CN108426839A - 一种基于机械手扫查激光超声信号相关分析的增材制造构件检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械手扫查激光超声信号相关分析的增材制造构件检测方法。包括构建机械手式激光超声自动检测系统、激光超声波信号激励及信号采集、超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位三个步骤。本发明的技术效果在于，通过对构件表面检测区域网格化，利用机械手式激光超声自动检测系统，依次扫查X及Y方向的超声检测信号，并进行相异系数计算，实现了增材制造构件缺陷在线快速定位，有效地提高了检测效率。

Description

一种基于机械手扫查激光超声信号相关分析的增材制造构件 检测方法

技术领域

本发明专利属于无损检测领域，特别涉及一种基于机械手扫查激光超声信号相关分析的增材制造构件检测方法。

背景技术

增材制造是一种以数字三维CAD模型文件为基础，运用高能束源或其他方式，将液体、熔融体、粉末、丝、片等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，直接构造出实体的技术。这种技术具有节约材料、可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造等优点，在航天航空、医疗等重要行业得到广泛应用。但与此同时，增材制造存在由工艺参数控制不当导致的缺陷，主要有孔洞、翘曲变形、球化、存在未熔颗粒等。这些缺陷会严重影响构件的使用性能，制约了增材制造技术的实际工业应用。

为了有效地检测缺陷提高产品质量，可采用离线或在线无损检测技术。离线检测技术仅用于制造完成后的成品检测，如申请公布号CN 104597125 A，公布日为2015年5月6日的专利文献公开了一种用于3D打印件的超声检测控制方法及装置，通过控制超声检测设备的探头按照各待检测点对应的检测位置的入射角进行扫描，能够提高3D打印件的检测信号信噪比和缺陷检出率。但操作复杂，需确定待检测点，并且它只能检测出成形之后产品的缺陷，不能及时地调整参数来控制产品制造质量。

在线检测能及时发现缺陷并自动或人工干预制造过程，改善增材制造构件质量。现有增材制造过程中，在线检测方法主要有激光超声法、红外热成像法、CCD成像法等。其中激光超声具有非接触、灵敏度高、可检测复杂形状构件等优势，特别适合于增材制造过程的在线实时检测，如申请公布号CN106018288 A，公布日为2016年10月12日的专利文献公布了一种激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，但该方法采用逐点扫查，使得扫描点数过多，扫描路径复杂，检测费时，降低了实际增材制造的检测效率。

发明内容

为提高激光超声在增材制造过程中的检测效率，实现缺陷的快速识别与定位。本发明提出了一种基于机械手扫查激光超声信号相关分析的增材制造构件检测方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于机械手扫查激光超声信号相关分析的增材制造构件检测方法，包括以下步骤：

步骤一：构建机械手式激光超声自动检测系统，所述系统包括控制模块、机械手、夹紧装置、一套激光超声检测装置、数据采集及处理模块；机械手通过控制模块实现运动控制，夹紧装置安装在机械手的末端臂上，一套激光超声检测装置则通过夹紧装置与机械手相连，其中一套激光超声检测装置包括脉冲激光器和激光干涉仪，数据采集及处理模块包括数据采集卡和计算机；

步骤二：对增材制造过程中的构件进行激光超声波信号激励及信号采集，以基板表面中心为原点，基板表面为XOY面，建立空间直角坐标系OXYZ，调整机械手在空间中的路径和初始位置；根据构件三维模型的整体高度H以及切片层的厚度ΔH，确定脉冲激光器以及激光干涉仪在Z方向上的移动步距；根据构件三维模型的宽度、长度及检测精度需求确定脉冲激光器和激光干涉仪在X、Y方向上的移动步距；通过脉冲激光器激励超声波信号，激光干涉仪接收信号，数据采集及处理模块采集超声波数据并保存至计算机中；

步骤三：超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位，首先提取步骤二中X方向上和Y方向上所采集的超声波数据，每一次激光超声检测完成后，先计算出X方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数，再计算出Y方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数。然后根据相异系数可得出X方向与Y方向上不同位置检测点所累加的相异系数之和，再根据给定阈值得出存在缺陷的区域，最后由X和Y方向上存在缺陷的共同区域判定缺陷所在的位置。

