一种载于机械臂的超声检测增材构件表面形貌装置的制作方法

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种载于机械臂的超声检测增材构件表面形貌装置。

背景技术：

增材制造技术将每一层“薄片”叠加而形成三维实体零件，实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，但零件一层一层堆叠后，每一层的质量好坏无法得到精确检测，而每一层的质量以及层与层之间的结合质量直接决定着整个制件的质量。因此关键在于每一层“薄片”的表面形貌，而其复杂性往往导致常规检测手段面临可达性差、检测盲区大等问题，给无损检测带来很大挑战；增材制造零部件由于其连续成形特征，需要增材一定体积后检测质量以控制是否继续增材，同时还需要增材后大尺寸零部件的整体检测。需要采用无损检测手段进行外形尺寸的精密测量，但目前缺乏公开报道的信息。

超声在空气的声衰减系数较大,声强随传播距离呈指数衰减,空气中超声的探测范围较小,一般在30m以内。但由于超声测距的是一种非接触的测量方式，和红外、激光及无线电测距相比，超声测距有结构简单、成本较低、不易受光线、烟雾、电磁影响等优点，所以在某些特殊情况下，超声测距是其他测距方式不可替代的。目前,空气中的超声测距被广泛应用于地貌形貌成像、机器人定位测量等。

北京理工大学研发了一种双机械手超声检测方法(徐春广，郭灿志，郝娟等),公开号为cn108982664a的专利提出了一种利用双机械手检测系统进行检测工件内部质量的方法，机械手不与被检工件发生碰撞，该装置将工业机器人与超声检测技术相结合，可以发挥机器人的灵活性强、自动化程度高、可重复编程、精度高等特点，并且对于尺寸较大、结构开放的复杂曲面工件通过编程机器人路径即可完成覆盖检测。但该方法只是完成构件内部缺陷的检测，而对于构件表面形貌的检测仍有欠缺。因此本发明利用超声测距优势结合工业机器人对构件的表面形貌进行检测。

中国专利cn109196350a公开了一种超声检测材料内部的缺陷的方法，通过从超声发射换能器发射超声，超声接收换能器获取至少一个时间信号，所述至少一个时间信号表示在测量期间在测量位置处在材料中随时间传播的超声的振幅；对于每个测量位置，其能够在测量期间使用归一化项对时间信号进行归一化以获得归一化的时间信号；和处理不同测量位置的归一化的时间信号以检测材料中的缺陷。但该方法只能够检测某些固定点的缺陷情况，完成单点的形貌或内部缺陷的检测，而由于其无法实现检测过程中设备的快速移动，因此无法完成对于大型结构件的表面形貌检测，无法实现构件表面形貌的二维成形。

中国专利cn1312487c公开了一种新型超声波检测装置及检测方法，包括：超声波探头及联动装置、发射/接收电路、控制/处理单元、显示器和人机对话接口。在所述超声波探头联动装置内，安装有一个与该探头同步运动的，由机械计数式或如同光电鼠标式结构组成的探头物理位置等距离移动信号产生装置；利用机械电脉冲计数装置或光电鼠标装置，产生敏感于被检测物体检测面横坐标或/和纵坐标移动的脉冲定距离标志信号或网格标志信号，同步控制发射电路产生高压激励脉冲给探头，探头产生超声波，经耦合传入被检物体。克服了因非匀速移动带来的图像失真问题，实现依物理位置移动信号产生激励脉冲，接受回波信号进行处理，真实反映物体内部信息的目的。但该方法对于尺寸较大、结构开放的复杂曲面工件的覆盖检测十分困难，无法实现对结构表面全方位的移动检测，不具备检测的灵活性、自动化程度很低、对于构件的检测路径无法重复编程。

