用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测装置及方法

摘要

本发明提供一种用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测装置，包括运动扫查模块、超声检测模块和信号处理模块，所述运动扫查模块包括机器人和机器人控制柜，所述超声检测模块与机器人末端连接，所述超声检测模块包括壳体、激光激发器、激光干涉仪、光路反射镜和聚焦透镜，所述激光激发器、激光干涉仪和聚焦透镜固定设置于壳体中，所述光路反射镜包括两个且可旋转设置于壳体中，所述信号处理模块包括计算机和数据采集单元，所述计算机安装有数控仿真软件，所述数据采集单元包括数据采集卡和激光超声信号采集存储软件。本发明信号接收稳定，无检测盲区，检测效率高，检测过程中同步扫查位置与超声信号，保证缺陷检测结果准确性。

说明书

技术领域

本发明属于构件无损检测技术领域，具体涉及一种用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测装置及方法。

背景技术

增材制造技术是一种基于工件三维CAD模型，采用分层离散、逐层堆积的方式，“自下而上”实现材料成形的新型制造方法。具有材料利用率高、成形效果好等优势，解决了复杂结构零件快速制造的工艺瓶颈。但增材制造过程会在工件内部产生孔隙、裂纹等缺陷，影响零件使用，制约了增材制造技术在工业中广泛应用。为了提高产品质量，对增材制造工件内部缺陷进行无损检测显得尤为重要。

目前，针对增材制件检测包含离线和在线两种方式：

离线检测方面：主要通过常规超声、涡流等方式对成品工件进行离线检测，不能及时控制工件制造质量，发现缺陷后只能废弃，材料成本高，因此，增材制件在线检测技术需求更为迫切。在线检测方面：增材制造过程中加工环境恶劣，增材制件温度高，传统无损检测方式在高温环境下无法正常检测，存在在线检测困难的问题。而激光超声作为一种新型无损检测技术，具有高灵敏非接触实时检测的优势，特别适合增材制造过程中在线检测。

授权公告号为CN108444921A的发明专利公开了一种基于信号相关分析的增材制造构件在线检测方法，通过激光超声自动检测系统，扫查工件X和Y方向，得到超声信号进行相异系数运算，实现增材制件在线检测，但该方法在检测过程中移动装置只能进行X、Y方向平面扫查，而增材制件形状多变，对于复杂工件，该方法存在检测盲区；授权公告号为CN106018288B的发明专利公开了一种激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，通过检测装置与增材制造装置相结合，实现增材制造过程中同步进行检测，但该方法无法对检测到的超声信号进行实时采集与显示，同时在检测过程中无法调整超声信号，影响检测结果准确性；授权公告号为CN108333219A的发明专利公开了一种用于大型金属构件激光增材制造过程的在线无损检测方法，通过锁相红外技术对疑似缺陷区域进行最小矩形划分，使用激光超声检测划分区域，实现增材制造大型构件在线检测，但该方法是采用逐层方式检测表面缺陷，存在漏检和检测效率低的问题；授权公告号为CN209416978U的发明专利公开了一种激光超声检测装置及增材制造、检测一体设备，提出一种激光超声检测装置，搭配工业机器人、焊接机器人实现增材制造和同步检测，但该设备在检测过程中，直接记录不同检测点的位置信息与超声信号，未做实时调整与信号处理，而增材制件表面质量差，内部结构复杂，存在噪声信号干扰以及焦距跳动影响，在缺陷信号的判断上存在误差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种检测过程中信号接收稳定，保证检测过程中无检测盲区，检测效率高，检测过程中实时对超声信号进行采集、调整、显示、保存，同步扫查位置与超声信号，保证缺陷检测结果准确性，整个检测过程实现全自动，可降低人为因素对检测结果影响，减少劳动强度的用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测装置及方法

