e r4 ，t h et r a n s m i s s i o ne r r o r s e f f e c to nt h eu l t r a s o n i ci n s p e c t i o nr e s u l t sw a s a n a l y z e d ，a n dt h ef a c t o r sl e a d i n gt ot h et r a n s m i s s i o ne r r o r sw e r ed i s c u s s e d a tl a s t ，i n t r o d u c i n g t h ec o m p e n s a t i o nm e t h o dt or e d u c ee r r o r sa n dv e r i f y i n gt h ev a l i d i t yo ft h ec o m p e n s a t i o n i nc h a p t e r5 ，t h ed i s s e r t a t i o nw a ss u m m a r i z e d ，a n dt h ep o s s i b l er e s e a r c hi nf u t u r ei s p r e s e n t e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t ep a r t s ；u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ；s y n c h r o n o u sb e l td r i v es y s t e m ；b a l l s c r e wd r i v es y s t e m ；s t e a d y s t a t ee r r o r ；t r a n s m i s s i o ne r r o r ；p m a c ；e r r o rc o m p e n s a t i o n i i i 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：王力杀签字日期： 加。年：；月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王力毒 导师签名： 签字日期：如卜年弓月7 日 签字日期：少。年乡月少日 浙江大学硕士学位论文 致谢 衷心感谢我的导师徐志农副教授。导师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术 洞察力给我留下了深刻的印象；导师忘我的工作精神，勤恳务实的作风，是我学习的楷 模。攻读硕士学位期间，导师的悉心教导让学生终生受益，将永远铭记在心 衷心感谢周晓军老师，周老师知识渊博、思维敏捷，永远值得我学习。真诚地感谢 程耀东教授，程老师求实的治学态度、丰富的实践经验让我体会颇深。程老师在我论文 的写作过程中给予了很多帮助，提出了许多非常宝贵的建议，再次向程老师致以最诚挚 的感谢! 同时感谢杨辰龙副教授在课题和论文阶段的关心与指导；感谢孙德芬老师在学 习和生活中给予的帮助。 特别感谢同实验室的李雄兵、郑慧峰、杨富春、张志刚、张文斌、杨先勇、沈路、 张杨、杨家军、谢明祥、何虹儒、金姣姣、周巨涛、刘洪亮、陶顺兴、滕瑞静、涂春磊、 马华栋、冯水封等提供的热心帮助和支持。与他们的计论和交流，常常使我深受启发。 特别感谢我的父亲、母亲、姐姐、弟弟以及所有亲人，是他们的支持让我坚持不懈 地努力到现在! 衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评审的各位专家、教授! 王力求 2 0 10 年1 月于浙大玉泉 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 超声检测( u 1 t r a s o n i ct e s t i n g ，u t ) 是现代无损检测的重要方法之一由于 超声检测具有穿透力强、指向性好、灵敏度高、检测速度快、成本低、设备相对简 单、对人体无害等优点，在航空航天、机械制造、冶金、航海、石油化工、铁路运 输、电子等众多工业领域中得到了广泛的应用。 超声检测经历了手工检测、数字式检测、自动化检测三个阶段。