[0001]技术领域
[0002]本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种激光超声分层自适应模式扫查方法及系统。
[0003]背景技术
[0004]增材制造技术又称3D打印技术，是通过CAD设计数据，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的、对原材料切削的加工模式不同，是一种“自下而上”材料累加的制造方法，实现制件从无到有的制造。增材制造技术近些年快速发展，其优势在于三维结构的快速和自由制造，使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能，被广泛应用于航空航天、医疗卫生等领域。
[0005]但是金属增材制件的质量控制一直是目前的研究重点，因为增材制造的特点，使用高能束进行制造，制造过程中能源消耗巨大，而且制造时间较长，成本高，如果制造完成之后发现制件有内部缺陷无法使用，会造成巨大的经济损失和时间浪费。考虑到其“自下而上”的制造特点，可以在制造过程中进行质量检测。激光超声是一种非接触、无损伤、耐高温、高精度的检测技术，可以应用于金属增材制造过程的在线实时检测，如果发现有缺陷，即可进行暂停制造进行补偿操作或者提前终止制造，减小损失。
[0006]在制造过程中，高能束移动速度快，而为了达到高精度扫查，激光超声探头组移动扫查的点密集，扫查速度较慢，如果层与层间制造时间相差太久，会影响制件力学性能，因此需要研究一种高效的扫查技术以实现效率和精度兼顾的效果。本发明依据增材制造“逐层增加”的特点和“高效、高精度”的检测需求，结合激光超声非接触的特点，提出一种金属增材制造过程的激光超声分层自适应模式扫查方法，并设计对应的硬件系统。
[0007]针对增材制造过程的激光超声检测，申请公布号CN106018288A的专利文献公布了一种激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，但该方法采用固定步长的分层逐点扫查，使得扫描点数过多，数据量大，检测时间长，降低了实际增材制造的制件质量和检测效率。
[0008]申请公布号CN202110973449.6的专利文献公布了基于激光超声及振镜协同的金属增材同步检测系统及方法，但该方法对于新成形层的扫查未作路径规划，在新成形层全区域进行固定步长的二维扫查，存在数据量大，检测、计算耗时长，检测效率低的问题。
[0009]发明内容
[0010]为克服现有技术中的问题，本发明提供一种金属增材制造过程的激光超声分层自适应模式扫查方法及系统，该方法能够有效提升缺陷检测精度，提高检测效率。
[0011]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0012]一种激光超声分层自适应模式扫查方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1：根据金属增材制件模型生成制造机器人移动路径，依据制造机器人移动路径设置扫查区域；
[0014]步骤2：对扫查区域进行M1模式扫查，得到激光超声信号；
[0015]步骤3：通过时域分析，判断激光超声信号中是否有缺陷信息；
[0016]步骤4：若激光超声信号中无缺陷信息，则进行M1模式扫查，直到遇到缺陷或达到设定的扫查区域边缘；若激光超声信号中包含缺陷信息，则进行M2模式扫查，得到缺陷所在区域内的所有超声信号；其中，M2模式扫查的步长小于M1模式扫查的步长；
[0017]步骤5：对步骤4中的缺陷所在区域内的所有超声信号，根据C扫信号处理的方法，得到缺陷位置和缺陷直径。
[0018]优选的，步骤1中的，扫查区域为矩形。
[0019]优选的，步骤3的具体过程为：
[0020]提取激光超声信号中第一个表面波传播时间T R 和激光超声信号中第一个纵波传播时间T L ，求解时域误差ΔT；
[0021]若时域误差满足 判断此时激光超声信号中无缺陷信息，其中，f为干涉仪采样频率；
[0022]若时域误差满足 判断此时激光超声信号中包含缺陷信息。
