CN110196231A - 一种增材制件的激光超声离线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种增材制件的激光超声离线检测装置及方法，属于无损检测技术领域。装置包括检测路径规划单元：包括切片模块、信息获取模块、扫描路径计算模块；激光超声检测单元：包括机械手臂控制计算机、两个六轴机械手臂、样品台、激励激光发生器和激光超声接收器；信息处理单元：包括工控机、数据采集卡和信号放大器。检测路径规划单元规划好检测路径后，两个机械手臂携带激光超声检测单元对增材制件逐层环扫，在六轴机械手臂高自由度运动下实现对于增材制件的全面检测。

Description

一种增材制件的激光超声离线检测装置及方法

技术领域

本发明专利属于无损检测技术领域，尤其涉及一种增材制件的激光超声离线检测装置及方法。

背景技术

增材制造(additive manufacturing)即我们通常所说的3D打印技术，是一种通过采用材料逐层累积的方法制造实体的工艺，具有成型速度快、数字化智能化程度高和结构复杂等特点。随着高能束技术、软件技术、材料科学和机械自动化等的发展，增材制造逐渐成为智能制造的核心关键技术，在航空航天、生物医疗和模具制造等领域得到广泛应用。

但是由于连续且快速地离散(逐点)堆积的增材过程、复杂的制件结构导致产生了异于传统制造的各类特殊的工艺缺陷，这些缺陷具有尺寸小、随机性强、种类多等特点，从而使得检测和控制具有很大的困难。为了提高产品质量，对于增材制件进行无损检测是非常必要的。一般主要分为在线检测和离线检测两种。

在线检测是在工件的3D打印过程中进行无损检测，如申请号为201810224085.X的专利文献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，其检测装置是通过在机械手末端安放加紧装置将激光超声检测装置与机械手相连，在增材制造过程中，每加工完10层就利用机械手携带激光超声检测装置对当前平面进行X和Y两个方向的扫描，获取当前已经完成的打印层的缺陷信息，继续加工10层后再次扫描，直至工件的完成。但是由于实际的加工过程比较复杂，其中加工过程中的温度、工件表面粗糙度以及加工过程中产生的氧化皮等都会对检测结果产生影响。一方面由于温度升高，被检测材料的表面会产生氧化，导致激光反射率下降，将会使得激光干涉仪所探测到的信号能量有所衰减。另一方面温度的升高会使得声表面波的传播速度下降，传播速度的变化会使得检测过程中缺陷的位置、大小以及深度等信息的分析产生误差。

离线检测是指在工件的3D打印完成后，对于成品进行无损检测。离线检测则不会受到增材过程的影响，使得检测过程更加容易进行。

如申请号为201510040979.X的专利文献公开了一种基于单机械手臂超声无损检测装置及方法，通过机械手臂夹持被检测工件置于水槽中，使机械手相对固定于水槽中的超声检测系统进行扫查轨迹运动，实现金属制件的无损检测。但是该种方法需要水做耦合剂，工件需要置于水槽中，没有激光超声检测方便，并且不能相应地配备增材制造系统。

发明内容

针对上述技术中出现的问题，本发明提出了一种增材制件的激光超声离线检测装置。利用双机械手臂的配合实现对于增材制件的全面检测，同时提高了检测自动化的水平和效率。

本发明所采用的技术方案如下：

一种增材制件的激光超声离线检测装置，包括：

检测路径规划单元，用于将待检测工件的3D模型分层切片，获取每层工件的外轮廓信息，生成每一层的扫描路径，包括：

分层切片模块，对已成型工件的3D模型进行切片分层；

信息获取模块，获取已成型工件每层模型的外轮廓，将外轮廓按照轴线分为两部分，获取外轮廓的位置信息；

扫描路径计算模块，根据已成型工件每层的外轮廓位置信息，计算出检测系统的激励激光和检测激光在已成型工件表面的入射角度以及两个机械手臂运动轨迹的起始点，进而生成检测系统的扫描路径；

激光超声检测单元，用于对工件进行环形扫描，实现对待检测工件的全面检测，包括：设置在待检测工件一侧的第一多轴机械手臂、和设置在待检测工件另一侧的第二多轴机械手臂，其中，第一多轴机械手臂末端安装有激励激光发生器，第二多轴机械手臂末端安装有激光超声接收器；

控制器，与所述第一多轴机械手臂和第二多轴机械手臂信号连接；

信息处理单元，与激光超声接收器相连，用于对激光超声接收器反馈的超声信号进行处理，判断工件中所存在的缺陷。

所述多轴机械手臂为六轴机械手臂。

所述控制器为计算机。

所述信息处理单元包括：数据采集卡、信号放大器和信号处理模块，其中所述激光超声接收器接收的信号通过信号放大器放大后再通过数据采集卡传输至信号处理模块上进行信号处理。

