用于激光超聲波探傷的關節型機器人的制作方法

用于激光超聲波探傷的關節型機器人的制作方法
【專利摘要】提供了可操作地探傷目標材料的超聲波無損估計(NDE)系統。該超聲波NDE系統包括關節型機器人、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節型機器人或者安裝于關節型機器人上。超聲波探傷頭可操作用于傳送產生激光束、檢測激光束并且收集由目標材料散射的相位調制光。處理模塊處理相位調制光和產生關于目標材料的內部結構的信息。控制模塊根據預定的掃描平面圖引導關節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節型機器人
[0001]相關申請
[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〃的美國臨時申請號60/871,680的優先權，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號60/091,240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〃的美國臨時申請號60/091,229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"的美國專利申請號 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〃的美國專利申請號 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〃的美國專利申請號 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〃的美國專利申請號NN/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。
技術領域
[0011 ] 本發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】
[0012]近幾年來，在航天、汽車和許多其它的商業性產業中，高級復合材料結構(composite structures)的應用已經經歷了巨大的增長。雖然復合材料(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格的質量控制過程。具體地說，無損估計(NDE)方法必須評估復合材料的結構完整性。該評估檢測內含物(incIus1n)、分層(delaminat1nMp^wiUporosity)。常規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合材料結構有關的制造成本。
[0013]已經提出了各種方法和裝置來評估復合材料結構的結構完整性。一個解決方案使用超聲波源在工件(work piece)中產生超聲波表面位移(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的脈沖產生激光束。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。然后收集光學器件(collect1n optics)收集散射的激光能量。收集光學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于復合材料結構的結構完整性的數據。已經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計的并且目前是與探傷速度有關的限制因素。所用的上一代激光器是閃光燈-栗浦桿架構(flash-lamp pumped rod architecture)、二極管-栗浦平板結構(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生激光器架構本性上(bytheirnature)是巨大且沉重的。因此這些架構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中使用。另外，因為它們是如此的巨大和沉重，這些架構要求堅固的機器人夾具和復雜的光束傳輸系統，即使當在工廠環境下部署它們時，所有的這些都大大增加了激光超聲波探傷系統的初始總成本以及使探傷系統在生產環境下保持運行的維護費用。這些大型的復雜結構適于外部部件探傷，并且不能探傷組裝結構的所有方面。

【發明內容】

[0016]本發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和方法。在下面的說明書和權利要求書中進一步描述本發明的實施例。根據說明書、附圖和權利要求書，本發明實施例的優點和特征會變得清楚。
[0017]本發明的實施例提供了可操作用于探傷目標材料的超聲波無損估計(NDE)系統。該超聲波NDE系統包括關節型機器人、超聲波探傷頭、處理模塊和控制模塊。超聲波探傷頭與關節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生激光束(generat1n laser beam)、檢測激光束(detect1n laser beam)和收集目標材料散射的相位調制(phase modulated)光。處理模塊處理相位調制光和產生關于目標材料內部結構的信息。根據確定的掃描平面圖，控制模塊引導關節型機器人定位超聲波探傷頭。
[0018]已經顯示出激光超聲波探傷對于聚合體矩陣復合材料(polyer-matrixcomposite)是一個高性價比效率的工具。隨著在不同的產業和更多的復雜結構中更多地使用復合材料，本發明提供集成部件的使用申探傷的能力。本發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節型機器人的末端。改善的激光源和/或遠程激光源的使用可使之成為實現，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的產生和檢測激光束兩者。由于關節型機器人可能用來探傷先前臺架機器人(gantryrobot)難以接近的組裝結構內的區域，這提供了重要的優勢。