手工检测主要 靠手工操作，虽然结构简单、成本低、灵活方便，但劳动强度大，可靠性低。数字 式检测是使用数字式探伤仪进行超声检测，既具有手工检测的优点，又能够进行数 据的存储和运算，实现了检测过程中的自动缺陷判断、缺陷位置和当量显示、储存 和打印报告等功能。自动化检测主要是为了满足大批量、大尺寸工件的检测需求， 不但具有数字化检测的储存、显示、计算等功能，而且具有自动化、智能化的特点， 能够减少人工干预，提高检测结果的准确性。 复合材料( c f r p ) 具有强度高、硬度高、密度小的优点，被广泛应用于航空、航 天、军工、能源等领域n 1 。由于其生产制造工艺的复杂性，不可避免地会出现气孔、 分层、脱粘等缺陷，严重影响了材料的性能，因此对复合材料进行超声检测有着重 要的意义。但复合材料的结构具有明显的各向异性，产生缺陷的机理复杂多样，而 且复合材料对超声的衰减大，缺陷回波信号的信噪比低，所以对超声检测技术提出 了更高的要求。 1 1 复合材料缺陷介绍 1 1 1 复合材料概述 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相 固体材料陋1 。虽然复合材料是由几种材料牢固地结合成一个整体，每种材料都保持 着其相对的独立性，但材料的整体性能不是各种材料性能的简单相加，而是相互取 长补短、相互增强。复合材料按组成结构可分为三类：纤维增强复合材料、颗粒增 强复合材料、层合复合材料。碳纤维复合材料是纤维增强复合材料的一种，由于其 刚度大、强度高、重量轻、耐腐蚀等特点，在工程实际中应用得最为广泛。 浙江大学硕士学位论文 碳纤维复合材料与传统的材料相比有四个显著的优点b 卅：1 ) 比强度高，比模 量大。例如碳纤维增强环氧树脂基复合材料的比强度比钢材高5 倍，比铝合金高4 倍，比模量是钢和铝的4 倍。2 ) 碳纤维复合材料比金属材料的耐疲劳性能高很多， 因此碳纤维复合材料构件的寿命远高于传统材料构件。3 ) 碳纤维复合材料具有较高 的自振频率，而且碳纤维复合材料基体有较强的吸收振动能量的能力，因此碳纤维 复合材料减震性能非常好。4 ) 碳纤维复合材料的破坏需经历基体损伤、开裂、分层、 脱胶、纤维断裂等一系列过程，各个过程都可以检查并修复，安全性高于传统材料。 复合材料缺陷的检测方法主要有超声波检测，x 射线检测、激光全息检测、声 谐振检测等。超声波穿透力强、灵敏度高、对人体无害，而且超声检测技术比较成 熟，检测系统结构轻便，检测仪器成本低，不但能检测出分层、气孔、裂纹等常见 缺陷，还能够检测孔隙率、层间疏松和夹杂等，因此超声波检测在复合材料检测中 应用最多。 1 1 2 复合材料缺陷类型 通常将复合材料制造过程中产生的结构异常称为缺陷，使用过程中产生的结构 异常称为损伤。根据经验，复合材料层压结构有分层、脱粘、孔隙、疏松、贫胶、 富脂、夹杂、气孔等缺陷。其中分层为两种材料的结合面未胶接在一起，孔隙是材 料内部包含直径5 - 20p m 的微型密集孔隙，疏松为成群的弥散性空隙缺陷，贫胶是 材料中树脂含量不足，富脂是树脂含量过多造成树脂堆积，夹杂是制造过程中带进 了薄膜、纸片等杂物，气孔是胶层中出现了边界圆滑、含气体的缺陷哺1 。典型的碳 纤维复合材料缺陷及产生原因见表1 - 1 和表1 - 2 拍 表1 - 1 典型制造缺陷 缺陷产生原因 分层 1 混入脱模剂2 固化控制不好3 成型或制孔中缺陷形成分层 脱粘1 零件装配不协调2 混入脱模剂3 固化过程控制不好 孔隙固化过程不好( 如溶剂挥发，真空控制不当等) 表面损伤 1 脱模方法不当2 操作失误 表1 - 2 典型损伤缺陷 损伤产生原因 腐蚀坑雨蚀或沙蚀 浙江大学硕士学位论文 刀痕或划伤操作错误 分层与裂纹冲击损伤、疲劳老化 脱粘 冲击损伤、胶黏剂老化 由分层产生下陷 1 冲击损伤2 硬物碰撞3 人脚踩踏 纤维与基体开裂疲劳、基体老化 复合材料制造缺陷会对材料的后续加工和使用产生严重影响。制造缺陷主要受制 造过程中固化过程控制、脱模方法等因素影响，这些缺陷在材料表面无明显的痕迹， 在材料内部却出现分层、脱粘等缺陷，造成重大的工程事故隐患。损伤缺陷不断积累 与扩展，会加速材料的老化，导致强度与刚度的急剧下降，降低材料的使用寿命。因 此对复合材料构件的超声检测十分重要。 