王新德,王文強(qiáng),鐘 峰
(1.西安維控自動化科技有限公司,西安 710065;2.中國航天科工集團(tuán)第六研究院二一零所,西安 710065)
固體火箭發(fā)動機(jī)的防熱結(jié)構(gòu)件是固體火箭的重要部件,由金屬外罩(常規(guī)為鋼和鋁)和絕熱內(nèi)襯通過膠粘接、壓裝、固化成形,能夠保證發(fā)動機(jī)在高溫、高振動沖擊環(huán)境下可靠工作。因此,金屬外罩與絕熱內(nèi)襯的粘接質(zhì)量直接決定防熱結(jié)構(gòu)件的成品率。在防熱結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)過程中,不可避免的有空氣混入粘合劑中,當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)過粘接、壓裝和固化成形后,在金屬外罩和絕熱內(nèi)襯之間會形成空氣泡,氣泡的面積大小,形狀和氣泡的分布決定了產(chǎn)品的粘接質(zhì)量是否符合成品要求。
在目前的生產(chǎn)過程中,由于缺乏高效的檢測手段,嚴(yán)重制約產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)現(xiàn)有生產(chǎn)方式因采取固化后檢測方式,缺少在線式檢測方式及固化前檢測手段,當(dāng)發(fā)現(xiàn)粘接缺陷后已經(jīng)無法挽救,導(dǎo)致質(zhì)量成本居高不下。因此亟需一種在線檢測的手段,在壓粘工序后即可進(jìn)行粘接質(zhì)量檢測,一旦發(fā)現(xiàn)粘接缺陷,立刻重新粘接,從而避免造成無法挽救的損失。
2)粘接工序因其品種多、工作量大、固化周期長的工藝特點(diǎn)導(dǎo)致其成為批量生產(chǎn)主要瓶頸環(huán)節(jié)之一。
3)在檢測過程中,采用人工檢測,通過超聲波回波的a波圖形來人工判讀[1],對于檢測人員的要求很高,而且檢測人員需要時(shí)刻關(guān)注波形的變化,人員工作強(qiáng)度大、負(fù)荷重、誤判率也很高。人工檢測時(shí),通過a波波形判斷脫粘缺陷以主觀因素、經(jīng)驗(yàn)判斷為主,標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,對于判斷依據(jù)和做出結(jié)論無量化指標(biāo)。
4)在檢測過程中,一些產(chǎn)品需要涂抹耦合劑,某些產(chǎn)品卻不能用任何的耦合劑;而涂抹耦合劑的產(chǎn)品,在檢測完畢后又需要清理耦合劑,因此造成檢測操作復(fù)雜,且增加了多余的工序。
為了提高生產(chǎn)效率,加快產(chǎn)品的列裝速度,針對固體火箭發(fā)動機(jī)防熱構(gòu)件壓裝粘接過程設(shè)計(jì)了在線電磁超聲無損檢測質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)。系統(tǒng)布置在壓粘工序后,檢測時(shí)與工件不接觸,直接讀取電磁超聲a波的數(shù)據(jù),然后結(jié)合發(fā)動機(jī)的外形尺寸生成粘接缺陷的二維圖形,自動畫出每個(gè)粘接缺陷區(qū)域的形狀、分布,對于相鄰缺陷之間距離小于標(biāo)準(zhǔn)值的缺陷自動合并,并自動計(jì)算每塊粘接缺陷的面積,給出粘接質(zhì)量評價(jià)結(jié)果,提升粘接質(zhì)量的檢測過程,避免因粘接質(zhì)量不合格造成的產(chǎn)品損失。
無損檢測粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。防熱結(jié)構(gòu)件采用鋼殼體材質(zhì),外形呈錐臺體,采用專用公裝安裝在測試臺上,由伺服電機(jī)帶動做勻角速度轉(zhuǎn)動。電磁超聲檢測儀測量探頭在距離結(jié)構(gòu)件表面小于2 mm的位置進(jìn)行檢測,測量探頭由伺服電機(jī)帶動,沿著放熱結(jié)構(gòu)件法線方向勻速移動,從錐臺體的上表面一直測量到下表面結(jié)束。所有的設(shè)備的運(yùn)動過程由控制器控制自動完成,采集的數(shù)據(jù)由無損檢測粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)軟件接收并分析。
圖1 無損檢測質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
