具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种双机械臂数字射线检测装置，

该装置包括射线源、探测器、工件转台、第一机械臂、第二机械臂、控制系统以及数据采集系统；

第一机械臂和第二机械臂放置在工件转台相对的两侧，射线源和探测器分别安装在第一机械臂和第二机械臂上；待测工件安装在工件转台上；数据采集系统用于采集探测器成像数据；

控制系统通过调节第一机械臂和第二机械臂各运动轴而改变探测器和射线源的位置和方向，实现对工件的检测；扫描中射线源中心射束始终垂直于探测器表面并过探测器中心点，具体的，通过第一机械臂和第二机械臂的联动以使射线源中心射束始终垂直于探测器表面并过探测器中心点。

该装置通过采用双机械臂带动探测器和射线源运动，简化了运动结构，对机械臂的运动控制易于实现；并且该装置通过控制系统对机械臂各运动轴的控制调节，带动探测器和射线源沿着某方向作同步平移运动、探测器能够保持中心点位置不变作旋转运动、探测器和射线源能够沿着圆弧轨迹作反向转动，最终实现对工件不同位置、不同角度、不同放大比的检测。

下面结合图1-图7对该装置作具体说明，如图1所示，该装置包括：射线源、探测器、第一机械臂、第二机械臂、工件转台、数据采集系统和控制系统。在工件转台中心建立直角坐标系，Z轴竖直向上。第二机械臂末端执行器为探测器，第一机械臂末端执行器为射线源，待检测工件放置于工件转台上。控制系统通过控制第一机械臂和第二机械臂各运动轴，使探测器和射线源沿Y轴或Z轴平移，实现相同透照方向不同透照位置的扫描检测；使探测器和射线源沿X轴平移，实现对成像系统焦距、物距、像距、放大比调节。通过控制第二机械臂和第一机械臂各运动轴，使探测器和射线源沿Y轴旋转，并沿Z轴相反运动，实现对被检测工件沿Y轴旋转方向的多角度检测。通过控制第二机械臂和第一机械臂各运动轴，使探测器和射线源沿Z轴旋转，并沿Y轴相反运动，实现对被检测工件沿Z轴旋转方向的多角度检测。考虑到机械臂运动范围的限制，对被检测工件沿Z轴旋转方向的多角度检测通过工件转盘旋转实现。

控制系统通过对第一机械臂、第二机械臂、工件转台以及射线源开关和探测器采集的协同控制，完成对被检测工件任意位置、任意透射角度、任意焦距放大比的扫描检测。

具体的，第一机械臂和第二机械臂为六自由度机械臂，包括依次连接的基座、肩关节组件、大臂结构件、肘关节组件、小臂结构件和腕关节组件，如图2所示。

待测工件可以是能被射线穿透的任意材质、任意形状工件，具体的，可以为铸件、焊接件、复合材料等；工件转台为能够满足支撑工件重量，并可以沿顺时针或逆时针旋转的机械机构。具体的，转台旋转部分采用精密环形导轨，上部采用环形产品支撑，外部带齿，由伺服电机带主动齿轮驱动。

在对工件不同位置、不同角度的扫描检测过程，需要使射线源始终正对探测器平面，即射线源中心射束始终经过探测器中心并垂直于探测器表面。因此，当调节探测器位置或角度时，射线源需要联动控制。这里，以探测器对应的第二机械臂为主控机械臂，射线源对应的第一机械臂为联动机械臂进行描述。

双机械臂联动坐标系定义及参考关系如图3所示。基坐标系为机械臂位置的参考点，根据机械臂各关节的几何尺寸及各轴转动角度，通过机械臂运动学正解算法可计算出法兰坐标系参考基坐标系的位置关系。

其中，P_FA和P_FB为第二机械臂和第一机械臂的法兰坐标系位置，P_BA和P_BB为第二机械臂和第一机械臂的基坐标系位置，和为第二机械臂和第一机械臂的法兰坐标系相对于基坐标系的位置变换矩阵(机械臂运动学正解算法)，为第二机械臂各轴位置，为第一机械臂各轴位置。

