针对大型零部件的检测技术
文Shane Novacek
基于PC计算机和以太网的控制技术，不仅可以在机器人支持下为航空航天器零部件的自动检测提供很高的检测精度和检测速度，而且也能明显的减少电缆布线和安装工作量。
本文中选择的仿真频率为1.5 GHz，该频率是导航卫星信号的主要频率，目标为空客A320和 F-15C型战斗机，材料为金属，采用商用软件CST进行电磁计算，采用的方法为快速多层多极子算法，以1°为间隔对目标模型进行仿真。
图1 借助于基于PC计算机和EtherCat基础之上的自动化控制技术将Genesis集团公司的布线和电气安装时间缩短了50%
航空航天工业领域对材料试验和质量保证有着很高的要求；因为只有对材料和零部件进行彻底的检查才能确保乘客、空乘人员和货物的安全。Genesis Systems 集团公司是一家为生产制造业、运输业和航空航天工业领域提供机器人系统的系统集成商。为了满足超大型飞机、卫星和火箭部件的无损检测要求，Genesis 公司开发制造了机器人支持的无损检测系统NDI。
机器人检验系统
即使是最有经验的质量检验人员，大型零部件的质量检验任务对他们来说也是一个挑战；因为在大型零部件检验过程中无法定点检验，并且要确保全部材料完成高精度的检验。Beckhoff公司基于PC 以太网控制自动化技术（简称为EtherCAT）的控制系统满足了Genesis 公司检测自动化的要求，有着很高的检测精度和很短的检测时间。Genesis 公司的Nspect 系列NDI 无损检测解决方案可以检验航空航天器的大型表面是否存在材料技术方面的缺陷，是否符合制造工艺技术规范的要求。这些检测机器人配用的是具备超声波技术的无损检测探头：超声波发射器发出的超声波超过被测零部件直达超声波接收器。除了超常规的脉冲回波、相位差和错位散斑干涉等常规测试方法之外，NDI无损检测还支持其他的检测技术方法，它能检测包括钢材、铝材和复合材料在内的金属材料。这一检测方案的核心是一台配用了Genesis公司Blitz检测模块的6轴关节机器人。借助于C++程序语言，Blitz检测模块可以到达被测零部件的任何位置，并能在200 µs时间内产生具有六个自由度和1 mm间距的测量网格。测量网格的位置反馈确保了零部件大型表面积的全面检测。
“在材料检测技术领域中将脉冲检测点的位置简称为PoP。Blitz模块捕获被测材料的测量数据，并将采集到的测量数据与仪器或者传感器的位置关联起来。脉冲发送的速度越快，机器人向前运动的速度也就越快，NDI无损检测系统的检测效率也就越高。”Genesis集团公司自动化系统工程师Ryan Steckel先生解释说。由于采用了EtherCAT技术使得通信速度提高，Blitz模块只需1 ms就能完成脉冲信号的发送，而其他的标准型超声波检测仪则需要10 ms的时间。另外，EtherCAT控制自动化以太网技术还能够实现极高的测量精度和很高的系统同步性，这也是材料检验中的两个关键指标。
“Robopogo定位夹紧系统是一种非常特殊的定位夹紧系统。因此需要非常灵活的自动化技术来保障能够轻松地实现系统集成。基于PC计算机的控制方式是理想的控制方式，在这种控制方式中可以通过单一的集成平台解决所有需要完成的任务。”Moon先生说。Genesis公司将所有的功能都集成在嵌入式计算机CX 2030中，包括PLC可编程序控制系统、PLC安全监控系统、运动监控系统、HMI人机交互系统、Windoes操作系统和Genesis公司开发的检验测试软件。“CX 2030系统控制着20台机器人，而CPU占用只有25%。能够采集所有的检测数据，并且以毫秒为单位向20个库卡机器人保持通信能力，这能充分体现出基于PC计算机和以太网技术的优势。”Steckel先生解释说道。
米原器是用烧结的铂制成的，被保存在巴黎档案局，因此又被称为“档案米”。关于“米”的名称，则是选取古希腊文中的“metron”（度量）一词作为这个单位的名称，后来演变为“meter”，中文译为“米”。
