This thesis details the development of a robotic laser pulse-echo ultrasonic system for non-contact inspection of 3-dimensional structures. The sub-surface defects are detected using the Bulk waves that travel through the thickness of the specimen. These waves are generated by a Q-switched laser and are sensed through a Laser Doppler Vibrometer (LDV). Both the lasers impinge the specimen at the same point on its surface allowing the system to inspect in a pulse-echo fashion. In this system, the inspected specimen remains stationary during the inspection and scanning is done by mechanical movement of the LDV and optical steering of Q-switched laser.
The main objective of the system is to ensure optimal signal quality from the LDV even while inspecting a non-planar surface. In order to achieve this the LDV is mounted on a 6 degree of freedom robot arm. This robot arm moves the LDV in front of the structure in a raster scan pattern according to the shape of the specimen. The raster scan path remains in a plane parallel to the surface of structure if the inspected structure is planar; otherwise, the robot moves the LDV to adjust its distance and angle according to the orientation and distance of the structure. Thus, during the scan, distance between the LDV and point of measurement on the structure always remains constant and the angle of incidence of the laser from the LDV remains parallel to the normal of the inspected surface. During this scan, the system makes a grid of ultrasonic measurements to investigate sub-surface conditions of the structure. A Q-Switch laser pulse creates an ultrasonic signal at each of these measurements. This excitation laser however is not mounted on the robot arm, as there are no constraints for it to be at a certain distance or normal to the surface. Instead, the excitation laser is optically steered through a laser mirror scanner. This keeps the robot payload low thus making itself lighter with fewer constraints on its installation and power supply. This in turn allows installation on a moveable platform making the system capable of in-situ inspections.
A 633nm Helium-Neon continuous wave laser with 2mW power is used by the LDV and a 532nm Q-switched Nd-YAG laser is used for excitation. A lightweight and portable industrial robot has been selected for the system. This industrial robot arm is designed for repetitive tasks that are programmed once at the start of commissioning in a production line-up. Certainly, it is not practical to program the scan path each time for a new inspection. Using the available programming modes and communication capabilities of the robot, the programming is done in a way to allow for on-spot scan-path updates without the need for any coding. The robot also does not support synchronization signal frequencies in access of 100Hz and further interpolation of the synchronization signal is necessary to achieve higher resolutions. An RGB-D range sensor is used to image the specimen in 3 - dimensions from its front side. This provides a quick, relatively accurate, cheap and lightweight solution for 3-d imaging of the specimen. The scan area delimitations are done on the colour image produced by the sensor. The scan-path for the robot arm is generated to cover the delimited area. The coordinate base for the generated scan-path is converted from sensor coordinate system to the robot base coordinate system. This scan-path is uploaded to the robot controller using a self-designed command interface utilizing TCP/IP communications. This scan path is stored in the robot controller memory and there is no need for re-programming of the controller for new scan-paths or inspections. The ultrasonic measurements are recorded at regular interval during the scan. This interval defines the resolution of the resulting scan grid and it can be chosen from a set of values prior to the start of inspection. This grid of measurement is stored in a 3 dimensional buffer in the PC and can be viewed in a frame –wise fashion or in a point –wise fashion.
The system offers scan area selection of any shape allowing for minimum inspection times and resource usage. The system also supports automatic scan area detection based on specimen boundaries, which can be useful for automation of the scanning process. The system supports a scan area within the bounding box of 400mm x 400mm with an interval of 0.125 mm and a speed of 200mm/s.
본 논문에서는 3차원 구조물의 비접촉식 검사를 위한 로보틱 펄스-에코 초음파 검사시스템의 상세를 다룬다. 이 시스템은 Q-switched 레이저를 이용하여 두께방향으로 통과하는 체적파를 생성하며, 이 체적파를 레이저 도플러 진동계 (Laser Doppler Vibrometer, LDV)로 감지하여 구조 내부에 위치한 sub-surface 결함을 검출한다. 제안된 시스템은 구조물이 정적 상태에 놓여 있을 때, LDV와 레이저를 각각 기계적, 광학적 조향 기법을 이용하기 스캐닝을 수행하므로 두 종류의 레이저가 동일한 지점에 조사되어 펄스-에코 방식으로 검사가 수행할 수 있다.
