CN113155974A - 一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统 - Google Patents

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Abstract

随着人工智能和工业化的推进，智能制造已经成为重要的发展方向。目前，在产品生产制造方面，智能制造发展迅速，成果颇丰。但是，在设备的运行监测和维修方面，自动化程度仍然较低。本发明涉及一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，属于智能制造技术领域，可以对生产机械、大型矿用设备、特种运输设备、海上平台、航空航天等设备中的金属部件进行损伤识别和3D打印修复，特别适合于有毒有害危险环境等不适宜人类作业的情况下使用，具有适用范围广、柔性化高、智能化程度高、效率高等优点，而且可以大大降低后勤补给和存储的压力，助力我国智能制造产业的发展，具有非常广阔的工程应用前景。

Description

一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统
技术领域
本发明涉及机械设备、运输设备、矿山专用设备、化工专用设备、航空航天专用设备、发电专用设备、特种设备等设备中的金属结构零部件损伤的实时测量、评估、定位以及在线维修系统，尤其涉及一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，属于智能制造技术领域。
背景技术
随着人工智能和工业化的推进，智能制造已经成为重要的发展方向，世界各国都在大力推进集先进传感、仪器、监测、控制和过程优化为一体的智能制造系统。目前，在产品生产制造方面，智能制造发展迅速，成果颇丰。但是，在设备的运行监测和维修方面，自动化程度仍然较低。厂房里面的生产机械、大型矿用设备、特种运输设备、海上平台等的检修，主要还是依靠人工检测和维修的方法，费时，效率低，而且维修速度慢。此外，还存在一些不适合传统人检修的场合和情况，例如：太空的卫星，有毒有害的环境中工作的设备等。这些设备中，很多零部件都是由金属材料制造而成的。因此，需要发展适用于金属结构的损伤监测和在线维修技术和系统，以提高其自动化程度，为无人工厂、无人电站等应用提供基础。
发明内容
1、发明目的：
本发明的目的在于提供一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，实现结构健康监测、激光扫描、三维设计、激光烧结等技术的集成创新，为工作中设备上的金属零部件的损伤识别、评估、定位和修复提供一种自动化的、高效率的在线检修系统，保障设备的运行安全可靠。
2、技术方案：
一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，包括金属结构损伤识别及定位和评估子系统、金属结构损伤区域扫描成像子系统、金属结构损伤区域预处理子系统、金属结构损伤区域维修子系统、金属结构损伤区域维修后处理子系统、含损伤金属部件、损伤区域、机械手、待修的金属结构、预处理的金属结构、修中的金属结构、修后的金属结构、维修完成的金属部件；其中，金属结构损伤识别及定位和评估子系统包括声发射传感器、前置放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统、损伤定位系统；金属结构损伤区域扫描成像子系统包括三维激光扫描仪、计算机、需修补区域的模型(STL格式)；金属结构损伤区域预处理子系统包括损伤区域预处理控制系统、风管、钢丝刷；金属结构损伤区域维修子系统包括激光烧结3D打印控制系统、激光器、激光扫描系统、激光束、金属粉箱、铺粉管、工作台、夹具；金属结构损伤区域维修后处理子系统包括维修后表面处理系统、维修后残余应力消除系统；
所述金属结构损伤识别及定位和评估子系统，由声发射传感器、前置放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统和损伤定位系统组成；声发射传感器的具体型号根据使用环境而定，声发射传感器采用圆柱形阵列布置，即在含损伤金属部件的表面或近表面成上圆周阵列和下圆周阵列布置，从而形成一个圆柱形，相比于目前的方形和菱形布置形式，圆柱形布置的监测范围更大，更为立体，而且可以跟圆柱坐标系配合使用，利于损伤的定位；声发射传感器通过低噪声信号线或无线通讯方式与前置放大器连接，信号经过放大后传至信号采集分析装置，信号采集分析装置对信号进行滤波，对滤波后的波形信号进行分析得到不同传感器通道的波达时刻和振幅；损伤识别和评估系统将振幅与预先设定的损伤阈值进行比较，超过阈值即表示损伤已经产生，当振幅是阈值的2倍时，就需要对损伤区域进行维修了；损伤定位系统根据不同传感器通道的波达时刻的差值、声发射传感器的空间坐标和声速来计算判断损伤的位置；
