用于激光超聲波探傷的關(guān)節(jié)型機器人的制作方法
【專利摘要】提供了可操作地探傷目標(biāo)材料的超聲波無損估計(NDE)系統(tǒng)。該超聲波NDE系統(tǒng)包括關(guān)節(jié)型機器人、超聲波探傷頭、處理模塊和控制模塊。超聲波探傷頭耦合到關(guān)節(jié)型機器人或者安裝于關(guān)節(jié)型機器人上。超聲波探傷頭可操作用于傳送產(chǎn)生激光束、檢測激光束并且收集由目標(biāo)材料散射的相位調(diào)制光。處理模塊處理相位調(diào)制光和產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息?？刂颇K根據(jù)預(yù)定的掃描平面圖引導(dǎo)關(guān)節(jié)型機器人以定位超聲波探傷頭。
【專利說明】用于激光超聲波探傷的關(guān)節(jié)型機器人
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求ThomasE.Drake在2006年 12月22日申請的題為"ARTICULATED ROBOTFOR LASER ULTRASONIC INSPECT1N〃的美國臨時申請?zhí)?0/871,680的優(yōu)先權(quán)，并出于各種目的，以全文引用方式將其包含在此。
[0003]本申請出于各種目的，以全文引用方式將1998年6月30日申請的美國臨時申請?zhí)?0/091,240包含在此。
[0004]本申請出于各種目的，以全文引用方式將Thomas E.Drake在1998年6月30申請的題為〃METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING ULTRASONIC SURFACE DISPLACEMENTSUSING P0ST-C0LLECT10N OPTICAL AMPLIFICAT1N〃的美國臨時申請?zhí)?0/091,229包含在此。
[0005]本申請出于各種目的，以全文引用方式將Thomas E.Drake在2004年I月7日申請的題為〃REMOTE LASER BEAM DELIVERY SYSTEM AND METHOD FOR USE WITH A ROBOTICPOSIT1NING SYSTEM FOR ULTRASONIC TESTING PURPOSES"的美國專利申請?zhí)?10/753,208包含在此。
[0006]本申請以全文引用方式將Thomas E.Drake在2004年2月12日申請的題為"METHODAND APPARATUS FOR ULTRASONIC LASER TESTING〃的美國專利申請?zhí)?10/634,342包含在此。
[0007]本申請出于各種目的，以全文引用方式將2006年7月18日申請的題為"FIBERLASER FOR ULTRASONIC TESTING〃的美國專利申請?zhí)?11/458,377包含在此。
[0008]本申請出于各種目的，以全文引用方式將2006年MMM DD申請的題為〃Fiber BasedMid-1nfrared Generat1n Laser for Laser Ultrasound Inspect1n〃的美國專利申請?zhí)朜N/NNN，NNN包含在此。
[0009]本申請以全文引用方式將2001年I月23日公告的題為"SYSTEM AND METHOD FORLASER ULTRASONIC FREQUENCY CONTROL USING OPTIMAL WAVELENGTH TUNING"的美國專利號6,176,135包含在此。
[0010]本申請以全文引用方式將2002年I月I日公告的題為"SYSTEM AND METHOD FORULTRASONIC LASER TESTING USING A LASER SOURCE TO GENERATE ULTRASOUND HAVING ATUNABLE WAVELENGTH"的美國專利號6，335，943包含在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0011 ] 本發(fā)明通常涉及無損估計(NDE，non_destructive evaluat1n)，并且尤其涉及來自機器人平臺的材料的激光超聲波NDE的性能。
【背景技術(shù)】
[0012]近幾年來，在航天、汽車和許多其它的商業(yè)性產(chǎn)業(yè)中，高級復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(composite structures)的應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了巨大的增長。雖然復(fù)合材料(compositematerial)提供了性能上的顯著改善，但是它們在制造過程中和在制成品中使用該材料之后要求嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程。具體地說，無損估計(NDE)方法必須評估復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性。該評估檢測內(nèi)含物(incIus1n)、分層(delaminat1nMp^wiUporosity)。常規(guī)NDE方法花費的時間長，勞動強度大(labor-1ntensive)且費用昂貴。因此，測試過程反而會增加與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有關(guān)的制造成本。
