面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法

摘要

本发明公开一种面向表面异形的磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，设计由多个检测单元并排设置的线性阵列传感器；该传感器挂载于磁探机械臂，由磁探机械臂六个关节相互配合进行规划路线的扫描运动，并实时回传磁探机械臂位置坐标至上位机，实现对被检查磁性材料各区域的磁场数据检测。以扫描路径X，Y，Z坐标数据为成像基础，对于Z坐标附上磁特征信息数据检测数据，实现了磁特征信息数据的4D成像，并对其磁测信息进行保存。本发明拖动示教扫描路径自主学习技术、数字孪生技术，对磁场材料磁场信息的快速采集、数据处理、实时三维立体成像，大幅提高了检测效率及数据处理效率，为磁性材料检测提供一种新型解决方案。

说明书

技术领域

本发明属于磁性材料检测领域，涉及一种磁性材料成像方法，具体来说是一种面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法。

背景技术

磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金能够直接或者间接产生磁性的物质。

2020年，我国磁性材料年产量占全球总产量的75％以上，年产值达到800亿元左右并且以4％左右的速度逐年增长，但仍存在低端产能过剩、高端供不应求的普遍性行业问题。

磁性材料产品应用广泛，其磁场分布特征(均匀性、连续性、对称性、强度和方向性等)是决定其磁学性能、电学性能、力学性能及其可靠性和稳定性的直接因素。磁性材料检测不仅是磁性材料生产质量的控制手段，也是磁性材料产品设计和制造工艺环节的重要优化依据。

以下为所参考的已有文献及专利，[1]徐超群,易忠,孟立飞,等.一种航天器磁特征全息成像方法[J].航天器环境工程,2021,38(4):453-458XU C Q,YI Z,MENG L F,etal.A method for holographic imaging of spacecraft magnetic characteristics[J].Spacecraft Environment Engineering,2021,38(4):453-458.该文献利用立体阵列扫描系统，实现航天器内部、探测面和空间此信息的可视化分析，该装置对比磁洁净总场成像和磁异常总场成像可看到不同，但是该种方法成像时间长，效率低，无法实时成像；分辨率较低，不适用于曲面的扫描。

[2]一种基于温差的裂纹磁粉检测方法.公开号：CN113740380A。该项专利将高温磁粉喷洒在被测试件上，通过获取被测件的热像图进行裂纹的识别。由于该种检测是以磁粉的密度来体现磁场的相对大小，以磁粉排布体现表面磁场方向，单对磁场熟知的大小，分量大小信息无法得到量化结果。因此无法对检测结果进行量化。该种检测所得结果不能量化，需对磁粉加热，并且需要对磁粉进行去除回收，对试件有一定的污染，效率较低，无法适用于大规模流水线的检测

[3]检测用磁性传感器模块.公开号：CN101770662A。该项专利涉及一种检测用磁性传感器模块，对经过传感器特定位置的磁性金属(硬币或其他金属薄片)进行磁性扫描测量，读取磁性金属表面磁性参数波动数据。该项专利只能获取被测物的磁场强度特征，难以全面地反应被测对象的全貌，对未来基于磁特征图像的特征挖掘和深度学习技术发展形成障碍。

[4]用于中心导体法磁粉检测的试件以及该试件的检测方法.公开号：CN114544754A。该项专利利用磁粉检测，主要针对铁磁性承压设备管子以及有空的工件的内壁近表面纵向缺陷检测。但是此种方法必须吸附于被测工件表面测量，只能获得表面磁场的非定量图样；适用范围小，检测范围不大，智能化程度低，检测效率低。

目前，根据现已有技术，对磁性材料产品的磁场分析和测量主要包括：数值仿真分析、磁粉检测法和表磁测量三大技术手段。这些技术仅适用于表面形貌、粗糙度和外观结构检测，所获得信息皆难以直接体现磁性材料产品的磁场分布特征和内部缺陷信息，难以满足蓬勃发展的磁性材料检测产业市场需求。磁性材料检测行业亟需智能化、高效率、高精度、低成本，特别是能够将不规则的磁性材料内部的磁场特征信息以三维立体可视化图像展现的新型检测装备和技术。

