CN111380956A - 用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，属于超声无损检测技术领域。该检测系统包括六自由度工业机器人、夹具、水循环装置、水浸超声检测系统和控制系统；待检测零件通过夹具安装在六自由度工业机器人的手臂上，通过控制系统实现零件的自动装夹与换取，通过机器人实现零件的移动与定位；所述水循环装置包括水槽、水箱、水泵、过滤器和喷嘴，水浸探头固定安装在水槽内，喷嘴安装在水浸探头上方；所述水浸超声检测系统包括水浸探头和超声检测仪器，水浸探头与超声检测仪器相连接。本发明超声水浸检测在探头与工件之间填充水层做耦合剂，能够减小盲区，实现近表面检测，检测结果重复性好，易于实现自动化检测，提高检测速度。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域，具体涉及一种用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统。
背景技术
金属增材制造技术是一种数字化的“近净成形”制造技术，可以直接成形任意复杂的三维几何实体，在大型零件及复杂零件的制造领域具有独特优势，广泛应用于航空航天等领域重要零件的制备。作为航空航天的重要结构件，对其成形质量进行准确地无损检测与评价尤为重要。
超声检测具有穿透能力强、定位准确、检测深度大、检测成本低、应用范围广、对人及环境无害等优点，广泛应用用于航空航天、压力容器、核电等重要结构件的无损检测，在无损检测中占有重要的地位。常规超声检测通过人手持移动探头对工件进行检测，工作量大，检测效率低，容易产生疲劳，难以保证工件的全面检测，容易出现漏检，对于大型及复杂零件的检测存在局限性。随着增材制造技术的不断发展，金属增材制件在工业上的应用日益普遍，为了响应金属增材制件的无损检测需求，满足大型及复杂增材制件的高效可靠检测，实现超声自动化检测具有重要意义。
发明内容
针对增材制造零件无损检测领域的需求，本发明的目的在于提供一种用于增材制造零件的超声水浸自动化检测系统，该检测系统能够提高超声检测效率与检测精度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，包括六自由度工业机器人、夹具、水循环装置、水浸超声检测系统和控制系统；其中：
待检测零件通过夹具安装在六自由度工业机器人的手臂上，通过控制系统实现零件的自动装夹与换取，通过机器人实现零件的移动与定位；
所述水循环装置包括水槽、水箱、水泵、过滤器和喷嘴；所述水箱的上表面开口，水槽设于水箱开口处且水槽与水箱相连通；水浸探头固定安装在所述水槽内并通过支撑台支撑，使水浸探头的顶部伸出水槽的顶端平面；所述喷嘴安装在水浸探头上方；所述喷嘴通过管道连接所述水泵，水泵设于水箱内；
所述水浸超声检测系统包括水浸探头和超声检测仪器，水浸探头与超声检测仪器相连接。
所述六自由度工业机器人基本参数为：机器人有效负载10公斤，工作半径1101mm，重复位置精度±0.03mm，自重56kg，机身及手腕均为IP67防护等级。
所述水循环装置中，通过水泵控制水介质以小于3L/min的流动，保证无气泡产生且能够在探头上方测量位置喷出；所述水箱容积为15升，所述水泵功率180W，水泵最大流速为60L/min。
所述水循环装置中，所述水泵的进水口处安装过滤器，所述过滤器能够过滤掉20微米以上的颗粒；所述喷嘴通过螺纹连接件与水浸探头相连接。
所述水浸超声检测系统中，水浸探头为大直径外壳式，频率5MHz，晶片直径19mm。
所述水浸超声检测系统中，水浸探头发射的超声波经过水层进入零件，由数据采集分析软件记录检测位置，同时自动采集探头接收反射声波并保存检测数据。
检测过程中，探头位置固定不动，根据检测零件的三维模型以及检测要求生成检测路径，通过控制软件控制机器人，实现待测零件在检测路径上的自动移动与定位。