[0013]已經(jīng)提出了各種方法和裝置來評估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性。一個解決方案使用超聲波源在工件(work piece)中產(chǎn)生超聲波表面位移(surface displacement)，然后測量和分析該位移。通常，超聲波的外源是射向目標(biāo)的脈沖產(chǎn)生激光束。在工件處的超聲波表面位移散射來自單獨的檢測激光器的激光。然后收集光學(xué)器件(collect1n optics)收集散射的激光能量。收集光學(xué)器件與干涉儀或者其它裝置耦合，并且通過分析散射的激光能量可以獲得關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性的數(shù)據(jù)。已經(jīng)證明激光超聲波對于在制造過程期間的部件探傷(inspect1n)是非常有效的。
[0014]然而，用于激光超聲波的裝置是定制設(shè)計的并且目前是與探傷速度有關(guān)的限制因素。所用的上一代激光器是閃光燈-栗浦桿架構(gòu)(flash-lamp pumped rod architecture)、二極管-栗浦平板結(jié)構(gòu)(d1de-pumped slab configurat1n)或者氣體激光器。
[0015]重要的是注意到所有這里描述的各種超聲波產(chǎn)生激光器架構(gòu)本性上(bytheirnature)是巨大且沉重的。因此這些架構(gòu)不適于在任何類型的使用中的(in-service)、遠程或者實地部署的便攜式激光超聲波探傷系統(tǒng)中使用。另外，因為它們是如此的巨大和沉重，這些架構(gòu)要求堅固的機器人夾具和復(fù)雜的光束傳輸系統(tǒng)，即使當(dāng)在工廠環(huán)境下部署它們時，所有的這些都大大增加了激光超聲波探傷系統(tǒng)的初始總成本以及使探傷系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)境下保持運行的維護費用。這些大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)適于外部部件探傷，并且不能探傷組裝結(jié)構(gòu)的所有方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的實施例針對基本上解決上述需要及其它的需要的系統(tǒng)和方法。在下面的說明書和權(quán)利要求書中進一步描述本發(fā)明的實施例。根據(jù)說明書、附圖和權(quán)利要求書，本發(fā)明實施例的優(yōu)點和特征會變得清楚。
[0017]本發(fā)明的實施例提供了可操作用于探傷目標(biāo)材料的超聲波無損估計(NDE)系統(tǒng)。該超聲波NDE系統(tǒng)包括關(guān)節(jié)型機器人、超聲波探傷頭、處理模塊和控制模塊。超聲波探傷頭與關(guān)節(jié)型機器人耦合或者安裝于其上。超聲波探傷頭可操作用于傳輸產(chǎn)生激光束(generat1n laser beam)、檢測激光束(detect1n laser beam)和收集目標(biāo)材料散射的相位調(diào)制(phase modulated)光。處理模塊處理相位調(diào)制光和產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。根據(jù)確定的掃描平面圖，控制模塊引導(dǎo)關(guān)節(jié)型機器人定位超聲波探傷頭。
[0018]已經(jīng)顯示出激光超聲波探傷對于聚合體矩陣復(fù)合材料(polyer-matrixcomposite)是一個高性價比效率的工具。隨著在不同的產(chǎn)業(yè)和更多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中更多地使用復(fù)合材料，本發(fā)明提供集成部件的使用申探傷的能力。本發(fā)明的實施例將激光超聲波傳感器或者超聲波探傷頭放置于關(guān)節(jié)型機器人的末端。改善的激光源和/或遠程激光源的使用可使之成為實現(xiàn)，遠程激光源可以光纖方式耦合到激光束傳輸頭，用于超聲波探傷頭內(nèi)的產(chǎn)生和檢測激光束兩者。由于關(guān)節(jié)型機器人可能用來探傷先前臺架機器人(gantryrobot)難以接近的組裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的區(qū)域，這提供了重要的優(yōu)勢。
[0019]本發(fā)明的又一個環(huán)境提供了可操作用于在遠程目標(biāo)的表面上產(chǎn)生超聲波表面位移的機器人合成探傷系統(tǒng)。該大面積的合成探傷系統(tǒng)可以是基于大型工業(yè)機器人臺架(gantry)的探傷系統(tǒng)的一部分或者使周二極管栗浦(d1de pumped)光纖激光器以生產(chǎn)產(chǎn)生和/或檢測激光束，并且通過這種做法，允許構(gòu)造更加緊湊的機器人和探傷系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0020]為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在參照下面的描述并結(jié)合附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的特征，其中:
[0021]圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于相對于目標(biāo)材料定位超聲波探傷頭的關(guān)節(jié)型機器人；