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测装置，包括运动扫查模块、超声检测模块和信号处理模块，所述运动扫查模块和超声检测模块的输出端均与信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与超声检测模块的输入端连接，所述运动扫查模块包括机器人和机器人控制柜，所述超声检测模块通过夹具与机器人末端连接，所述超声检测模块包括壳体、激光激发器、激光干涉仪、光路反射镜和聚焦透镜，所述激光激发器、激光干涉仪和聚焦透镜固定设置于壳体中，所述光路反射镜包括两个且可旋转设置于壳体中，所述信号处理模块包括计算机和数据采集单元，所述计算机安装有数控仿真软件，所述数据采集单元包括数据采集卡和激光超声信号采集存储软件。

进一步地，所述激光超声信号采集存储软件显示界面包括数据采集模块、滤波模块、显示模块和记录模块，所述数据采集模块包括采样物理通道、输入接线端、采样模式、采样时间、幅值大小、采样数和采样率文本框，所述滤波模块包括滤波类型、滤波阶数、采样频率、截止频率文本框，所述显示模块用于显示原始信号与滤波信号，包括信号波形、幅值、时间变化图，所述记录模块包括检测点位置显示框、扫查时间间隔设置、手动保存选项、扫查保存选项和文件保存路径。激光超声信号采集存储软件基于LabVIEW平台开发，软件操作简单，可实时观察缺陷信息，同步扫查位置与超声信号，保证检测结果准确。

进一步地，两个所述光路反射镜可移动地设置于壳体中。光路反射镜在壳体内的位置可移动，方便根据待检测增材制件调整光路反射镜的位置以确定激发激光光路与接收光路的间距。

进一步地，所述壳体底部设置有若干螺纹孔，所述激光激发器、激光干涉仪、光路反射镜和聚焦透镜均通过螺栓与壳体底部连接，两个所述光路反射镜通过连接不同螺纹孔改变位置以调整激发激光光路。螺纹和螺栓连接稳固，且方便拆装，便于调整两个光路反射镜的位置，光路反射镜可旋转，可降低人为因素影响激光干涉仪焦距几率，保证超声信号接收稳定，激光发射可调，实现激发光间距与接收光间距可根据检测对象进行调整，保证缺陷检测信号明显，保证检测结果的准确性。

进一步地，所述数控仿真软件为UG软件，用于构建增材制件三维模型并进行模型分层，生成坐标数据和定义坐标系，生成机器人检测路径代码。数控仿真软件基于电弧增材制件三维模型，结合激光超声检测深度进行模型分层，生成机器人检测路径，减少增材制件检测盲区，提高检测效率，保证增材制件缺陷激光超声检测自动化，降低人为因素对检测结果的影响，减少劳动强度。

进一步地，所述坐标系包括大地坐标系、机器人基座坐标系、机器人末端夹持检测装置的工具坐标系和待检测增材制件坐标系，所述大地坐标系为WXYZ，所述机器人基座坐标系为OXYZ，设工具坐标系为PXYZ，待检测增材制件坐标系为QXYZ，所述工具坐标系原点P与激光干涉仪聚焦点重合，PZ与激光光束平行且方向相同，PX、PY与激光光束垂直，所述待检测增材制件坐标系QXYZ按照增材制件坐标系AXYZ定义原点Q的位置、QX方向和QY方向，QZ方向与重力方向相反。大地坐标系WXYZ和机器人基座坐标系OXYZ为固定坐标系，工具坐标系PXYZ和待检测增材制件坐标系QXYZ的定义均符合右手定则，通过坐标系的定义生成机器人扫查轨迹，减少增材制件检测盲区，提高检测效率，保证检测结果的准确性。

进一步地，所述激光激发器、激光干涉仪与控制器通过光纤连接，与上位机通过线缆连接，所述激发激光自激光激发器发出，依次经由两个光路反射镜反射后穿过聚焦透镜反射至待检测增材制件表面产生超声波，所述接收激光自激光干涉仪发出，射向待检测增材制件表面，所述激发激光产生的超声波在待检测增材制件表面引起位移变量，激发激光接收并形成散射光斑被激光干涉仪接收。激光发射可调，可降低人为因素影响激光干涉仪焦距几率，保证超声信号接收稳定，实现激发激光间距与接收激光间距可根据检测对象进行调整，保证缺陷检测信号明显，保证检测结果的准确性。