[0023]优选的，时域误差ΔT通过下式计算：
[0024]ΔT＝|(T R -t R )-(T L -t L )|
[0025]式中，t R 为表面直达波理论传播时间，t L 为纵波的底面回波理论传播时间。
[0026]优选的，表面直达波理论传播时间t R 通过下式计算：
[0027]式中，d为激励点和接收点之间的距离，v R 为表面波在金属增材制件模型的材料中传播的速度。
[0028]优选的，纵波的底面回波理论传播时间t L 通过下式计算：
[0029]式中，d为激励点和接收点之间的距离，h为增材制件整体高度，v L 为纵波在该种材料中传播的速度。
[0030]优选的，步骤4的具体过程如下：
[0031]1)在激励点位置不变的情况下，在以激励点为圆心，在以M2模式扫查的步长为半径的圆上进行逐点扫查，采集信号，实时分析采集到的信号，以缺陷回波出现时刻最早、缺陷回波幅值最大的方向为缺陷所在方向；
[0032]2)在缺陷所在方向上进行变步长的直线扫查，采集信号，实时分析采集到的信号，以缺陷回波消失和缺陷透射波第一次出现的两个位置的连线为对角线，M1模式扫查方向为一条边绘制矩形，矩形为缺陷所在区域；
[0033]3)在缺陷所在区域内进行型M2模式扫查，采集缺陷所在区域内的所有超声信号。
[0034]优选的，M1模式的扫查步长为0.5mm、1mm、1.5mm或2mm；
[0035]M2模式的扫查步长为0.1mm、0.2mm或0.5mm。
[0036]优选的，进行步骤5后，进行如下步骤：判断M1模式和M2模式扫查的范围是否已覆盖扫查区域，如果已全部覆盖，则扫查结束，如果未覆盖，则跳转到步骤2。
[0037]上述方法采用的激光超声分层自适应模式扫查系统，包括脉冲激光器探头、干涉仪探头、45°平面镜以及X-Y光学透镜；
[0038]其中，脉冲激光器探头射出的脉冲激光，照射在金属增材制件上，在金属增材制件表面和内部激励出超声波；金属增材制件表面的超声波经X-Y光学透镜、45°平面镜传播回干涉仪探头。
[0039]与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0040]本发明的自适应模式扫查方法，可以在无缺陷区域进行大步长的M1模式扫查，实时分析采集的信号，若判断激光超声信号中包含缺陷信息，则进行小步长的M2模式扫查，同时兼顾检测速度和检测精度，且不会出现漏检的情况，克服了现有技术中检测速度和检测精度在固定步长的全区域扫查中无法兼顾的问题。本发明中提出的自适应模式扫查方法中，对信号进行实时分析，对于无缺陷区域信号进行简单时域分析，节约计算资源；对于缺陷区域信号根据C扫信号处理的方法，按照时间进行切片，输出缺陷回波时刻的切片，输出缺陷信息，将计算资源用在重点关注的缺陷区域中，相较于现有方法，有效降低了计算量。本发明可以实现增材制造过程中缺陷实时检测，根据实时检测结果对制造过程进行干预，当检测到缺陷时，可中断目前制造过程，对小缺陷进行修复；若检测的缺陷无法修复时，可终止制造过程，避免从缺陷产生到制造完成带来的浪费。
[0041]进一步的，本发明可根据不同制件的用途和对缺陷的容忍度，设置不同的扫查步长，以实现高效、高精度检测。
[0042]附图说明
[0043]图1是本发明的实施例的激光超声分层自适应模式扫查系统示意图；
[0044]图2是本发明的实施例的实现流程图；
[0045]图3是本发明的实施例中M1模式扫查示意图和特殊点信号的示意图；其中，(a)为M1模式扫查示意图，(b)为A点(无缺陷区域)信号示意图，(c)为B点(靠近缺陷区域)信号示意图。
[0046]图4是本发明的实施例中M2模式中的圆形扫查示意图和特殊点信号的示意图；其中，(a)为M2模式中圆形扫查示意图，(b)为A点(靠近缺陷方向)信号示意图，(c)为其余点(远离缺陷位置)信号示意图。
[0047]图5是本发明的实施例中M2模式中的直线扫查示意图和特殊点信号的示意图；其中，(a)为M2模式中直线扫查示意图，(b)为A点(激励与接收位于缺陷同侧)信号示意图，(c)为B点(接收点位于缺陷区域内)信号示意图，(d)为C点(激励与接收位于缺陷异侧)信号示意图。