发明内容

针对现有的磁性材料检测的需求以及现有的磁成像检测技术的不足，本发明提出一种面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，是一种应用可快速高效的判断出存在磁场缺陷或瑕疵的异形磁性材料的磁场检测装置对表面异形的磁性材料磁场信息进行全方位、三维立体的成像方法，实现了拖动示教扫描路径自主学习技术、数字孪生技术，对磁场材料磁场信息的快速采集、数据处理、实时三维立体成像。本发明成像方法为铁氧体磁性材料、稀土永磁材料、非晶合金材料等生产商提供基于磁场图像的质量检测依据；为电机、变压器、电感电容生产商提供产品典型工况的磁特征图像，辅助其设计、优化、维护和质检等环节，解决磁体生产企业产品质量检测的问题，提高磁性材料及器件产品的生产质量。

本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建磁场成像工业机器人。

工业机器人主体为多自由度机械臂，机械臂末端安装有线性阵列传感器；线性阵列传感器具有横向等间距排列的检测单元。每个检测单元对应一个模拟输出通道，当检测到磁场时会输出对应的电压信号；线性阵列传感器固定安装于机械臂末端。机械臂的肩部关节末端固定于底座上，底座作为机械臂本体的支撑，固定于承载面上。通过控制机械臂运动实现末端线性阵列传感器的扫描运动。

工业机器人还具有信号采集处理部分；包括模拟信号-图像信号转换及运动控制装置与上位机。其中，模拟信号-图像信号转换及运动控制装置用于线性阵列传感器的供电、传感器信号初步处理、与上位机通讯、机械臂的运动控制。上位机用于对处理后的数字信号进一步处理，将数字信号中的磁特征信息数据结合线性阵列传感器位置坐标数据进行磁特征成像并对其进行保存。

步骤2、将待测磁体放置在六自由度机械臂的周围，使待测磁体在扫描范围之内。

步骤3、磁探机械臂上电并初始化。

步骤4、根据被检测磁性材料的不同设定规划相应的磁探机械臂扫描路线。

步骤5、被检测磁性材料磁场扫描。

由上位机发出运动开始、运动速度大小、运动模式、运动路径等命令以数字信号的形式传输至磁探机械臂的控制模块，控制模块将运动控制命令转化为磁探机械臂的驱动模块所需要的电信号，驱动模块带动机械臂的各个关节运动，使机械臂按照运动指令工作，实时回传线性阵列传感器的位置坐标至上位机显示。同时，当机械臂开始工作，线性阵列传感器开始运动时，线性阵列传感器开始工作，同一时刻各个检测单元分别将采集的磁场信号B

步骤6、上位机4通过对每个磁场数据V

a、求解被测磁体的磁场大小。

通过对线性阵列传感器中各检测单元的灵敏度标定测试，获得对线性阵列传感器的灵敏度矩阵S

B

将线性阵列传感器各通道的电压信号V

b、整合磁场-位置信息。

将磁场强度矩阵结合线性阵列传感器位置坐标数据进行磁特征成像，以扫描路径X，Y，Z坐标数据为成像基础，对于Z坐标附上磁特征信息数据，把磁特征信息数据以不同的颜色来显示，实现了磁特征信息数据的4D成像。

步骤7、在线性阵列传感器运动至设置路径的最后一个坐标时，扫描自动停止。扫描停止时，上位机将按照默认路径自动保存测试结果，并显示待测磁体的三维磁场图像。

本发明的优点在于

1、本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，区别于传统目测、光学成像等仅对磁体的表面形貌、形状外观检测，对磁场分布检测特征检测成像的方法可直接体现磁性材料产品的磁场特征和内部缺陷信息，其磁场特征和内部缺陷信息直接影响了磁性材料的磁学性能、电学性能、力学性能及其可靠性和稳定性。

2、本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，相比传统磁场检测方法一般为使用磁强计对磁性材料特定点进行磁场强度测量，不仅检测效率低，采样时间较长，而且难以获得磁性材料磁场分布的均匀性、连续性、对称性和方向性等特征。