通过基坐标系标定方法，可以标定出基坐标系B参考基坐标系A的位置关系。

其中，为基坐标系B相对于基坐标系A的位置变换矩阵。

通过工具坐标系标定方法，可以标定出工具坐标系B参考法兰坐标系B的位置关系，以及工件坐标系B参考法兰坐标系A的位置关系。

其中，P_TB为工具坐标系B的位置，P_WB为工件坐标系B的位置，为工具坐标系B相对于法兰坐标系B的位置变换矩阵，为的工件坐标系B相对于法兰坐标系A的位置变换矩阵。

第一机械臂的运动规划可表示为将工具坐标系B移动到工件坐标系B的某坐标系位置Q下，Q可以理解为工具坐标系B相对于工件坐标系B的位置变换矩阵。

P_TB＝P_WB·Q (6)

由公式(1)～(6)得到，法兰坐标系B相对于基坐标系B的位置变换关系为

第一机械臂联动可描述为当给定第二机械臂的各轴位置时，计算得到第一机械臂的各轴位置使得Q保持不变。公式(7)中， 通过标定方法得到为常数，为了达到联动效果，Q也为常数，因此当第二机械臂的各轴移动到某位置时，可计算出的值，再根据第一机械臂的运动学逆解算法得到机械臂B的各轴位置

下面，通过几个具体的示例说明如何调节扫描位置、如何调节扫描角度以及如何调节扫描放大比。

(1)调节扫描位置

这里调节扫描位置是在扫描角度(射线源中心射束与工件的角度关系)不变的情况下，通过同步平移射线源和探测器的方式，实现对工件的全覆盖检测。由于探测器和射线源始终正对联动，本节对于扫描位置的调节，只需要考虑探测器位置的调节。机械臂手动运动控制分为两种类型，轴空间运动控制和笛卡尔空间运动控制。轴空间运动控制可描述为每次单独控制一个关节轴，通过多次控制调节，使探测器达到目标位置。使用这种方式调节探测器位置相对比较复杂，需要依次调节多个关节轴，并且精度无法保证。笛卡尔空间运动控制采用轨迹规划的方式进行控制，首先选择参考坐标系，然后根据参考坐标系的XYZ轴规划直线轨迹进行运动控制。通常使用笛卡尔空间运动控制来调节探测器位置。图4给出了几种常用的探测器扫描位置调节方式。图(a)为水平入射角竖直运动轨迹，适用于竖直摆放的工件，工件表面法向水平或近似水平的检测；图(b)为倾斜入射角竖直运动轨迹，对于工件内部存在水平加强筋的情况，使用(a)方式射线无法穿透较厚的加强筋，通过倾斜入射角的方式实现对工件内部加强筋的检测；图(c)为倾斜入射角倾斜运动轨迹，对于工件表面法向倾斜的工件，为了达到最佳的成像效果，需要使探测器正对工件表面，通过倾斜入射角使探测器平面近似垂直于工件表面法向，并沿倾斜方向运动检测实现最佳成像效果。

除了上述的两种手动运动控制方式外，还可以通过多点示教或离线编程的方式规划出更加复杂的运动轨迹。通过多点示教可以规划出圆弧轨迹、样条轨迹等；通过基于工件三维模型离线编程的方式可以规划出探测器平面始终垂直工件表面法向，并且与工件表面距离保持不变的轨迹。

(2)调节扫描角度

与调节扫描位置类似，只需要考虑探测器扫描角度的调节。扫描角度的调节同样通过机械臂轴空间运动控制和笛卡尔空间运动控制实现。轴空间运动控制不直观，而且无法控制精度。笛卡尔空间运动控制可根据选择的参考坐标系，规划出沿X轴或Y轴或Z轴旋转的运动轨迹，实现出定点变姿态的效果。图5给出了两种定点变姿态的效果。

图5(a)为沿探测器中心点定点变姿态，即保持探测器中心点位置不变，使探测器沿X轴或Y轴转动，通过这种方式可改变扫描角度，结合(1)中的调节扫描位置，可实现图4(b)和图4(c)的扫描方式；图5(b)为沿工件某点为中心定点变姿态，即以工件中某点为中心，探测器和射线源分别沿以该中心为圆心，探测器沿探测器中心与该中心之间的距离为半径，射线源以该中心到射线源焦点之间的距离为半径，两者沿相反方向沿圆弧轨道转动；通过该方式可实现对该点不同角度的检测，可排除图像重叠对检测结果的影响。如图6所示，工件内部存在水平一大一小两个缺陷，当采用水平角度透照时，成像结果只有大缺陷，无法看到小缺陷；通过改变透照角度，可在成像结果上同时看到大缺陷和小缺陷。