[0022]圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的實施例的產(chǎn)生激光束和檢測激光束的使用，用于產(chǎn)生和檢測激光超聲波置換；
[0023]圖3提供了顯示激光超聲波系統(tǒng)的基本單元的框圖；
[0024]圖4提供了根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲波探傷頭的一個實施例的功能圖；
[0025]圖5提供了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用分布的資源的超聲波探傷頭的一個實施例的功能圖；
[0026]圖6描述了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在多個位置上用關(guān)節(jié)連接的關(guān)節(jié)型機器人，這些位置便于材料的NDE;
[0027]圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的安裝在導(dǎo)軌上的關(guān)節(jié)型機器人，其中該導(dǎo)軌允許在預(yù)先確定的工作封閉空間(work envelope)中控制關(guān)節(jié)型機器人和激光超聲波頭的運動；
[0028]圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例在諸如飛機機身的組裝結(jié)構(gòu)中用關(guān)節(jié)連接的關(guān)節(jié)型機器人，其中關(guān)節(jié)允許在有限空間(confined space)中控制關(guān)節(jié)型機器人和激光超聲波頭的運動；
[0029]圖9描述本發(fā)明的實施例提供的超聲波NDE系統(tǒng)的使用中的應(yīng)用；以及
[0030]圖10描述本發(fā)明的實施例提供的超聲波NDE系統(tǒng)的移動式應(yīng)用。
【具體實施方式】
[0031]在附圖中描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，同樣的標(biāo)號用來表示在不同的附圖中的相同和對應(yīng)的部分。
[0032]已經(jīng)證明激光超聲波探傷是用于聚合體-矩陣復(fù)合材料的無損估計(NDE)的高性價比的工具。隨著這些復(fù)合材料在不同的產(chǎn)業(yè)中的日益增加的使用，復(fù)合材料部件的數(shù)量和復(fù)雜性正在增加。此外，復(fù)合材料的安裝基礎(chǔ)(installed base)也正在增加。隨著由復(fù)合材料制成的物體的大小和復(fù)雜性的增加，越來越難以相對于被探傷的表面定位激光超聲波傳感器。這里所公開的本發(fā)明實施例提出了這個問題的解決方案。
[0033]—個實施例將激光超聲波傳感器(即激光超聲波頭)放置于關(guān)節(jié)型機器人的末端。通常通過使用沿著笛卡爾(X-Y-Z)系統(tǒng)移動的臺架定位系統(tǒng)來移動激光超聲波傳感器，從而執(zhí)行激光超聲波探傷。
[0034]已經(jīng)在若干項產(chǎn)業(yè)中使用關(guān)節(jié)型機器人。如果可以減少激光超聲波頭的大小和重量的話，那么與臺架系統(tǒng)相比時，關(guān)節(jié)型機器人提供若干優(yōu)點。此外關(guān)節(jié)型機器人在部署中提供更多的靈活性。與臺架系統(tǒng)相比，可以更加容易地安裝和移動關(guān)節(jié)型機器人。此外，關(guān)節(jié)型機器人提供了位置配準(zhǔn)(posit1n registrat1n)，這種位置配準(zhǔn)與許多移動(即基于車的)系統(tǒng)是不能一起使用的。與臺架系統(tǒng)相比，關(guān)節(jié)型機器人對空間大小和設(shè)施要求的限制較少。關(guān)節(jié)型機器人還提供了在復(fù)雜的或組裝的部件內(nèi)部定位激光超聲波傳感器的能力。
[0035]與專用的特殊目的裝置相比，機器人技術(shù)提供了低風(fēng)險的自動化方法。如圖1所示，在超聲波無損估計(NDE)系統(tǒng)100中提供關(guān)節(jié)型機器人101。系統(tǒng)100包括關(guān)節(jié)型機器人101、分布的資源134和超聲波探傷頭112。在該實施例中所示的關(guān)節(jié)型機器人101可以使用多個接點(即旋轉(zhuǎn)接點)以提供多個獨立運動(以支持多個自由度)，其中末端操縱裝置(effector)或機械手(manipulator)可以被重新定位(reposit1ned)。一般地，工業(yè)關(guān)節(jié)型機器人具有6個自由度，但是在一些情況下可能多于或者少于6個自由度。關(guān)節(jié)型機器人101包括平臺底座(platform mount)102、第一旋轉(zhuǎn)接點104、第二旋轉(zhuǎn)接點106、第三旋轉(zhuǎn)接點108、第四旋轉(zhuǎn)接點110和末端操縱裝置或機械手114、軸肩(sh0ulder)126、第一臂128和第二臂130。接點104、106、108和110可以被安排成〃鏈〃以便一個接點支持進一步在該鏈中的另一個。利用機械手或末端檢測器124將超聲波探傷頭112耦合到關(guān)節(jié)型機器人101。另外，可以通過各種電纜132將超聲波探傷頭112耦合到分布的資源134。分布的資源134可以如圖1所示地完全位于地面，或者可以被分布到機器人上的不同的位置。例如，雖然此處未示出，用于產(chǎn)生激光的資源可以位于地面并且產(chǎn)生激光的一些其它的資源可以位于機器人樣的(robot like)的臂128或130中的一個或者兩個上。用于產(chǎn)生激光的最后的輸送光學(xué)器件仍然會位于超聲波探傷頭112中。超聲波探傷頭112可以將諸如參考圖2和圖3討論的產(chǎn)生激光束和檢測激光束輸送到目標(biāo)材料。圖1顯示了在地面上的向上取向的關(guān)節(jié)型機器人。在這里未描述的類似實施例中，該機器人將會向下取向地附著于天花板(ceiling)。該機器人還可以附著于臺架機器人，使得機器人的定位有最大的靈活性。在那個實施例中，這里雖未描述，分布的資源134可以位于關(guān)節(jié)型機器人的任意部分上、臺架機器人的任意部分上、或地面上。