所述金属结构损伤区域扫描成像子系统，由三维激光扫描仪、计算机和需修补区域的模型(STL格式)组成，主要功能是对损伤区域进行扫描成像和建模；三维激光扫描仪得到损伤定位系统传来的损伤位置信息后，对待修的金属结构上的损伤区域进行激光扫描，在计算机中创建出损伤区域几何表面的点云，使用这些点云数据插值建成损伤区域的三维模型，与计算机中存储的金属结构完整模型做布尔运算，得到需修补区域的模型，将需修补区域的模型转化为3D打印机可识别的STL格式文件，得到需修补区域的模型(STL格式)；
所述金属结构损伤区域预处理子系统，由损伤区域预处理控制系统、风管和钢丝刷组成，主要功能是对需修补的损伤区域进行清理和表面粗糙化处理；首先，损伤区域预处理控制系统控制风管对机械手抓取的预处理的金属结构上的损伤区域吹出压缩空气，压缩空气的气压在0.2-0.5MPa之间，清理损伤区域表面的灰尘和杂质；然后，损伤区域预处理控制系统控制钢丝刷对损伤区域进行刷擦，使损伤区域的金属表面粗糙化，利于3D打印维修时金属粉末的附着和金属烧结；
所述金属结构损伤区域维修子系统，由激光烧结3D打印控制系统、激光器、激光扫描系统、激光束、金属粉箱、铺粉管、工作台和夹具组成；激光烧结3D打印控制系统对需修补区域的模型(STL格式)进行切片处理，根据各层切片的平面几何信息生成激光扫描系统和铺粉管的数控运动指令；金属粉箱中存储有多种可供激光烧结使用的金属粉末，包括不锈钢粉、钛合金粉、工具钢粉、模具钢粉、铝合金粉、铜粉等，每种粉末置于一个盒内，这些盒子呈圆周阵列排布，需要使用某一种粉末时，其粉末盒旋转到出粉口，为铺粉管供粉；修中的金属结构通过夹具固定于工作台上；3D打印维修过程为：S1步骤、铺粉管将第一层粉末铺于损伤区域；S2步骤、工作台在X方向和Y方向在电机驱动下进行平面运动后归位，以使损伤区域内的金属粉末均匀铺设；S3步骤、高能的激光器中的激光经过激光扫描系统的偏转和动态聚焦成激光束，激光束在金属粉末层上移动扫描并烧结，实现烧结金属粉层与损伤区域的结合，重复上述步骤，直至在损伤区域完成需修补区域的模型的3D打印成型；在金属粉末激光烧结的过程中，为了避免金属粉末氧化，可以将工作台上的修中的金属结构置于充有氮气或氩气保护气体的容器中；
所述金属结构损伤区域维修后处理子系统，由维修后表面处理系统和维修后残余应力消除系统组成；机械手从工作台上取下修后的金属结构，然后由维修后表面处理系统对修后的金属结构的表面进行清理、打磨等表面处理，之后再由维修后残余应力消除系统采用激光冲击或超声冲击的方法消除内部的残余应力，最后由维修后表面处理系统进行补漆等操作；
所述含损伤金属部件，上面含有损伤区域，当金属部件尺寸较大时，可以使用机械手将含有损伤区域的零件拆卸下来，得到待修的金属结构；当金属部件尺寸较小时，可以直接将含损伤金属部件作为待修的金属结构；
所述机械手，由计算机控制，主要作用是金属结构在金属部件上的拆卸、安装以及损伤区域扫描、预处理、维修和维修后处理等操作中的移动金属结构；
所述维修完成的金属部件，为已经完成维修和安装完毕的金属部件，其上的损伤区域已经被维修好，维修后金属部件的使用功能与未损伤的金属部件相同，在拉压弯剪扭和疲劳的力学性能方面，不低于未损伤金属部件力学性能的80％。
3、本发明“一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统”，其优点如下：
(1).本发明适用范围广，可以为机械设备、运输设备、矿山专用设备、化工专用设备、航空航天专用设备、发电专用设备、特种设备等设备提供维修服务；
(2).本发明柔性高，不需要模具，不需要毛坯，不需要二次焊接，对维修件的数量没有要求，不需要存储备用件，大大降低了后勤补给和存储的压力，综合成本低；
(3).可以提高设备的智能化程度和安全可靠性，有利于实现装备服役过程中损伤信息的在线收集和汇总，为金属结构的优化设计提供数据支持。
总之，本发明可以实现运行设备中金属部件的损伤识别、评估、定位和在线维修，自动化程度高，效率高，特别适合于有毒有害危险环境等不适宜人类作业的情况下使用，可以助力智能制造的发展，具有非常广阔的工程应用前景。