電磁超聲波探測儀的型號為ECTMAT-180,探頭直徑Φ18 mm,伺服系統(tǒng)采用DB100直流伺服電機(jī),控制器采用Ti公司的ARM A15 CPU作為主控制器,粘接質(zhì)量評價(jià)軟件采用NI公司的Labview 2016開發(fā)完成。
系統(tǒng)工作時(shí),測量聲速為:3 225 m/s,超聲波發(fā)射頻率為:3 840 Hz。[2]
圖2 電磁超聲測量時(shí)的A波
在每一時(shí)刻,控制器將電磁超聲檢測儀的測量探頭的實(shí)時(shí)位置,電磁超聲檢測儀測量的該位置的粘接質(zhì)量信息一并傳送給粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)軟件,評價(jià)系統(tǒng)軟件根據(jù)這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的坐標(biāo)系,完成繪圖過程,并展開粘接質(zhì)量評價(jià)。
無損檢測粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)主要包含2個(gè)部分的功能,第一部分是把從控制器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。在這個(gè)過程中,主要采用三維網(wǎng)格化建模,將待測工件根據(jù)其法線的函數(shù)旋轉(zhuǎn)形成三維模型[3],然后根據(jù)電磁超聲的最小分辨率[4],對其輪廓表面進(jìn)行網(wǎng)格化劃分,而后進(jìn)行二維極坐標(biāo)展開[5],用不同的色塊填充相應(yīng)位置的缺陷信息,形成可視化圖像。第二部分是對形成的可視化圖形進(jìn)行分析,采用二值法建立缺陷矩陣[6],根據(jù)可視化圖像的尺寸建立縮放系數(shù),然后通過粒子法求解缺陷的面積[7],采用缺陷矩陣擴(kuò)張[8]的方法,解決相鄰缺陷的識別問題,在通過特征值數(shù)組的方法解決從3D展開至2D時(shí)展開邊界切割缺陷區(qū)域的問題,從而完整地描述缺陷的特征,并根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)完成粘接缺陷質(zhì)量的評價(jià)。
圖3 粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)技術(shù)路線圖
如圖4所示,防熱結(jié)構(gòu)件外形呈錐臺形,上底半徑為R0,下底半徑為R,椎體高度為H。對于殼體上的任何一個(gè)點(diǎn)P,都可以用P(h,r,θ,V)來描述其位置信息。其中h表示P點(diǎn)距離錐臺上表面的高度,r代表P在距離旋轉(zhuǎn)軸線的半徑,θ表示P點(diǎn)所在的法線距離0°法線的角度,V代表P點(diǎn)的缺陷狀態(tài),當(dāng)V=0時(shí),代表該點(diǎn)為正常,不是缺陷;當(dāng)V=1時(shí),代表該點(diǎn)為缺陷。
圖4 防熱結(jié)構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型
粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)從超聲波檢測儀和伺服系統(tǒng)中獲取測量結(jié)果,每一個(gè)點(diǎn)的測量結(jié)果采用11個(gè)字節(jié)表示。其中:
0、1、2三個(gè)字節(jié)代表高度(h);3、4、5三個(gè)字節(jié)代表半徑(r);6、7、8三個(gè)字節(jié)代表角度(θ);9字節(jié)代表置信度(η);10字節(jié)代表測量結(jié)果(V)。
高度h,半徑r,角度θ都采用浮點(diǎn)數(shù)表示,前兩個(gè)字節(jié)代表整數(shù)部分,第三個(gè)字節(jié)代表小數(shù)部分。
置信度η表示本次測量結(jié)果的可信度,取值范圍為:0~100。當(dāng)η<75時(shí),表示本次測量不可信,測量結(jié)果不采納;反之接受測量結(jié)果。
讀取數(shù)據(jù)的流程圖如圖5。
圖5 數(shù)據(jù)讀取模塊流程圖
從超聲波檢測儀中接收的測量數(shù)據(jù)是經(jīng)過DSP編碼后采用十六進(jìn)制格式保存的結(jié)果,評價(jià)系統(tǒng)無法直接使用,需要通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行分解和工程量的轉(zhuǎn)化。
對于高度h,半徑r和角度θ,都采用3個(gè)字節(jié)定義。其結(jié)構(gòu)如下:
圖6 三字節(jié)參數(shù)結(jié)構(gòu)
則其值為:
實(shí)際值=(AA+BB×255+CC×65535)/1000
“/1000”表示實(shí)際值保留3位小數(shù),精確到0.001 mm。
角度θ的測量值是弧度,通過弧度角度公式轉(zhuǎn)化為角度。
由于測量返回值中P(h,r,θ)的形式采用“極坐標(biāo)”的方式表示,為了繪制平面展開圖形方便,將(r,θ)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系(x,y)。
經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊后,所有的測量數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化成可以直接進(jìn)行繪圖使用的參數(shù),分別保存在數(shù)組中。記作:
數(shù)組H:記錄高度h;
數(shù)組R:記錄半徑r;
數(shù)組X,Y:轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;
數(shù)組角度:轉(zhuǎn)化為角度表示的θ。
在平面中圖形中,可以采用缺陷矩陣的算法來計(jì)算粘接缺陷,因此將根據(jù)圖3的結(jié)構(gòu)圖將發(fā)動機(jī)外輪廓展開到平面如圖7所示。椎體展開成一個(gè)扇形,其參數(shù)為:
外環(huán)半徑:
內(nèi)環(huán)半徑:
頂角:
展開后,有效區(qū)域是藍(lán)色線框中的區(qū)域。此時(shí)如下。
長:
寬:
圖7 防熱結(jié)構(gòu)件二維展開數(shù)學(xué)模型
設(shè)置顯示圖像的區(qū)域?yàn)镼(m,n),其中m,n分別為圖像的水平像素點(diǎn)和垂直方向的像素點(diǎn),建立標(biāo)定參數(shù)a,b。
參數(shù)a,b意思是標(biāo)定圖像上多少個(gè)像素表示1 mm的長度。
根據(jù)標(biāo)定參數(shù)a、b的值在缺陷數(shù)組、直角坐標(biāo)系數(shù)組X、Y中抽取各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),用不同的顏色填充區(qū)域Q,可以畫出缺陷的展開圖。如圖8所示。
圖8 防熱結(jié)構(gòu)件粘接缺陷展開圖
在第3節(jié)中填充區(qū)域Q(m,n)時(shí),同時(shí)建立一個(gè)識別矩陣M[a×L,b×W],其中的部分區(qū)域如下:
圖9 識別矩陣的部分區(qū)域
其中,當(dāng)矩陣元素的值為1時(shí),代表該點(diǎn)為缺陷;當(dāng)矩陣元素的值為0時(shí),代表該點(diǎn)為正常。
在矩陣M中,設(shè)有一個(gè)元素點(diǎn)P0(x0,y0),若P0=1,則表示該點(diǎn)為缺陷。那么搜索其周圍八個(gè)點(diǎn)P(x0+1,y0)、P(x0-1,y0)、P(x0,y0+1)、P(x0,y0-1)、P(x0+1,y0+1)、P(x0+1,y0-1)、P(x0-1,y0+1)、P(x0-1,y0-1)的值,若其中存在一個(gè)點(diǎn)P1,其值為1,則認(rèn)為P1與P0屬于同一個(gè)缺陷區(qū)域。遍歷所有相鄰的點(diǎn),直至缺陷區(qū)域內(nèi)再沒有新的點(diǎn)滿足上述條件。其偽代碼如下[9]:
for i=0 to a×L
for j=0 to b×W
if P[i,j] == 1
生成一個(gè)缺陷數(shù)組Defect1[]
if P[i+1,j] = 0,該點(diǎn)為右邊界之一
將P[i+1,j]寫入右邊界數(shù)組Right[]
將P[i+1,j]的x坐標(biāo)寫入右邊界數(shù)組RightX[]
else
RightPointisNew = true
將P[i+1,j]寫入缺陷數(shù)組Defect1[]
else
RightPointisNew = false
if P[i-1,j]=0,該點(diǎn)為左邊界之一
將P[i-1,j]寫入左邊界數(shù)組Left[]
將P[i-1,j]的x坐標(biāo)寫入右邊界數(shù)組LeftX[]
else
LeftPointisNew = true
將P[i-1,j]寫入缺陷數(shù)組Defect1[]
else
LeftPointisNew = false
左上、右上、左下、右下的檢測偽代碼與此類似,故省略。
if P[i,j+1]=0,該點(diǎn)為上邊界之一