3、本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，使用的136pin的接头，可即插即拔，提高了信号数据的传输效率，在相同磁场成像相同分辨率下对磁性材料磁场信息采集时间由传统方法的数十小时缩短至一分钟内，大幅提高了检测效率，且线性阵列扫描数据更利于磁场信息成像及磁场特征的提取，提高了数据处理效率。

4、本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，实现将较为抽象的磁场分布以可视化的图像形式呈现，将看不见摸不着的磁场转换为图像信息，借助磁测图像可以直观地辨别磁性材料的缺陷信息，降低错判和误判的概率，提高检测精度。该装置为磁性材料及其检测技术提供新的研究视角和新研究手段。

5、本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，针对表面异形的磁性材料产品进行缺陷检测，可将表面异形的磁性材料产品的磁场分布进行全方位、立体的呈现，可快速高效的判断出磁场缺陷或瑕疵的磁性材料产品。

附图说明

图1为本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法流程图；

图2为本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法中所设计的磁场成像工业机器人结构示意图；

图3为本发明磁场成像工业机器人中线性阵列传感器结构示意图；

图4为本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法中所设计的模拟信号-图像信号转换模块及运动控制装置框图；

图5为磁场-位置信号整合方式示意图；

图6为应用本发明磁场成像装置进行小扬声器的三维磁场成像示意图。

图中：

1-线性阵列传感器 2-六自由度机械臂 3-模拟信号-图像信号转换

模块及运动控制装置

4-上位机 101-外壳 102-PCB板

103-检测单元 101a-顶板 101b-底板

101c-连接柱 101d-限位套筒 201-第一肩部关节

202-第二肩部关节 203-肘部关节 204-第一腕部关节

205-第二腕部关节 206-第三腕部关节 301-控制模块

302-驱动模块 303-多通道采集卡 304-多路恒压电源

401-数据交互模块 402-非易失性存储介质

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明面向表面异形磁性材料缺陷检测的磁场成像工业机器人成像方法，包括以下步骤：

步骤S1、搭建磁场成像工业机器人，如图2所示。

S11、搭建由多个磁场检测元件组成的线性阵列传感器1。

线性阵列传感器1用于被检测电子电路各区域的磁场数据检测，如图3所示，其为PCB板102上横向等间距排列的n个检测单元103(线性霍尔磁场传感器)。整排检测单元103宽度为350mm，对应检测宽度为350mm；检测单元103的具体排列数量n和排列间距由磁可视化系统的分辨率决定，其成像的分辨率越高，需要的检测单元103越多，检测单元103排列越密集，本具体实施方式中n设计为64，则线性阵列传感器1的横向像素为64；且整排检测单元103宽度需大于被检测区域的宽度，该被检测区域应完全覆盖被检测磁性材料样品，从而确保线性阵列传感器1的检测宽度方向无检测盲区。

上述每个检测单元103对应一个模拟输出通道，用于检测磁性材料的磁场大小，当检测到磁场时会输出该位置对应的电压信号，即该第i个输出通道的输出为电压信号为V

上述PCB板102上还设置有信号板线连接器与供电板线连接器，分别用来将信号线缆和供电线缆连接至PCB板102，实现磁场信号传递和线性阵列传感器1的供电。其中，信号板线连接器使用的136pin的接头，可即插即拔，提高了信号数据的传输效率。

上述线性阵列传感器1通过外设铝制外壳101进行保护。该铝制外壳101包括顶板101a、底板101b、连接柱101c以及限位套筒101d。其中顶板101a与底板101b与PCB板102等尺寸，分别与PCB板102平行设置于PCB板102上下两侧。顶板101a与底板101b四角位置设置连接柱101c，连接柱101c穿过PCB板102上的开孔，两端分别于顶板101a和底板101b上的螺纹孔螺纹连接。通过连接柱101c实现顶板101a与底板101b间的定位；同时，在每个连接柱101c上套有两个限位套筒101d，分别位于顶板101a与PCB板102以及PCB板102与底板101b之间，通过限位套筒101d实现PCB板102在顶板101a与底板101b间的定位，使其与顶板101a和底板101b垂直距离相等。