附图说明
结合附图，通过对下述非限定性优选实施例的描述，可以更好地理解本发明；
图1是本发明的子系统构成图；
图2是本发明的组成示意图；
图1和图2中符号说明如下：1-金属结构损伤识别及定位和评估子系统、101-声发射传感器、102-前置放大器、103-信号采集分析装置、104-损伤识别和评估系统、105-损伤定位系统；2-金属结构损伤区域扫描成像子系统、201-三维激光扫描仪、202-计算机、203-需修补区域的模型(STL格式)；3-金属结构损伤区域预处理子系统、301-损伤区域预处理控制系统、302-风管、303-钢丝刷；4-金属结构损伤区域维修子系统、401-激光烧结3D打印控制系统、402-激光器、403-激光扫描系统、404-激光束、405-金属粉箱、406-铺粉管、407-工作台、408-夹具；5-金属结构损伤区域维修后处理子系统、501-维修后表面处理系统、502-维修后残余应力消除系统；6-含损伤金属部件、7-损伤区域、8-机械手、9-待修的金属结构、10-预处理的金属结构、11-修中的金属结构、12-修后的金属结构、13-维修完成的金属部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：
如附图1和附图2所示，本发明一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统包括金属结构损伤识别及定位和评估子系统1、金属结构损伤区域扫描成像子系统2、金属结构损伤区域预处理子系统3、金属结构损伤区域维修子系统4、金属结构损伤区域维修后处理子系统5、含损伤金属部件6、损伤区域7、机械手8、待修的金属结构9、预处理的金属结构10、修中的金属结构11、修后的金属结构12、维修完成的金属部件13；其中，金属结构损伤识别及定位和评估子系统1包括声发射传感器101、前置放大器102、信号采集分析装置103、损伤识别和评估系统104、损伤定位系统105；金属结构损伤区域扫描成像子系统2包括三维激光扫描仪201、计算机202、需修补区域的模型(STL格式)203；金属结构损伤区域预处理子系统3包括损伤区域预处理控制系统301、风管302、钢丝刷303；金属结构损伤区域维修子系统4包括激光烧结3D打印控制系统401、激光器402、激光扫描系统403、激光束404、金属粉箱405、铺粉管406、工作台407、夹具408；金属结构损伤区域维修后处理子系统5包括维修后表面处理系统501、维修后残余应力消除系统502；
所述金属结构损伤识别及定位和评估子系统1，由声发射传感器101、前置放大器102、信号采集分析装置103、损伤识别和评估系统104和损伤定位系统105组成；声发射传感器 101的具体型号根据使用环境而定，声发射传感器101采用圆柱形阵列布置，即在含损伤金属部件6的表面或近表面成上圆周阵列和下圆周阵列布置，从而形成一个圆柱形，相比于目前的方形和菱形布置形式，圆柱形布置的监测范围更大，更为立体，而且可以跟圆柱坐标系配合使用，利于损伤的定位；声发射传感器101通过低噪声信号线或无线通讯方式与前置放大器102连接，信号经过放大后传至信号采集分析装置103，信号采集分析装置103对信号进行滤波，对滤波后的波形信号进行分析得到不同传感器通道的波达时刻和振幅；损伤识别和评估系统104将振幅与预先设定的损伤阈值进行比较，超过阈值即表示损伤已经产生，当振幅是阈值的2倍时，就需要对损伤区域进行维修了；损伤定位系统105根据不同传感器通道的波达时刻的差值、声发射传感器的空间坐标和声速来计算判断损伤的位置；
所述金属结构损伤区域扫描成像子系统2，由三维激光扫描仪201、计算机202和需修补区域的模型(STL格式)203组成，主要功能是对损伤区域进行扫描成像和建模；三维激光扫描仪201得到损伤定位系统105传来的损伤位置信息后，对待修的金属结构9上的损伤区域 7进行激光扫描，在计算机202中创建出损伤区域几何表面的点云，使用这些点云数据插值建成损伤区域的三维模型，与计算机中存储的金属结构完整模型做布尔运算，得到需修补区域的模型，将需修补区域的模型转化为3D打印机可识别的STL格式文件，得到需修补区域的模型(STL格式)203；
