[发明专利]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

权利要求书

1.一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，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建机械手式激光超声自动检测系统，所述系统包括控制模块、机械手、夹紧装置、一套激光超声检测装置、数据采集及处理模块；机械手通过控制模块实现运动控制，夹紧装置安装在机械手的末端臂上，一套激光超声检测装置则通过夹紧装置与机械手相连，其中一套激光超声检测装置包括脉冲激光器和激光干涉仪，数据采集及处理模块包括数据采集卡和计算机；

步骤二：对增材制造过程中的构件进行激光超声波信号激励及信号采集，以基板表面中心为原点，基板表面为XOY面，建立空间直角坐标系OXYZ，调整机械手在空间中的路径和初始位置；根据构件三维模型的整体高度H以及切片层的厚度ΔH，确定脉冲激光器以及激光干涉仪在Z方向上的移动步长；根据构件三维模型的宽度、长度及检测精度需求确定脉冲激光器和激光干涉仪在X、Y方向上的移动步长；通过脉冲激光器激励超声波信号，激光干涉仪接收信号，数据采集及处理模块采集超声波数据并保存至计算机中，具体数据采集及处理步骤如下：

步骤1：调整机械手在空间中的路径和初始位置，使脉冲激光器距离基板表面的距离为d1，激光干涉仪距离基板表面的距离为d2，进一步调整脉冲激光器和激光干涉仪的方位，保证激光入射点距离基板边界距离d3，使激光干涉仪此时接收的超声波信号为最大值；

步骤2：根据构件三维模型的整体高度H以及切片层的厚度ΔH，确定脉冲激光器和激光干涉仪在Z轴方向上移动的距离h取值范围[d1,h_z]，其中h_z＝H+d1，将H划分为K等份，即选取K个Z方向的激光超声波激励位置，确定脉冲激光器和激光干涉仪Z方向上的移动步长ΔZ，ΔZ根据构件具体高度以及检测精度需求确定；

步骤3：根据构件三维模型的宽度和长度以及检测精度需求，将模型第k次检测的二维平面沿X方向划分为M等份，沿Y方向划分为N等份，确定脉冲激光器以及激光干涉仪在X方向上的移动步长ΔX和在Y方向上的移动步长ΔY，由机械手控制一套激光超声检测装置在XY平面内先后沿着X方向和Y方向运动，同时脉冲激光器实现激光超声波信号激励、激光干涉仪实现信号接收；第一次检测时，计算机实时将X方向和Y方向上每个检测点位置的超声波信号进行保存，获得的信号记为S_1,m、E_1,n，信号保存后，脉冲激光器和激光干涉仪沿着Z方向上升一个步长ΔZ，当所设定的新的一次加工层数完成后，开始第二次检测，脉冲激光器和激光干涉仪继续激励和接收X和Y方向上的超声波信号，获得新的信号S_2,m、E_2,n，即依次获得第k次检测时X方向的信号S_k,m和Y方向的信号E_k,n，直到构件加工完成，其中m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，k＝1,2,…,K；

步骤三：超声波信号相异系数计算及缺陷识别定位，首先提取步骤二中X方向上和Y方向上所采集的超声波数据，每一次激光超声检测完成后，先计算出X方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数，再计算出Y方向上不同位置点所采集信号之间的协方差、标准偏差及所采集信号两两之间的相异系数，然后根据相异系数可得出X方向与Y方向上不同位置检测点所累加的相异系数之和，再根据给定阈值得出存在缺陷的区域，最后由X和Y方向上存在缺陷的共同区域判定缺陷所在的位置，具体相异系数计算及缺陷识别定位算法步骤如下：

步骤1：超声波信号相异系数计算，首先求出X方向不同位置点采集信号的两两之间的相异系数，即采集信号为S_k,m时，先求出S_k,i和S_k,j相关系数ρ_k,i,j，其中i,j∈[1,M]，且i≠j：

再求出S_k,i和S_k,j的相异系数α_k,i,j：

α_k,i,j＝1-ρ_k,i,j

其次求出Y方向不同位置点采集信号的两两之间的相异系数，即采集信号为E_k,n时，先求出E_k,i和E_k,j相关系数δ_k,i,j，其中i,j∈[1,N]，且i≠j：

再求出E_k,i和E_k,j的相异系数β_k,i,j：

β_k,i,j＝1-δ_k,i,j

步骤2：缺陷识别定位，提取步骤三中所储存的相异系数α_k,i,j及β_k,i,j，分别对其进行求和及平均计算：

设定阈值ε，当γ_k,iε时，此时第k次检测中X方向上i点所对应的扫描路径上存在缺陷，即第i行存在缺陷；当σ_k,jε时，此时第k次检测中Y方向上j点所对应的扫描路径上存在缺陷，即第j列存在缺陷；由此确定缺陷的具体位置为(S_k,i，E_k,j)，即第k次检测中i行j列相交的位置。