[0019]本發明的又一個環境提供了可操作用于在遠程目標的表面上產生超聲波表面位移的機器人合成探傷系統。該大面積的合成探傷系統可以是基于大型工業機器人臺架(gantry)的探傷系統的一部分或者使周二極管栗浦(d1de pumped)光纖激光器以生產產生和/或檢測激光束，并且通過這種做法，允許構造更加緊湊的機器人和探傷系統。
【附圖說明】
[0020]為了更全面地理解本發明及其優點，現在參照下面的描述并結合附圖，其中相同的附圖標記表示相同的特征，其中:
[0021]圖1描述了根據本發明的實施例的用于相對于目標材料定位超聲波探傷頭的關節型機器人；
[0022]圖2說明了根據本發明的實施例的產生激光束和檢測激光束的使用，用于產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的基本單元的框圖；
[0024]圖4提供了根據本發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提供了根據本發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描述了根據本發明的實施例的在多個位置上用關節連接的關節型機器人，這些位置便于材料的NDE;
[0027]圖7顯示根據本發明的實施例的安裝在導軌上的關節型機器人，其中該導軌允許在預先確定的工作封閉空間(work envelope)中控制關節型機器人和激光超聲波頭的運動；
[0028]圖8顯示根據本發明的實施例在諸如飛機機身的組裝結構中用關節連接的關節型機器人，其中關節允許在有限空間(confined space)中控制關節型機器人和激光超聲波頭的運動；
[0029]圖9描述本發明的實施例提供的超聲波NDE系統的使用中的應用；以及
[0030]圖10描述本發明的實施例提供的超聲波NDE系統的移動式應用。
【具體實施方式】
[0031]在附圖中描述本發明的優選實施例，同樣的標號用來表示在不同的附圖中的相同和對應的部分。
[0032]已經證明激光超聲波探傷是用于聚合體-矩陣復合材料的無損估計(NDE)的高性價比的工具。隨著這些復合材料在不同的產業中的日益增加的使用，復合材料部件的數量和復雜性正在增加。此外，復合材料的安裝基礎(installed base)也正在增加。隨著由復合材料制成的物體的大小和復雜性的增加，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)放置于關節型機器人的末端。通常通過使用沿著笛卡爾(X-Y-Z)系統移動的臺架定位系統來移動激光超聲波傳感器，從而執行激光超聲波探傷。
[0034]已經在若干項產業中使用關節型機器人。如果可以減少激光超聲波頭的大小和重量的話，那么與臺架系統相比時，關節型機器人提供若干優點。此外關節型機器人在部署中提供更多的靈活性。與臺架系統相比，可以更加容易地安裝和移動關節型機器人。此外，關節型機器人提供了位置配準(posit1n registrat1n)，這種位置配準與許多移動(即基于車的)系統是不能一起使用的。與臺架系統相比，關節型機器人對空間大小和設施要求的限制較少。關節型機器人還提供了在復雜的或組裝的部件內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，機器人技術提供了低風險的自動化方法。如圖1所示，在超聲波無損估計(NDE)系統100中提供關節型機器人101。系統100包括關節型機器人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節型機器人101可以使用多個接點(即旋轉接點)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，工業關節型機器人具有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。關節型機器人101包括平臺底座(platform mount)102、第一旋轉接點104、第二旋轉接點106、第三旋轉接點108、第四旋轉接點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耦合到關節型機器人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，用于產生激光的資源可以位于地面并且產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。用于產生激光的最后的輸送光學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討論的產生激光束和檢測激光束輸送到目標材料。圖1顯示了在地面上的向上取向的關節型機器人。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可以位于關節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描述了本發明的實施例所提供的產生和檢測激光超聲波位移的兩個入射激光束。激光束202產生超聲波，而照明(檢測)激光束204檢測諸如在測試中的復合材料的遠程目標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206。產生激光束202在目標206中引起熱彈性膨脹212，這會導致超聲波變形或波208的形成。變形或超聲波208在目標206中傳播并且調制、散射和反射照明激光束204以產生被引導(directed)遠離目標206的相位調制光210，收集和處理該相位調制光210以獲得描述遠程目標206內部結構的信息。為了該描述的目的，相位調制還包括頻率調制。相位調制的時間導數對應于頻率調制。因為術語〃調制〃在本上下文中指作為時間函數的變量，所以任意的相位調制相當于頻率調制。