一般情况，通过定点变姿态的方式调节图5X轴旋转的扫描角度，以及小范围调节Y轴旋转的扫描角度，大范围调整Y轴旋转的扫描角度通过工件转台旋转实现。不需要对Z轴旋转的扫描角度进行调节。

(3)调节扫描放大比

定义射线源焦点到探测器表面的距离为焦距，工件到探测器表面的距离为像距，工件到射线源焦点的距离为物距。如图7所示，控制第二机械臂使探测器沿工具坐标系A的Z轴移动，实现对像距的调节，由于射线源与探测器联动，因此物距也跟着改变，焦距不变；当取消联动控制时，可实现改变像距和焦距，不改变物距。控制第一机械臂使射线源沿工具坐标系B的Z轴移动，实现对物距和焦距的调节。

通过执行实施例2的方法流程，采用本实施例任一可选的实施方式进行工件自动检测。

与现有技术相比，本实施例提供的双机械臂数字射线检测装置通过在工件两侧设置两个机械臂，通过机械臂带动探测器和射线源运动，实现了工件不同位置、不同角度、不同放大比的检测，采用两个机械臂简化了运动机构的复杂度，并且使得运动控制过程简单易实现。

实施例2

本发明另外一个实施例提供了一种基于双机械臂数字射线检测装置的自动检测方法，包括如下步骤：

S1、控制系统运行机械臂控制程序；

S2、控制系统控制射线源和探测器运动到第i个扫描路径点，i初值为1；

S3、控制系统向数据采集系统输出开始采集信号的指令，然后执行输入等待指令，等待数据采集系统完成数据采集；

S4、数据采集系统接收到开始采集信号的指令后，开启射线源、探测器，并采集探测器输出的数据，采集完成后向控制系统输出采集完成信号；

S5、控制系统收到采集完成信号后，判断程序是否结束，若是，则完成检测，若否，则使i值加1，返回步骤S2。

下面结合图8-图11对该自动检测方法进行详细说明。

本方法通过编写运行机械臂控制程序控制探测器、射线源及工件的运动位置，结合数据采集系统，实现自动化扫描过程。检测方法包括如下步骤，参见图8。

S1、控制系统运行机械臂控制程序；

机械臂控制程序流程如图9所示。对于每个自动化扫描过程，需要创建机械臂控制程序。在机械臂控制程序中依次插入每个扫描路径点的指令块，每个指令块包括3条指令：

插入运动指令，使射线源和探测器移动到指定的扫描路径点。

插入开始采集信号指令，该指令传输至数据采集系统中，通知数据采集系统开始采集。

插入输入等待指令，等待数据采集系统采集完成。

当把所有扫描路径点都插入到机械臂程序后，完成编程过程，保存程序。

具体的，机械臂控制程序如下：

S11、创建机械臂控制程序；

S12、在程序中插入运动指令，使射线源、探测器运动到扫描路径点；

S13、在程序中插入开始采集信号指令，通知数据采集系统开始采集数据；

S14、在程序中插入输入等待指令，等待数据采集系统采集完成；

S15、判断扫描路径是否规划完成，若否，则返回步骤S2，若是，则结束。

S2、控制系统控制射线源和探测器运动到第i个扫描路径点，i初值为1；

扫描路径点的获取可以通过手动示教的方式，也可通过指定偏移量的方式，还可基于工件三维模型通过计算机图形学提取路径点的方法。

优选的，基于工件三维模型通过计算机图形学提取路径点的方法包括如下步骤：

S21、获取工件三维模型；

三维模型为工件的网格表示，以文件形式存在，记录了模型中每个网格点的位置坐标(如stl文件)以及模型中包含的边、面、体等拓扑信息(如stp文件)，通常用计算机或者其它视频设备进行显示编辑。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。工件的三维模型可以通过以下途径得到：通过3D建模软件创建，一般的，待检测工件在生产前都会先创建3D模型，根据3D模型生成的图纸进行生产加工；通过三维激光扫描建模仪进行建模。