本发明还提供了一种用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测方法，包括以下步骤：

S1、搭建机器人激光超声检测装置，检查运动扫查模块、超声检测模块和信号处理模块运行正常，根据待检测增材制件调整两个光路反射镜的位置及角度以调整激发激光与接收激光间距，保证激光光路固定，缺陷信号明显；

S2、生成电弧增材制件检测点坐标数据，在数控仿真软件中建立待检测增材制件三维CAD模型，根据增材制件形貌及激光超声检测深度进行模型分层，通过数控仿真软件对每层模型进行扫查轨迹坐标点生成，包括设置检测区域、扫查走向、路径步距、点位间隔和投影矢量，生成刀轨仿真路径，输出检测点坐标数据；

S3、规划机器人激光超声扫查轨迹，定义工具坐标系PXYZ和待检测增材制件坐标系QXYZ，进行工具坐标系和待检测增材制件坐标系在机器人基座坐标系OXYZ中的位姿描述，根据超声检测装置位姿，对S2中检测点坐标数据进行欧拉角转换，得到新坐标数据导入机器人可识别代码，生成机器人扫查轨迹；

S4、同步采集存储检测过程中的超声信号，通过程序平台开发的激光超声信号采集存储软件，在采集模块中设置参数，同步采集超声信号，在滤波模块中调整波形，实时消除杂波信号，在显示模块中查看超声信号波形，观察检测过程中增材制件缺陷信息，在记录模块中获得检测点位置，保存每个扫查点对应的超声信号数据，对采集过程中出现错误点点击停止选项中断超声信号采集；

S5、根据超声信号波形逐层判断缺陷信息，根据缺陷信息对增材制件对应层级进行处理，处理完毕后对剩余部分按照上述步骤依次检测，直至整个增材制件检测完毕，实现电弧增材制件缺陷机器人扫查式激光超声检测。

进一步地，在S5中根据超声数据成像判断缺陷信息，根据缺陷信息对增材制件对应层级进行处理，处理完毕后对剩余部分按照上述步骤依次检测，直至整个增材制件检测完毕，实现电弧增材制件缺陷机器人扫查式激光超声检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)采用集成式机器人激光超声检测装置，激光接收固定，降低人为因素影响激光干涉仪焦距几率，保证超声信号接收稳定，激光发射可调，实现激发光间距与接收光间距可根据检测对象进行调整，保证缺陷检测信号明显；

(2)基于电弧增材制件三维模型，结合激光超声检测深度进行模型分层，生成机器人检测路径，可减少增材制件检测盲区，提高检测效率，保证增材制件缺陷激光超声检测自动化，降低人为因素对检测结果影响，减少劳动强度；