[0036]圖2描述了本發(fā)明的實施例所提供的產(chǎn)生和檢測激光超聲波位移的兩個入射激光束。激光束202產(chǎn)生超聲波，而照明(檢測)激光束204檢測諸如在測試中的復(fù)合材料的遠程目標(biāo)206上的超聲波。如圖所示，這些激光可以同軸地施加到遠程目標(biāo)206。產(chǎn)生激光束202在目標(biāo)206中引起熱彈性膨脹212，這會導(dǎo)致超聲波變形或波208的形成。變形或超聲波208在目標(biāo)206中傳播并且調(diào)制、散射和反射照明激光束204以產(chǎn)生被引導(dǎo)(directed)遠離目標(biāo)206的相位調(diào)制光210，收集和處理該相位調(diào)制光210以獲得描述遠程目標(biāo)206內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。為了該描述的目的，相位調(diào)制還包括頻率調(diào)制。相位調(diào)制的時間導(dǎo)數(shù)對應(yīng)于頻率調(diào)制。因為術(shù)語〃調(diào)制〃在本上下文中指作為時間函數(shù)的變量，所以任意的相位調(diào)制相當(dāng)于頻率調(diào)制。
[0037]圖3提供了用于執(zhí)行超聲波激光測試的基本單元的框圖。產(chǎn)生激光器310生成產(chǎn)生激光束312，光學(xué)部件314將產(chǎn)生激光束312導(dǎo)向目標(biāo)316。如圖所示，光學(xué)組件314包括沿著掃描或測試平面圖(plan)移動激光束312的掃描器或其它的類似的機構(gòu)。光學(xué)組件314可以包括可視照相機(visual camera)、深度照相機(depth camera)、范圍檢測器(rangedetector)、窄帶照相機(narrowband camera)或者熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的其它的類似的光學(xué)傳感器。這些光學(xué)傳感器的每一個可能在執(zhí)行探傷之前要求校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)檢驗系統(tǒng)的能力以便對各種傳感器收集到的信息進行集成。產(chǎn)生激光器310在目標(biāo)316內(nèi)產(chǎn)生超聲波 208。
[0038]超聲波208是當(dāng)復(fù)合材料吸收產(chǎn)生激光束時該復(fù)合材料的熱彈性膨脹212的結(jié)果。復(fù)合材料輕易地吸收產(chǎn)生激光束312，并且沒有燒蝕(ablating)或斷裂。沒有必要優(yōu)選采用較高功率的產(chǎn)生激光來克服信噪比(SNR)問題，因為這可能導(dǎo)致在工件表面的材料的燒蝕，有可能損壞單元。在其它的實施例中，取決于被測試的材料，一些燒蝕可能是可接受的，以便增加被檢測信號的SNR。產(chǎn)生激光束312具有適當(dāng)?shù)拿}沖持續(xù)時間、功率和頻率以誘發(fā)超聲波表面變形。例如，橫向激發(fā)的大氣的(TEA)CO2激光器對于100納秒脈寬，可以產(chǎn)生10.6微米波長束。激光器的功率必須足以向目標(biāo)輸送例如0.25焦耳的脈沖，這可能需要在400Hz脈沖重復(fù)頻率下工作的100瓦特激光器。產(chǎn)生激光束312作為熱被吸收到目標(biāo)表面，因此產(chǎn)生熱彈性膨脹且無燒蝕。
[0039]工作在脈沖模式或CW模式下的照明或檢測激光器320不誘發(fā)超聲波位移。例如，可以使用Nd:YAG激光器。該激光器的功率必須足以輸送例如100毫焦耳、100微秒脈沖的激光束，這可能需要I千瓦(KW)的激光器。照明(檢測)激光器320產(chǎn)生檢測激光束322。照明激光器320包括或者光學(xué)耦合到濾光裝置324以去除檢測激光束324中的噪聲。光學(xué)組件314將照明激光束324導(dǎo)向散射和/或反射檢測激光束324的復(fù)合材料316的表面。收集光學(xué)器件326收集得到的相位調(diào)制光。如這里所示，散射和/或反射的檢測激光反向行進通過光學(xué)組件314?？蛇x的光學(xué)處理器328和干涉儀330處理相位調(diào)制光以產(chǎn)生信號，該信號包括表示在復(fù)合材料316的表面的超聲波位移的信息。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)332協(xié)調(diào)(coordinate)激光超聲波系統(tǒng)單元的運行。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)332可以是單個處理裝置或者多個處理裝置。這樣的處理裝置可以是微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器、微型計算機、中央處理單元、現(xiàn)場可編程門陣列、可編程邏輯器件、狀態(tài)機、邏輯電路、模擬電路、數(shù)字電路、和/或任何的根據(jù)存儲在存儲器中的操作指令操作信號(模擬和/或數(shù)字)的裝置。存儲器可以是單個存儲裝置或者多個存儲裝置。這樣的存儲裝置可以是只讀存儲器、隨機訪問存儲器、易失性存儲器、非易失性存儲器、靜態(tài)存儲器、動態(tài)存儲器、閃存、高速緩沖存儲器、和/或任何的存儲數(shù)字信息的裝置。存儲器存儲操作指令，數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)332執(zhí)行該操作指令，其中操作指令對應(yīng)于將要描述的至少一些步驟和/或功能。
