聚焦换能器焦域声场扫描路径规划及测量.pdf
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1、书书书第 卷第 期 年 月计 量学报 ,:聚焦换能器焦域声场扫描路径规划及测量段雪亮,郑慧峰,彭圆,郭忠晓,朱婕(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 ;嘉兴市计量检定测试院,浙江 嘉兴 ;采埃孚传动技术(嘉兴)有限公司,浙江 嘉兴 )摘要:聚焦换能器的焦域声压扫描是其声学特性计量的重要步骤,而传统的扫描路径测量效率较低,提出基于聚焦声场分布特征的扫描路径规划方法。首先给出了实验方案和原理,分析了聚焦换能器声场的焦域声场特性,然后对聚焦换能器进行有限元仿真分析,获得焦域声场的声压分布,根据声场同心圆分布特性,以焦点处为 声压级,获得不同声压级对应区域作为水听器扫描特征区域。最后,搭建了实
2、验系统,实验结果表明,的焦域长度和宽度等参数均与理论值、传统机械测量机构的测量值一致,保证了测量精度并且有效提高了测量效率。关键词:计量学;声压分布;聚焦换能器;焦域;扫描路径规划;手眼系统中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,;(),):,:;收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划();浙江省自然科学基金(,);浙江省重点研发计划();浙江省质量技术监督系统科研计划();浙江省 仪器科学与技术 重中之重学科人才培育项目();浙江省教育厅科研资助();浙江省大学生科研创新团队资助()引言聚焦超声换能器是所在应用领域的重要部件,其分辨率、强度及其焦距等性能根据应用场景不同要求
3、有所不同,对影响其性能的参数进行测量是评价和改善聚焦超声换能器性能的首要前提 ,聚焦换能器焦斑区域的声场分布及其特征参数是评价换能器声学特性的重要依据。水听器扫描法是目前应用最广的声压分布测量方法。通过机械行走机构对三维空间中各轴向分别进行一维线扫描,根据最大声压幅值得到焦点位置 ,若能够进行 个维度上声场的扫描测量,就能够获得声场分布。由于制作工艺和应用场景不同,聚焦换能器种类繁多且型号各异,随着特征频率升高,焦域面积减小,导致针对聚焦换能器声场特性测量工作量大 ,检测效率低下。随着工业机械臂和视觉检测在工业测量中的应用,特别是“人眼”系统的引入,提升了测量柔性化和自动化程度 。本文研究团队
4、用机械臂取代传统龙门结构测量系统,并且通过人眼标定,实现对换能器几何特征的识别和快速定位 ,提高了聚焦换能器焦点定位效率,具有较好的鲁棒性,满足不同几何外观的换能器。根据 声学在()频率范围内的超声场特性及其测量水听器法 ,通常采用等间距弓字形扫描路径,保证有效覆盖焦点区域,但是存在声场检测效率较低的问题。轨迹规划根据运动路径形状的不同主要分为直线路径规划和曲线路径规划,曲线包括圆弧、抛物线和 型,轨迹规划的最终目的是在保证运动平稳的条件下,满足作业需求 。等针对速度连续的轨迹规划提出利用三次样条函数的特点进行解决,但该方法无法保证加速度的连续性 。王馨蕊等分析研究了在关节空间中的三次和五次多
5、项式插值法,以及在笛卡尔空间中的直线插补和圆弧插补并进行了仿真,得出在设计标准路径时选择在关节空间中采用高次多项式插值法的初步结论 。等提出了一种通过运动规划改进欠驱动不确定柔性系统残余振动抑制的新方法,增强了对不确定参数的鲁棒性,有效抑制了不确定系统中的残余振动 。赵叶和等通过多种群竞争策略松鼠搜索法优化插值时间,提高了机械臂在关节空间的轨迹规划效率,但是存在运行时间较长的问题 。杨锦涛等人用 型速度曲线代替梯形速度曲线,插补后得到笛卡尔空间的相关参数,并通过反推验证 型曲线可以降低冲击力 。韩顺杰等采用分段多项式插值法对轨迹进行拟合,并采用改进的粒子群算法以时间为适应度函数对轨迹进行优化,