中图分类号为tg115.28的“一种钢板现场超声波检测装置”一文中描述了一种手推式c扫描超声波检测装置。该检测装置由多通道超声仪器、滚筒式探头以及位置调节机构、探头润湿机构等部分组成。在检测过程中，通过对探头垂直度、钢板贴合等机构的调节，以及对声透膜和表面喷水润湿机构的设计，实现了对一定厚度(15～100mm)钢板中缺陷质量的快速检测。该装置可实现对被检测构件一定范围内的的移动扫描，但其为手推式c扫，不具备精准的扫描功能，无法实现自动化的构件检测扫描，效率十分低；扫描路径无法进行程序化、循环化的机械编程控制，完全由人为控制，扫描结果偏差过大，且无法扩大检测可达范围。

技术实现要素：

针对现有检测构件表面形貌方法及检测装置灵活性的不足，本发明目的在于提供一种载于机械臂的超声检测增材构件表面形貌装置。将工业机器人与超声检测技术相结合，应用于构件表面形貌的检测，将计算机阵列算法和工业机器人与超声检测技术相结合，应用于构件表面形貌的检测。

实现本发明目的提供技术方案如下：

一种载于机械臂的超声检测增材构件表面形貌装置，该装置包括：脉冲发生器、超声换能器、接收放大器；还包括多关节型工业机器人、机器人控制面板、信号采集卡、计算机系统、操作台；超声换能器、接收放大器构成超声收发装置；多关节型工业机器人、机器人控制面板、机器人电源三者相连；其中，将多关节型工业机器人放置在工作平台上，并将超声收发装置载于机器人手臂上，实现超声收发装置的多维运动；储存数据的信号采集卡与计算机系统相连，计算机接收到n个制件表面超声信号，根据构建的麦克风阵列算法计算制件表面各点的三维高度信息，从而构建所检测增材制件表面形貌的二维彩虹图。

超声收发装置应与被检制件保持垂直关系，且与被检测构件间的距离高度范围为0.1—0.2m。

使用柔性夹具将超声收发装置固定在机器人手臂上作扫查检测，其中两探头间距取决于制件厚度、声束角度和探测频率。

多维运动具体为：以x方向为扫查方向，y方向为偏移方向。通过规划路径使机器臂带动超声收发装置沿制件x方向边长方向作平行扫查。设置y向每次偏移距离为1mm，x与y向上的行走路径均设置为直线模式，收发装置在被检制件上方走“s”型轨迹，x与y向上各自总位移设置应匹配被检制件的长度和宽度。

机器人控制面板设置机器臂行走速度，使机器臂每秒的行走距离与超声换能器发射频率匹配合理。

本发明相对于现有技术相比，有显著优点如下：

1、本发明装置将传统超声检测系统与计算机阵列算法及工业机器人结合，实现了超声检测系统在多维空间对构件表面形貌的全面、精准、快速的超声检测；2、相比于传统的超声测距原理通过渡越时间法测出距离信息要更加精准快速，效率更高，并最终能得到更直观清晰的二维彩虹图，不需要进行数据演变，便于分析制件表面形貌。

附图说明

图1为本发明的载于机械臂的超声检测增材构件表面形貌装置的示意图。

图2为本发明的表面形貌测量方法示意图。

图3为本发明的装置运行原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

一种载于机械臂的超声检测增材构件表面形貌装置，该装置包括：脉冲发生器1、超声换能器2、接收放大器3、时间计数器4、示波器5、鉴幅器6；还包括信号采集卡7、计算机系统8、多关节型工业机器人9、机器人控制面板10、操作台11；超声换能器2、接收放大器3、时间计数器4构成超声收发装置，超声换能器2为发射探头；脉冲发生器1控制超声换能器2和鉴幅器6；时间计数器4置于超声收发装置内部；接收放大器3与示波器5和鉴幅器6相连；多关节型工业机器人9、机器人控制面板10、机器人电源三者相连；其中，将多关节型工业机器人放置在工作平台上，并将超声收发装置载于机器人手臂上，实现超声收发装置的多维运动；储存数据的信号采集卡7与计算机系统8相连。