S12、在磁探机械臂上安装线性阵列传感器。

将线性阵列传感器1中，铝制外壳101的顶板101a中部通过螺钉与连接架下连接端固定；连接架上连接端连接磁探机械臂2，实现64路并行磁传感器线性阵列1搭载于磁探机械臂2上。

如图2所示，上述磁探机械臂2采用型号为ELITE ROBOT EC66的六自由度机械臂2，其包括第一肩部关节201、第二肩部关节202、肘部关节203、第一腕部关节204、第二腕部关节205与第三腕部关节206，如图所示。其中，第三腕部关节206端部与前述连接架3上连接端通过螺钉固定，完成线性阵列传感器1的搭载，使其可进行所设置任意路径的扫描运动。磁探机械臂2的每个关节表示一个自由度，工作空间为一个半径为914mm的球体。

上述磁探机械臂2中，第一肩部关节201末端通过4颗M8螺栓固定于底座上，底座作为机械臂本体2的支撑。通过螺钉固定在具有成正方形排列的工程螺纹孔的承载面上，承载面应足够坚固，能够承受至少3500Nm的扭力和至少100kg的重量，并且表面应无振动。磁探机械臂2的底座正上方和正下方高为1828mm的圆柱体空间为奇异点区。奇异点是机器人因配置或者轨迹的命令速度导致关节速度超过安全限制而失去自由度的位置，因此工作区域应避免出现奇异点，在该空间的其他区域内可自行设置扫描路径。为确保待测磁体检测磁场的完整性，待测磁体的最大尺寸应小于扫描范围的2～3cm。

上述磁探机械臂2中的关节不能同向连续旋转，其中，第一肩部关节201的关节范围是-360°～360°、第二肩部关节202的关节范围是-360°～360°、肘部关节203的关节范围是-165°～165°、第一腕部关节204的关节范围是-360°～360°、第二腕部关节205的关节范围是-360°～360°、第三腕部关节206的关节范围是-360°～360°。

S13、连接信号采集处理部分。

信号采集处理部分包括模拟信号-图像信号转换及运动控制装置3与上位机4。其中，模拟信号-图像信号转换及运动控制装置4用于线性阵列传感器1的供电、传感器信号初步处理、与上位机4通讯、磁探机械臂2的运动控制。上述模拟信号-图像信号转换及运动控制装置3包括磁探机械臂控制模块301、磁探机械臂驱动模块302、多通道采集卡303与多路恒压电源304，如图4所示。

其中，磁探机械臂控制模块301用于将上位机4发送的运动路线指令转化为不同的电信号，随后发送至磁探机械臂驱动模块302，磁探机械臂驱动模块302带动磁探机械臂2的六个关节进行运动，完成上位机4发出的运动路线指令，并将运动过程中线性阵列传感器1的位置(线性阵列传感器1中整排检测单元中心位置)坐标每间隔设定时间n回传至上位机，此处n设定为1秒，也可根据需要具体设置。由上位机实时显示线性阵列传感器1的位置坐标。多通道采集卡303用于采集线性阵列传感器各个通道输出的模拟电压信号并对模拟信号进行处理依次放大、滤波、模数转换，将处理产生的数字信号传输至上位机。多路恒压电源304用于分别以8V、12V的电源对线性阵列传感器、多通道采集卡303进行供电。

所述上位机4用于对处理后的数字信号进一步处理，将数字信号中的磁特征信息数据结合线性阵列传感器1位置坐标数据进行磁特征成像并对其进行保存。上位机4包括数据交互模块401和非易失性存储介质402组成。数据交互模块401用于处理磁场和位移的数据信息并对磁场信息进行成像处理；非易失性存储介质402用于批量存储检测所得的磁场信息。

步骤S2、将待测磁体放置在六自由度机械臂2的周围，使待测磁体在扫描范围之内。

步骤S3、磁探机械臂2上电并初始化。

将磁探机械臂2的线缆连接到磁探机械臂2的控制箱，将主电源线连接到控制箱，并且确保磁探机械臂2的工作区域没有人员和安全隐患。在磁探机械臂2上电前，确保所有线缆均已正确连接并且控制箱已插入合适的电源，随后打开控制箱开关。