[0040]圖1的超聲波探傷頭112可以收集目標(biāo)材料散射的相位調(diào)制光。取決于超聲波探傷頭的能力，超聲波探傷頭可以包括可操作用于處理收集的相位調(diào)制光和產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息的處理模塊?？蛇x地，可以使用分布的資源114來處理激光束的產(chǎn)生和檢測到的光信號的處理。分布的資源114可以包括產(chǎn)生激光源316、檢測單元318、產(chǎn)生激光源322以及處理和控制模塊320。
[0041]本發(fā)明的實施例可以在超聲波NDE系統(tǒng)內(nèi)部使用光纖激光器(fiber laser)。光纖激光器技術(shù)可以結(jié)合和應(yīng)用到產(chǎn)生和檢測激光器。在2006年7月18日申請的題為"FIffiRLASER FOR ULTRASONIC TESTING〃的美國專利申請N0.11/458,377中公開了光纖激光器檢測激光器，該申請出于各種目的而以整體引用方式包括在此。在2006年9月9日申請的題為〃FIBER-BASED MID-1NFRARED GENERAT1N LASER FOR LASER ULTRASOUND〃的美國專利申請N0.11/524,046公開中了基于光纖激光器的產(chǎn)生激光器，該申請以整體引用的方式包括在此。
[0042]〃第一〃檢測激光器的主要任務(wù)是照亮這樣的斑點，在該斑點上使用〃第二〃激光器在測試部件內(nèi)產(chǎn)生超聲波。使用干涉儀收集和分析來自第一激光器的散射光以解調(diào)由在該部件的表面處的超聲波的反射回波所引起的表面振動。檢測激光器(第一激光器)和產(chǎn)生激光器(第二激光器)可以使用二極管栗浦光纖激光器以產(chǎn)生高功率輸出。
[0043]能夠可靠地工作在100Hz以上的重復(fù)頻率(repetit1n rate)的氣體激光器會是非常重和龐大的。氣體激光器的另一個限制是維護要求，每10億次到30億次的發(fā)射就要更換部件和清潔該光學(xué)器件。
[0044]本發(fā)明可以使用全光纖栗浦激光器方案(all-fiber pump laser scheme)，該全光纖栗激光器方案使用多個小的連續(xù)波(CW)二極管激光器(栗浦二極管)以便栗浦摻雜的有源激光光纖(active laser fiber)。這具有若干優(yōu)點。首先，這些小功率二極管提供了遠程通信應(yīng)用所需要的非常高的可靠性并且具有100,000小時的平均故障間隔時間(MTBF)率。此外，所有的光纖耦合栗浦二極管在功率方面相對較小(一般只有幾瓦特)并且任何一個的故障對光纖激光器的總體性能產(chǎn)生的影響微小。此外，減輕的重量會減少關(guān)節(jié)型機器人的機械要求和/或可以部分地定位于分布的資源內(nèi)部。
[0045]與位于傳統(tǒng)的大體積晶體增益介質(zhì)(bulkcrystal gain medium)中相比，光纖激光器/放大器的熱管理的處理更加容易。從光纖耦合栗浦二極管移除熱量獨立于增益媒介(摻雜的有源激光光纖)來管理，并且光纖表面面積(在此處提取熱)與體積的比率比棒形或者盤形激光器(slab laser)架構(gòu)的表面積-體積比大很多個數(shù)量級。因此，光纖激光器可以以非常小的波前失真(M2< 1.2)工作在基本(TEMOO)橫向模式下。光纖激光器沒有使用諸如鏡子或者透鏡的傳統(tǒng)的離散的或者大體積的光學(xué)器件。因此消除了激光器腔內(nèi)部的污染問題。這對于在生產(chǎn)應(yīng)用中晝夜不停地使用的工業(yè)探傷系統(tǒng)來說尤其有益。光纖激光器看來像一塊工業(yè)電子設(shè)備。靈活的架構(gòu)使能移動的以及可能的便攜式激光器超聲波探傷裝置設(shè)計成為可能?？偟恼f來，光纖激光器很適合用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。
[0046]圖4提供了根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲波探傷頭112的一個實施例的功能圖。在一個實施例中，可以提供產(chǎn)生激光器402以產(chǎn)生隨后導(dǎo)向目標(biāo)材料的產(chǎn)生激光束202。類似地，檢測激光器406可以用于產(chǎn)生也是導(dǎo)向目標(biāo)材料的檢測激光束204。收集光學(xué)器件410可用于收集遠程目標(biāo)散射的相位調(diào)制光。然后使用光檢測和處理單元412處理相位調(diào)制光。然后，視覺系統(tǒng)416和它的相關(guān)的處理器可以確定目標(biāo)材料相對于超聲波探傷頭的位置與方向。圖5顯示可能有助于相對于要被探傷的部件定位光掃描器的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)418。為了減少超聲波探傷頭的大小，超聲波探傷頭中可以省略旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)418(此處未示出)。在該后面的實施例中，探傷部件的超聲波頭的定位是完全由關(guān)節(jié)型機器人的各個自由度完成的。出于對重量和經(jīng)濟的考慮，從超聲波探傷頭中除去與產(chǎn)生激光器、檢測激光器和所需要的處理相關(guān)的一些模塊(諸如激光源)，以減輕超聲波探傷頭的重量和關(guān)節(jié)型機器人的機械要求。