所述的方法，所述的步骤二中，对构件进行激光超声波信号激励及信号采集的步骤包括：

步骤1：调整机械手在空间中的路径和初始位置，使脉冲激光器距离基板表面的距离为d1，激光干涉仪距离基板表面的距离为d2，进一步调整脉冲激光器和激光干涉仪的方位，保证激光入射点距离基板边界距离d3，使激光干涉仪此时接收的超声波信号为最大值；

步骤2：根据构件三维模型的整体高度H以及切片层的厚度ΔH，确定脉冲激光器和激光干涉仪在Z轴方向上移动的距离h取值范围[d1,h_z]，其中h_z＝H+d1，将H划分为K等份，即选取K个Z方向的激光超声波激励位置，确定脉冲激光器和激光干涉仪Z方向上的移动步距ΔZ，ΔZ根据构件具体高度以及检测精度需求确定；

步骤3：根据构件三维模型的宽度和长度以及检测精度需求，将模型第k次检测的二维平面沿X方向划分为M等份，沿Y方向划分为N等份，确定脉冲激光器以及激光干涉仪在X方向上的移动步距ΔX和在Y方向上的移动步距ΔY，由机械手控制一套激光超声检测装置在XY平面内先后沿着X方向和Y方向运动，同时脉冲激光器实现激光超声波信号激励、激光干涉仪实现信号接收；第一次检测时，计算机实时将X方向和Y方向上每个检测点位置的超声波信号进行保存，获得的信号记为S_1,m、E_1,n，信号保存后，脉冲激光器和激光干涉仪沿着Z方向上升一个步长ΔZ，当所设定的新的一次加工层数完成后，开始第二次检测，脉冲激光器和激光干涉仪继续激励和接收X和Y方向上的超声波信号，获得新的信号S_2,m、E_2,n，类似的，即依次获得X方向的信号S_1,m,S_2,m,…,S_k,m、Y方向的信号E_1,n,E_2,n,…,E_k,n，直到构件加工完成，其中m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N。

所述的方法，所述的步骤三中，超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位步骤包括：

步骤1：超声波信号相异系数计算，当采集信号为S_k,m(m＝1,2,…,M)时，先求出S_K,i和S_K,j(其中i,j∈[1,M]，且i≠j)相关系数：

再求出S_K,i和S_K,j的相异系数：

α_K,i,j＝1-ρ_K,i,j

当采集信号为E_K,n(n＝1,2,…,N)时，先求出E_K,i和E_K,j(其中i,j∈[1,N]，且i≠j)相关系数：

再求出E_K,i和E_K,j的相异系数：

β_k,i,j＝1-δ_k,i,j

步骤2：缺陷识别定位，提取步骤三中所储存的相异系数α_k,i,j及β_k,i,j，分别对其进行求和计算，

设定阈值ε，当γ_k,i>ε时，此时第k次检测中X方向上i点所对应的扫描路径上存在缺陷，当σ_k,j>ε时，此时第k次检测中Y方向上j点所对应的扫描路径上存在缺陷，结合X、Y方向不同位置点所存在缺陷的路径，可以确定缺陷的具体位置(S_k,i，E_k,j)。

本发明的技术效果在于，通过对构件表面检测区域网格化，利用机械手式激光超声自动检测系统，依次扫查X及Y方向的超声检测信号，并进行相异系数计算，实现了增材制造构件缺陷在线快速定位，有效地提高了检测效率。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明检测系统示意图；

图2为本发明机械手式激光超声检测系统的结构示意图；

图3为本发明激光超声扫描路径示意图；

图4为本发明流程示意图；

图5为本发明具体实施方式中激光超声扫描路径示意图；

其中图2中1为机械手、2为夹紧装置、3为脉冲激光器、4为激光干涉仪、5为构件、6为基板。

具体实施方式

参见图1，以构建一个机械手式激光超声自动检测系统为步骤一，包括控制模块、机械手、夹紧装置、一套激光超声检测装置、数据采集及处理模块。机械手通过控制模块实现运动控制，夹紧装置安装在机械手的末端臂上，一套激光超声检测装置则通过夹紧装置与机械手相连；其中一套激光超声检测装置包括脉冲激光器和激光干涉仪，激光器和激光干涉仪的具体型号可根据实际被测构件做相应的调整，在本检测实例中，选用Nd：YAG激光器，F-P激光干涉仪，采样频率为200MHz的PCIe9852数据采集卡采集超声波信号数据。