图2 Genesis集团公司的Robopogo零部件定位夹紧系统使用了多个关节机器人，是航空航天工业领域中理想的大型零部件定位、装夹系统
简化系统集成
另一个新发明是Robopogo，这是一个由多台关节机器人组成的、用于Nspect系统测量大型零部件的定位夹紧系统。Robopogo定位夹紧系统能够完成不同几何形状大型零部件的准确定位和夹紧，Genesis集团公司航空航天部的领导人Whitney Moon先生解释说道：“2017年我们接收了一个利用NDI无损检测系统检验超大型零件的任务。要检查大的零部件就必须要有合适夹具来固定这超大型的零部件。传统的或者手动调整的夹具因操作麻烦且造价昂贵故不适合应用在该情形。”这时，使用机器人装夹固定就是最佳的解决方案了，关节式机器人有着足够的灵活性、能够很好的适应被测零部件不同的几何形状和尺寸，在操作和使用过程中，甚至可以在检测过程中实现动态的重新定位，并且始终与Nspect系列的检测机器人保持精确的同步。
利用Beckhoff公司的Twincat 3软件来编写程序，运行程序进一步简化了检测系统的使用操作。“软件开发环境中包括了结构化的文本文件和面向对象的编程。这就使用户能够根据需要轻松的调整Robopogo检测方案，即使用四个机器人或者20个的零件定位夹紧解决方案。” Moon先生指出。“在建立一个新的检测系统时只需调整一些基本参数就可以了，不用重新编写检测程序。” Steckel先生补充说道。
观察组痊愈14例，显效13例，有效11例，无效3例，总有效率为92.68%；对照组痊愈10例，显效12例，有效10例，无效9例，总有效率为78.05%，观察组明显优于对照组，两组效果比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。
图3 Genesis集团公司的Naspect检测系统将超声波检验与机器人定位数据结合到一起，可以实现关键零部件的材料检验
精益求精的自动化
Robopogo和Genesis公司其他NDI系统通过基于以太网的EtherCAT建立通信联系、传递数据信息，EtherCAT也得到了全球最大的机器人制造商的支持。Genesis公司也是EtherCAT P单线自动化技术最早的使用者之一。“自从Gensesis集团公司大规模的进入航空航天工业领域之后，就要求其具有对长度尺寸100 m或者更长的零件进行检测的能力。如果要将这么长距离的电缆都放到电气控制柜中，不仅浪费时间，同时会浪费大量资金。因此Genesis公司利用基于以太网传输技术的EtherCAT P总线系统在各个工作站之间输送电力能源和控制信号，省去了从工作站返回主控制柜的电缆。”Moon先生说。安全防护等级为IP 67的EtherCAT-P-Box模块以及伺服电动机和驱动装置采用的都是OCT单电缆技术，降低了整体布线的工作量和成本费用。
作为集成在EtherCAT输入输出系统中的Twinsafe安全保护模块，它还具有按照开放的EtherCAT功能安全协议进行通信的好处。“安全保护继电器的数量减少了90%。EtherCAT的故障诊断功能提高了系统的安全性，因为集成工具可以准确的将错误与网络中出现错误的仪器设备联系起来，可以清楚的了解仪器设备出现的问题以及需要更换的时间。”Moon先生解释说。另外，可以在检验测量过程中重新设置安全区域，例如：当测量系统正在检测A零件时可以划定一个放置待检零件B的安全区域。这种灵活性是迄今为止其他控制系统和安全保护系统无法实现的。
降低成本
“在使用了Beckhoff公司的单电缆自动化技术之后，Genesis集团公司可以将NDI无损检测系统中的驱动装置、电动机、传感器和执行器和气动控制阀等的电缆布线工作量减少50%。” Steckel先生说。“所有电气元器件的安装和布线时间也缩短了50%。开关柜和电气控制柜中的空间占用也减少了20%。”
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