[0037]圖3提供了用于執行超聲波激光測試的基本單元的框圖。產生激光器310生成產生激光束312，光學部件314將產生激光束312導向目標316。如圖所示，光學組件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。光學組件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)或者熟悉該領域的技術人員公知的其它的類似的光學傳感器。這些光學傳感器的每一個可能在執行探傷之前要求校準。該校準檢驗系統的能力以便對各種傳感器收集到的信息進行集成。產生激光器310在目標316內產生超聲波 208。
[0038]超聲波208是當復合材料吸收產生激光束時該復合材料的熱彈性膨脹212的結果。復合材料輕易地吸收產生激光束312，并且沒有燒蝕(ablating)或斷裂。沒有必要優選采用較高功率的產生激光來克服信噪比(SNR)問題，因為這可能導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。產生激光束312具有適當的脈沖持續時間、功率和頻率以誘發超聲波表面變形。例如，橫向激發的大氣的(TEA)CO2激光器對于100納秒脈寬，可以產生10.6微米波長束。激光器的功率必須足以向目標輸送例如0.25焦耳的脈沖，這可能需要在400Hz脈沖重復頻率下工作的100瓦特激光器。產生激光束312作為熱被吸收到目標表面，因此產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產生檢測激光束322。照明激光器320包括或者光學耦合到濾光裝置324以去除檢測激光束324中的噪聲。光學組件314將照明激光束324導向散射和/或反射檢測激光束324的復合材料316的表面。收集光學器件326收集得到的相位調制光。如這里所示，散射和/或反射的檢測激光反向行進通過光學組件314。可選的光學處理器328和干涉儀330處理相位調制光以產生信號，該信號包括表示在復合材料316的表面的超聲波位移的信息。數據處理和控制系統332協調(coordinate)激光超聲波系統單元的運行。數據處理和控制系統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、數字信號處理器、微型計算機、中央處理單元、現場可編程門陣列、可編程邏輯器件、狀態機、邏輯電路、模擬電路、數字電路、和/或任何的根據存儲在存儲器中的操作指令操作信號(模擬和/或數字)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、靜態存儲器、動態存儲器、閃存、高速緩沖存儲器、和/或任何的存儲數字信息的裝置。存儲器存儲操作指令，數據處理和控制系統332執行該操作指令，其中操作指令對應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可以收集目標材料散射的相位調制光。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制光和產生關于目標材料內部結構的信息的處理模塊。可選地，可以使用分布的資源114來處理激光束的產生和檢測到的光信號的處理。分布的資源114可以包括產生激光源316、檢測單元318、產生激光源322以及處理和控制模塊320。
[0041]本發明的實施例可以在超聲波NDE系統內部使用光纖激光器(fiber laser)。光纖激光器技術可以結合和應用到產生和檢測激光器。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產生超聲波。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生高功率輸出。
[0043]能夠可靠地工作在100Hz以上的重復頻率(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30億次的發射就要更換部件和清潔該光學器件。
[0044]本發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)。這具有若干優點。首先，這些小功率二極管提供了遠程通信應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生的影響微小。此外，減輕的重量會減少關節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部。
[0045]與位于傳統的大體積晶體增益介質(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)架構的表面積-體積比大很多個數量級。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的離散的或者大體積的光學器件。因此消除了激光器腔內部的污染問題。這對于在生產應用中晝夜不停地使用的工業探傷系統來說尤其有益。光纖激光器看來像一塊工業電子設備。靈活的架構使能移動的以及可能的便攜式激光器超聲波探傷裝置設計成為可能。總的說來，光纖激光器很適合用于惡劣的工業環境。