將P[i,j+1]寫入上邊界數(shù)組Top[]
將P[i,j+1]的Y坐標(biāo)寫入上邊界數(shù)組TopY[]
else
TopPointisNew = true
將P[i,j+1]寫入缺陷數(shù)組Defect1[]
else
TopPointisNew = false
if P[i,j-1]=0,該點(diǎn)為下邊界之一
將P[i,j-1]寫入下邊界數(shù)組Bottom[]
將P[i,j-1]的Y坐標(biāo)寫入下邊界數(shù)組BottomY[]
else
BottomPointisNew = true
將P[i,j-1]寫入缺陷數(shù)組Defect1[]
else
BottomPointisNew = false
HaveNewDefectPoint = RightPointisNew && LeftPointisNew && ottomPointisNew
if HaveNewDefectPoint == true
一個(gè)缺陷檢測完畢,保存缺陷數(shù)組Defect1[]。
此時(shí)即可確定一個(gè)缺陷區(qū)域,如圖9所示。
用函數(shù)count()統(tǒng)計(jì)缺陷數(shù)組Defect1[]中數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),記作NUM,則本區(qū)域的缺陷面積S為:
缺陷區(qū)域的重心G位置的坐標(biāo)為:
在Labveiw中提供了一個(gè)dll函數(shù)[10],IMAQ Particle Analysis ReportA函數(shù),可以對一個(gè)二值圖形提取8連通或者4連通的區(qū)域,此函數(shù)的功能可以滿足缺陷區(qū)域識別和缺陷面積計(jì)算的要求。
在缺陷評價(jià)時(shí),對于相鄰的缺陷區(qū)域存在一個(gè)判定準(zhǔn)則。若存在2個(gè)缺陷區(qū)域的最近點(diǎn)之間的距離小于d,則將2個(gè)缺陷區(qū)域合并為一個(gè),面積為2個(gè)缺陷區(qū)域面積之和。
如圖9所示,設(shè)d=5 mm,若缺陷區(qū)域1和缺陷區(qū)域2的最近點(diǎn)之間的距離≤5 mm,則將缺陷區(qū)域1和缺陷區(qū)域2合并為命名為區(qū)域3,而區(qū)域3的面積為:
S區(qū)域3=S區(qū)域1+S區(qū)域2
在矩陣M中,識別缺陷區(qū)域1和缺陷區(qū)域2的最近點(diǎn)過于麻煩,計(jì)算量大。因此采用如下方法:
在將發(fā)動機(jī)的外形輪廓進(jìn)行二維展開時(shí),如圖7所示,展開基準(zhǔn)法線的位置是隨機(jī)選擇的,這樣就存在3種情況:
1)基準(zhǔn)法線的位置正好將一個(gè)缺陷區(qū)域分割開來;
2)基準(zhǔn)法線的位置沒有經(jīng)過任何一個(gè)缺陷區(qū)域,但是存在2個(gè)或者多個(gè)缺陷區(qū)域,它們的最近點(diǎn)之間的距離≤d;
3)基準(zhǔn)法線的位置沒有經(jīng)過任何一個(gè)缺陷區(qū)域,且與其他缺陷區(qū)域的最近點(diǎn)之間的距離>d。
對于第一種情況:基準(zhǔn)法線上所有元素所對應(yīng)的點(diǎn)P(h,r,θ)的極坐標(biāo)中,其θ=0,而在另一端,所有元素所對應(yīng)的點(diǎn)P(h,r,θ)的θ=2π。建立2個(gè)對比數(shù)組A1,A2,A1中保存所有基準(zhǔn)法線上的元素的值,A2中保存所有2π法線上的元素的值,數(shù)組的索引號為識別矩陣M的行號a×L。
對于數(shù)組A1,A2,若存在i∈[0,a×L],使得:
A1[i] =A2[i] = 1
則說明在第i行,基準(zhǔn)法線分割了一個(gè)缺陷區(qū)域?;鶞?zhǔn)法線兩端的2個(gè)缺陷區(qū)域合并為1個(gè)參與評價(jià)。
對于第二種情況:采用重合線檢測的方式實(shí)現(xiàn)。
將0°基準(zhǔn)法線向后平移d/2得到重合線A,將360°法線向前平移d/2得到重合線B,當(dāng)2塊缺陷區(qū)域的最近點(diǎn)之間的距離≤d時(shí),根據(jù)第5節(jié)“相鄰缺陷區(qū)域識別”中描述的方法,在重合線A、B上的點(diǎn)一定存在缺陷點(diǎn),其值為1。
圖10 處于邊界且最近點(diǎn)距離≤d的缺陷區(qū)域示意圖