i 2 曲面复合材料构件超声检测现状 i 2 1 曲面复合材料构件超声检测概述 曲面复合材料构件的超声检测综合利用了现代化的计算机技术、机器人技术、 信号处理技术、自动控制技术、自适应技术、c a d c a m 等。在缺陷信号的处理、检 测结果显示方面向着缺陷的自动定量和识别、三维c 图像显示的方向发展，以满足 现代产品质量对超声检测的要求。实现曲面复合材料构件的自动超声检测成像，需 要综合运用多种技术，是近年来国内外无损检测领域研究的前沿课题n 1 。 从国内外的研究来看，可采用多轴联动检测机器人配合曲面跟踪硬件或软件以 实现曲面的自动化超声检测。硬件跟踪方法是在超声探头前加装一个跟随装置，在 检测过程中，跟随装置先于超声探头经过构件表面，获取构件表面各位置点的坐标 信息，反馈给计算机，计算机根据反馈回来的信息及时调整探头对构件进行检测n 1 。 硬件跟踪法检测速度快，但价格十分昂贵。软件跟踪法是先采用专用软件对曲面进 行测量，建立曲面的c a d 模型，根据模型再生成检测轨迹，该方法成本较低，但对 计算要求较高。实际应用中可以先测量曲面上一些关键点坐标，根据这些坐标点拟 合曲面模型，由模型生成检测轨迹，让探头沿着轨迹进行检测。 目前国外研制的曲面构件超声检测系统较多，如德国n u k e mn u tr o n i k 公司研制 的m a u s 自动化超声检测系统( m u l t ia i xu i t r a s o n i cs y s t e m ) ，可以通过编程实现 复杂三维几何轮廓工件的检测凹1 ；m a h a u t ，s t e v e 和r o y ，o li v i e r 等在f r e n c ha t o m i c 浙江大学硕士学位论文 e n e r g yc o m m i ss i o n ( c e a ) 和t h ef r e n c hc o m p a n yo fe l e c t r i c i t y ( e o f ) 项目中开 发的复杂形状工件超声检测系统n 们；i c if i b e r it e 公司研制的九轴联动c 扫描系统， 能对蜂窝泡沫夹芯等复杂结构的复合材料构件进行超声检测；洛克希德马丁公司 拥有能实现复杂形状复合材料零件10 0 自动化检测的系统n 。 国内对复杂形状构件超声检测系统的研究相对较少，研究成功的有北京欧宁航 宇检测技术有限公司研发的十二轴大型自动喷水c 扫描系统，该系统在航空大型复 杂形状复合材料构件的检测中，可以完成全覆盖、高精度检测n ；浙江大学周晓军 等n 卜1 5 1 研制成功的大型曲面构件超声彩色成像、自动化检测系统。 1 2 2 曲面检测机器人控制技术研究现状 实现曲面复合材料构件的自动化超声检测，要同时控制多个关节按规定的轨迹 运动，所以大部分自动超声检测系统属于多自由度机器人控制系统范畴，简称检测 机器人。机器人技术的建立是2 0 世纪人类科技的重大成就，它是一门高度交叉的前 沿学科，包含机械学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学与人 工智能等n6 1 。由于机器人具有“柔性”n ，满足了超声检测需要实时变化轨迹的要 求，因此机器人技术越来越多地应用到自动化超声检测中。 检测机器人的控制系统分为上位机和下位机，上位机作运动规划，并将手部的 运动转化成各关节的运动，下位机进行运动的插补运算及对关节进行伺服控制。下 位机要同时控制多个轴，所以常用多轴运动控制器作为关节控制器n 。1 。多轴控制器 具有良好的伺服性能，与伺服电机、驱动器、检测元件等组成伺服控制系统，能够 达到高精度、高响应速度的控制效果。 超声检测机器人的伺服控制系统是决定检测系统精度的关键部件之一。可以说， 没有性能良好的伺服控制系统，就不可能有好的超声检测系统。伺服控制系统用来 控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确地重现输入信号的变化规 律u9 1 。随着电子技术的发展，伺服控制系统中大量采用了数字化电路代替模拟电路， 提高了伺服系统的可靠性，增强了伺服系统的通用性。 目前对伺服控制系统的研究集中在将最优控制、解耦控制、自适应控制、变结 构滑模控制及神经元网络控制等技术应用到机器人控制中乜0 2 ，以解决直接驱动型 机器人和带有柔性臂机器人的非线性、强耦合系统的控制问题，使系统的性能和效 4 浙江大学硕士学位论文 率得到极大提高。