CN109387568A - 一种激光超声检测装置及增材制造、检测一体设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光超声检测装置及增材制造、检测一体设备。该激光超声检测装置包括激光超声检测探头、激励激光器以及激光超声接收器；激光超声检测探头包括壳体、设置在壳体内的聚焦探头、反射镜、接收探头、第一透镜、第二透镜以及红外测温仪；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。同时将该激光超声检测装置配合工业机器人、焊接机器人和焊枪实现了检测和增材制造相互独立作业，避免了相互之间的干扰。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种激光超声检测装置及增材制造、检测一体设备。
背景技术
增材制造是一种基于三维模型数据、采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式，结合材料来生产产品的过程，具有材料利用率高、产品制造周期短、可实现复杂结构一体化制造等优势，在航空、航天、医疗、工程机械等领域具有广阔的应用前景。
然而增材制造过程中不可避免地会产生缺陷，严重制约增材制件在上述领域的工程应用，因此亟需对增材制件的内部缺陷进行无损检测。
传统的无损检测技术，包括传统超声、工业CT、涡流、渗透等，难以满足增材制件的检测需求。
其中，涡流和渗透只能检测表面、近表面缺陷，无法检测内部缺陷；
传统超声(包括接触式超声和水浸式超声)能够检测增材制件内部缺陷，但受到内部结构复杂性的限制；
工业CT能够对增材制件进行高分辨率检测，且不受内部结构复杂性的影响，但其穿透能力有限，难以检测大尺寸制件且检测效率较低。
激光超声检测技术是一种新型的超声检测技术，采用脉冲激光器向制件表面照射激光束，在制件中激发出超声波，并通过激光干涉仪采集得到超声波信号，对超声波信号进行分析就能实现对制件缺陷的检测。激光超声检测技术具有非接触、宽频带、分辨率高的特点，能够对增材制造过程中的新成形层进行在线检测，避免了增材制造完成后复杂内部结构给无损检测带来的难题，可实现增材制件内部缺陷的全覆盖、高分辨率检测。
(1)中国专利，专利号CN 106018288 A——《激光超声在线无损检测增材制造零件的方法》公开了一种利用激光激励超声表面波幅度的变化，检测增材制造过程产生的冶金缺陷的方法。通过将检测装置安装在增材制造设备的高能束发生装置上，实现了增材制造过程中对零件缺陷的同步检测，提高了增材制造零件的可靠性。该方法能够及时检测出增材制造过程中的缺陷，避免了零件制造完成后因复杂结构带来的检测盲区，具有极强的实用性和推广价值。但该方法将检测装置安装在增材制造设备的高能束发生装置上，检测过程与增材制造过程共用一套机械运动***，检测过程对增材制造过程存在一定的干扰。
(2)中国专利，专利号CN 108426839 A——《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》公开了一种基于机械手扫查激光超声信号的增材制件检测方法，包括构建机械手式激光超声自动检测***、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。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***，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。但该方法及装置未考虑增材制造过程中制件温度对超声信号波速的影响，对缺陷的定位准确度有待进一步提高。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种激光超声检测装置，检测过程考虑了增材制造过程中温度对超声信号波速的影响，大幅度的提升了缺陷检测的准确度。
基于上述装置，本发明还提供了一种增材制造、检测一体设备，该设备中检测和增材制造相互独立作业，避免了相互之间的干扰。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种激光超声检测装置，其特征在于：包括激光超声检测探头、激励激光器以及激光超声接收器；
激光超声检测探头包括壳体、设置在壳体内的聚焦探头、反射镜、接收探头、第一透镜、第二透镜以及红外测温仪；
