CN110441395B - 一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属增材在线检测技术领域，特别涉及一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统及方法。该系统包括打印系统、水浸超声信号激励及探测系统、运动控制系统、水循环系统。通过水浸式超声在线检测系统与增材制造装备的一体化集成，实现水浸式超声探头对基板下表面的平面扫查，基于打印层反射回波实现增材制造组织及缺陷的在线无损检测。本发明实现了水浸超声波扫描检测和增材制造过程的相互独立作业，避免了相互之间的干扰；实现了自适应工艺调控和缺陷在线修复，有效提高了增材制造零件的质量；同时水浸式超声检测系统稳定性高，可有效抑制增材制造过程中的振动、电磁干扰、粗糙表面等因素对检测结果准确性的影响，检测精度高。

Description

一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统及方法

技术领域

本发明属于金属增材制造在线检测技术领域，特别涉及一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统及方法。

背景技术

增材制造技术结合CAD/CAM、高能束熔覆和快速原型制造等技术，可实现高性能复杂结构零件快速、精密成形，具有无需事先制造模具、材料利用率高、可一次完成复杂结构件的快速制造等优势。由于增材制造加工是一个逐层累积和移动式点热源瞬时加热熔化后快速冷却的过程，成形过程涉及复杂的传热及组织相变过程，导致增材制造结构件的晶体组织表现出不均匀性、明显的各向异性及晶界组织的微小化，降低了材料的延展性，且零件内部极易产生孔隙、夹杂、未融合等缺陷。金属增材制造结构件缺陷及内部组织控制已经成为影响增材制造工艺推广应用的技术瓶颈。

要实现增材制造技术的推广应用，需将质量监测前移到增材制造过程中，实现组织及缺陷的快速、准确、无损检测，并基于检测信息反馈实现在线工艺闭环调控，以确保增材制造件的质量。超声检测具有高灵敏特性、强穿透力、强指向性、材料适用范围广、设备简单、对人体无害等优点，已经被引入到增材制造在线检测中。

现有增材制造超声在线检测主要基于激光超声检测技术，如公布号为CN109387568A，名称：《一种激光超声检测装置及增材制造、检测一体设备》的专利，通过采用超声波检测缺陷的同时对制件温度采用红外测温仪进行实时检测，大幅度的提升了缺陷检测的准确度。但是增材制造过程中强电磁辐射、高温、粉尘、震动、强光散射等各种极端干扰源，对激光检测系统的性能与稳定性影响巨大，且打印层表面粗糙高，导致激光超声检测信噪比低，对组织、缺陷等冶金特征的检测精度较低。

发明内容

本发明要解决的问题是克服背景技术的不足，提供一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统，包括工控机，所述工控机连接高能束发生装置，高能束发生装置与机械手连接，机械手连接机械手控制柜，机械手控制柜连接工控机，还包括一水槽，所述水槽内放置工作台，工作台上固定有直线导轨A和直线导轨B，工作台向上固定基板，基板位于直线导轨A和直线导轨B上方，机械手位于基板上方，水槽内的水平面在基板的上表面和下表面之间；所述直线导轨A与直线导轨B在同一水平面上且垂直，水浸式超声探头固定在直线导轨A的滑块A上，直线导轨A一端固定在直线导轨B的滑块B上，直线导轨A的步进电机A连接驱动器A，直线导轨B的步进电机B连接驱动器B，驱动器A和驱动器B均与工控机内的两轴运动控制板卡连接，步进电机A和步进电机B均设有旋转编码器；所述水浸式超声探头通过防水线缆连接工控机内的超声脉冲发射采集卡，超声脉冲发射采集卡与工控机内的超声信号处理板卡连接；所述水槽连接一冷水机。