[0046]圖4提供了根據本發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，可以提供產生激光器402以產生隨后導向目標材料的產生激光束202。類似地，檢測激光器406可以用于產生也是導向目標材料的檢測激光束204。收集光學器件410可用于收集遠程目標散射的相位調制光。然后使用光檢測和處理單元412處理相位調制光。然后，視覺系統416和它的相關的處理器可以確定目標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系統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系統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節型機器人的各個自由度完成的。出于對重量和經濟的考慮，從超聲波探傷頭中除去與產生激光器、檢測激光器和所需要的處理相關的一些模塊(諸如激光源)，以減輕超聲波探傷頭的重量和關節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生激光源耦合到檢測激光頭508、產生激光頭510和光學處理器514。此處，遠程定位產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制光提供到在圖1的檢測單元128內部的光學處理系統514。從超聲波探傷頭去除這些資源減少了關節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描述了用關節在位置〃A〃和位置"B"連接的關節型機器人101。當嘗試目標材料時，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材料。
[0049]圖7顯示可以將關節型機器人101安裝在導軌702上，其中導軌702允許在預先確定的工作封閉空間中控制關節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，在該邊界內關節型機器人101可以延伸以定位激光超聲波頭112。導軌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材料。平臺704甚至可以在沒有導軌702的情況下存在。
[0050]在這里未示出的類似的實施例中，關節型機器人可以在導軌系統上，該導軌系統在二維(X-Y)上移動關節型機器人。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軌系統和平臺704，關節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中描述了重要的優點。圖8描述了具有超聲波探傷頭112的關節型機器人101，其中可以在包括要進行探傷的內表面的整個的或者集成的結構內定位該超聲波探傷頭112。圖8描述了關節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構802。該飛機機身可以是由需要探傷的復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，還可探傷完整結構。這使得探傷過程在組裝過程中或一旦該結構投入使用后即可以識別潛在問題。
[0052]可以將機器人101安裝在導軌702上以便輔助超聲波探傷頭312的移動，而無需使完整結構802運動。與關節型機器人相關的工作封閉空間可以定義邊界，使得關節型機器人可以徹底地探傷集成結構802而不會碰撞集成結構802。參考圖4和5討論的視覺系統或者其它的類似位置檢測系統(即基于激光、基于雷達或者基于聲波)可用于預防碰撞和確定目標材料(包括組裝結構)相對于超聲波激光頭和關節型機器人的取向和位置。
[0053]圖9描述本發明的實施例提供的超聲波NDE系統的使用中的應用。在該實施例中，關節型機器人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的集成結構的探傷。飛行器902可能具有許多由復合材料構造或者制造的單元，其中使用中探傷允許評估復合材料的結構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用，其中關節型機器人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系統所要求的分布的資源。在這種情況下，超聲波NDE系統可以被引入被探傷的集成結構。這不同于圖9，在圖9中，使用中的系統用于探傷被引入探傷系統的集成系統。任一個實施例提供了執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境中的復合材料部件的超聲波探傷提供若干優點。例如，通過將探傷系統引入到制造部件，尤其當該部件非常大時(像復合材料機身)，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。在制造環境中的移動式平臺1002的額外的優點是當需要時可以將探傷系統移出。最后，可以根據生產線調整的需要，在工廠內的不同地點移動探傷資源。
[0055]將栗浦激光頭定位在與產生激光束傳送頭相隔數米的位置使得中紅外(mid-1R)產生激光頭更為緊湊，這是因為較大地緩和了用于傳送產生激光束的機器人系統的總體負載和穩定性要求。在機器人系統的探傷頭只需要安裝緊湊和重量輕的模塊，該模塊包括產生激光束傳送頭、檢測激光束傳送頭和收集光學器件。這允許使用較小的關節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，為使用中的復合材料NDE建立了新的復合材料探傷機會。