聚焦探头与激励激光器通过光纤连接，接收探头与激光超声接收器通过光纤连接；
聚焦探头发出的激励激光束通过反射镜反射、经由第二透镜反射至待检测工件表面，从而形成超声波；
接收探头发出的检测激光束依次经第一透镜、第二透镜反射至待检测工件表面；所述检测激光束在待检测工件表面与超声波引起的位移形成调制光，调制光依次通过第二透镜、第一透镜后被接收探头接收；
红外测温仪发射出的红外波直接投射到待检测工件表面，之后经待检测工件表面反射和/或散射回到红外测温仪；
红外波投射的测温点位于所述激励激光束的激励点和所述检测激光束的检测点之间。
进一步地，上述激光超声接收器包括一检测激光器和一激光干涉仪。
基于上述的激光超声检测装置，本发明还提供了一种增材制造、检测一体设备，包括第一机器人、第二机器人、CMT焊枪、上述激光超声检测装置、控制单元以及上位机；
所述CMT焊枪安装第一机器人末端，所述激光超声检测装置中的激光超声检测探头安装在第二机器人末端，所述第一机器人、第二机器人、CMT焊枪以及激光超声检测装置均通过控制单元与上位机连接。
进一步地，上述控制单元包括PLC、数据采集卡、激励激光控制器以及机器人控制器；
PLC通过机器人控制器实现与第一机器人、第二机器人相互通信；PLC通过激励激光器控制对激光超声检测装置中的激励激光器进行启动和出光触发，激励激光器在出光的同时输出一路同步触发信号发送至数据采集卡，数据采集卡与激光超声接收器的激光干涉仪相互通信，将采集到的超声信号传输到上位机进行存储；PLC直接与红外测温仪连接对其进行控制。
进一步地，上述上位机的运行开发环境为LabVIEW，上位机中运行有NI SCOPE程序模块以及NI OPC程序模块；NI SCOPE程序模块用于存储数据采集卡采集到的超声信号；NIOPC程序模块用于实现PLC与上位机的相互通信。
进一步地，上述PLC通过ModbusTCP协议与机器人控制器进行通信。
进一步地，上述红外测温仪通过Profinet通讯协议与PLC进行通信。
进一步地，上述第一机器人末端与第二机器人末端之间间隔不小于10cm距离。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供的增材制造、检测一体设备，采用独立的第二机器人携带激光超声检测探头对新成形层进行扫查检测，第一机器人进行增材制造工作，两个过程相互独立，从而能够根据增材制造的数字化加工信息，包括CAD模型、切片形状与厚度、制造工艺路径等，实时调整激光超声检测的步长、扫查速度、扫查路径等参数，能够有效提升在线增材加工过程中对工件缺陷检测的效果，进而提高了增材加工制造的合格率。
(2)本发明采用激光超声检测探头利用反射镜、第一透镜、第二透镜将激励激光束和检测激光束在制件表面进行聚焦，使得激光束的相对位置保持稳定的距离且与制件表面垂直，能够确保获得最佳的激光超声信号，并且便于调整激励激光与检测激光的位置，从而能够针对不同类型和取向的缺陷激励出理想的波型。
(3)本发明将红外测温仪集成到激光超声检测探头中，通过结构定位使红外测温点位于超声波传播路径上，避免了采用红外热像仪测温需要对检测点位置进行标定；检测得到的温度数据与相应的激光超声数据按对应关系存储，可用于超声数据的修正，可有效提高缺陷位置和尺寸测量的准确度。
(4)本发明采用PLC协同控制激光干涉仪、激励激光器、第一机器人、第二机器人、红外测温仪等部件，能够同步采集各检测点的位置数据、超声数据和温度数据，保证了同一检测点不同类型数据的对应关系，提高了后续成像处理和缺陷识别的可靠性和有效性。
附图说明
图2为增材制造、检测一体设备的结构示意图。
图1为激光超声检测探头的结构示意图。
图3为控制单元的结构框图。
附图标记如下：
1-工作台、2-基板、3-增材制件、4-焊接机器人(第一机器人)、5-CMT焊枪、6-工业机器人(第二机器人)、7-激光超声检测探头、8-聚焦探头、9-激励激光束、10-接收探头、11-检测激光束、12-调制光、13-红外测温仪、14-红外波、15-反射镜、16-第一透镜、17-第二透镜、18-制件新成形层、19-壳体、20-激励激光器、21-安装支架、22-激光超声接收器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的介绍：
实施例1：激光超声检测装置
为了提升增材制件的内部缺陷无损检测的准确度，本发明提供了一种激光超声检测装置，如图1所示，包括激光超声检测探头7、激励激光器20以及激光超声接收器22；