然而单纯从控制理论方面的研究还无法完全解决伺服控制系统的 高精度、高响应问题，研究伺服系统的结构性能、伺服系统与传动装置或负载的耦 合特性，是提高伺服控制系统精度一个新的途径。如日本农工大学的堤正臣教授通 过采用模型适配法，对所研究的数控进给伺服系统建立数学模型，根据模型进行补 偿，提高了系统精度n5 1 。 本文通过对曲面检测机器人伺服控制系统建立模型，分析系统中各参数对控制 性能的影响，为控制系统的选型、设计提供理论依据。伺服系统的输出直接传递给 传动环节，因此传动装置结构特性与伺服控制系统的耦合特性也影响着控制效果。 为了研究两者的协调运行情况，文中建立了传动系统的数学模型，将伺服控制系统 和传动系统联合分析，讨论了两者参数之间的关系，使整个系统的控制性能最佳、 效果最好。 1 2 3 曲面检测机器人误差研究现状 超声波传播过程有很强的指向性，所以曲面复合材料构件超声检测时，超声探 头必须始终能跟随工件型面的变化，保证超声波的入射方向和各检测点的曲面法矢 方向保持一致。对于检测形状复杂、曲率变化大的曲面而言，检测机器人必须具有 高的位置精度和快的响应速度，根据曲面形状的快速变化及时矫正探头的方向。因 此，研究超声检测机器人的运动误差，提高运动的准确性，对于改善复杂曲面的超 声检测效果有着十分重要的意义。 目前对机器人单轴运动误差的研究集中在将计算机和先进控制技术相结合，通 过控制器对每个轴的运动控制算法进行优化来提高机器人控制系统的精度。总的来 说，可以分为以下几个方面： 1 ) 传统p i d 算法的不断改进。在传统的p i d 控制不能达到要求时，对p i d 算法 进行改进和优化，出现了专家p i d 和模糊p i d 控制，遗传算法p i d 控制，多变量p i d 控制，神经网络p i d 控制，灰色p i d 控制，机器人p i d 控制、伺服系统p i d 控制等， 提高了控制系统的性能。 2 ) 新型控制方法的不断涌现。如前馈控制、预测控制、h0 0 控制、速度实时监 控、可变增益控制、模型跟踪控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、共振抑制 控制、反复控制、在线自动修正控制等，通过正确使用这些控制方法，让控制器的 浙江大学硕士学位论文 响应速度、稳定性、准确性都达到了一个更高的水平。 3 ) 多种控制方法的综合应用。如多轴运动控制器( c r o s s - c o u p li n gc o n t r o ll e r ) 为减小伺服控制系统误差，同时运用了速度前馈控制、加速度前馈控制、p i d 控制， 将伺服控制系统的误差修正值加到各个轴的输入上，提高系统运动精度；全闭环控 制通过在最终的运动部件上安装高精度的位置反馈元件，实现速度反馈、位置反馈 的双闭环控制方法，减少了由传动间隙、受力变形等因素引起的传动误差，使系统 的运动更精确。 在机器人多轴同时运动的末端运动误差分析方面，大多采用传递矩阵法。即通 过计算机器人各构件的原始结构参数误差和各关节的运动变量误差，由传递矩阵计 算机器人末端执行器的位姿误差变化规律。如c h i - h a u rw u 分析了构件结构参数误 差和关节运动变量误差引起的末端执行器位置误差变化规律幢引；k j ，w a l d r o n 和 a k u m a n 建立了机器人末端执行器的位置误差表达式；a k u m a n 和s p r a k a s h 给出 了综合考虑运动变量误差和结构参数误差的机器人末端位置误差表达式n 7 1 。因此， 知道了单个轴的运动误差，就能计算出末端构件的运动误差，而要减少整个系统的 运动误差，必须从减少单个轴的误差开始。 对于曲面检测机器人而言，控制算法的研究有着举足轻重的作用。现代机器人 控制技术是在传统p i d 控制的基础上发展而来，p i d 控制的动态误差一般随着机器 人运动速度的提高而加大，再加上机器人多关节的误差积累，总的误差进一步放大。 为了满足复杂曲面检测的精度要求，本文通过研究单个轴运动误差产生的原因，在 传统p i d 控制的基础上引入了一些先进的补偿机制，通过减少各个轴的运动误差来 提高整个检测机器人的运动精度，改善超声检测效果。 1 3 论文背景及研究意义 1 3 1 论文的工程背景 本论文是以“曲面构件水浸超声自动检测系统、“平板超声波自动检测系统” 及“棒材水浸超声自动检测系统”三个项目为背景展开的。 “曲面构件水浸超声自动检测系统”是用于曲面复合材料构件超声自动检测的 五自由度超声检测系统。系统的主要功能：五轴联动机器人实现型面跟踪式检测；a 型、b 型、c 型及其组合成像方式；曲面的超声测量、曲面建模和运动路径规划；圆 6 浙江大学硕士学位论文 筒形曲面扫描成像；扫描图像处理与缺陷分析；变厚度复合材料构件的底波跟踪与 识别；数据储存、回放以及报表自动生成。 “平板超声波自动检测系统”用于板材的水浸耦合式超声波自动检测。系统的主 要功能：多轴联动自动检测；c + a ，c + b ，c + a + b 等组合成像方式；灰度和彩色模式 显示；快速扫查、标准扫查、续扫、细扫、补扫功能；声图像去噪功能；h 波储存 与回放；声图像中缺陷的边缘锐化功能；文档管理、报表及数据库的自动生成。 “棒材水浸超声自动检测系统”是用于棒材和锻件超声检测的多自由度自动检测 系统。系统的主要功能：多轴联动自动扫描检测；棒材横截面、纵截面和螺旋线扫 描成像；复杂形状锻件的超声自动扫描；c + a ，c + b ，c + a + b 等组合成像方式；缺陷 自动报警、定位及标记；超声曲面测量功能；超声频谱分析功能；声图像处理及缺 陷分析等功能。 1 3 2 论文研究的意义 本文以曲面复合材料构件的超声检测控制系统为研究对象，对系统的控制模型、 参数优化方法进行了深入研究，分析了传动系统误差对曲面复合材料构件超声检测 结果的影响程度，提出了减少系统传动误差的补偿方法。其意义如下： ( 1 ) 本文所建立的同步带传动控制系统、丝杆传动控制系统数学模型可应用于其 它类似机电产品中，为系统的设计、选型、优化和动态特性分析提供了一种可选的 方法。 ( 2 ) 讨论了传动误差对曲面复合材料构件超声检测结果的影响，给出误差允许范 围，为超声检测结果的可靠性提供了保障。分析传动误差产生原因和影响因素，为 减少传动系统误差提供了依据。 ( 3 ) 详细介绍了曲面复合材料检测系统中使用补偿表法、全闭环控制法减少误差 的步骤，为改善曲面复合材料超声检测效果提供了新的途径。 1 4 论文研究的主要内容 本论文围绕曲面复合材料构件超声检测系统中存在的误差展开研究，先介绍曲面 复合材料构件超声检测原理，阐述曲面构件检测时探头方向和位置的要求；再建立曲 面构件超声检测控制系统数学模型，利用模型讨论控制系统的动态特性，分析传动环 浙江大学硕士学位论文 节误差的产生机理、误差对超声检测结果的影响，以及减少误差的两种补偿方法。各 个章节的具体安排如下： 第一章介绍复合材料的特点，缺陷以及缺陷分类方法；分析曲面检测机器人控 制技术和误差分析的研究现状；阐述课题的背景和研究意义；明确本论文主要研究内 容和章节安排。 第二章根据曲面构件超声检测基本原理，说明检测过程中探头位置和方向的要 求，介绍五自由度检测机器人总体结构及其关键终端运动副一一直线传动模块和旋转 传动模块的功能。 第三章本章主要建立同步带传动控制系统和丝杆传动控制系统的数学模型，根 据模型用m a t l a b 仿真分析系统的稳定性、稳态误差、动态响应特性，讨论结构参数 变化对系统动态性能的影响。最后由多轴运动控制器的模型，研究控制器对系统动态 性能的改善作用。 第四章本章首先讨论传动误差对曲面构件超声检测结果的影响，再分析同步带 传动系统、丝杆传动系统误差产生的原因，最后介绍补偿表法和全闭环控制法进行误 差补偿的步骤，并验证误差补偿的有效性。 第五章总结和展望对全文的工作进行回顾和总结，对下一步的工作提出一些初 步的设想。 浙江大学硕士学位论文 2 曲面复合材料构件超声检测系统结构 曲面复合材料构件超声检测主要有脉冲反射法和脉冲穿透法，都是根据超声波在 复合材料中的反射、衰减与共振的差异来确定构件中缺陷的大小和位置。由于曲面复 合材料构件结构具有明显的各向异性，缺陷产生机理复杂且变化多样，加上复合材料 对超声波的衰减大，回波信号的信噪比低，所以对曲面复合材料构件进行超声检测时， 要求检测系统能够对多个方向进行控制，并且达到一定的运动和控制精度。本章从超 声检测原理出发，说明曲面构件检测时探头方向和位置的要求，介绍五自由度检测机 器人的总体结构，最后详细描述了旋转运动传动装置和直线运动传动装置。 2 1 复合材料构件超声检测方法 2 1 1 超声波基本理论 超声波从一种介质入射到另一种介质时，在两介质的交界面会发生反射和透射。 