[0056]在操作中，當測試更加復雜的表面或者進出受限制的區域的表面時，本發明允許激光超聲波測試設備用于較寬范圍的環境。本發明的實施例可以利用光纖激光器或者分布的資源來產生和傳輸檢測和產生激光束到被測試的目標材料。這樣做允許大大地減少基于NDE系統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，可以使用小很多的關節型機器人系統將產生和檢測激光束傳送到被測試的目標的表面，并且收集來自被測試的目標的表面的相位調制光。這允許本發明的實施例所提供的激光超聲波探傷系統不僅用于探傷單個部件，而且評估集成單元的內部結構。因此，本發明實施例提供的激光超聲波系統不僅可以探傷單個部件，而且可以探傷由單個部件構成的組裝結構。這允許在已經構造集成結構之后執行探傷以確定在結構的壽命周期內是否在內部結構方面已經發生了變化。另外，本發明實施例可以提供完全移動的系統，其使用光纖激光器在現場的遠程目標處產生和檢測超聲波位移而不會有經常與產生和檢測激光束的自由空間傳送相關的問題。
[0057]熟悉該領域的一般技術人員會認識到，這里所使用的術語〃基本上〃或者〃大約〃提供了它對應的術語的工業容許公差。這樣的工業容許公差在小于I %到20%的范圍，并且對應于但非局限于單元參數、集成電路處理差異、溫度變化、上升和下降時間、和/或熱噪聲。熟悉該領域的一個普通技術人員還會認識到，這里所使用的術語〃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，但是可以調整它的電流電平、電壓電平和/或功率電平。熟悉該領域的一個普通技術人員還會認識到，推定的耦合(即根據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。熟悉該領域的一般技術人員會進一步認識到，這里所使用的術語〃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系。例如，當該期望關系是信號I具有比信號2大的幅度時，則當信號I的幅度大于信號2的幅度時或者當信號2的幅度小于信號I的幅度時可以實現有利的比較。
[0058]雖然已經詳細描寫了本發明，但是應當理解的是，在此可以做出不脫離所附的權利要求書所定義的本發明的精神和范圍的各種變化、替換和修改。
【主權項】
1.一種可操作用于探傷復合目標材料的超聲波無損估計(NDE)系統，所述系統包括: 關節型機器人，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器件； 耦合到所述傳送光學器件的產生激光器； 耦合到所述傳送光學器件的檢測激光器； 在所述超聲波探傷頭中的收集光學器件； 與所述收集光學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，且產生激光器的產生激光束具有0.25焦耳的脈沖。2.如權利要求1所述的超聲波NDE系統，其中所述產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部。3.如權利要求1所述的超聲波NDE系統，其中所述關節型機器人可操作用于在組裝結構內部定位所述超聲波探傷頭。4.如權利要求1所述的超聲波NDE系統，進一步包括可操作用于確定所述目標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。5.如權利要求1所述的超聲波NDE系統，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生激光器的光纖，所述檢測激光器和產生激光器在所述超聲波探傷頭外部。6.如權利要求1所述的超聲波NDE系統，其中所述檢測激光器包括: 可操作用于產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.如權利要求1所述的超聲波NDE系統，其中所述產生激光由激光束組成，所述激光束借助或不借助光參數放大器來栗浦至少一個光參數振蕩器。8.—種可操作用于探傷目標材料的超聲波無損估計(NDE)系統，所述系統包括: 可操作地安裝到平臺上的關節型機器人，所述關節型機器人包括: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； 耦合到所述關節型機器人的超聲波探傷頭，所述超聲波探傷頭可操作用于: 將產生激光束傳送到所述復合材料，其中所述產生激光束在所述目標材料上產生超聲波位移； 將檢測激光束傳送到所述目標材料；以及 收集所述目標材料散射的相位調制光； 可操作用于確定所述目標材料的相對于所述超聲波探傷頭的位置的位置測量系統； 處理模塊，可操作用于處理所述相位調制光和產生關于所述目標材料的內部結構的信息；以及 控制模塊，可操作用于根據掃描平面圖引導所述關節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節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，且所述產生激光束具有0.25焦耳的脈沖。9.如權利要求8所述的超聲波NDE系統，其中所述平臺可操作用于在X、Y、Z方向重新定位。10.如權利要求8所述的超聲波NDE系統，其中所述平臺相對于所述目標材料，沿著導軌平移。11.如權利要求8所述的超聲波NDE系統，其中所述平臺包括可操作用于相對于所述目標材料重新定位所述平臺的運輸工具。12.如權利要求8所述的超聲波NDE系統，其中分布的資源還包括: 光學處理器，可操作用于: 以光學方式處理所述相位調制光以產生被檢測的信號；以及 將所述被檢測的信號提供到所述處理模塊。13.如權利要求8所述的超聲波NDE系統，其中分布的資源和平臺被包括在移動運輸系統中。14.如權利要求8所述的超聲波NDE系統，其中所述關節型機器人可操作用于在組裝結構內部定位所述超聲波探傷頭。15.如權利要求8所述的超聲波NDE系統，其中所述定位系統包括可操作用于確定所述目標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。
【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