所述信号处理模块为工控机。

本发明进一步公开一种基于所述增材制件的激光超声离线检测装置的检测方法，包括以下几个步骤：

S1规划检测路径

S11所述检测路径规划单元对已成型工件的3D模型进行分层切片处理，分为若干层，每层高度为Δh；

S12信息获取模块可在3D模型被分层后获取第n层模型的外轮廓位置信息，n=正整数，即待检测点在以样品台为基础的三维坐标系中的坐标，然后将待检测层按照以样品台中心轴为分界线，将工件外轮廓分成对称设置的工件左半部分和工件右半部分，第一多轴机械手臂负责工件左半部分的检测，第二多轴机械手臂负责工件右半部分的检测；

S13扫描路径计算模块根据外轮廓的位置信息，根据待检测工件所用材料的折射率计算出检测系统的激励激光和检测激光在打印件表面的入射角度，以及两个机械手臂运动轨迹的起始点，使得激励激光和检测激光在工件表面产生的超声波能够在待检测层中垂直于竖直生长的方向传播，最后根据外轮廓的形状确定所有的扫描点，生成两个机械手臂检测该层的扫描轨迹；

S14第n层扫描路径规划完成后，重复上述S11～S13步骤，规划第n+1层的扫描路径，直至完成整个模型的检测扫描路径规划；

S2激光超声检测

S21两个机械手臂根据检测路径规划系统计算出的激光入射角度α，调节激励激光发生器和激光超声接收器的偏转角度；

S22两个机械手臂携带激光超声检测系统按照已经规划好的扫描路径对金属工件第n层进行环形扫描扫，完成第一层扫描后，手臂抬升高度Δh，进行第对n+1层的扫描，直至完成对于整个工件的环形扫描；

S23扫描过程中，激光超声接收器接收到的超声信号将通过信号放大器放大，由采集卡将获得的超声信号传输至信息处理模块中，通过信息处理模块的分析获得该打印件的缺陷信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

第一．双机械手的配合能够实现对于具有曲面的增材制件进行全方位的无损检测，提高了对于增材制件检测的自动化水平以及检测效率。

第二．由于激励激光和检测激光分布在工件的两侧，采用超声纵波检测法，与同侧分布的表面波检测方法相比，能够检测更大尺寸的工件。

第三．本发明是离线检测，由于检测过程中没有受到增材制造过程的影响，检测结果相比在线检测更加准确。

附图说明

图1为本发明所述检测装置的流程示意图；

图2为本发明所述检测装置的设备系统示意图；

图3为本发明所述检测装置检测路径规划步骤中对工件分层切片结构示意图；

图4为本发明双机械手臂运动轨迹规划示意图；

图5为本发明激光超声检测步骤中声波传播示意图；

其中，1、控制器；2，第一六轴机械手臂；3. 第二六轴机械手臂；4、样品台；5、激励激光发生器；6激光超声接收器；7、待检测工件；8、信号放大器；9、工控机。

具体实施方式

下面将结合所附图片进一步具体说明实施方案，需要说明的是，这里所述的具体实施例仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。同时以下若有未特别详细说明之处，均是相关技术人员可以参考现有技术实现的。

1.构建检测装置

如图2所示，一种基于增材制件的激光超声离线检测装置包括机械手臂控制计算机1、六轴机械手臂（2，3）、样品台4、激励激光发生器5、激光超声接收器6、信号放大器8、工控机9。所述系统中的机械手臂控制计算机1与六轴机械手臂（2，3）相连，由计算机控制机械手臂的运动轨迹；激励激光发生器5安装在机械手2上，激光超声接收器安装在机械手3上，由机械手携带检测装置对样品进行环形扫描检测；样品台4承载已经打印完成的增材制件7；数据采集卡装配在工控机9上，连接信号放大器8，由工控机采集超声信息并进行缺陷分析。

2.规划检测路径

如图3中(1)所示该打印件为一个梯形圆柱，分层切片模块利用Materialise Magics3D软件将对工件的3D模型进行分层切片处理，分为若干层，每层高度为Δh(具体数值根据模型实际情况及检测需求设定)；

信息获取模块则在3D模型被分层后利用CAM软件仿真模拟获取第n(n=1、2、3……)层模型的外轮廓位置信息，即待检测点在以样品台为基础的三维坐标系中的坐标（x,y,z），然后将待检测层按照样品台的y轴线把外轮廓分成1，2两个部分，如图4所示；

扫描路径计算模块根据外轮廓的位置信息，根据待检测工件所用材料的折射率计算出检测系统的激励激光和检测激光在打印件表面的入射角度α，以及两个机械手臂运动轨迹的起始点H、G，使得激励激光和检测激光在工件表面产生的超声波能够在待检测层中垂直于竖直生长的方向传播，最后根据外轮廓的形状确定所有的扫描点，生成两个机械手臂检测该层的扫描轨迹。具体是起始点（x’,y’,z’）中的x’，y’可根据待检测点坐标（x,y,z）及入射角α确定：Δz= z’-z，y’=y，x’=x-Δz*sinα（x<0）；x’= x+Δz*sinα（x>0），z’则根据实际检测情况工件的高度自定义输入；