检测过程中，采用自动扫查方式进行检测时，应将基准灵敏度提高6dB作为扫查灵敏度，为确保检测时超声声束能够覆盖零件的整个被检区域，探头的每次扫查覆盖应大于探头直径的15％。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明超声水浸检测在探头与工件之间填充一定厚度的水层做耦合剂，探头与工件不直接接触，耦合稳定，对试件表面光洁度要求不高，探头不易磨损，能够减小盲区，可实现近表面检测，检测结果重复性好，易于实现自动化检测，提高检测速度。
2、本发明的水循环装置设计中，所述喷嘴喷出的水能够填充探头上方测量位置处，喷出的水经水槽流回水箱内，再由水箱内的水泵带动，使水经过滤器后到达喷嘴并喷出，形成循环。本发明将喷嘴设于水浸探头上方，并形成水循环，使水介质完全填充超声波探头与工件被测点位之间，实现工件被测量位置的完全水浸没效果。
3、采用本发明自动化水浸检测系统检测，可显著提高检测效率，提高缺陷检出率，防止漏检。
4、本发明的自动化水浸检测系统，适用于大型零件及复杂零件的高效无损检测。
5、本发明的自动化水浸检测系统，避免了检测过程中探头与工件间检测距离的波动，耦合效果好，探头损耗小。
附图说明
图1为超声水浸自动化检测系统检测原理示意图。
图2为本发明自动化检测系统中水循环装置结构示意图。
图3为超声水浸自动化检测系统整体结构示意图。
图4为本发明自动化检测系统局部结构实物图。
图5为检测结果。
图中：1-零件；2-水浸探头；3-喷嘴；4-水槽；5-水箱；6-水泵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明为用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其检测原理如图1所示。整体结构示意图如图3，局部实物图如图4。
该自动化检测系统包括六自由度工业机器人、夹具、水循环装置、水浸超声检测系统和控制系统；待检测零件通过夹具安装在六自由度工业机器人的手臂上，通过控制系统实现零件的自动装夹与换取，通过机器人实现零件的移动与定位；自由度工业机器人采用防水的KUKA KR10R1100WP型，根据工件尺寸的实际需要，也可以换用同系列更小的型号；机器人基本参数为：机器人有效负载10公斤，工作半径1101mm，重复位置精度±0.03mm，自重56kg，机身及手腕均为IP67防护等级。
所述水循环装置结构如图2所示，包括水槽4、水箱5、水泵6、过滤器和喷嘴3；所述水箱5的上表面开口，水槽4设于水箱开口处且水槽通过底面上的开口与水箱相连通；水浸探头2固定安装在所述水槽内并通过支撑架支撑，使水浸探头的顶部伸出水槽的顶端平面；所述喷嘴3通过螺纹连接件与水浸探头相连接，且位于水浸探头上方；所述喷嘴3通过管道连接所述水泵6，水泵设于水箱内；
所述水循环装置中，通过水泵控制水介质以小于3L/min的流动，保证无气泡产生且能够在探头上方测量位置喷出；所述水箱容积为15升，所述水泵的进水口处安装过滤器，过滤器能够过滤掉20微米以上的颗粒；所述水泵功率180W，水泵最大流速为60L/min。
所述水浸超声检测系统包括水浸探头2和超声检测仪器，水浸探头2与超声检测仪器相连接。水浸探头为大直径外壳式，频率5MHz，晶片直径19mm。检测过程中，探头位置固定不动，根据检测零件1的三维模型以及检测要求生成检测路径，通过控制软件控制机器人，实现待测零件在检测路径上的自动移动与定位。
所述水浸超声检测系统中，水浸探头发射的超声波经过水层进入零件1，由数据采集分析软件记录检测位置，同时自动采集探头接收反射声波并保存检测数据。
检测过程中，采用自动扫查方式进行检测时，应将基准灵敏度提高6dB作为扫查灵敏度，为确保检测时超声声束能够覆盖零件的整个被检区域，探头的每次扫查覆盖应大于探头直径的15％。
实施例1：
利用本发明自动化检测系统进行增材制造零件的水浸超声检测，操作流程如下：
1.根据检测工件要求选择探头、试块，设置检测参数并进行声速校准。水浸探头为大直径外壳式，频率5MHz，晶片直径19mm；对比试块为含
平底孔试块，埋深分别为5、10、15、20、30mm、40mm。
(1)创建检测组
在数据采集分析软件中为本次检测创建常规超声检测组。
(2)设置检测工件参数
为创建的常规超声组设置材料声速，包括纵波、横波以及楔块内声速。设置工件厚度、几何形状等参数。
(3)设置扫查参数