步骤二、激光超声波信号激励及信号采集

(1)调整机械手在空间中的路径和初始位置，使脉冲激光器距离基板表面的距离为d1，激光干涉仪距离基板表面的距离d2，进一步调整脉冲激光器和激光干涉仪的方位，保证激光入射点距离基板边界距离d3，使激光干涉仪此时接收的超声波信号为最大值。本实例中，d1＝d2＝15mm，d3＝8mm。

(2)根据构件三维模型的整体高度H以及切片层的厚度ΔH，确定脉冲激光器和激光干涉仪在Z轴方向上移动的距离h取值范围[d1,h_z]，其中h_z＝H+d1，将H划分为K等份，即选取K个Z轴方向的激光超声波激励位置，确定脉冲激光器和激光干涉仪Z轴方向上的移动步距ΔZ；ΔZ根据构件具体高度以及检测精度需求确定。本实例中H＝100mm，ΔH＝0.08mm，k＝125，ΔZ＝0.8mm。

(3)根据构件三维模型的宽度和长度以及检测精度需求，将模型第5次检测的二维平面沿X方向划分为2000等份，沿Y方向划分为1625等份，确定脉冲激光器以及激光干涉仪在X方向上的移动步距ΔX和在Y方向上的移动步距ΔY，由机械手控制一套激光超声检测装置在XY平面内先后沿着X方向和Y方向运动，同时脉冲激光器实现激光超声波信号激励、激光干涉仪实现信号接收。本实例中设定ΔX＝0.04mm，ΔY＝0.04mm。

(4)第一次检测时，计算机实时将X方向和Y方向上每个检测点位置的超声波信号进行保存，获得的信号记为S_1,m、E_1,n，信号保存后，脉冲激光器和激光干涉仪沿着Z轴方向上升一个步长0.8mm，当所设定的新的10层加工层数完成后，开始第二次检测，脉冲激光器和激光干涉仪继续激励和接收X和Y方向上的超声波信号，获得新的信号S_2,m、E_2,n，类似的，即依次获得X方向的信号S_1,m,S_2,m,…,S_125,m、Y方向的信号E_1,n,E_2,n,…,E_125,n，直到构件加工完成，其中m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N。本实例中，第5次检测获得X方向的信号为S_5,1,S_5,2,…,S_5,2000、Y方向的信号为E_5,1,E_5,2,…,E_5,1625。

步骤三、超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位计算

首先提取步骤二中X方向上和Y方向上所采集的超声波数据，每一次激光超声检测完成后，先计算出X方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数，再计算出Y方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数。然后根据相异系数可得出X方向与Y方向上不同位置检测点所累加的相异系数之和，再根据给定阈值得出存在缺陷的区域，最后由X和Y方向上存在缺陷的共同区域判定缺陷所在的位置。

其中，超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位的步骤包括：

当采集信号为S_k,m(m＝1,2,…,M)时，先求出S_K,i和S_K,j(其中i,j∈[1,M]，且i≠j)相关系数：

再求出S_K,i和S_K,j的相异系数：

α_K,i,j＝1-ρ_K,i,j

当采集信号为E_K,n(n＝1,2,…,N)时，先求出E_K,i和E_K,j(其中i,j∈[1,N]，且i≠j)相关系数：

再求出E_K,i和E_K,j的相异系数：

β_i-j＝1-δ_i-j

提取步骤三中所储存的相异系数α_k,i,j及β_k,i,j，分别对其进行求和计算，

设定阈值ε＝0.8，当γ_k,i>ε时，此时第k次检测中X方向上i点所对应的扫描路径上存在缺陷，当σ_k,j>ε时，此时第k次检测中Y方向上j点所对应的扫描路径上存在缺陷，结合X、Y方向不同位置点所存在缺陷的路径，可以确定其中两个缺陷的具体位置(S_5,150，E_5,120)、(S_5,1200，E_5,720)。

Claims (3)

1.一种基于机械手扫查激光超声信号相关分析的增材制造构件检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建机械手式激光超声自动检测系统，所述系统包括控制模块、机械手、夹紧装置、一套激光超声检测装置、数据采集及处理模块；机械手通过控制模块实现运动控制，夹紧装置安装在机械手的末端臂上，一套激光超声检测装置则通过夹紧装置与机械手相连，其中一套激光超声检测装置包括脉冲激光器和激光干涉仪，数据采集及处理模块包括数据采集卡和计算机；