[0047]這樣的實施例如圖5所示，其中光纖502、504和506分別用于將檢測激光源和產(chǎn)生激光源耦合到檢測激光頭508、產(chǎn)生激光頭510和光學(xué)處理器514。此處，遠程定位產(chǎn)生激光源和檢測激光源512作為如圖4所示的分布的資源的部分。光纖504可用于將收集的相位調(diào)制光提供到在圖1的檢測單元128內(nèi)部的光學(xué)處理系統(tǒng)514。從超聲波探傷頭去除這些資源減少了關(guān)節(jié)型機器人的總體大小和重量要求。這有可能不僅降低了成本，而且增加了機器人的靈活性和能力。檢測激光源512和產(chǎn)生激光源510可以分布到機器人的各個臂上，或者完全脫離機器人。
[0048]圖6描述了用關(guān)節(jié)在位置〃A〃和位置"B"連接的關(guān)節(jié)型機器人101。當(dāng)嘗試目標(biāo)材料時，機器人的這些不同的位置允許激光超聲波頭112位于不同的位置以完全地覆蓋和全面地探傷目標(biāo)材料。
[0049]圖7顯示可以將關(guān)節(jié)型機器人101安裝在導(dǎo)軌702上，其中導(dǎo)軌702允許在預(yù)先確定的工作封閉空間中控制關(guān)節(jié)型機器人和激光超聲波頭112的運動。該工作封閉空問定義了邊界，在該邊界內(nèi)關(guān)節(jié)型機器人101可以延伸以定位激光超聲波頭112。導(dǎo)軌702不必是直的，可以采用半圓形、圓形、或者為適配所要求的工作封閉空間而需要的任何形狀。另外，平臺704可以沿著Z軸平移以便幫助舉起或者降低激光超聲波頭112，從而全面地到達和探傷目標(biāo)材料。平臺704甚至可以在沒有導(dǎo)軌702的情況下存在。
[0050]在這里未示出的類似的實施例中，關(guān)節(jié)型機器人可以在導(dǎo)軌系統(tǒng)上，該導(dǎo)軌系統(tǒng)在二維(X-Y)上移動關(guān)節(jié)型機器人。平臺704可能存在或不存在以便提供額外的在Z方向上的定位能力。在這里未示出的另一個類似的實施例中，可以用臺架機器人替代導(dǎo)軌系統(tǒng)和平臺704，關(guān)節(jié)型機器人以向下的取向附著到該臺架機器人上，這將提供額外的在三維(X-Y-Z)上的定位能力。
[0051]在圖8中描述了重要的優(yōu)點。圖8描述了具有超聲波探傷頭112的關(guān)節(jié)型機器人101，其中可以在包括要進行探傷的內(nèi)表面的整個的或者集成的結(jié)構(gòu)內(nèi)定位該超聲波探傷頭112。圖8描述了關(guān)節(jié)型機器人可以完全地或者部分地進入諸如飛機機身的完整結(jié)構(gòu)802。該飛機機身可以是由需要探傷的復(fù)合材料制造的單個部件制成。因此不僅可探傷該部件的制造，還可探傷完整結(jié)構(gòu)。這使得探傷過程在組裝過程中或一旦該結(jié)構(gòu)投入使用后即可以識別潛在問題。
[0052]可以將機器人101安裝在導(dǎo)軌702上以便輔助超聲波探傷頭312的移動，而無需使完整結(jié)構(gòu)802運動。與關(guān)節(jié)型機器人相關(guān)的工作封閉空間可以定義邊界，使得關(guān)節(jié)型機器人可以徹底地探傷集成結(jié)構(gòu)802而不會碰撞集成結(jié)構(gòu)802。參考圖4和5討論的視覺系統(tǒng)或者其它的類似位置檢測系統(tǒng)(即基于激光、基于雷達或者基于聲波)可用于預(yù)防碰撞和確定目標(biāo)材料(包括組裝結(jié)構(gòu))相對于超聲波激光頭和關(guān)節(jié)型機器人的取向和位置。
[0053]圖9描述本發(fā)明的實施例提供的超聲波NDE系統(tǒng)的使用中的應(yīng)用。在該實施例中，關(guān)節(jié)型機器人101和激光超聲波探傷頭112可能安裝在諸如吊架的工作場所以便輔助諸如但不限于飛行器902的集成結(jié)構(gòu)的探傷。飛行器902可能具有許多由復(fù)合材料構(gòu)造或者制造的單元，其中使用中探傷允許評估復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性而無需拆卸飛行器。
[0054]圖10描述了另一個使用中的應(yīng)用，其中關(guān)節(jié)型機器人101可以被安裝到移動式平臺1002。拖車1004耦合到移動式平臺1002。拖車1004可以裝有NDE系統(tǒng)所要求的分布的資源。在這種情況下，超聲波NDE系統(tǒng)可以被引入被探傷的集成結(jié)構(gòu)。這不同于圖9，在圖9中，使用中的系統(tǒng)用于探傷被引入探傷系統(tǒng)的集成系統(tǒng)。任一個實施例提供了執(zhí)行使用中探傷的增加的靈活性。另外，圖10所描述的實施例可以為在制造環(huán)境中的復(fù)合材料部件的超聲波探傷提供若干優(yōu)點。例如，通過將探傷系統(tǒng)引入到制造部件，尤其當(dāng)該部件非常大時(像復(fù)合材料機身)，可以最小化部件的處理。最小化部件的處理減少了在制造過程中損壞該部件的可能性。在制造環(huán)境中的移動式平臺1002的額外的優(yōu)點是當(dāng)需要時可以將探傷系統(tǒng)移出。最后，可以根據(jù)生產(chǎn)線調(diào)整的需要，在工廠內(nèi)的不同地點移動探傷資源。