其中：

水浸式超声探头：用于发射出超声信号并接收当前打印层反射的超声回波信号，并将接收的超声回波信号发送给超声脉冲发射采集卡。

超声脉冲发射采集卡：用于超声信号的激励；实时采集超声回波信号，并将采集到的超声回波信号发送给超声信号处理板卡。

超声信号处理板卡：用于对接收的超声回波信号进行识别及表征，并将缺陷尺寸的识别结果实时传输至工控机。

旋转编码器：实时反馈水浸式超声探头的位置信息，并将位置信息发送给两轴运动控制板卡。

两轴运动控制板卡：根据水浸式超声探头的位置信息，控制水浸式超声探头在直线导轨A和直线导轨B上的运动。

进一步的，所述机械手控制柜连接示教器。

优选的，所述高能束发生装置采用为金属增材制造提供热源的激光束发生装置、电子束发生装置、离子束发生装置、等离子束发生装置中任一种。

优选的，所述激光束发生装置为光纤激光器。

优选的，所述水浸式超声探头采用高分辨率、高频水浸超声探头。

本发明还包括一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测方法，基于上述在线检测系统完成，包括以下步骤：

（一）在工控机中预先设置缺陷尺寸阈值、金属增材制造工艺参数，设置超声检测开始所需要达到的金属构件打印的层数。

（二）当达到所预设的打印层数时，工控机通过两轴运动控制板卡控制水浸式超声探头开始实施超声波扫描检测；同时，工控机控制超声脉冲发射采集卡进行超声信号的激励及超声回波信号的采集，水浸式超声探头发射出超声信号并接收当前打印层反射的超声回波信号，并将超声回波信号发送给超声脉冲发射采集卡进行实时采集，超声脉冲发射采集卡将采集到的超声回波信号发送给超声信号处理板卡，通过超声信号处理板卡进行超声回波信号的识别及表征，并将缺陷尺寸的识别结果实时传输至工控机。

（三）工控机将接收到的缺陷尺寸的识别结果与预先设定的缺陷尺寸阈值比较：当缺陷尺寸的识别结果未超过缺陷尺寸阈值时，则实施下一层打印；当缺陷尺寸的识别结果超过缺陷尺寸阈值时，工控机控制机械手对当前层实施在线修复，直至当前层的缺陷尺寸的识别结果在预先设定的缺陷尺寸阈值之内，然后再进行下一层的打印。

（四）重复上述步骤（二）和步骤（三）进行之后层的打印，直至完成所有片层打印。

上述步骤（三）中，当缺陷为局部缺陷时，在线修复是对缺陷部位进行重熔后调整增材制造工艺参数；当缺陷部位遍布整个当前层时，在线修复是对已熔化成形的金属零件切片层实施机械切除，工控机调整增材制造工艺参数，重新打印缺陷部位。

本发明提供了一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统，应用于金属增材制造过程的在线无损检测及自适应工艺调控，通过水浸式超声在线检测系统与增材制造装备的一体化集成，实现水浸式超声探头对基板下表面的平面扫查，基于打印层反射回波实现增材制造缺陷的在线无损检测。本发明可实现水浸超声波扫描检测和增材制造过程的相互独立作业，避免了相互之间的干扰；实现了基于在线无损检测信息反馈的自适应工艺调控和缺陷在线修复，有效提高增材制造零件的质量，减少废品率；同时水浸式超声检测系统稳定性高，可有效抑制增材制造过程中的振动、电磁干扰、粗糙表面等因素对检测结果准确性的影响，检测精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