在垂直入射情况下，声压反射率和透射率0 分别为： 声压反射率。2 毒。丽z 2 - z ( 2 声压透射率。2 每2 轰 2 ) 式中：、e 、只分别为入射波、反射波、透射波的声压；z l = p i q ，z 2 = & c 2 为声阻抗，p 为介质密度，c 为超声波在介质中的传播速度。 超声波通过发射探头和耦合剂入射到被检测构件内部，若以被检测构件入射界面 为零界面，以超声波传播方向为正方向，则传播方向上任意一点的波动方程可用下式 表示m 2 9 ： p i ( x ，f ) = p f 。e 肋卜缸 ( 2 3 ) 式中：只。一一超声波幅度， i 一一材料中沿超声波传播方向上的第i 个点， 9 浙江大学硕士学位论文 k 一一波数，大小等于c ， 0 3 一一角频率， c 一一超声波在材料中传播的速度， 一一表示见由多次谐波组成。 超声波在介质中传播时，其能量随着传播距离增加而减弱的现象称为超声波衰减。 超声波声压衰减可用下式表示： p = p o e 吨。 ( 2 - 4 ) 式中p o 为起始声压，p 为超声波从声压p o 处传播一段距离x 后的声压，a 是由散 射引起的衰减系数仅，和吸收引起的衰减系数a a 组成，即： a = a ，+ 口。 ( 2 5 ) 其中吸收衰减系数a 。为：a 。= q f ( 2 - 6 ) 散射衰减系数a s 根据晶粒直径d 与波长九之比分为三种情况2 1 ： 当d a 时，a ，= c 2 f d 3 f 4 ； ( 2 7 ) 当d 允时， a 。= c a f d f 2 ； ( 2 8 ) 当d a 时，a ，= c 2 f d 。1 ； ( 2 - 9 ) 式中q 、c 2 、岛、c 4 为常数，f 为各向异性因数，厂为超声波频率。 2 1 2 脉冲反射法 脉冲反射法是超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检测构件内，利用被检测 构件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源位置和大小的方法2 1 。复合材料脉冲反射 法检测原理如图2 - 1 所示，复合材料由三种材料组成，声阻抗分别为z l 、z 2 、z 3 。一 般复合材料构件的声阻抗毛、z ：、z 3 相差不大，可以认为毛9 2 毛。超声波在其内部 传播时，如果构件完好，可接收到较强的底波信号忍。，无缺陷信号( 图2 - 1 ( a ) ) ； 如果在第一种和第二种材料界面而处存在缺陷，由于缺陷声阻抗与材料声阻抗的差异 1 0 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 无缺陷( b ) 有小缺陷( c ) 有大缺陷 卜探头2 一复合材料构件3 一缺陷4 一显示屏 图2 - 1 复合材料构件脉冲反射法原理图 图中：x ，、x b 一一复合材料构件表面和底面， x a 、x 2 一一复合材料构件中两缺陷位置， p ，。、。一一复合材料构件表面和底面反射波幅度， 墨。、。一一两缺陷处反射波幅度。 较大，超声波将发生反射( 图2 - 1 ( b ) ) ，反射声波e ( _ ，f ) 为： 尸l ( x l ，f ) = 尸l 。- p m 。“。i ( 2 1o ) 根据式( 2 - 1 ) 一( 2 2 ) 可知，缺陷越大，反射声波幅度日。越大。当缺陷大小大于超 声波束的截面大小时，声波全部被缺陷反射，探头接收不到底面波( 图2 - 1 ( c ) ) 。 在上述情况中，超声仪器接收到的回波信号相差很大，根据这一特征完全可以判 定复合材料构件界面处缺陷的大小和位置。脉冲反射法检测灵敏度高，可以检测复合 材料构件中有一定尺寸的缺陷，如气孔、分层、夹杂、裂缝、脱粘及剥离等。例如一 个标准的直径1o m m 、中心频率1o m h z 的高阻尼宽带探头，聚焦直径6 m m 时，可检出 0 1 5 m m 直径的分层缺陷引。此外，根据缺陷回波的位置就能计算出缺陷的深度，操作 方便。 浙江大学硕 士学位论文 2 1 3 脉冲穿透法 脉冲穿透法是在被检测构件两侧各放一个探头，其中一个探头向构件发射超声波， 另一个探头接收超声波，如图2 2 所示。 