[0055]將栗浦激光頭定位在與產(chǎn)生激光束傳送頭相隔數(shù)米的位置使得中紅外(mid-1R)產(chǎn)生激光頭更為緊湊，這是因為較大地緩和了用于傳送產(chǎn)生激光束的機器人系統(tǒng)的總體負(fù)載和穩(wěn)定性要求。在機器人系統(tǒng)的探傷頭只需要安裝緊湊和重量輕的模塊，該模塊包括產(chǎn)生激光束傳送頭、檢測激光束傳送頭和收集光學(xué)器件。這允許使用較小的關(guān)節(jié)型機器人部署中紅外激光源。因此，使用便攜式激光超聲波系統(tǒng)，為使用中的復(fù)合材料NDE建立了新的復(fù)合材料探傷機會。
[0056]在操作中，當(dāng)測試更加復(fù)雜的表面或者進出受限制的區(qū)域的表面時，本發(fā)明允許激光超聲波測試設(shè)備用于較寬范圍的環(huán)境。本發(fā)明的實施例可以利用光纖激光器或者分布的資源來產(chǎn)生和傳輸檢測和產(chǎn)生激光束到被測試的目標(biāo)材料。這樣做允許大大地減少基于NDE系統(tǒng)的激光超聲波的總體大小。例如，代替大型的基于臺架機器人的系統(tǒng)，可以使用小很多的關(guān)節(jié)型機器人系統(tǒng)將產(chǎn)生和檢測激光束傳送到被測試的目標(biāo)的表面，并且收集來自被測試的目標(biāo)的表面的相位調(diào)制光。這允許本發(fā)明的實施例所提供的激光超聲波探傷系統(tǒng)不僅用于探傷單個部件，而且評估集成單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明實施例提供的激光超聲波系統(tǒng)不僅可以探傷單個部件，而且可以探傷由單個部件構(gòu)成的組裝結(jié)構(gòu)。這允許在已經(jīng)構(gòu)造集成結(jié)構(gòu)之后執(zhí)行探傷以確定在結(jié)構(gòu)的壽命周期內(nèi)是否在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)發(fā)生了變化。另外，本發(fā)明實施例可以提供完全移動的系統(tǒng)，其使用光纖激光器在現(xiàn)場的遠程目標(biāo)處產(chǎn)生和檢測超聲波位移而不會有經(jīng)常與產(chǎn)生和檢測激光束的自由空間傳送相關(guān)的問題。
[0057]熟悉該領(lǐng)域的一般技術(shù)人員會認(rèn)識到，這里所使用的術(shù)語〃基本上〃或者〃大約〃提供了它對應(yīng)的術(shù)語的工業(yè)容許公差。這樣的工業(yè)容許公差在小于I %到20%的范圍，并且對應(yīng)于但非局限于單元參數(shù)、集成電路處理差異、溫度變化、上升和下降時間、和/或熱噪聲。熟悉該領(lǐng)域的一個普通技術(shù)人員還會認(rèn)識到，這里所使用的術(shù)語〃可操作的耦合〃包括直接耦合和通過另一個單元、電路或者模塊的間接耦合，其中對于間接耦合，插入單元、元件、電路、或者模塊不修改信號的信息，但是可以調(diào)整它的電流電平、電壓電平和/或功率電平。熟悉該領(lǐng)域的一個普通技術(shù)人員還會認(rèn)識到，推定的耦合(即根據(jù)推理確定一個元件耦合到另一個元件)包括在兩個元件之間以與〃可操作地耦合〃相同的方式的直接的和間接的耦合。熟悉該領(lǐng)域的一般技術(shù)人員會進一步認(rèn)識到，這里所使用的術(shù)語〃有利地比較〃表示在兩個或更多元件、項目、信號等等之間的比較提供了期望的關(guān)系。例如，當(dāng)該期望關(guān)系是信號I具有比信號2大的幅度時，則當(dāng)信號I的幅度大于信號2的幅度時或者當(dāng)信號2的幅度小于信號I的幅度時可以實現(xiàn)有利的比較。
[0058]雖然已經(jīng)詳細描寫了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，在此可以做出不脫離所附的權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍的各種變化、替換和修改。
【主權(quán)項】
1.一種可操作用于探傷復(fù)合目標(biāo)材料的超聲波無損估計(NDE)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 關(guān)節(jié)型機器人，包括: 平臺底座； 第一接點，連接到所述平臺底座并可以多個自由度在所述平臺底座周圍移動； 一系列臂，具有附著于所述第一個接點的末端； 一系列接點，其連接在每個臂之間并可以多個自由度在所述臂的周圍移動； 耦合到與所述平臺底座相對的所述一系列臂的末端的超聲波探傷頭； 在所述超聲波探傷頭中的傳送光學(xué)器件； 耦合到所述傳送光學(xué)器件的產(chǎn)生激光器； 耦合到所述傳送光學(xué)器件的檢測激光器； 在所述超聲波探傷頭中的收集光學(xué)器件； 與所述收集光學(xué)器件通信的處理模塊；以及 可操地連接到所述探傷頭的控制模塊， 其中各種電纜延伸通過所述一系列接點將所述產(chǎn)生激光器和所述檢測激光器與所述超聲波探傷頭相連，且產(chǎn)生激光器的產(chǎn)生激光束具有0.25焦耳的脈沖。2.