title: Robot-based high precision scanning system for contact-free ultrasonic inspection
Creators: name: Wallner, Martin
Publisher: name: TU Wien
Year: 2024
Subjects: subject: Berührungslose laserbasierte Ultraschallprüfung
subject: Robotergestützte automatisierte Messung
subject: Echtzeit-Positionsinterpolation
subject: Contact-free
subject: laser-based ultrasonic testing
subject: robot-based automated measurement
subject: real-time position interpolation

description: Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von Materialien mittels Ultraschall ist eine etablierte Technik zur Sicherstellung der Qualität industrieller Komponenten. Herkömmliche Ultraschallmethoden erfordern physischen Kontakt und häufig die Verwendung eines Koppelmittels, wodurch sie weitgehend inkompatibel mit roboterbasierten automatischen Inspektionssystemen sind. Eine neuartige, kontaktfreie laserbasierte Ultraschall-ZfP-Methode benötigt kein Koppelmittel, indem der Ultraschall mit einem Laserpuls induziert und mit einem optischen Mikrofon in der Luft detektiert wird. Diese Methode ermöglicht automatisierte Prüfung von Komponenten und kann einfach in Produktionslinien integriert werden. Allerdings stellt die Automatisierung mit Robotern aufgrund der Ungenauigkeiten des Roboters und der erforderlichen Zuordnung präziser 3D-Koordinaten zu jeder Messposition erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit wird ein kosteneffektives Roboter-Scansystem entwickelt, das in der Lage ist, komplexe Oberflächen zu scannen. Dieses System basiert darauf, dass der Roboter trotz signifikanter Abweichungen vom Ziel-Pfad während der Bewegung Echtzeitdaten über seine tatsächliche Position liefern kann, die vom Robotercontroller berechnet werden. Diese Positionen werden dann verwendet, um die Positionen für jeden generierten Messtrigger zu berechnen. Diese Berechnung erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Synchronisierung der Uhren des Roboters und des Mikrocontrollers, der die Triggersignale erzeugt. Zusätzlich wurde eine Strategie zur Erzeugung äquidistanter Messtrigger während der Roboterbewegung mit schwankender Geschwindigkeit untersucht. Dieser Ansatz funktionierte jedoch aufgrund der Verzögerung bei der Datenübertragung vom Roboter nicht. Zusätzlich wurden die Abweichungen vom Ziel-Pfad und Ziel-Winkel während der Scanbewegung für verschiedene Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte untersucht. Es zeigte sich, dass nur Abweichungen im Normalabstand zur Probenoberfläche und Winkelabweichungen zur Flächennormale die Messergebnisse beeinflussen können. Die gemessenen Abweichungen bei niedrigen Scangeschwindigkeiten waren allerdings vernachlässigbar. Für höhere Scangeschwindigkeiten wurde eine Methode zur Kompensation dieser Abweichungen vorgeschlagen. Die Genauigkeit des roboterbasierten Scansystems wurde experimentell durch das Vermessen geometrisch bekannter Proben mit einem Abstandssensor bestätigt, wodurch auch eine Obergrenze für die Genauigkeit der Messpositionen festgelegt werden konnte. Abschließend wurden Ultraschallmessungen durchgeführt, wodurch die Funktionsfähigkeit des entwickelten roboterbasierten Scansystems bestätigt werden konnte.
description: Non-Destructive Testing (NDT) of materials using ultrasound is a well-established technique for ensuring the quality of industrial components. Traditional ultrasound methods necessitate physical contact and often require the use of a coupling fluid, which makes them largely incompatible with automated, robot-based inspection systems. A novel contact free laser-based ultrasound NDT method eliminates the need for a couplant by inducing ultrasound with a laser pulse and detecting it in air with an optical microphone receiver. This approach enables automated testing can be easily integrated into production lines. However, automation with robotic manipulators presents significant challenges due to the robots’ inaccuracies and the required mapping of precise 3D coordinates to each measurement position. In this work, a cost-effective robot-based scanning system capable of scanning complex surfaces is designed. This system relies on the fact that despite significant deviations from the target path during movement, the robot can provide real-time data on its actual position calculated by the robot controller. The position is then used to interpolate the measurement position for each generated measurement trigger signal. This interpolation required the development of a novel method to synchronize the clocks of the robot and the microcontroller generating the trigger signals. Moreover, a strategy for generating equidistant measurement triggers during robot movement with speed fluctuations was explored. However, this approach did not work due to the delay in data transmission from the robot. Additionally, the deviations from target path and target tool angle during the scanning motion were investigated for various speed and acceleration settings. Only deviations in the normal distance to the sample surface and off-normal deviations from the target angle were identified to influence the measurement results. The measurements revealed that for low scanning speeds, these influences are negligible. For higher scanning speeds, a method to compensate these deviations was proposed. The accuracy of the robot-based scanning system was experimentally confirmed through the scanning of geometrically defined samples using a distance sensor, which allowed to establish an upper limit for the accuracy of the measurement positions. Finally, ultrasound measurements were carried out, which confirmed the viability of the presented robot-based scanning system.