[0048]图6是本发明的实施例中M2模式中的矩形扫查示意图。
[0049]图1中，1是基板，2是连接装置，3是脉冲激光器探头，4是干涉仪探头，5是45°平面镜，6是X-Y光学透镜。
[0050]具体实施方式
[0051]下面结合附图和实施例对本发明的方法进行进一步的说明。
[0052]本实施例提供了一种金属增材制造过程的激光超声分层自适应模式扫查系统，如图1所示。通过程序可实现圆形、直线、矩形扫查。脉冲激光器探头作为整个扫查系统的超声波激励装置，脉冲激光由脉冲激光器探头3射出，照射在待测物体上，在物体表面和内部激励出超声波；干涉仪探头4、45°平面镜5、X-Y光学透镜6构成超声波信号接收装置，干涉仪探头4发射连续激光到45°平面镜5，光路产生90°偏转，照射进入X-Y光学透镜6，再通过X-Y光学透镜6中光路偏转，照射在物体表面，当制件表面有超声波传播时，表面振动信息由连续激光沿X-Y光学透镜6、45°平面镜5逆向传播回干涉仪探头4，干涉仪探头4输出超声波信号，实现超声波信号的非接触式采集，干涉仪探头4采样频率为f。干涉仪探头4、45°平面镜5、X-Y光学透镜6、脉冲激光器探头3均固定在设备安装的基板1上，进行扫查时，将整个扫查系统的基板1通过连接装置2固定在机器人末端，在机器人运动过程中实现扫查。图中虚线标注为脉冲激光和用于检测的连续激光的光路。
[0053]参见图2，本发明的一种金属增材制造过程的激光超声分层自适应模式扫查方法，包括以下步骤：
[0054]步骤1：根据金属增材制件模型生成制造机器人移动路径，依据制造机器人移动路径设置扫查区域，扫查区域设置成矩形。
[0055]步骤2：设置M1模式的扫查步长。M1模式为大步长扫查模式，一般步长可设置为0.5mm、1mm、1.5mm或2mm等；
[0056]步骤3：设置M2模式的扫查步长。M2模式为小步长扫查模式。一般步长可设置为0.1mm、0.2mm或0.5mm。M2模式的步长需小于M1模式的步长。
[0057]步骤4：设置最小可检缺陷尺寸。本发明中设计的激光超声分层自适应模式扫查系统中，最小可检缺陷直径为0.1mm，可根据增材制件用途设置最小可检缺陷尺寸。
[0058]步骤5：依据当前增材制件整体高度h，表面波在金属增材制件模型的材料中传播的速度v R ，纵波在该种材料中传播的速度v L ，激励点和接收点之间的距离d等参数，依据如下公式求出当前表面直达波理论传播时间t R 、纵波的底面回波理论传播时间t L 。
[0059]步骤6：控制机器人将如图1所示的扫查系统置于扫查起始位置，并开启扫查系统，确定超声波激励装置和超声波信号接收装置自动对焦。参见图3中(a)、(b)和(c)，启动扫查系统，进行M1模式扫查，采集得到激光超声信号S。
[0060]步骤7：实时分析采集到的激光超声信号S，通过时-频域、时域分析，判断激光超声信号S中是否有缺陷。具体包括以下步骤：
[0061]步骤7.1：激光超声信号S时-频域分析。提取激光超声信号S中出现的第一个波峰传播时刻T 1 和第二个波峰传播时刻T 2 ，对采集到的激光超声信号S进行短时傅里叶变换，得到第一个波峰传播时刻T 1 的瞬时频率f 1 和第二个波峰传播时刻T 2 的瞬时频率f 2 。
[0062]若f 1 ＜f 2 ，则第一个波峰传播时刻T 1 的瞬时频率f 1 对应的超声波为表面波，T R ＝T 1 ；第二个波峰传播时刻T 2 的瞬时频率f 2 对应的超声波为纵波，T L ＝T 2 ；
[0063]若f 1 ≥f 2 ，则第一个波峰传播时刻T 1 的瞬时频率f 1 对应的超声波为纵波，T L ＝T 1 ；第二个波峰传播时刻T 2 的瞬时频率f 2 对应的超声波为表面波，T R ＝T 2 ；
[0064]其中，T R 为信号S中第一个表面波传播时间；T L 为信号S中第一个纵波传播时间；
[0065]步骤7.2：激光超声信号S时域分析。提取激光超声信号S中出现的第一个表面波传播时间T R 和第一个纵波传播时刻和T L ，求解时域误差ΔT。
[0066]ΔT＝|(T R -t R )-(T L -t L )|