li z l i z 2lz 3 ii ii ij k ii ：i ii ：l _ 一 llr l ii li il ii ( a ) 无缺陷( b ) 有小缺陷( e ) 有大缺陷 卜探头2 一复合材料构件3 一缺陷4 一显示屏 图2 - 2 复合材料构件脉冲穿透法原理图 图中：b 。一一入射界面透射波幅度， 只。一一材料底面透射波幅度， 墨。一一缺陷位置透射波幅度。 如果构件完好，构件底面处的接收探头可以接收到较强的透射波忍。( 图2 2 ( a ) ) ； 如果构件内部x = 五处有小缺陷，由于缺陷声阻抗与材料声阻抗相差较大，部分声波被 反射，只能接收到较弱的透射波丑。( 图2 2 ( b ) ) 。根据( 2 - 1 ) 一( 2 - 9 ) 式，材料内 部缺陷越大，透射波只。越小；当缺陷大小大于超声波束的截面大小时，声波全部被反 射，接收探头接收不到透射波( i 蚕2 - 2 ( c ) ) ，因此可利用构件内缺陷对超声波的散射 而引起的衰减进行缺陷检测。穿透法检测几乎不存在盲区，超声波的行程为单声程， 可减少声衰减，但是不能进行缺陷定位，适用于表面和近表面缺陷的检测。 本超声检测系统对象为中间有泡沫夹心的碳纤维复合材料构件，超声波难以穿透 1 2 浙江大学硕士学位论文 中间的泡沫夹心层，因此本文介绍的曲面复合材料构件采用水浸耦合单探头超声反射 检测法。 2 2 曲面复合材料构件检测系统实现 2 2 1 探头方向要求 曲面复合材料构件超声检测时，由于构件表面曲率的存在，超声波在构件中会产 生散射、反射、折射等相当复杂的传播，为了保证超声波信号较强地入射到构件中， 要求超声探头自动跟随构件表面形状的变化，即超声波入射方向始终与曲面法线方向 重合，如图2 - 3 所示。 f 探头对准位置 探头 图2 - 3 曲面构件超声检测探头方向示意图 当探头实际位置与外表面法矢相差p 角时，构件上下表面反射波与探头实际位置 都成2 p 角，上下表面和缺陷对声波的散射都增大，导致探头接收到的实际反射回波幅 度减小，甚至接收不到反射回波。因此曲面复合材料构件超声检测必须保证检测设备 的机械轴精确控制探头指向，使探头时刻指向被检测构件的表面法向。 2 2 2 探头位置要求 曲面复合材料构件的超声检测对象往往都是c a d 模型未知的毛坯、半成品或已加 工成品的实物构件，为了实现这些构件的自动化检测，首先需要获取曲面的表面数据。 浙江大学硕士学位论文 可以使用三坐标测量机或超声测量方法，建立曲面的c a d 模型，然后将曲面模型按照 一定的规则进行离散化，得到曲面表面点的一系列坐标，根据曲面坐标计算出探头在 各个检测点的位置坐标。如果探头实际位置坐标与理论计算值存在误差，就会造成实 际运动轨迹与理想轨迹不重合的情况，见图2 - 4 。 图2 4 曲面构件检测探头位置示意图 曲面构件检测过程中探头声束方向始终与构件表面被检测点的法线重合时，可 获得正确的超声回波信号。若探头实际运动轨迹与理想轨迹有偏差，探头与曲面构件 表面的距离随时间而变化，导致回波采集范围变化，可能使回波数据采集不准确，缺 陷判断错误。实际运动轨迹偏差过大时，会导致缺陷的漏检或探头与检测构件发生运 动干涉，因此曲面复合材料构件超声检测必须保证探头运动位置的准确性。 2 3 曲面复合材料构件检测系统结构 2 3 1 五自由度自动检测系统结构 为满足曲面构件超声检测时探头方向和位置的要求，用两个旋转运动副调整探头 方向，三个移动运动副调整探头位置，形成的五自由度检测机器人结构如图2 - 5 所示。 以水槽的长和宽分别作为x 轴方向和y 轴方向，垂直于水槽平面的方向为z 轴方向。 两个旋转关节相互串联，一个旋转关节实现超声探头在水平面内绕z 轴旋转，称为a 轴；另一个关节实现探头在竖直平面内的旋转运动，称为b 轴。 1 4 浙江大学硕士学位论文 图2 - 5 曲面检测五自由度机器人运动示意图 超声检测过程中，曲面构件较长的方向沿x 轴放置。探头沿着构件表面先由上向 下运动，运动到最下端后；x 轴向前步进一个间距；探头接着由下往上运动，运动到 最上端，x 轴向前步进一个间距；如此反复，直到曲面构件全部检测完毕。x ，y ，z 轴 运动时，a 、b 轴也根据曲面法矢的方向变化实时调整探头的角度，保证探头与曲面被 检测点处的法线方向重合。 整个超声自动检测系统的硬件组成主要分为机械系统和运动控制系统两个部分。 机械系统的结构功能件包括检测水槽、旋转台架、安装定位夹具、紧急停车系统等， 主要起支撑和安全保护作用。