(3)开发超声信号数据采集存储软件，进行超声信号数据读取、调整、显示、保存，软件操作简单，可实时观察缺陷信息，同步扫查位置与超声信号，保证检测结果准确。

附图说明

图1为本发明机器人激光超声检测装置结构框图。

图2为本发明超声检测模块结构示意图。

图3为待检测增材制件三维模型分层参考图。

图4为刀轨仿真路径参考图。

图5为本发明各坐标系示意图。

图6为激光超声信号采集存储软件界面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图中所示的用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测装置，包括运动扫查模块、超声检测模块和信号处理模块，运动扫查模块和超声检测模块的输出端均与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与超声检测模块的输入端连接，运动扫查模块包括机器人和机器人控制柜，超声检测模块通过夹具与机器人末端连接，超声检测模块包括壳体、激光激发器、激光干涉仪、光路反射镜和聚焦透镜，激光激发器、激光干涉仪和聚焦透镜固定设置于壳体中，光路反射镜包括两个且可旋转设置于壳体中，信号处理模块包括计算机和数据采集单元，计算机安装有数控仿真软件，数据采集单元包括数据采集卡和激光超声信号采集存储软件。运动扫查模块将坐标信息传递至上位机信号处理模块，超声检测模块将超声信号传递至上位机信号处理模块，在信号处理模块中进行数据处理。当检测过程发现信号出现错误，上位机信号处理模块可以控制超声检测模块中激光激发器停止发射激光，运动扫查模块采用示教器进行运动的停止。本发明检测过程中信号接收稳定，保证检测过程中无检测盲区，检测效率高，检测过程中实时对超声信号进行采集、调整、显示、保存，同步扫查位置与超声信号，保证缺陷检测结果准确性，整个检测过程实现全自动，可降低人为因素对检测结果影响，减少劳动强度。

作为优选，激光超声信号采集存储软件显示界面包括数据采集模块、滤波模块、显示模块和记录模块，数据采集模块包括采样物理通道、输入接线端、采样模式、采样时间、幅值大小、采样数和采样率文本框，滤波模块包括滤波类型、滤波阶数、采样频率、截止频率文本框，显示模块用于显示原始信号与滤波信号，包括信号波形、幅值、时间变化图，记录模块包括检测点位置显示框、扫查时间间隔设置、手动保存选项、扫查保存选项和文件保存路径。激光超声信号采集存储软件基于LabVIEW平台开发，软件操作简单，可在检测过程中实时对超声信号进行采集、调整、显示、保存，同步扫查位置与超声信号，保证缺陷检测结果准确性。其中采集模块用于设置信号采集参数，根据采集卡接口设置采样物理通道、输入接线端配置，根据信号幅值、长度、频率等设置采样模式、采样时间、幅值大小，根据奈奎斯特定理设置采样数、采样率；滤波模块用于消除杂波信号，包括选择滤波类型、滤波阶数，调整滤波效果，根据信号显示情况设置采样频率和截止频率；显示模块用于显示所测得信号相关信息，包括信号波形、幅值、时间等信息，同时显示原始信号与滤波信号，利于对比信号，根据需求调整X轴、Y轴坐标，保证信号最佳显示效果，其中X轴代表采样长度，Y轴代表幅值大小；记录模块用于保存信号数据，包括手动式与扫查式，手动式用于保存在检测过程中所需要位置处超声信号数据，扫查式用于保存在检测过程中扫查开始到结束每一组数据，根据机器人扫查速度设置扫查时间间隔，显示检测点位置，同步扫查位置与超声信号，保证检测结果准确；采集过程中出现错误点击停止选项即可中断超声信号采集。

作为优选，两个光路反射镜可移动地设置于壳体中。光路反射镜在壳体内的位置可移动，方便根据待检测增材制件调整光路反射镜的位置以确定激发激光光路与接收光路的间距。

作为优选，壳体底部设置有若干螺纹孔，激光激发器、激光干涉仪、光路反射镜和聚焦透镜均通过螺栓与壳体底部连接，两个光路反射镜通过连接不同螺纹孔改变位置以调整激发激光光路。螺纹和螺栓连接稳固，且方便拆装，便于调整两个光路反射镜的位置，光路反射镜可旋转，可降低人为因素影响激光干涉仪焦距几率，保证超声信号接收稳定，激光发射可调，实现激发光间距与接收光间距可根据检测对象进行调整，保证缺陷检测信号明显，保证检测结果的准确性。

作为优选，数控仿真软件为UG软件，用于构建增材制件三维模型并进行模型分层，生成坐标数据和定义坐标系，生成机器人检测路径代码。数控仿真软件基于电弧增材制件三维模型，结合激光超声检测深度进行模型分层，生成机器人检测路径，减少增材制件检测盲区，提高检测效率，保证增材制件缺陷激光超声检测自动化，降低人为因素对检测结果的影响，减少劳动强度。