图中，1工控机，2光纤激光器，3机械手控制柜，4示教器，5光纤，6机械手，7 增材制造件，8基板，9固定螺栓，10水浸式超声探头，11防水线缆，12超声脉冲发射采集卡，13超声信号处理板卡，14两轴运动控制板卡，15驱动器A，16步进电机A，17直线导轨A，18驱动器B，19步进电机B，20直线导轨B，21冷水机，22水槽，23工作台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1所示，本发明的在线检测系统包括四大部分，分别为打印系统、超声信号激励及探测系统、运动控制系统、水循环系统。其中，打印系统包括一工控机1，工控机1是整个系统的控制中心，对增材制造打印过程、超声检测过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制。在金属增材制造打印中，可以为金属增材制造提供热源的装置目前存在多种，比如激光束发生装置、电子束发生装置、离子束发生装置、等离子束发生装置等，本发明的高能束发生装置可采用上述装置类型中的任一种，只要能为金属增材制造提供热源，实现增材制造打印即可。在本实施例中高能束发生装置选用光纤激光器2为例进行说明，工控机1连接光纤激光器2，光纤激光器2与机械手6通过光纤5连接，光纤5连接在机械手6的夹具上，机械手6连接机械手控制柜3，机械手控制柜3又与工控机1连接。光纤激光器2用于产生打印激光，通过工控机1控制其功率。工控机1通过机械手控制柜3控制机械手6的操作。为了能对机械手6进行手动操控，本实施例优选的，机械手控制柜3连接一示教器4，这样可以通过示教器4对机械手6手动操控。上述各部分组成打印系统，打印系统为现有增材制造打印的公知系统，这里不再赘述。下面重点对本发明相对现有技术改进的其余三部分进行详细介绍：

本发明的水循环系统，包括一水槽22，在水槽22内放置工作台23，工作台23向上固定有基板8，基板8位于机械手6下方，基板8为增材制造所用基板。基板8通过固定螺栓9固定在工作台23上方。水槽22内的水平面在基板8的上表面和下表面之间，以保证水浸式超声探头10浸于循环冷却水中，保证水浸式超声探头10在有效工作温度范围内，同时对基板8进行降温冷却。水槽22通过连接冷水机21实现水的循环冷却，水槽22内的水进入冷水机21通过制冷系统将水冷却，再由水泵将低温冷却水送入水槽22，冷却水将增材制造加工过程中基板8的热量带走温度升高后然后再回流到冷水机21内，冷水机21在工业生产中应用广泛，其与水槽22的连接及原理这里不再赘述。

本发明的运动控制系统包括固定在工作台23上的直线导轨A17和直线导轨B20，直线导轨A17和直线导轨B20位于基板8下方，直线导轨A17和直线导轨B20在同一水平面上且互相垂直。直线导轨A17设有滑块A，直线导轨B20上设有滑块B，滑块A和滑块B分别在直线导轨A17和直线导轨B20上滑动。其中，直线导轨A17的一端固定在滑块B上，通过滑块B带动整个直线导轨A17在直线导轨B20的方向上滑动。水浸式超声探头10固定在滑块A上，这样通过滑块A和滑块B的运动实现了水浸式超声探头10在基板8工作区域的全面积扫查。

上述直线导轨A17的步进电机A16连接驱动器A15，直线导轨B20的步进电机B19连接驱动器B18，驱动器A15和驱动器B18均与工控机1内的两轴运动控制板卡14连接。其中步进电机A16和步进电机B19均设有旋转编码器，旋转编码器可以实时反馈水浸式超声探头10的位置信息，并将位置信息发送给两轴运动控制板卡14，两轴运动控制板卡14根据发送来的水浸式超声探头10的位置信息，控制水浸式超声探头10的运动。

本发明的超声信号激励及探测系统包括水浸式超声探头10，水浸式超声探头10通过防水线缆11连接工控机1内的超声脉冲发射采集卡12，超声脉冲发射采集卡12与工控机1内的超声信号处理板卡13连接。其中：水浸式超声探头10发射出超声信号并接收当前打印层反射的超声回波信号，并将接收的超声回波信号发送给超声脉冲发射采集卡12，水浸式超声探头10可以采用具有较高分辨率的高频水浸超声纵波或横波探头，探头频率可以根据检测需求选择；超声脉冲发射采集卡12可实现超声信号的激励，实时采集超声回波信号，并将采集到的超声回波信号发送给超声信号处理板卡13；超声信号处理板卡13用于对接收的超声回波信号进行处理识别，实现增材制造打印层缺陷的在线实时识别，并将缺陷尺寸的识别结果实时传输至工控机1，在工控机1中预先设置缺陷尺寸阈值，为增材制造工艺的实时在线调控提供参考，工控机1根据缺陷尺寸的识别结果控制机械手6的操作及进行工艺参数的调整。