运动控制系统包括电源、伺服电机、伺服驱动器、多轴 运动控制器、限位系统等，实现机构的运动与控制功能 控制系统根据p c 主机发出的位置坐标信息，控制每个电机运动一定的角度，使末 端的探头运动到指定位置。三个移动坐标轴x 、y 、z 的电机转动角度决定探头的空间 位置坐标，两个旋转坐标轴a 、b 的电机转动角度决定探头方向。根据曲面复合材料构 件超声检测系统的运动要求，检测机器人各个轴所用电机的参数见表2 - 1 。 表2 - i 检测机器人各关节电机参数 参数 x 轴y 轴z 轴a 轴b 轴 额定功率( k w ) o 7 50 7 50 40 2o 1 额定转速( r p m ) 3 0 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 0 额定转矩( n 所) 2 42 41 30 6 4o 3 2 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 旋转运动传动装置 由于a 、b 轴和伺服电机轴间的传动距离较长，为将电机的旋转运动传递给a 轴和b 轴，同时保证曲面构件超声检测时探头方向的准确性，a 、b 轴均采用同步带传动方式， 如图2 - 6 所示。电机输出轴经减速器减速后直接驱动同步带主动轮，主动轮通过同步带 驱动从动轮，从动轮带动负载转动。同步带传动具有体积小、结构简单，传动比准确 可靠等优点，能够保证手臂运动的灵活性和定位的准确性。 图2 - 6 同步带传动系统结构图 实际超声检测系统中a 轴采用钢管结构，为b 轴的传动机构提供安装空间。a 轴电机 通过减速器将运动传递到钢管上，钢管的转动带动固定在钢管上的b 轴安装架旋转。b 轴与探头夹具固定在一起，b 轴旋转带动探头旋转一定角度。整个旋转运动机构结构简 单，具有运动精度高和响应速度快的特点。 2 3 3 直线运动传动装置 为减少摩擦力和重力的影响，满足曲面构件超声检测时运动精度和响应速度要求， x 、y 、z 三个方向均采用滚珠丝杆传动方式，如图2 - 7 所示。电机经减速器减速后直 接驱动滚珠丝杆轴，丝杆轴旋转后带动螺母及工作台作直线运动。 1 6 浙江大学硕士学位论文 图2 7 滚珠丝杆传动系统结构图 由于x 、y 方向上要求运动灵敏、定位精度高，所以采用滚珠丝杆和两侧导向的运 动方式。本系统中x 、y 轴方向还使用了一对平行导轨，增加系统的刚度。z 轴方向上 需要将电机的旋转运动转化为竖直方向上的直线运动，由于受重力作用，z 轴在突然断 电、急停等情况下必须有自锁功能，所以z 轴采用带抱闸的伺服电机驱动滚珠丝杆的结 构。滚珠丝杆传动摩擦阻力小，定位精度高。 2 4 本章小结 本章首先介绍曲面复合材料构件超声检测的基本原理，给出了超声波在余质中传播 的一般公式，分析了复合材料构件使用脉冲反射法和脉冲透射法检测的特点，提出了曲 面复合材料构件超声检测时探头的方向和位置要求。接着介绍五自由度自动超声检测系 统的硬件结构，说明直线传动装置和旋转传动装置的结构、功能及实现方法。 浙江大学硕士学位论文 3 曲面复合材料构件检测控制系统建模与分析 要实现曲面复合材料构件的超声检测，需要有一定精度和响应速度的控制装置，而 交流伺服控制系统结构简单、控制精度高，在超声自动检测系统中广泛应用。交流伺服 控制系统主要由运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机和传动机构组成，各部分功能如下： 运动控制卡是基于p c 机的上位控制单元。控制卡接受主c p u 的指令后，进行运动 轨迹规划，实现脉冲和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位等功能。 伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元。功率驱动单元先对输入的三相 交流电进行整流，得到相应的直流电，直流电通过p w m 电压型逆变器变频后驱动伺服电 机。伺服控制单元根据控制算法产生p w m 信号作为电压逆变器的驱动信号，通过改变 p w m 信号控制逆变器的输出，达到控制伺服电机的目的。 伺服电机和传动机构是系统的运动执行元件，同时伺服电机的实际输出又反馈给 伺服驱动器，让驱动器对转速进行实时校正。 本章通过建立同步带传动控制系统和丝杆传动控制系统的