作为优选，坐标系包括大地坐标系、机器人基座坐标系、机器人末端夹持检测装置的工具坐标系和待检测增材制件坐标系，大地坐标系为WXYZ，机器人基座坐标系为OXYZ，设工具坐标系为PXYZ，待检测增材制件坐标系为QXYZ，工具坐标系原点P与激光干涉仪聚焦点重合，PZ与激光光束平行且方向相同，PX、PY与激光光束垂直，待检测增材制件坐标系QXYZ按照增材制件坐标系AXYZ定义原点Q的位置、QX方向和QY方向，QZ方向与重力方向相反。大地坐标系WXYZ和机器人基座坐标系OXYZ为固定坐标系，工具坐标系PXYZ和待检测增材制件坐标系QXYZ的定义均符合右手定则，通过坐标系的定义生成机器人扫查轨迹，减少增材制件检测盲区，提高检测效率，保证检测结果的准确性。

作为优选，激光激发器、激光干涉仪与控制器通过光纤连接，与上位机通过线缆连接，激发激光自激光激发器发出，依次经由两个光路反射镜反射后穿过聚焦透镜反射至待检测增材制件表面，使增材制件表面产生局部温度上升从而产生超声波，接收激光自激光干涉仪发出，固定焦距200mm射向待检测增材制件表面，激发激光产生的超声波在待检测增材制件表面引起位移变量，激发激光接收并形成散射光斑被激光干涉仪接收。激光发射可调，可降低人为因素影响激光干涉仪焦距几率，保证超声信号接收稳定，实现激发光间距与接收光间距可根据检测对象进行调整，保证缺陷检测信号明显，保证检测结果的准确性。

本发明还涉及用于电弧增材制件缺陷的机器人激光超声检测方法，包括以下步骤(以核电主管道管嘴电弧增材制造过程中机器人辅助激光超声检测为例)：

S1、搭建机器人激光超声检测装置。运动扫查模块为安川机器人、安川机器人控制柜，超声检测模块包括泵浦调Q Nd：YAG激光激发器(波长1064nm、脉冲能量50mJ、脉冲频率50Hz、脉冲时间10ns)，激光干涉仪(波长532nm、检测带宽1-100MHz、焦距200mm)，光路反射镜，聚焦透镜为点源激光透镜，壳体长420mm、宽350mm、高160mm，与安川机器人末端连接，信号处理模块的数据采集卡为NI-PCI5114数据采集卡，采样频率为250MHz，检查运动扫查模块、超声检测模块和信号处理模块运行正常，根据待检测增材制件调整两个光路反射镜的位置及角度以调整激发激光与接收激光间距，保证激光光路固定，接收信号稳定，缺陷信号明显；

S2、生成电弧增材制件检测点坐标数据。在UG软件中按尺寸要求构建核电主管道管嘴三维CAD模型，根据管嘴形貌与激光超声内部缺陷检测深度10mm，对管嘴模型进行分层，如图3所示，划分为10层，采用UG软件中的加工模块，逐层生成刀轨路径。以模型第1层为例，选择检测区域，该分层包括曲面部分和平面部分，为保证检测过程中无盲区，曲面部分采用旋转向上扫查方式，平面部分采用Z字型往复扫查方式，根据激发激光光斑直径0.2mm，设置路径步距1mm，点位间隔0.2mm，投影矢量为刀具垂直于检测区域表面，保证激发激光与接收激光与检测区域表面垂直，生成刀轨仿真路径，如图4所示，输出检测点坐标数据至上位机桌面；

S3、规划机器人激光超声扫查轨迹。如图5所示，定义机器人系统各坐标系，包括大地坐标系WXYZ，机器人基座坐标系OXYZ，检测装置工具坐标系PXYZ，待测管嘴工件坐标系QXYZ，其中大地坐标系与机器人基坐标系为固定坐标系，进行同一坐标系中刚体位姿描述，在本发明机器人激光超声检测装置中，大地坐标系与机器人基坐标系重合，故只进行工具坐标系、工件坐标系相对于基坐标系变化描述：