6、有 效 提 升 了 机 械 臂 运 行 的 稳 定 性 。等解决固定轨迹再现的精确性问题,提出一种通用的细插补算法,适用于不同动态特性的机器人 。赖啸等提出一种基于 样条的联合空间规划,并与关节空间规划和笛卡尔空间规划进行对比试验,验证了联合空间规划的平稳性更高,效果更优 。在笛卡尔空间下,需要通过确定点反解出关节角度,再将所有位置点运动变量拟合为光滑的路径进行规划 。因此,寻找路径的确定点,是保证机械臂笛卡尔空间运动精度和高效扫描的关键。通过前期研究,引入机械臂和机器视觉技术,实现了根据聚焦换能器几何特征对其焦点快速定位,本文开展基于聚焦换能器声场分布特性的扫描路径规划,利用有限元分析聚焦声
7、场特性,获得关键特征扫描路径,引导水听器围绕焦域焦点,对聚焦换能器声场进行同心圆路径扫描,保证精度的同时提升检测效率。测量方案如图所示,搭建了基于机械臂的聚焦换能器焦域声场测试系统。系统主要由工业相机、机械臂、水槽和水听器等组成,将相机光轴与工作面垂直,机械臂和相机以“眼在手外”的方式构成视觉系统。图 测量系统组成图 系统由 个坐标系组成,分别为机械臂基坐标系 、机械臂末端水听器坐标系 和相机像素坐标系 。通过坐标间的转换关系得到坐标转换矩阵,结合机械臂和机器视觉技术实现聚焦换能器焦点的定位,然后水听器按照规划路径,对焦域进行扫描检测。首先,根据机器视觉技术和手眼系统标定,建立像素坐标系 与机
8、械臂基坐标系 的转换关第 卷第 期段雪亮等:聚焦换能器焦域声场扫描路径规划及测量系。设像素坐标系 上一点为 (,),机械臂基坐标系 在固定 轴高度的 平面上一点为 (,),可得换能器几何中心像素坐标(,)和机械臂基坐标系坐标(,)。()式中:为坐标转换旋转矩阵;为坐标转换平移矩阵。为保证结果的精度和计算效率,本文采用最小二乘法进行最佳函数匹配获得。机械臂末端水听器坐标系 相对于机械臂基坐标系 的位姿变换关系可通过 参数法计算齐次变换矩阵 得到 。设曲率半径为 ,机械臂末端到换能器表面 轴坐标为。最终得到机械臂基坐标系下焦点坐标为(,),如图 所示,焦点处声压最大设为 ,焦域声场分布规律为从焦点
9、向外延伸的同心圆分布,可视为轴对称模型且半径相同圆上的采样点声压值相同,如图 ()所示,焦域呈现椭球形,在焦点处垂直于声轴的剖面内,其 、声压级的路径近似为同心圆路径,作为焦点区域的特征扫描路径,如图 ()所示。图 焦域扫描路径 设计按照声场形状测量声场更加接近真实声场的分布,以焦点(,)为圆心,记为,水听器以此做圆形扫描,半径记作 ,下标记作对应的特征路径的声压级,因此,、对应的路径大小分别为 、。若已知空间圆弧在坐标系 中的圆心坐标、半径和方向,即可在坐标系中对圆弧轨迹进行插值 。如图 ()所示,以 为起点,经过 和 圆弧插值如式()所示:(),(),()式中:为圆弧的方向系数,逆时针为
10、,顺时针为 ;为运动角速度;,为运动时间,运动总时间 。将坐标系插值结果按式()转换到基坐标系中,则可得到水听器扫描路径坐标系 是空间圆弧路径。最后,的运动学方程,可获得水听器扫描路径上对应机械臂各关节位置。,()()式中:表示机械臂 个关节位置,()表示机械臂逆运动学函数。基于有限元仿真声场的路径规划 聚焦换能器声场有限元仿真聚焦换能器的焦距、焦平面内焦域直径和焦柱长度等声场特性参数,是分析其聚焦特性的关键参数。本文利用有限元方法,获得凹球面自聚焦换能器的焦域声压分布,从而获得 、的声压级所在区域,作为后续焦域扫描检测的特征路径。如图 所示,建立凹球面自聚焦换能器的 仿真模型,其曲率半径为
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