본 시스템의 개발 목적은 평판이 아닌 구조물에서 LDV로 수집되는 신호의 질을 최적화하는데 있다. 이를 위해 LDV가 6-DOF(Degree of freedom) 로봇팔에 장착되었으며, 로봇팔은 시편의 형상정보를 바탕으로 격자 패턴 스캔을 수행하도록 움직이게 된다. 검사 구조가 평면구조일 경우 로봇팔의 격자 패턴 스캔 경로는 구조물의 표면에 평행한 평면상의 경로가 되며, 그렇지 않은 구조물의 경우 구조 표면과의 거리와 형상을 고려하여 LDV가 최적의 입사각과 거리에 놓일 수 있도록 경로가 수정된다. 이를 통해 스캐닝이 수행되는 동안 LDV와 구조물의 측정 지점 사이의 거리는 항상 일정하게 유지되며, 동시에 LDV 입사각 또한 구조물의 표면의 법선과 평행을 유지한다. 스캔이 진행되는 동안, Q-switched 펄스 레이저가 조사되어 생성된 초음파 신호가 각 격자점에서 측정된다. 가진에 사용되는 레이저는 LDV와 다르게 거리나 입사각 등에 제약이 없기 때문에 로봇팔에 탑재되지 않지만 레이저 거울 스캐너(Laser mirror scanner, LMS)를 통해 광학적으로 조향된다. 이는 로봇팔이 부담해야 하는 하중을 감소시켜 로봇팔의 설치와 전원공급을 보다 용이하도록 하고 나아가 이동식 플랫폼에 설치하여 실구조에 대한 in-situ 검사를 가능하게 할 수 있다.
센싱에 사용 된 LDV는 파장 633 nm, 파워 2 mW의 Helium-Neon continuous wave (CW) 레이저이며, 가진에 사용된 Q-switched 레이저는 파장 532 nm의 Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet (Nd:YAG) 레이저이다.
제안 된 시스템에 탑재 된 로봇팔은 이동식 경량 산업용 로봇팔을 채택하였다. 일반적으로 로봇팔은 반복 작업을 필요로 하는 생산 라인에서 사전에 프로그램 된 좌표 지점으로 이동하는 반복작업을 수행하도록 설계하지만, 스캔을 목적으로 하는 이 시스템에서는 새로운 검사를 수행하기 위해 재프로그래밍을 하지 않고 스캔 경로만을 업데이트하여 구동되도록 설계되었다. 이 로봇팔은 100 Hz 이상의 주기를 갖는 동기화 신호를 지원하지 않으며 더 높은 공간 해상도를 위해 추가적인 동기화 신호 보간 기법이 동반되었다. 구조물의 형상정보를 획득하기 위해 경량의 RGB-D 센서가 적용되었다. 이 센서는 상대적으로 높은 정확도의 생상, 깊이 정보를 빠르게 제공하며 제공된 정보는 스캔 영역 결정 및 로봇팔의 스캔 경로 생성과정에서 활용된다. 센서를 통해 얻어진 형상정보는 센서 자체의 좌표계에서 로봇팔 기준의 좌표계로 변환되고 TCP/IP 통신을 이용하여 로봇팔 제어기에 실시간으로 업로드 되어 제어기 내 메모리에 저장된다. 초음파신호의 측정은 등간격 격자 가진을 통해 생성된 신호를 수집한다. 이때 사용되는 간격은 검사 시작 전에 정의되며 검사 결과의 공간 해상도를 결정한다. 각 격자점에 대해 얻어진 신호들은 PC의 3차원 버퍼에 저장되어 공간도메인에서의 프레임방식 또는 특정 지점의 시간도메인 형식으로 표현된다. 제안된 시스템은 또한 검사시간을 최소화하기 위해 모든 형태의 스캔 영역 선택을 제공함과 동시에 RGB-D 센서를 통해 검출된 구조물의 경계 정보를 활용하여 스캔 영역의 형상을 자동으로 결정하는 기능을 포함한다. 이 시스템은 폭 400 mm, 높이 400 mm, 공간 인터벌 0.125 mm 이상, 속도 200 mm/s 이내에서 적용이 가능하다.