步骤二：对增材制造过程中的构件进行激光超声波信号激励及信号采集，以基板表面中心为原点，基板表面为XOY面，建立空间直角坐标系OXYZ，调整机械手在空间中的路径和初始位置；根据构件三维模型的整体高度H以及切片层的厚度ΔH，确定脉冲激光器以及激光干涉仪在Z方向上的移动步距；根据构件三维模型的宽度、长度及检测精度需求确定脉冲激光器和激光干涉仪在X、Y方向上的移动步距；通过脉冲激光器激励超声波信号，激光干涉仪接收信号，数据采集及处理模块采集超声波数据并保存至计算机中；

步骤三：超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位，首先提取步骤二中X方向上和Y方向上所采集的超声波数据，每一次激光超声检测完成后，先计算出X方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数，再计算出Y方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数，然后根据相异系数可得出X方向与Y方向上不同位置检测点所累加的相异系数之和，再根据给定阈值得出存在缺陷的区域，最后由X和Y方向上存在缺陷的共同区域判定缺陷所在的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，对构件进行激光超声波信号激励及信号采集的步骤包括：

步骤1：调整机械手在空间中的路径和初始位置，使脉冲激光器距离基板表面的距离为d1，激光干涉仪距离基板表面的距离为d2，进一步调整脉冲激光器和激光干涉仪的方位，保证激光入射点距离基板边界距离d3，使激光干涉仪此时接收的超声波信号为最大值；

步骤2：根据构件三维模型的整体高度H以及切片层的厚度ΔH，确定脉冲激光器和激光干涉仪在Z轴方向上移动的距离h取值范围[d1,h_z]，其中h_z＝H+d1，将H划分为K等份，即选取K个Z方向的激光超声波激励位置，确定脉冲激光器和激光干涉仪Z方向上的移动步距ΔZ，ΔZ根据构件具体高度以及检测精度需求确定；

步骤3：根据构件三维模型的宽度和长度以及检测精度需求，将模型第k次检测的二维平面沿X方向划分为M等份，沿Y方向划分为N等份，确定脉冲激光器以及激光干涉仪在X方向上的移动步距ΔX和在Y方向上的移动步距ΔY，由机械手控制一套激光超声检测装置在XY平面内先后沿着X方向和Y方向运动，同时脉冲激光器实现激光超声波信号激励、激光干涉仪实现信号接收；第一次检测时，计算机实时将X方向和Y方向上每个检测点位置的超声波信号进行保存，获得的信号记为S_1,m、E_1,n，信号保存后，脉冲激光器和激光干涉仪沿着Z方向上升一个步长ΔZ，当所设定的新的一次加工层数完成后，开始第二次检测，脉冲激光器和激光干涉仪继续激励和接收X和Y方向上的超声波信号，获得新的信号S_2,m、E_2,n，类似的，即依次获得X方向的信号S_1,m,S_2,m,…,S_k,m、Y方向的信号E_1,n,E_2,n,…,E_k,n，直到构件加工完成，其中m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤三中，超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位步骤包括：

步骤1：超声波信号相异系数计算，当采集信号为S_k,m(m＝1,2,…,M)时，先求出S_k,i和S_k,j(其中i,j∈[1,M]，且i≠j)相关系数：

再求出S_K,i和S_K,j的相异系数：

α_K,i,j＝1-ρ_K,i,j

当采集信号为E_K,n(n＝1,2,…,N)时，先求出E_k,i和E_k,j(其中i,j∈[1,N]，且i≠j)相关系数：

再求出E_K,i和E_K,j的相异系数：

β_k,i,j＝1-δ_k,i,j

步骤2：缺陷识别定位，提取所述权利要求3中所储存的相异系数α_k,i,j及β_k,i,j，分别对其进行求和计算：

设定阈值ε，当γ_k,i>ε时，此时第k次检测中X方向上i点所对应的扫描路径上存在缺陷，当σ_k,j>ε时，此时第k次检测中Y方向上j点所对应的扫描路径上存在缺陷，结合X、Y方向不同位置点所存在缺陷的路径，可以确定缺陷的具体位置(S_k,i，E_k,j)。