一种用于增材制造零件的自动化涡流检测系统

1.本实用新型涉及增材制造涡流无损检测技术领域，具体涉及一种用于增材制造零件的自动化涡流检测系统。


背景技术：

2.金属增材制造技术根据零件的三维模型进行分层切片，生成成形轨迹，利用高能量激光束将金属粉末或丝材熔化并逐层沉积在基板直接累加形成三维零件实体。省去了模具、夹具的设计及加工，提高了材料的利用率，缩短了制造周期短，对于大型及复杂零件的制造极具优势，广泛应用于航空航天、核电等领域。然而增材制造技术采用由点到线、由线到面、逐层累加的材料累积叠加的成形方式，成形过程中涉及的因素较多，成形工艺复杂，导致增材零件内部可能会产生气孔、熔合不良、裂纹等缺陷，危害零件的使用性能。
3.无损检测技术是一种非破坏性检测技术，在不损伤零件的前提下对零件的内部缺陷情况进行检测评价，对于高价值零件的使用性能评估具有重要意义。常用的无损检测技术有射线、超声、涡流及渗透检测等。其中电涡流检测技术利用电磁感应原理在被检件内部激发产生涡流，当零件内部存在缺陷时涡流场会产生变化，通过检测被检件内部涡流场的变化来探测缺陷。由于电流的趋肤效应，涡流检测的深度有限，但对于表面及近表面缺陷具有很高的识别能力，是表面及近表面缺陷检测的常用手段。应用于航空航天等领域的增材制造零件向大型化及复杂化方向发展，目前涡流检测主要以人手工检测为主，检测效率低，容易产生人工疲劳，容易出现漏检。针对增材制造领域的检测需求，本实用新型通过将涡流检测仪器与工业机器人结合，实现自动化检测。