如權(quán)利要求1所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)生激光器和檢測激光器位于選自下列列表的位置，該列表包括:臂上和所述探傷頭內(nèi)部。3.如權(quán)利要求1所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述關(guān)節(jié)型機器人可操作用于在組裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部定位所述超聲波探傷頭。4.如權(quán)利要求1所述的超聲波NDE系統(tǒng)，進一步包括可操作用于確定所述目標(biāo)材料的相對于所述超聲波探傷頭的位置和取向的位置測量系統(tǒng)。5.如權(quán)利要求1所述的超聲波NDE系統(tǒng)，進一步包括耦合到所述檢測激光器的光纖和耦合到所述產(chǎn)生激光器的光纖，所述檢測激光器和產(chǎn)生激光器在所述超聲波探傷頭外部。6.如權(quán)利要求1所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述檢測激光器包括: 可操作用于產(chǎn)生種子激光束的主振蕩器；以及 至少一個可操作用于放大所述種子激光束的二極管栗浦激光放大器，其中至少所述主振蕩器或者所述至少一個二極管栗浦激光放大器包括二極管栗浦光纖，以及其中所述檢測激光器的所述主振蕩器或者所述至少一個二極管栗浦激光放大器包括二極管栗浦盤形激光器。7.如權(quán)利要求1所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)生激光由激光束組成，所述激光束借助或不借助光參數(shù)放大器來栗浦至少一個光參數(shù)振蕩器。8.—種可操作用于探傷目標(biāo)材料的超聲波無損估計(NDE)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 可操作地安裝到平臺上的關(guān)節(jié)型機器人，所述關(guān)節(jié)型機器人包括:平臺底座；第一接點，連接到所述平臺底座并可以多個自由度在所述平臺底座周圍移動;一系列臂，具有附著于所述第一個接點的末端;一系列接點，其連接在每個臂之間并可以多個自由度在所述臂的周圍移動； 耦合到所述關(guān)節(jié)型機器人的超聲波探傷頭，所述超聲波探傷頭可操作用于: 將產(chǎn)生激光束傳送到所述復(fù)合材料，其中所述產(chǎn)生激光束在所述目標(biāo)材料上產(chǎn)生超聲波位移； 將檢測激光束傳送到所述目標(biāo)材料；以及 收集所述目標(biāo)材料散射的相位調(diào)制光； 可操作用于確定所述目標(biāo)材料的相對于所述超聲波探傷頭的位置的位置測量系統(tǒng)； 處理模塊，可操作用于處理所述相位調(diào)制光和產(chǎn)生關(guān)于所述目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息；以及 控制模塊，可操作用于根據(jù)掃描平面圖引導(dǎo)所述關(guān)節(jié)型機器人以定位所述超聲波探傷頭， 其中，分布的資源耦合到所述關(guān)節(jié)型機器人和超聲波探傷頭，其中所述分布的資源包括: 耦合到所述超聲波探傷頭的產(chǎn)生激光源；以及 耦合到所述超聲波探傷頭的檢測激光源； 其中各種電纜延伸通過所述一系列接點將所述分布的資源與所述超聲波探傷頭相連，且所述產(chǎn)生激光束具有0.25焦耳的脈沖。9.如權(quán)利要求8所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述平臺可操作用于在X、Y、Z方向重新定位。10.如權(quán)利要求8所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述平臺相對于所述目標(biāo)材料，沿著導(dǎo)軌平移。11.如權(quán)利要求8所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述平臺包括可操作用于相對于所述目標(biāo)材料重新定位所述平臺的運輸工具。12.如權(quán)利要求8所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中分布的資源還包括: 光學(xué)處理器，可操作用于: 以光學(xué)方式處理所述相位調(diào)制光以產(chǎn)生被檢測的信號；以及 將所述被檢測的信號提供到所述處理模塊。13.如權(quán)利要求8所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中分布的資源和平臺被包括在移動運輸系統(tǒng)中。14.如權(quán)利要求8所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述關(guān)節(jié)型機器人可操作用于在組裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部定位所述超聲波探傷頭。15.如權(quán)利要求8所述的超聲波NDE系統(tǒng)，其中所述定位系統(tǒng)包括可操作用于確定所述目標(biāo)材料的相對于所述超聲波探傷頭的位置和取向的視覺系統(tǒng)。
【文檔編號】G01N29/265GK106018563SQ201610537470
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2007年12月21日
【發(fā)明人】M·迪布瓦, T·E·小德拉克, M·奧斯特坎普
【申請人】洛克希德馬丁公司