基于上述在线检测系统，本发明的在线检测方法包括以下步骤：

步骤一：参数设置

在增材制造开始生产之前，在工控机1中预先设置缺陷尺寸阈值；在工控机1中根据要求设定增材制造工艺参数，比如设定机械手6运动轨迹、扫描速度、搭接率等工艺参数；设置超声检测开始所需要达到的金属构件打印的层数为n。

步骤二：在线超声检测

上述参数设置完成后，增材制造开始，采用机械手6在基板8上逐层加工增材制造件7，当达到所预设的打印层数n时，工控机1将发出信号到两轴运动控制板卡14，通过两轴运动控制板卡14控制滑块A和滑块B的运动，从而带动水浸式超声探头10开始实施超声波扫描检测。与此同时，工控机1控制超声脉冲发射采集卡12实现超声信号的激励，使得水浸式超声探头10发射出超声信号并接收当前打印层反射的超声回波信号，并将超声回波信号发送给超声脉冲发射采集卡12进行实时采集，超声脉冲发射采集卡12将采集到的超声回波信号发送给超声信号处理板卡13，通过超声信号处理板卡13进行超声回波信号的识别及表征，判断气孔、未融合等缺陷的存在，并将缺陷尺寸的识别结果实时传输至工控机1。

步骤三：在线调整

工控机1将接收到的缺陷尺寸的识别结果与预先设定的缺陷尺寸阈值比较：

当缺陷尺寸的识别结果未超过缺陷尺寸阈值时，则实施下一层打印，即（n+1）层的打印；

当缺陷尺寸的识别结果超过缺陷尺寸阈值时，这时，工控机1通过机械手控制柜3控制机械手6对第n层实施在线修复。当缺陷为局部缺陷时，在线修复是将缺陷部位进行重熔后调整增材制造工艺参数；当缺陷部位遍布整个第n层时，在线修复是对已熔化成形的金属零件切片层实施机械切除，工控机1调整增材制造工艺参数，比如调整激光器2功率、机械手6扫描速度等，重新打印缺陷部位；对缺陷部位实施在线修复后，重新进行超声扫描检测直至第n层的缺陷尺寸的识别结果在预先设定的缺陷尺寸阈值之内，然后再进行下一层的打印。工控机1根据缺陷在线修复为现有技术，这里不再赘述。

步骤四：重复上述步骤二和步骤三中的在线超声检测和在线调整进行n层以后的打印，即n层以后的每一层打印结果都要满足缺陷尺寸的识别结果不超过预先设定的缺陷尺寸阈值才可进行下一层打印，直至完成所有片层打印，至此打印结束。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统，包括工控机（1），所述工控机（1）连接高能束发生装置，高能束发生装置与机械手（6）连接，机械手（6）连接机械手控制柜（3），机械手控制柜（3）连接工控机（1），其特征在于：还包括一水槽（22），所述水槽（22）内放置工作台（23），工作台（23）上固定有直线导轨A（17）和直线导轨B（20），工作台（23）向上固定基板（8），基板（8）位于直线导轨A（17）和直线导轨B（20）上方，机械手（6）位于基板（8）上方，水槽（22）内的水平面在基板（8）的上表面和下表面之间；所述直线导轨A（17）与直线导轨B（20）在同一水平面上且垂直，水浸式超声探头（10）固定在直线导轨A（17）的滑块A上，直线导轨A（17）一端固定在直线导轨B（20）的滑块B上，直线导轨A（17）的步进电机A（16）连接驱动器A（15），直线导轨B（20）的步进电机B（19）连接驱动器B（18），驱动器A（15）和驱动器B（18）均与工控机（1）内的两轴运动控制板卡（14）连接，步进电机A（16）和步进电机B（19）均设有旋转编码器；所述水浸式超声探头（10）通过防水线缆（11）连接工控机（1）内的超声脉冲发射采集卡（12），超声脉冲发射采集卡（12）与工控机（1）内的超声信号处理板卡（13）连接；所述水槽（22）连接一冷水机（21）；