第n(n=1、2、3……)层扫描路径规划完成后，重复上述(1)～(3)步骤，规划第n+1层的扫描路径，直至完成整个模型的检测扫描路径规划；

3.激光超声检测

两个机械手臂根据检测路径规划系统计算出的激光入射角度α，调节激励激光发生器和激光超声接收器的偏转角度；

两个机械手臂携带激光超声检测系统按照已经规划好的扫描路径对金属工件第n(n=1、2、3……)层进行环形扫描扫，完成第一扫描后，手臂抬升高度Δh，进行对第n+1层的扫描，直至完成对于整个工件的环形扫描；

扫描过程中，激光超声接收器接收到的超声信号将通过信号放大器放大，由采集卡将获得的超声信号传输至工控机中，通过信息处理模块的分析获得该打印件的缺陷信息。

其检测原理为激励激光发生器发射激光照射到增材制件上，通过热弹性效应产生超声纵波，纵波的穿透性较好，传播范围广。此时激光超声接收器发射激光照射到增材制件的表面上，之后激光超声接收器将接收超声信号。如果增材制件中存在某种缺陷，则该缺陷会影响激光超声接收器所接收到的超声信号，使得超声波的能量、模式、传播方向发生变化。

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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种增材制件的激光超声离线检测装置，其特征在于，包括：

检测路径规划单元，用于将待检测工件的3D模型分层切片，获取每层工件的外轮廓信息，生成每一层的扫描路径，包括：

分层切片模块，对已成型工件的3D模型进行切片分层；

信息获取模块，获取已成型工件每层模型的外轮廓，将外轮廓按照轴线分为两部分，获取每部分外轮廓的位置信息；

扫描路径计算模块，根据已成型工件每层的外轮廓位置信息，计算出检测系统的激励激光和检测激光在已成型工件表面的入射角度以及两个机械手臂运动轨迹的起始点，进而生成检测系统的扫描路径；

激光超声检测单元，用于对工件进行环形扫描，实现对待检测工件的全面检测，包括：设置在待检测工件一侧的第一多轴机械手臂、和设置在待检测工件另一侧的第二多轴机械手臂，其中，第一多轴机械手臂末端安装有激励激光发生器，第二多轴机械手臂末端安装有激光超声接收器；

控制器，与所述第一多轴机械手臂和第二多轴机械手臂信号连接；

信息处理单元，与激光超声接收器相连，用于对激光超声接收器反馈的超声信号进行处理，判断工件中所存在的缺陷。

2.根据权利要求1所述的增材制件的激光超声离线检测装置，其特征在于，所述多轴机械手臂为六轴机械手臂。

3.根据权利要求1所述的增材制件的激光超声离线检测装置，其特征在于，所述控制器为计算机。

4.根据权利要求1所述的增材制件的激光超声离线检测装置，其特征在于，所述信息处理单元包括：数据采集卡、信号放大器和信号处理模块，其中所述激光超声接收器接收的信号通过信号放大器放大后再通过数据采集卡传输至信号处理模块上进行信号处理。

5.根据权利要求3所述的增材制件的激光超声离线检测装置，其特征在于，所述信号处理模块为工控机。

6.一种基于权利要求1~6中任一所述增材制件的激光超声离线检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S1规划检测路径：

S11所述检测路径规划单元对已成型工件的3D模型进行分层切片处理，分为若干层，每层高度为Δh；

S12信息获取模块可在3D模型被分层后获取第n层模型的外轮廓位置信息，n=正整数，即待检测点在以样品台为基础的三维坐标系中的坐标，然后将待检测层按照以样品台中心轴为分界线，将工件外轮廓分成对称设置的工件左半部分和工件右半部分，第一多轴机械手臂负责工件左半部分的检测，第二多轴机械手臂负责工件右半部分的检测；

S13扫描路径计算模块根据外轮廓的位置信息，根据待检测工件所用材料的折射率计算出检测系统的激励激光和检测激光在打印件表面的入射角度，以及两个机械手臂运动轨迹的起始点，使得激励激光和检测激光在工件表面产生的超声波能够在待检测层中垂直于竖直生长的方向传播，最后根据外轮廓的形状确定所有的扫描点，生成两个机械手臂检测该层的扫描轨迹；

S14第n层扫描路径规划完成后，重复上述S11～S13步骤，规划第n+1层的扫描路径，直至完成整个模型的检测扫描路径规划；

S2激光超声检测：

S21两个机械手臂根据检测路径规划系统计算出的激光入射角度α，调节激励激光发生器和激光超声接收器的偏转角度；

S22两个机械手臂携带激光超声检测系统按照已经规划好的扫描路径对金属工件第n层进行环形扫描扫，完成第一层扫描后，手臂抬升高度Δh，进行第对n+1层的扫描，直至完成对于整个工件的环形扫描；

S23扫描过程中，激光超声接收器接收到的超声信号将通过信号放大器放大，由采集卡将获得的超声信号传输至信息处理模块中，通过信息处理模块的分析获得该打印件的缺陷信息。