激光超声检测探头7包括壳体19、设置在壳体19内的聚焦探头8、反射镜15、接收探头10、第一透镜16、第二透镜17以及红外测温仪13；
其中，激励激光器20以及激光超声接收器22均设置在壳体外部；激光超声接收器22包括了一个检测激光器以及一个激光干涉仪；
聚焦探头8通过光纤与外部激励激光器20连接，接收探头10通过光纤与外部激光超声接收器22连接；
激励激光器20通过聚焦探头8发出的激励激光束9通过反射镜15反射，再经由第二透镜17反射，垂直作用在制件新成形层上18；制件新成形层18表面在激励激光束9的作用下发生热弹效应，局部产生温度场和应力场，从而形成超声波并在制件表面(表面波)和内部(纵波、横波)传播；
激光超声接收器22中的检测激光器通过接收探头10发出的检测激光束11依次经第一透镜16、第二透镜17反射，垂直投射在制件新成形层18表面上，与超声波产生的微位移发生调制，产生调制光12。部分散射的调制光12经由第二透镜17、第一透镜16反射进入接收探头10，最终传输到激光超声接收器22中的激光干涉仪进行解调，得到激光超声波信号；
红外测温仪13发射出的红外波14直接投射到制件新成形层18表面上，红外波投射的测温点位于所述激励激光束的激励点和所述检测激光束的检测点之间，之后经制件新成形层18表面反射和/或散射回到红外测温仪，完成激光超声传播路径上新成形材料温度的测量，通过实时检测出的制件温度值，从而可以用于对超声信号的波速进行修正，提升缺陷检测的准确度。
基于上面对检测装置的介绍，本实施例中还给出一种增材制造、检测一体设备，但是该检测装置的使用并不仅仅限于本例中提供的增材制造、检测一体设备，其他增材制造设备上均可使用。
实施例2：增材制造、检测一体设备
下面通过增材制造、检测一体设备的机械架构、控制架构以及检测过程三方面对该设备进行介绍：
机械架构
如附图2所示，该设备包括第一机器人(本实施例中为焊接机器人4)、第二机器人(本实施例中为工业机器人6)、CMT焊枪5、实施例1中给出的激光超声检测装置、控制单元以及上位机；
工作台1固定在地面上，基板2固定在工作台1上，形成工作平台。焊接机器人4固定在地面或者滑轨(图中未给出)上，末端安装CMT焊枪5，焊接机器人4携带CMT焊枪5移动，在工作台上逐层堆积、固结材料，形成增材制件3。工业机器人6固定在地面或者滑轨(图中未给出)上，激光超声检测装置中的激光超声检测探头7通过安装支架21固定在工业机器人末端，激光超声检测探头7与外部激励激光器以及激光超声接收器连接。检测过程中，工业机器人末端与焊接机器人末端保持一定的距离(一般为不小于10cm)，工业机器人携带激光超声检测探头进行步进或连续扫查移动，对增材制件新成形层内部的缺陷进行检测。
控制架构
如附图3所示，控制单元包括PLC、数据采集卡、激励激光控制器以及机器人控制器；
控制单元和上位机对设备中各个器件的控制
上位机采用NI LabVIEW运行环境，利用S7-1200PLC控制(激光超声接收器(激光干涉仪、激励激光器)、焊接机器人、工业机器人、红外测温仪，PLC通过NI OPC程序模块与上位机进行数据通信，实现检测控制和数据采集功能。
PLC通过ModbusTCP协议与工业机器人控制器进行通信，上位机将检测扫查运动的始点、终点、步长等信息通过PLC传输到机器人控制器，控制焊接机器人或工业机器人移动到指定的位置点，并对位置点的实际位置信息(焊接机器人或工业机器人末端位置数据)进行采集。PLC通过发出TTL对激励激光器进行启动和出光触发，使激励激光器能够按照一定的重复频率出光，在工件中激励出超声信号；激励激光器在出光的同时输出一路同步触发信号，接入PCI 5114数据采集卡启动数据采集，采集到的超声数据传输到上位机的NI-SCOPE程序模块，对数据进行存储。红外测温仪通过Profinet通讯协议与PLC相连，检测过程中始终处于运行状态，持续监测新成形层表面温度，仅在激励激光器出光时PLC对测温仪的数据进行一次读取，记录超声信号传播路径上的制件温度。
当机器人移动到某一检测点时，PLC采集工业机器人末端的位置数据，并触发激光器和激光干涉仪完成一次超声信号激励和数据采集，在信号激励的同时读取测温仪的温度数据，并将对应于同一个检测点的位置数据、超声数据和温度数据进行存储。完成一个检测点的数据采集与存储后，控制机器人移动到下一个检测点，继续进行检测和数据采集。采集得到的温度数据用于超声数据的修正，位置数据用于超声数据成像。
