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本论文以工程应用为背景,以实际项目为依托,并结合国防科工委“十五计划”资助项目——核动力装置插接焊缝机器人自动检测及远程控制装备的研究(T012001A001)基础上开展的。文章针对目前存在的国外核能管道在线检测自动系统的技术限制、价格过高、适用不强的现状,国内手工检测存在辐射大、速度慢、影响多、控制难的缺点,提出以远程控制方式为特点的机器人自动超声检测系统来代替传统的手工超声扫查。
本论文针对具体项目,并重点围绕以下几个方面展开研究:模块化自动扫查机器人系统的开发,冗余机器人正逆运动学分析与讨论,关节空间的轨迹规划,粗晶奥氏体材料数字化超声检测系统的设计以及粗晶奥氏体材料超声检测信号的降噪处理问题。
论文在充分研究目前国内外外管道焊缝检测机器人系统的基础上,提出以模块化设计思想进行扫查机器人平台的设计开发,这种以模块化思想进行机器人的拓扑设计,能够快速组成不同结构形式的功能机器人,大大缩短机器人整机的设计制造周期,适应不同要求的客户需要。结合相贯线插接管道焊缝的特点,将空间扫查轨迹位置功能的实现分解为机器人底座关节的周向运动和手臂的平面转动;在解决适应变支管直径机器人安装的问题上,设计了具有自动定心功能、自锁功能、开式剖分结构和可变夹紧直径的机器人夹盘、底座关节机构,两套夹盘及其配套的底座模块保证机器人能够满足φ100mm到φ450mm的支管直径变化;设计的可变长度机器人手臂使其具有适应不同操作空间的工作能力,并使操作可达臂长从1050mm变化到1550mm;而不同形式的执行器姿态关节的设计,能够保证用户根据不同工作要求来选择基于主动或被动的作业模式。
在研究机器人运动学问题上,采用基于D-H方法来建立末端执行器位姿的变换矩阵;在解决机器人逆运动学问题时,采用了在逼近能力、分类能力和学习速度等方面均较优的径向基函数(RBF)网络来进行,实现了末端执行器位姿从笛卡儿空间到关节空间的非线性映射,解决了非线性超越方程的数值求解问题,通过RBF求机器人运动学逆解,能够避免繁琐的公式推导和复杂的计算;在研究RBF网络中心的选择问题上,采用以误差下降速率为指标的正交最小二乘(OLS)学习算法,该网络中心确定方法能够避免网络规模过大和随机选择中心带来的数值病态问题。该方法有效地解决了冗余扫查机器人的逆运动学问题,避免了其它方法在解决该问题时的求解不全、象限区间讨论问题。
在研究机器人工作的平稳性时,采用简单的五次多项式平滑函数,将关节变量映射成时间函数来完成关节空间的轨迹规划,确保关节角度变量、角速度与角加速度的连续性,该规划方法使计算简单并避免从欧氏空间到关节空间轨迹规划中求解雅克比逆矩阵的繁杂运算,提高了控制的实时性;在基于对冗余扫查机器人4R位置关节故障容错运动分析的基础上,解决了扫查机器人在危险环境作业中,当冗余位置控制关节出现故障时,避免机器人奇异位形的出现;通过对其容错空间及退化可操作度的规划分析,能够保证机器人继续完成后续的扫查任务,并使机器人的手臂保持较高的可操作能力,提高了机器人在危险环境中作业的可靠程度。
在分析总结粗晶奥氏体结构噪声理论的基础上,完成了0度与90度超声扫查对比试块的制作,针对核动力管道材料的特点,提出在设计超声探头时应该考虑的几个关键因素,并对当量孔及K值与缺陷定位的关系进行了讨论。为增长传播路径、消除近场范围内噪声,提出采用纵波双晶T-R聚焦斜入射探头,并在其结构设计上,采用Kirchhoff衍射原理,并利用Fraunhofer近似公式来计算远场声压值,进而优选出38度折射角的最佳纵波双晶T-R聚焦超声探头。通过与RTD超声探头在人工反射体上的扫查实验对照,证明按上述方法设计的探头能够覆盖整条焊缝区域,能够避免以往因探测表面曲率问题需要在0度和90度不同探测区域更换探头,实验对比结果反映了其有效检测深度范围大于72.5mm,并在信噪比、灵敏度方面两者也比较接近。基于SUSC880板卡设计的数字化超声检测软件系统,具有350伏负脉冲、80MHz采样速率以及宽带低噪声的信号接收能力,可以满足核动力管道超声检测的指标要求,并具有操作简单、直观易用的优点。
对受到强烈结构噪声干扰的超声采集信号,采用以处理非平稳信号见常的小波降噪方法进行处理,主要应用小波函数的多尺度多分辨率特性及良好的局部化性质来较大程度地改善信噪比。利用构造的信噪比和均方根误差指标以试验的方式进行了小波基函数的选择,通过对采集的人工缺陷超声信号进行小波降噪处理试验,表明能较大幅度地去除原始采集信号中的结构噪声,并有效地保存了信号中的尖峰和突变,较好地区分了噪声和有用信号,使信噪比得到明显改善,满足实际应用的检测要求。
本课题中研制开发的整套核动力管道机器人超声自动检测系统,通过模拟现场环境的真实扫查,以其操作性能作为课题的鉴定与验收考核指标。