所述金属结构损伤区域预处理子系统3，由损伤区域预处理控制系统301、风管302和钢丝刷303组成，主要功能是对需修补的损伤区域进行清理和表面粗糙化处理；首先，损伤区域预处理控制系统301控制风管302对机械手8抓取的预处理的金属结构10上的损伤区域吹出压缩空气，压缩空气的气压在0.2-0.5MPa之间，清理损伤区域表面的灰尘和杂质；然后，损伤区域预处理控制系统301控制钢丝刷303对损伤区域进行刷擦，使损伤区域的金属表面粗糙化，利于3D打印维修时金属粉末的附着和金属烧结；
所述金属结构损伤区域维修子系统4，由激光烧结3D打印控制系统401、激光器402、激光扫描系统403、激光束404、金属粉箱405、铺粉管406、工作台407和夹具408组成；激光烧结3D打印控制系统401对需修补区域的模型(STL格式)203进行切片处理，根据各层切片的平面几何信息生成激光扫描系统403和铺粉管406的数控运动指令；金属粉箱405 中存储有多种可供激光烧结使用的金属粉末，包括不锈钢粉、钛合金粉、工具钢粉、模具钢粉、铝合金粉、铜粉等，每种粉末置于一个盒内，这些盒子呈圆周阵列排布，需要使用某一种粉末时，其粉末盒旋转到出粉口，为铺粉管406供粉；修中的金属结构11通过夹具408固定于工作台407上；3D打印维修过程为：S1步骤、铺粉管406将第一层粉末铺于损伤区域； S2步骤、工作台407在X方向和Y方向在电机驱动下进行平面运动后归位，以使损伤区域内的金属粉末均匀铺设；S3步骤、高能的激光器402中的激光经过激光扫描系统403的偏转和动态聚焦成激光束404，激光束404在金属粉末层上移动扫描并烧结，实现烧结金属粉层与损伤区域的结合，重复上述步骤，直至在损伤区域完成需修补区域的模型的3D打印成型；在金属粉末激光烧结的过程中，为了避免金属粉末氧化，可以将工作台407上的修中的金属结构11置于充有氮气或氩气保护气体的容器中；
所述金属结构损伤区域维修后处理子系统5，由维修后表面处理系统501和维修后残余应力消除系统502组成；机械手8从工作台407上取下修后的金属结构12，然后由维修后表面处理系统501对修后的金属结构12的表面进行清理、打磨等表面处理，之后再由维修后残余应力消除系统502采用激光冲击或超声冲击的方法消除内部的残余应力，最后由维修后表面处理系统501进行补漆等操作；
所述含损伤金属部件6，上面含有损伤区域7，当金属部件尺寸较大时，可以使用机械手 8将含有损伤区域7的零件拆卸下来，得到待修的金属结构9；当金属部件尺寸较小时，可以直接将含损伤金属部件作为待修的金属结构；
所述机械手8，由计算机202控制，主要作用是金属结构在金属部件上的拆卸、安装以及损伤区域扫描、预处理、维修和维修后处理等操作中的移动金属结构；
所述维修完成的金属部件13，为已经完成维修和安装完毕的金属部件，其上的损伤区域 7已经被维修好，维修后金属部件的使用功能与未损伤的金属部件相同，在拉压弯剪扭和疲劳的力学性能方面，不低于未损伤金属部件力学性能的80％。
本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于，包括金属结构损伤识别及定位和评估子系统、金属结构损伤区域扫描成像子系统、金属结构损伤区域预处理子系统、金属结构损伤区域维修子系统、金属结构损伤区域维修后处理子系统、含损伤金属部件、损伤区域、机械手、待修的金属结构、预处理的金属结构、修中的金属结构、修后的金属结构、维修完成的金属部件；其中，金属结构损伤识别及定位和评估子系统包括声发射传感器、前置放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统、损伤定位系统；金属结构损伤区域扫描成像子系统包括三维激光扫描仪、计算机、需修补区域的模型(STL格式)；金属结构损伤区域预处理子系统包括损伤区域预处理控制系统、风管、钢丝刷；金属结构损伤区域维修子系统包括激光烧结3D打印控制系统、激光器、激光扫描系统、激光束、金属粉箱、铺粉管、工作台、夹具；金属结构损伤区域维修后处理子系统包括维修后表面处理系统、维修后残余应力消除系统；
所述金属结构损伤识别及定位和评估子系统，由声发射传感器、前置放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统和损伤定位系统组成；声发射传感器的具体型号根据使用环境而定，声发射传感器采用圆柱形阵列布置，即在含损伤金属部件的表面或近表面成上圆周阵列和下圆周阵列布置，从而形成一个圆柱形，相比于目前的方形和菱形布置形式，圆柱形布置的监测范围更大，更为立体，而且可以跟圆柱坐标系配合使用，利于损伤的定位；声发射传感器通过低噪声信号线或无线通讯方式与前置放大器连接，信号经过放大后传至信号采集分析装置，信号采集分析装置对信号进行滤波，对滤波后的波形信号进行分析得到不同传感器通道的波达时刻和振幅；损伤识别和评估系统将振幅与预先设定的损伤阈值进行比较，超过阈值即表示损伤已经产生，当振幅是阈值的2倍时，就需要对损伤区域进行维修了；损伤定位系统根据不同传感器通道的波达时刻的差值、声发射传感器的空间坐标和声速来计算判断损伤的位置；