检测过程
焊接机器人4在制造工位进行制件的增材制造，工业机器人6配合激光超声检测装置在检测工位对新成形层18进行逐层检测，当制件完成时即实现了整个增材制件内部缺陷的检测，避免成形后复杂内部结构给制件的缺陷检测带来的难题。
其中，对于小尺寸制件(小于0.5m)，由于焊接机器人4和工业机器人6存在一定的位置干涉，检测过程中焊接机器人带动焊枪完成制件一层的制造，然后工业机器人依据增材制造工艺规划的路径，带动激光超声检测探头7进行扫查移动，完成新成形层的检测，检测完成后再进行下一层的制造；如此进行交替的制造和检测，直至整个制件完成制造；
对于大尺寸制件(大于0.5m)，可以在增材制造过程中同步进行激光超声检测，激光超声检测探头7与CMT焊枪5保持不小于10cm的距离，依据检测工艺规划路径进行扫查，同步完成新成形层内部缺陷的检测。检测工艺路径规划可以基于增材制造工艺路径进行设计，并根据新成形层厚度、局部形状和结构特点，实时调整扫查步长、速度路径等参数。
检测过程中，上位机控制工业机器人6带动激光超声检测探头7移动到检测点，控制激励激光器发出激光束，并同步触发激光超声接收器发出接收激光束，超声波调制光进入激光干涉仪，完成一次激光超声波信号的采集，并记录工业机器人末端位置信息(用于成像)。完成该检测点的数据采集后，激光超声检测探头7移动到下一个检测点，继续进行激光超声信号的采集，直至完成整个新成形层的检测。与此同时，红外测温仪保持实时监测状态，记录检测点的温度，并与采集得到的激光超声信号进行关联和存储。对采集得到的激光超声波信号进行处理和分析，即可对新成形层的缺陷进行识别和评价。
Claims (8)
1.一种激光超声检测装置，其特征在于：包括激光超声检测探头、激励激光器以及激光超声接收器；
激光超声检测探头包括壳体、设置在壳体内的聚焦探头、反射镜、接收探头、第一透镜、第二透镜以及红外测温仪；
聚焦探头与激励激光器通过光纤连接，接收探头与激光超声接收器通过光纤连接；
聚焦探头发出的激励激光束通过反射镜反射、经由第二透镜反射至待检测工件表面，从而形成超声波；
接收探头发出的检测激光束依次经第一透镜、第二透镜反射至待检测工件表面；所述检测激光束在待检测工件表面与超声波引起的位移形成调制光，调制光依次通过第二透镜、第一透镜后被接收探头接收；
红外测温仪发射出的红外波直接投射到待检测工件表面，之后经待检测工件表面反射和/或散射回到红外测温仪；
红外波投射的测温点位于所述激励激光束的激励点和所述检测激光束的检测点之间。
2.根据权利要求1所述的激光超声检测装置，其特征在于：所述激光超声接收器包括一检测激光器和一激光干涉仪。
3.一种增材制造、检测一体设备，其特征在于：包括第一机器人、第二机器人、CMT焊枪、控制单元、上位机以及如权利要求2所述的激光超声检测装置；
所述CMT焊枪安装第一机器人末端，所述激光超声检测装置中的激光超声检测探头安装在第二机器人末端，所述第一机器人、第二机器人、CMT焊枪以及激光超声检测装置均通过控制单元与上位机连接。
4.根据权利要求3所述的一种增材制造、检测一体设备，其特征在于：所述控制单元包括PLC、数据采集卡、激励激光控制器以及机器人控制器；
PLC通过机器人控制器实现与第一机器人、第二机器人相互通信；PLC通过激励激光器控制对激光超声检测装置中的激励激光器进行启动和出光触发，激励激光器在出光的同时输出一路同步触发信号发送至数据采集卡，数据采集卡与激光超声接收器的激光干涉仪相互通信，将采集到的超声信号传输到上位机进行存储；PLC直接与红外测温仪连接对其进行控制。
5.根据权利要求4所述的一种增材制造、检测一体设备，其特征在于：所述上位机的运行开发环境为LabVIEW，上位机中运行有NI SCOPE程序模块以及NI OPC程序模块；NI SCOPE程序模块用于存储数据采集卡采集到的超声信号；NI OPC程序模块用于实现PLC与上位机的相互通信。
6.根据权利要求5所述的一种增材制造、检测一体设备，其特征在于：所述PLC通过ModbusTCP协议与机器人控制器进行通信。
7.根据权利要求6所述的一种增材制造、检测一体设备，其特征在于：所述红外测温仪通过Profinet通讯协议与PLC进行通信。
8.根据权利要求7所述的一种增材制造、检测一体设备，其特征在于：所述第一机器人末端与第二机器人末端之间间隔不小于10cm距离。
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