为脉冲发生器和接收器设定连接器，并为UT探头设定脉冲宽度值；(将500除以单位为兆赫(MHz)的探头频率，得到以毫秒为单位的脉冲宽度值。)定义扫查偏移和步进偏移值；输入适当的折射角和斜角值。
(4)用对比试块进行声速校准
选择探头的类别和型号，将探头放置在校准试块的位置已知的两个反射体上；将参考光标(红线)放置在第一个反射体的回波上，将测量光标放置在第二个反射体的回波上，将模式设为半声程，并进行校准。
2.人工在机器人末端安装夹具及其对应工件，并安装探头及喷水嘴，如图4所示。
3在控制系统中导入检测工件的三维数据模型，根据检测要求设定检测点及检测路径。
4控制系统根据检测路径自动规划机器人运动轨迹，使工件被测量点位于超声探头测量的最佳位置(角度、距离)。
5机器人根据规划好的运动轨迹带动工件运动，完成所有标定测量位置的检测。
6水浸超声检测系统记录所有检测数据，用于后续数据分析。图5为检测数据，检测数据表明，该增材制造零件无缺陷。
Claims (8)
1.一种用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：该超声水浸自动化检测系统包括六自由度工业机器人、夹具、水循环装置、水浸超声检测系统和控制系统；其中：
待检测零件通过夹具安装在六自由度工业机器人的手臂上，通过控制系统实现零件的自动装夹与换取，通过机器人实现零件的移动与定位；
所述水循环装置包括水槽、水箱、水泵、过滤器和喷嘴；所述水箱的上表面开口，水槽设于水箱开口处且水槽与水箱相连通；水浸探头固定安装在所述水槽内并通过支撑台支撑，使水浸探头的顶部伸出水槽的顶端平面；所述喷嘴安装在水浸探头上方；所述喷嘴通过管道连接所述水泵，水泵设于水箱内；
所述水浸超声检测系统包括水浸探头和超声检测仪器，水浸探头与超声检测仪器相连接。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：所述六自由度工业机器人参数为：机器人有效负载10公斤，工作半径1101mm，重复位置精度±0.03mm，自重56kg，机身及手腕均为IP67防护等级。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：所述水循环装置中，通过水泵控制水介质以小于3L/min的流动，保证无气泡产生且能够在探头上方测量位置喷出；所述水箱容积为15升，所述水泵功率180W，水泵最大流速为60L/min。
4.根据权利要求1所述的用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：所述水循环装置中，所述水泵的进水口处安装过滤器，所述过滤器能够过滤掉20微米以上的颗粒；所述喷嘴通过螺纹连接件与水浸探头相连接。
5.根据权利要求1所述的用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：所述水浸超声检测系统中，水浸探头为大直径外壳式，频率5MHz，晶片直径19mm。
6.根据权利要求1或5所述的用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：所述水浸超声检测系统中，水浸探头发射的超声波经过水层进入零件，由数据采集分析软件记录检测位置，同时自动采集探头接收反射声波并保存检测数据。
7.根据权利要求1所述的用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：检测过程中，探头位置固定不动，根据检测零件的三维模型以及检测要求生成检测路径，通过控制软件控制机器人，实现待测零件在检测路径上的自动移动与定位。
8.根据权利要求1所述的用于增材制造零件的水浸超声自动化检测系统，其特征在于：检测过程中，采用自动扫查方式进行检测时，应将基准灵敏度提高6dB作为扫查灵敏度，为确保检测时超声声束能够覆盖零件的整个被检区域，探头的每次扫查覆盖应大于探头直径的15％。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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