所述金属结构损伤区域扫描成像子系统，由三维激光扫描仪、计算机和需修补区域的模型(STL格式)组成，主要功能是对损伤区域进行扫描成像和建模；三维激光扫描仪得到损伤定位系统传来的损伤位置信息后，对待修的金属结构上的损伤区域进行激光扫描，在计算机中创建出损伤区域几何表面的点云，使用这些点云数据插值建成损伤区域的三维模型，与计算机中存储的金属结构完整模型做布尔运算，得到需修补区域的模型，将需修补区域的模型转化为3D打印机可识别的STL格式文件，得到需修补区域的模型(STL格式)；
所述金属结构损伤区域预处理子系统，由损伤区域预处理控制系统、风管和钢丝刷组成，主要功能是对需修补的损伤区域进行清理和表面粗糙化处理；首先，损伤区域预处理控制系统控制风管对机械手抓取的预处理的金属结构上的损伤区域吹出压缩空气，压缩空气的气压在0.2-0.5MPa之间，清理损伤区域表面的灰尘和杂质；然后，损伤区域预处理控制系统控制钢丝刷对损伤区域进行刷擦，使损伤区域的金属表面粗糙化，利于3D打印维修时金属粉末的附着和金属烧结。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于：所述金属结构损伤区域维修子系统，由激光烧结3D打印控制系统、激光器、激光扫描系统、激光束、金属粉箱、铺粉管、工作台和夹具组成；激光烧结3D打印控制系统对需修补区域的模型(STL格式)进行切片处理，根据各层切片的平面几何信息生成激光扫描系统和铺粉管的数控运动指令；金属粉箱中存储有多种可供激光烧结使用的金属粉末，包括不锈钢粉、钛合金粉、工具钢粉、模具钢粉、铝合金粉、铜粉等，每种粉末置于一个盒内，这些盒子呈圆周阵列排布，需要使用某一种粉末时，其粉末盒旋转到出粉口，为铺粉管供粉；修中的金属结构通过夹具固定于工作台上；3D打印维修过程为：S1步骤、铺粉管将第一层粉末铺于损伤区域；S2步骤、工作台在X方向和Y方向在电机驱动下进行平面运动后归位，以使损伤区域内的金属粉末均匀铺设；S3步骤、高能的激光器中的激光经过激光扫描系统的偏转和动态聚焦成激光束，激光束在金属粉末层上移动扫描并烧结，实现烧结金属粉层与损伤区域的结合，重复上述步骤，直至在损伤区域完成需修补区域的模型的3D打印成型；在金属粉末激光烧结的过程中，为了避免金属粉末氧化，可以将工作台上的修中的金属结构置于充有氮气或氩气保护气体的容器中。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于：所述金属结构损伤区域维修后处理子系统，由维修后表面处理系统和维修后残余应力消除系统组成；机械手从工作台上取下修后的金属结构，然后由维修后表面处理系统对修后的金属结构的表面进行清理、打磨等表面处理，之后再由维修后残余应力消除系统采用激光冲击或超声冲击的方法消除内部的残余应力，最后由维修后表面处理系统进行补漆等操作。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于：所述含损伤金属部件，上面含有损伤区域，当金属部件尺寸较大时，可以使用机械手将含有损伤区域的零件拆卸下来，得到待修的金属结构；当金属部件尺寸较小时，可以直接将含损伤金属部件作为待修的金属结构。
5.根据权利要求1所述的一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于：所述机械手，由计算机控制，主要作用是金属结构在金属部件上的拆卸、安装以及损伤区域扫描、预处理、维修和维修后处理等操作中的移动金属结构。
6.根据权利要求1所述的一种金属材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于：所述维修完成的金属部件，为已经完成维修和安装完毕的金属部件，其上的损伤区域已经被维修好，维修后金属部件的使用功能与未损伤的金属部件相同，在拉压弯剪扭和疲劳的力学性能方面，不低于未损伤金属部件力学性能的80％。
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