[0067]若时域误差满足 判断此时检测点采集到的激光超声信号S中无缺陷信息。其中，f为干涉仪采样频率。
[0068]若时域误差满足 判断此时检测点采集到的激光超声信号S中包含缺陷信息。
[0069]参见图3中(a)，当扫查起始位置A点周围无缺陷时，采集到的信号如图3中(b)，信号中只有表面直达波信号和纵波底面回波信号；当扫查到缺陷附近B点位置时，信号中出现缺陷回波与纵波叠加的情况，通过步骤7.2判断出B点周围有缺陷，需要进行M2模式扫查。
[0070]步骤8：若采集到的激光超声信号S中无缺陷信息，则继续进行M1模式扫查，直到遇到缺陷或达到设定的扫查区域边缘；若采集到的信号中包含缺陷信息，则进行M2模式扫查，得到缺陷所在区域内的所有超声信号。具体包括以下步骤：
[0071]步骤8.1：在激励点位置不变的情况下，由X-Y光学透镜改变接收点的光路，接收点在以激励点为圆心，参见图4中(a)、(b)和(c)，M2模式扫查(圆形扫查)的步长为半径的圆上进行逐点扫查，实时分析采集到的信号，以缺陷回波出现时刻最早、缺陷回波幅值最大的方向为缺陷所在方向。参见图4中(b)和(c)，A点采集到的信号是圆形扫查采集到的所有信号中缺陷回波出现时刻最早，缺陷回波幅值最大的点，因此激励点和A点的连线即为缺陷所在方向。
[0072]步骤8.2：在激励点位置不变，缺陷所在方向确定的情况下，参见图5中(a)、(b)、(c)和(d)，由X-Y光学透镜改变接收点的光路，接收点在缺陷方向上进行M2模式扫查，M2模式扫查为变步长(第n个接收点位于激励点n×M2步长的位置处)的直线扫查，实时分析采集到的信号，以缺陷回波消失和缺陷透射波第一次出现的两个位置的连线为对角线，M1模式扫查方向为其中一条边绘制矩形，矩形为缺陷所在区域。参见图5中(b)、(c)和(d)，当接收点位于图5中(a)中A点位置时，图5中(b)信号中缺陷回波明显；当接收点移动到B位置时，因为接收点位于缺陷之中，缺陷内部粗糙度大导致干涉仪射出的连续激光无法聚焦，因此图5中(c)中信号只有噪声没有超声波信息；当接收点移动到C位置时，图5中(d)信号中出现缺陷透射波，因此由A点和C点的连线确定对角线，以M1模式扫查方向为一条边绘制的矩形如图5中(a)中虚线所示，该矩形为缺陷所在区域。
[0073]当图5中(a)中A点和C点的连线长度大于等于步骤4中的最小可检缺陷尺寸时，表明这个区域内有需要检出的缺陷，因此进入到步骤8.3进行矩形扫查；如果AC连线长度小于最小可检缺陷尺寸时，表面这个缺陷是可以接收的，因此不需要继续进行M2模式扫查，跳转到步骤6继续进行M1模式扫查。
[0074]步骤8.3：参见图6，图6中虚线方框为扫查区域，实线方框为金属增材制件，保持激励点位置不变，由X-Y光学透镜改变接收点的光路，接收点在缺陷所在区域内进行“S”型M2模式扫查，采集缺陷所在区域内的所有超声信号。
[0075]步骤9：对步骤8.3采集到的信号，依据C扫信号处理的方法，将所有信号存于矩阵中，按照时间进行切片，输出缺陷回波时刻的切片，切片中超声波传播路径断开的位置即为缺陷位置，超声波断开的距离为缺陷直径，缺陷位置和缺陷直径为缺陷信息。
[0076]步骤10：判断M1和M2模式扫查的范围是否已覆盖扫查区域，如果已全部覆盖，则扫查结束。如果未覆盖，则跳转到步骤6，继续进行M1模式扫查。
[0077]现有激光超声扫查方法多采用固定步长的全区域扫查，为了保证检测精度，扫查步长设置的很小，因此导致采集的数据量巨大，而且数据采集过程较长，影响制造效率与质量；当要保证检测效率时，扫查步长必须设置较大，导致漏检小尺寸缺陷。检测速度和检测精度在固定步长的全区域扫查中无法兼得，而本发明提出的自适应模式扫查方法，可以在无缺陷区域进行大步长扫查，在有缺陷区域进行小步长扫查，同时兼顾检测速度和检测精度，且不会出现漏检的情况。
[0078]现有的激光超声全区域固定步长扫查采集到的数据量大，待采集完成之后进行信号处理的计算量大。而本发明中提出的自适应模式扫查方法中，对信号进行实时分析，对于无缺陷区域信号进行简单计算，节约计算资源；对于缺陷区域信号进行重点计算，将计算资源用在重点关注区域中，相较于现有方法，有效降低了计算量。