磁探机械臂2在初次使用时需要，设置磁探机械臂2的工作状态，确定是选择地面安装、吊挂安装还是倾斜安装，由此帮助磁探机械臂2确定其上的重力大小；进一步初始化磁探机械臂2。

步骤S4、根据被检测磁性材料的不同设定规划相应的磁探机械臂2扫描路线。

以磁探机械臂2底座的圆心为坐标原点，以第一肩部关节201和第二肩部关节202的连接方向为Y轴，Y轴顺时针旋转90°的方向为X轴，垂直XY平面向上为Z轴，建立三维坐标系。

上位机4通过TCP\IP通讯，设置IP地址，对磁探机械臂2底层寄存器发送代码字符串，实现对磁探机械臂2建立通讯对话，并及时读取磁探机械臂2的位置坐标信息反馈，实时显示磁探机械臂2的坐标位置状态，实现对磁探机械臂末端位置状态的实时监控。

本发明中设计磁探机械臂2具备两种工作模式，包括单点轨迹运行模式和拖动示教模式。其中，单点运行模式通过上位机4对磁探机械臂2扫描运动轨迹进行位置坐标改变量设置，包括磁探机械臂2末端工具(线性阵列传感器1)三轴坐标X、Y、Z及磁探机械臂末端工具分别围绕基座的x、y以及z轴旋转的角度，磁探机械臂2即可依据改变的坐标值进行读取并循环执行，改变磁探机械臂2初始的坐标，即实现磁探机械臂2对磁性材料产品的轨迹扫描运动；亦可读取磁探机械臂2轨迹运动坐标数据文件，控制磁探机械臂2按照文件设定的扫描坐标数据进行运动，实现对曲面不规则磁性材料产品的全扫描并采集其磁特征信息数据。

对难以设置合适扫描路径的异形磁性材料，设计了磁探机械臂2的拖动示教模式。通过拖动磁探机械臂2，设置合适磁性材料产品的扫描路径，实时采集并获得磁探机械臂2的运动位置，对其运动的位置坐标存储。将拖动的位置坐标文件导入上位机4实现扫描路径的规划，实现磁探机械臂2拖动示教的功能。由此利用磁探机械臂2的位移运动可实现线性阵列传感器1对不同磁体不同需求的扫描操作，且实时回传磁探机械臂2的位置坐标至上位机4。

步骤S5、被检测磁性材料磁场扫描。

由上位机4发出运动开始、运动速度大小、运动模式、运动路径等命令以数字信号的形式传输至磁探机械臂的控制模块301，控制模块301将这些运动控制命令转化为磁探机械臂的驱动模块302所需要的电信号，驱动模块302带动磁探机械臂2的六个关节运动，使磁探机械臂2按照运动指令工作，实时回传磁探机械臂2的位置坐标至上位机4显示；同时，当磁探机械臂2开始工作，即线性阵列传感器1开始运动时，线性阵列传感器1开始工作，同一时刻各个检测单元101分别将采集的磁场信号B

步骤S6、上位机4通过数据交互模块401实时对每个磁场数据V

a、求解被测磁体的磁场大小。

通过对线性阵列传感器1中各检测单元101的灵敏度标定测试，获得对线性阵列传感器1的灵敏度矩阵S

B

将线性阵列传感器1各通道的电压信号V

b、整合磁场-位置信息。

如图5所示，将磁特征信息数据结合线性阵列传感器1位置坐标数据进行磁特征成像，即以扫描路径X，Y，Z坐标数据为成像基础，对于Z坐标附上磁特征信息数据，把磁特征信息数据以不同的颜色来显示，即加多了一个颜色的纬度，因此实现了磁特征信息数据的4D成像。如图6所示为应用本发明磁场成像装置进行小型扬声器的三为磁场扫描，将扬声器置于磁探机械臂2的工作区域内，设定机械臂采用单点运行模式进行扬声器扫描，最终得到扬声器的三维磁场图像图。

步骤S7、在线性阵列传感器1运动至设置路径的最后一个坐标时，扫描自动停止。扫描停止时，上位机4将按照默认路径自动保存测试结果，并显示待测磁体的三维磁场图像。