S22，将待检测工件表面划分为多个待检测区域；

具体的，为实现工件表面全覆盖检测，可将工件表面划分为一系列四边形网格区域，如图10(a)所示；为实现工件上竖直焊缝的检测，可以沿工件焊缝方向将焊缝所在的工件表面划分成多个四边形网格区域，如图10(b)所示。

S23、基于计算机图形学获取工件表面各个待检测区域的中心点位置和法向；

在3D建模软件中，将世界坐标系定义在工件底面中心，以工件底面中心为原点，水平向右为X轴，竖直向上为Z轴建立坐标系，如图11所示。

根据计算机图形学，可以获取工件表面任意一点的位置和法向，因此可以得到待检测区域中心点的位置和法向。

S24、根据上述中心点位置和法向，确定与每一个区域相对应的探测器中心点位置和法向，其中使得探测器法向与该区域法向一致；

具体的，探测器中心点位置和法向的获取方法如下：

根据待检测区域中心点P的位置和法向以及探测器到工件表面的距离v，可以确定探测器中心点D的位置和法向。如图11所示，中心点P和探测器中心点D的法向与竖直方向夹角为α，中心点P和探测器中心点D的距离为v，则探测器中心点D的x、z坐标分别为

D_x＝P_x-v·sin(α) (8)

D_z＝P_z+v·cos(α) (9)

S25、根据探测器中心点位置和法向，得到射线源焦点位置和中心射束方向，其中使得中心射束方向与探测器法向一致；

具体的，射线源焦点位置和中心射束方向的获取方法如下：

根据待检测区域中心点P的位置和法向、探测器到工件表面的距离v以及射线源焦点到探测器的距离f，确定射线源焦点R的位置和法向。如图11所示，中心点P的法向、射线源焦点R的中心射束方向与竖直方向夹角为α，中心点P和射线源焦点R的距离为f-v，则射线源焦点R的x、z坐标分别为

R_x＝P_x+(f-v)·sin(α) (10)

R_z＝P_z-(f-v)·cos(α) (11)。

上述各待检测区域对应的探测器中心位置和法向、射线源焦点位置和中心射束方向即为获取到的扫描路径点。

控制器控制第一机械臂和第二机械臂，使探测器和射线源到达待检测区域对应的扫描路径点。

S3、控制系统向数据采集系统输出开始采集信号的指令，然后执行输入等待指令，等待数据采集系统完成数据采集；

在探测器和射线源到达扫描路径点后，控制系统向数据采集系统发出开始采集信号的指令，然后执行输入等待指令，等待数据采集系统完成采集，采集完成的标志是控制系统接收到数据采集系统发出的采集完成信号。

S4、数据采集系统接收到开始采集信号的指令后，开启射线源、探测器，并采集探测器输出的数据，采集完成后向控制系统输出采集完成信号；

数据采集系统接收到开始采集信号的指令后，开启射线源开关，使射线源发出射线，同时控制探测器开始工作，接收透过工件表面到达探测器的射线束，并对其进行成像；探测器的成像数据通过数据线传输到数据采集系统中，数据采集系统完成采集后，向控制系统输出采集完成信号，并控制射线源关闭；

S5、控制系统收到采集完成信号后，判断程序是否结束，若是，则完成检测，若否，则使i值加1，返回步骤S2。

程序中存在多个扫描路径点，在完成一个扫描路径点的检测后，控制系统需要判断程序是否结束，结束说明所有的路径点都已经完成检测，若还没有结束，则说明程序中还存在未检测的路径点，使i值加1进入到下一个未检测的路径点，直至所有的路径点都完成检测，则程序结束。

该自动检测方法通过编写机械臂控制程序，在程序中插入每个路径点对应的三条控制指令，根据该指令，控制系统控制探测器和射线源到达扫描路径点对应的位置，并控制采集系统完成数据采集，实现自动化检测。

该方法通过采用工件三维建模，利用计算机图形学获取工件表面待测区域中心点位置和法向，并根据该中心点位置和法向得到与每个探测区域对应的探测器中心点位置和法向、射线源焦点位置和中心射束方向，并使探测器法向、射线源中心射束方向与待测区域法向一致，按照该方式获得的扫描路径点，能够实现对复杂曲面的垂直透照检测，提高了成像质量和检测精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。