超声收发装置应与被检制件保持垂直关系，且与被检测构件间的距离高度范围为0.1—0.2m。

考虑到接近觉检测测量范围较小,为0.2m。且传播介质为空气，选用pzt5压电陶瓷厚度振动模式的换能器。

使用柔性夹具将超声收发装置固定在机器人手臂9上作扫查检测，其中两探头间距取决于制件厚度、声束角度和探测频率。

多维度运动为：以x方向为扫查方向，y方向为偏移方向。通过规划路径使机器臂9带动超声收发装置沿制件x方向边长方向作平行扫查。设置y向每次偏移距离为1mm，x与y向上的行走路径均设置为直线模式，收发装置在被检制件上方走“s”型轨迹，x与y向上各自总位移设置应匹配被检制件的长度和宽度。

被检测制件表面形貌起伏高度变化在0.1-1mm范围内。

实施例

一种载于机械臂的超声检测高氮钢表面形貌的装置，所用高氮钢表面规格100mm×350mm，其检测步骤如下：

使用柔性夹具将超声收发装置固定在机器人手臂9上，在机器人控制面板10上对机器臂9进行行走路径规划。

被检构件表面尺寸为100mm×350mm，因此使用脉冲发生器1设置脉冲重复频率为500hz，激励超声换能器2垂直向被测试样发射超声波，并触发计时器4开始计时。

将高氮钢构件放置于与机器人同一水平操作台上。规划路径以x方向为扫查方向，y方向为偏移方向，同时检查超声收发装置与高氮钢表面是否垂直，高度范围控制在0.1—0.2m。通过规划路径使机器臂5带动超声收发装置沿制件x方向边长方向作平行扫查并在高氮钢表面上方走“s”型轨迹。其行走速度为18cm/min。设置y向每次偏移距离为2mm，x与y向上的行走路径均设置为直线模式，x方向上行走总位移为350mm，y方向上行走总位移为100mm。即完成对17500个x向的单道布点，y向50道布点的扫描。

脉冲发生器发射超声波以一定的角度沿s方向传播照射到增材构件上后，被物体反射，接收放大器接收物体反射信号，信号被与之相连的信号采集卡采集，插入计算机，传输至计算机中；计算机计算所基于的理论依据为：把增材制件底面平面mn(x,y,0)定为基准平面，也是零相位面。基于操作平台构建一空间直角坐标系，在空间坐标系xyz中定义制件表面上任一点p坐标为(xp,yp,zp)，由此可知在工件表面上可有规律的取到n个p点，分别为p0、p1、p2...pn；取超声收发装置的收发点为点o(xo,yo,0)，点o为参考点，则p点的空间三维坐标可以表示为：

其中，d是超声收发装置的收发头与被检测点的直接距离，α是发射的圆锥形超声波的中轴线与水平工作台的夹角，θ是超声波中轴线映射在水平工作台上的映射线与竖直方向的夹角；

且p、o两点的相位差可以表示为：公式中i是超声发射装置所发射的超声波与竖直方向的夹角、i’是超声接收探头所接收到的信号幅值最强的超声回波与竖直方向的夹角、其中i、i’通过超声收发单元的信号采集器鉴幅器可测出；xp-xo是点p与点o之间x方向的距离、yp-yo是点p与点o之间y方向的距离，以上两个距离可通过机器臂在行走过程中的路径信息显示所得知；从而p的相位可以表示为：公式中λ是试验过程中所采用的特定频率声波的波长；

通过该公式即可计算出各点相位φp(φpx,φpz)；

从工程应用的角度考虑，再选用了multiquadric径向基函数插值法，根据离散数据点，其插值函数如下：

其中

大量的计算表明，如果相对于数据点之间的距离，δ的取值过大，则会导致病态的系数矩阵，影响求解，所以δ的取值尽量以radon变换为支撑。

因此可以计算制件表面的三维位置信息f(x,y,z)。