其中：

水浸式超声探头（10）：用于发射出超声信号并接收当前打印层反射的超声回波信号，并将接收的超声回波信号发送给超声脉冲发射采集卡（12）；

超声脉冲发射采集卡（12）：用于超声信号的激励；实时采集超声回波信号，并将采集到的超声回波信号发送给超声信号处理板卡（13）；

超声信号处理板卡（13）：用于对接收的超声回波信号进行识别及表征，并将缺陷尺寸的识别结果实时传输至工控机（1）；

旋转编码器：实时反馈水浸式超声探头（10）的位置信息，并将位置信息发送给两轴运动控制板卡（14）；

两轴运动控制板卡（14）：根据水浸式超声探头（10）的位置信息，控制水浸式超声探头（10）在直线导轨A（17）和直线导轨B（20）上的运动。

2.根据权利要求1所述的金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统，其特征在于：所述机械手控制柜（3）连接示教器（4）。

3.根据权利要求1所述的金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统，其特征在于：所述高能束发生装置采用为金属增材制造提供热源的激光束发生装置、电子束发生装置、离子束发生装置、等离子束发生装置中任一种。

4.根据权利要求3所述的金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统，其特征在于：所述激光束发生装置为光纤激光器（2）。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的金属增材制造过程的水浸超声在线检测系统，其特征在于：所述水浸式超声探头（10）采用高分辨率、高频水浸超声探头。

6.一种金属增材制造过程的水浸超声在线检测方法，包括以下步骤：

（一）在工控机（1）中预先设置缺陷尺寸阈值、金属增材制造工艺参数，设置超声检测开始所需要达到的金属构件打印的层数；

（二）当达到所预设的打印层数时，工控机（1）通过两轴运动控制板卡（14）控制水浸式超声探头（10）开始实施超声波扫描检测；同时，工控机（1）控制超声脉冲发射采集卡（12）进行超声信号的激励及超声回波信号的采集，水浸式超声探头（10）发射出超声信号并接收当前打印层反射的超声回波信号，并将超声回波信号发送给超声脉冲发射采集卡（12）进行实时采集，超声脉冲发射采集卡（12）将采集到的超声回波信号发送给超声信号处理板卡（13），通过超声信号处理板卡（13）进行超声回波信号的识别及表征，并将缺陷尺寸的识别结果实时传输至工控机（1）；

（三）工控机（1）将接收到的缺陷尺寸的识别结果与预先设定的缺陷尺寸阈值比较：当缺陷尺寸的识别结果未超过缺陷尺寸阈值时，则实施下一层打印；当缺陷尺寸的识别结果超过缺陷尺寸阈值时，工控机（1）控制机械手（6）对当前层实施在线修复，直至当前层的缺陷尺寸的识别结果在预先设定的缺陷尺寸阈值之内，然后再进行下一层的打印；

（四）重复上述步骤（二）和步骤（三）进行之后层的打印，直至完成所有片层打印。

7.根据权利要求6所述的金属增材制造过程的水浸超声在线检测方法，其特征在于：所述步骤（三）中，当缺陷为局部缺陷时，在线修复是对缺陷部位进行重熔后调整增材制造工艺参数；当缺陷部位遍布整个当前层时，在线修复是对已熔化成形的金属零件切片层实施机械切除，调整增材制造工艺参数，重新打印缺陷部位。

Images