技术实现要素：

4.针对传统手持式电涡流检测技术检测效率低、人工强度高、缺陷易漏检等不足之处，本实用新型的目的在于提供一种用于增材制造零件的自动化涡流检测系统，该检测系统能够大大提高检测效率，提高缺陷的检出率，非常适合金属增材制件的无损检测。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种用于增材制造零件的自动化涡流检测系统，该检测系统包括六自由度工业机器人、涡流检测系统、夹具和大理石平台；其中：所述涡流检测系统包括涡流探伤仪和涡流探伤用探头，涡流探伤仪与探头之间通过探头线进行连接；所述夹具用于连接机器人及夹持探头，夹具包括法兰盘及连接臂，法兰盘用于与机器人法兰连接，连接臂的一端固定在法兰盘上，连接臂的另一端夹持探头；所述涡流探伤仪及待检测工件放置于所述大理石平台上。
7.所述六自由度工业机器人型号为kr 22r1610，参数为：机器人额定总负荷22kg，最大运动范围1610mm，位资重复精度
±
0.04mm，重量245kg，占地面积430.5mm
×
370mm。
8.所述涡流探伤仪、探头及探头线的生产厂家皆为olympus。
9.所述的涡流探伤仪型号为nortec 600c，探头型号为9222162，探头的频率范围是
500khz～1mhz，探头线型号为dsub
‑
hd15
‑
6。
10.所述夹具采用材质较软的al6061材料制造，以避免夹持探头过程中对探头造成损伤。
11.所述大理石平台带有螺旋调平机构，采用水平仪调平后的平面精度为
±
0.02mm，检测过程中所述涡流探伤仪及待检测工件放置在大理石平台上，为了防止平台不平造成提离量变化对检测结果造成影响，每次检测前应对大理石平台进行调平。
12.利用所述检测系统进行的用于增材制造零件的自动化涡流检测方法，该检测方法是将工件及涡流检测仪放置在大理石平台上，探头固定在机器人机械臂上，通过编写机器人的运动轨迹来控制探头的检测轨迹。
13.所述检测方法中采用与检测工件材料相同或相近的对比试块进行参数调节，对比试块由olympus制造，型号为srs
‑
0824t。
14.所述对比试块含有三条表面开口槽缺陷，槽宽0.007英寸，槽深分别为0.008英寸、0.02英寸、0.04英寸。
15.机器人的检测轨迹根据零件的三维模型生成，探头的提离量为0.5mm；被检工件表面应清洁、无毛刺，无影响涡流检测的粉尘及金属屑等，被检工件表面粗糙度等参数应满足相关产品技术条件要求。
16.本实用新型的优点及有益效果是：
17.1、本实用新型将涡流检测系统与工业机器人结合，易于实现自动化，提高检测效率，降低人工强度，防止缺陷漏检。
18.2、本实用新型将探头固定在机器人机械臂上，可实现灵活的轨迹运动，并且在检测过程中可防止提离量的变化对检测结果造成影响。
19.3、本实用新型基于增材制造的检测需求设计检测方法，有利于推动增材制造检测技术的应用及发展。
附图说明
20.图1为自动化检测系统示意图。
21.图2为法兰盘示意图。
22.图3为探头连接臂示意图。
23.图4为探头与机器人臂连接示意图。
24.图5为检测工件及检测方向示意图。
25.图6为图5中沿1方向缺陷检测结果。
26.图7为图5中沿2方向缺陷检测结果。
27.图中：1
‑
工业机器人；2
‑
检测工件；3
‑
大理石平台；4
‑
涡流探伤仪；5
‑
探头；6
‑
法兰盘；7
‑
探头连接臂；8
‑
开槽孔；9
‑
机械臂。
具体实施方式
28.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述。
29.本实用新型为基于增材制造的自动化涡流检测系统及方法，该方法将涡流检测系
统与六自由度工业机器人结合，实现自动化检测。检测系统示意图如图1所示，工件2及涡流检测仪放置在大理石平台3上，大理石平台带有螺旋调平机构，探头5固定在机器人机械臂9上，通过编写机器人的运动轨迹来控制探头的检测轨迹。
30.所述的六自由度工业机器人1型号为kr 22r1610，参数为：机器人额定总负荷22kg，最大运动范围1610mm，位资重复精度
±
0.04mm，重量245kg，占地面积430.5mm
×
370mm。
31.所述的涡流检测系统包括涡流探伤仪4和涡流探伤用探头5，探伤仪与探头之间通过探头线进行连接，涡流探伤仪、探头及探头线的生产厂家皆为olympus，涡流探伤仪型号为nortec 600c，探头型号为9222162，探头的频率范围是500khz～1mhz，探头线型号为dsub
‑
hd15
‑
6。
32.所述的涡流探伤仪及待检工件2放置在大理石平台3上，所述的大理石平台带有螺旋调平机构，每次检测前应使用水平仪对大理石平台进行调平。
33.所述的探头通过夹具连接固定在机器人机械臂9上，所述的夹具包括法兰盘6和探头连接臂7，分别如图2、图3所示。法兰盘通过八个螺钉固定在机器人机械臂上，探头连接臂通过法兰盘上的三个螺纹孔固定在法兰盘6上，探头5夹持在连接臂下端的开槽孔8内，在开槽孔旁边与开槽垂直贯通的横孔内安装螺钉，并用螺母上紧用于夹紧固定探头，如图4所示。为了避免夹持过程中对探头造成损伤，夹具采用材质较软的al6061材料制造。
34.待检测工件如图5所示，该工件采用激光同步送粉增材制造方法制备，工件材料为tc4钛合金，检测表面含有熔合不良缺陷。
35.检测前，被检工件表面应清洁、无毛刺，无影响涡流检测的粉尘及金属屑等，被检工件表面粗糙度等参数应满足相关产品技术条件要求。选用与被检工件材料相同的对比试块进行参数调整，调整的参数主要有检测频率、相位角、水平增益、垂直增益以及探头提离量。
36.所述的提离量用于控制探头与工件间的距离，防止检测过程中探头与工件发生碰撞造成探头损毁。在检测过程中应保持提离量不变，在此基础上根据被检工件的三维形貌生产机器人的运动轨迹。
37.实施例1：
38.利用本实用新型自动化检测系统进行增材制造样件的涡流检测，操作流程如下：
39.1.将法兰盘、探头连接臂及探头用螺钉夹紧固定在机器人机械臂上，使用水平仪对大理石平台进行调平，调平精度为
±
0.02mm。
40.2.将涡流检测仪、待检工件及对比试块放置在大理石平台上，待检工件材料为tc4钛合金，采用激光直接熔粉沉积工艺制备，含有表面熔合不良缺陷。
41.3.选用的对比试块由olympus制造，型号为srs
‑
0824t，材料为tc4，尺寸4.0
×
1.0
×
0.25英寸，对比试块表面含有三条开口槽缺陷，槽宽0.007英寸，槽深分别为0.008、0.02、0.04英寸，长度方向上贯穿为1.0英寸。
42.4.设定探头的提离量为0.5mm，控制机器人使探头沿直线运动，采用对比试块进行参数调节，调节的参数主要有频率、相位角、水平增益及垂直增益。其中频率越高，检测灵敏度越高，但检测的深度会降低。由于本次检测的缺陷为表面缺陷，故检测频率可适当提高。相位角主要控制信号在显示屏上的角度，水平增益和垂直增益分别控制信号在水平及垂直
方向的幅度。
43.5.经过对比试块校准后设定检测参数分别为：频率1.0mhz、相位角336.0
°
、水平增益43.5db、垂直增益60.2db，对比试块上三条开口槽缺陷的检测结果如图6中的红色曲线所示，扫查方向与槽的长度方向垂直，并将对比试块的检测结果设定为基础，用于衡量被检工件的缺陷尺寸。
44.6.采用激光同步送粉增材制造方法制备了含有熔合不良缺陷的tc4钛合金工件，如图5所示，用于对本系统及方法进行验证。
45.7.在此参数下编写机器人运动轨迹对图5所示的工件进行自动扫查检测，扫查间距为2mm，工件表面缺陷的检测结果如图6、图7所示，分别为探头沿不同方向扫过缺陷时的检测结果，可以说明缺陷的宽度及深度皆对检测信号有影响，分别影响水平增益和垂直增益。本实用新型成功检测到了工件表面的熔合不良缺陷。