定义工具坐标系PXYZ，获得机器人末端位置初始工具坐标系原点P0在基坐标系OXYZ中位置，记录(X0,Y0,Z0,RX0,RY0,RZ0)具体值，定义激光干涉仪聚焦点处为检测过程中工具坐标系原点P，PZ与激光光束平行且方向相同，PX、PY与激光光束垂直，符合右手定则，根据S1中检测装置具体尺寸，以及图1中干涉仪固定位置和焦距，更改(X0,Y0,Z0,RX0,RY0,RZ0)值为(X1,Y1,Z1,RX1,RY1,RZ1)，在机器人系统设置为工具坐标系1。

定义工件坐标系QXYZ，按增材管嘴所处位置定义原点Q位置、QX方、QY方向，QZ方向与重力方向相反，符合右手定则，在机器人基坐标系OXYZ中得到工件坐标系原点Q位置，记录(X2,Y2,Z2,RX2,RY2,RZ2)具体值，在机器人系统设置为用户坐标系1。

完成用户坐标系和工具坐标系在基坐标系中的描述，对检测点坐标点数据进行欧拉角转换，在S2中投影矢量已按照刀具垂直于检测区域表面设置，故在机器人系统中，欧拉角根据检测装置位姿，φX增加180°，φY不变，φZ不变，生成新检测坐标点。

在机器人可识别代码中导入新检测坐标点，设置用户坐标系为1，工件坐标系为1，机器人运动速度为5×10-5m/s，得到机器人扫查轨迹；

S4、同步采集存储检测过程中的超声信号。机器人夹持检测装置按照S3中轨迹开始检测，检测过程进行超声信号同步采集，本发明中基于LabVIEW平台开发激光超声信号采集存储软件，软件界面包括采集模块、滤波模块、显示模块、记录模块，如图6所示。

首先进行采集模块参数设置，选择NI-PCI5114采集卡信号采集通道口CH0，设置采样模式为连续采样，输入接线端配置为默认，以奈奎斯特定理为依据设置采样率2500，每通道采样数为25000，同时根据被测信号特点，设置采样信号幅值为±1V，时间为9us。

开始信号采集，在显示模块中查看采集到的信号，X、Y轴分别代表超声信号采样时长和幅值大小，采样时长由参数设置面板中时间参数决定，通过调节坐标轴最大值和最小值，可以调节超声信号显示区域范围，左侧面板为初始信号，包含总长度信号和所设时间内信号。

根据信号显示情况，对信号进行滤波处理，消除杂波信号，在滤波模块中选择滤波器类型为带通滤波，设置采样频率为2500，与采集模块中采样率相同，同时根据信号采集要求更改高截止频率与低截止频率，根据滤波效果设置阶数，阶数数值越大滤波效果越强，在右侧面板显示与原始信号相对应的滤波信号。

检测过程中观察显示面板中超声信号有无缺陷回波，判断增材制件中有无缺陷，记录有缺陷回波位置，检测位置在记录模块中位置显示处可以读取，根据S3中机器人运动速度，在记录模块中设置采集间隔时间为2s，点击扫查保存即按照扫查轨迹点同步保存超声信号数据，实现检测位置与超声信号一一对应，所有数据皆保存于一个文件中，若观察到某一组超声信号较为重要，点击手动保存即可单独保存该超声信号于一个文件中，同时在记录模块的左右面板分别对应原始信号与滤波信号的数据保存；机器人执行完检测轨迹，超声数据保存完成，软件控制结束；在检测过程中，若出现采集错误点击停止按钮即可中断超声信号采集。

S5、根据显示的超声信号波形或者对保存的超声数据成像，可以得到管嘴第一分层中缺陷信息，至此，核电主管道管嘴第一部分缺陷检测完成，若有缺陷，对管嘴该层进行处理，若无缺陷，剩余部分按照上述步骤依次检测，直至整个管嘴检测完毕。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。