此時(shí)參照處理“第一種情況”的方法,以重合線A的數(shù)據(jù)建立對比數(shù)組A1,以重合線B上的數(shù)據(jù)建立對比數(shù)組A2,以個(gè)點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)為索引,對于數(shù)組A1,A2,若存在i∈[0,a×L],使得:
A1[i] =A2[i] = 1
則說明在第i行,分布在基準(zhǔn)法線兩邊的2個(gè)缺陷區(qū)域,其最近點(diǎn)的距離≤d,在粘接質(zhì)量評價(jià)時(shí),需要按照1個(gè)缺陷區(qū)域進(jìn)行評價(jià),評價(jià)面積為2個(gè)缺陷區(qū)域的面積之和。
當(dāng)不存在任何一個(gè)i,使得上述等式成立時(shí),就對應(yīng)第三種情況。說明分布在基準(zhǔn)法線兩邊的2個(gè)缺陷區(qū)域是獨(dú)立的缺陷,單獨(dú)進(jìn)行評價(jià)。
當(dāng)缺陷區(qū)域的面積>1 cm2時(shí),記入缺陷面積。粘接缺陷總面積不得大于35 cm2,單塊缺陷面積不大于8 cm2,兩塊面積之和大于5 cm2的相鄰缺陷區(qū)之間的距離不得小于1 cm。
圖11 缺陷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置畫面
在設(shè)置畫面中,可以根據(jù)不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整,方便不同的產(chǎn)品進(jìn)行粘接質(zhì)量的評價(jià)。
采用無損檢測粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)和電超聲粘接質(zhì)量檢測臺架配合,對某型發(fā)熱結(jié)構(gòu)件的粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測,獲取粘接質(zhì)量數(shù)據(jù),輸入評價(jià)系統(tǒng)軟件進(jìn)行可視化顯示、二維圖形展開、缺陷區(qū)域分析計(jì)算、給出粘接質(zhì)量評價(jià)結(jié)論。
電磁超聲波檢測儀1臺,防熱結(jié)構(gòu)件1個(gè),電磁超聲粘接質(zhì)量檢測臺架1套,評價(jià)軟件1套,筆記本電腦1臺。評價(jià)軟件提前安裝在筆記本電腦上。
圖12 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物畫面
1) 將防熱結(jié)構(gòu)件如圖所示安裝在的試驗(yàn)臺架上;
2) 將電磁超聲波檢測儀與pc相連;
3) 設(shè)置法線上的旋轉(zhuǎn)線速度為25 mm/s;探頭與防熱結(jié)構(gòu)件的表面距離保持為1.5 mm;
4) 設(shè)置電磁超測量聲速為:3 225 m/s,超聲波發(fā)射頻率為:3 840 Hz;
5) 啟動測量,并記錄測量數(shù)據(jù);
6) 啟動粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)軟件,開始數(shù)據(jù)分析。
圖13 某型固體火箭發(fā)動機(jī)防熱結(jié)構(gòu)件圖像分析畫面
如圖13所示,左上角為“產(chǎn)品總覽”,保存著已經(jīng)獲取的測量數(shù)據(jù)。讀取保存的測量數(shù)據(jù),經(jīng)過解包后,根據(jù)測量數(shù)據(jù)形成三維網(wǎng)格圖,并按照坐標(biāo)進(jìn)行缺陷區(qū)域的填充,填充后效果如右上角的“三維圖形”所示。該三維圖形支持圖像的旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、放大、縮小等功能,可以從各個(gè)方向展示缺陷區(qū)域的輪廓及分布。
在畫面的上中部,是三維圖形的二維展開圖。展開過程中采用極坐標(biāo)展開,并對各個(gè)缺陷區(qū)域進(jìn)行了標(biāo)識。
在左下角中的“缺陷清單”中列出了本次測量的放熱結(jié)構(gòu)件上缺陷統(tǒng)計(jì)表,包括各塊缺陷區(qū)域的編號、面積大小,重心位置和缺陷的占比信息。當(dāng)選中清單中的某一條缺陷信息時(shí),在二維圖形上會有輪廓線指示該缺陷的對應(yīng)圖形。
最后在“缺陷分析結(jié)果”中給出了評價(jià)結(jié)論,并給出了所有缺陷面積的總和。
生產(chǎn)線安裝一套粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng),布置在涂膠、壓粘工序后即可進(jìn)行檢測,實(shí)現(xiàn)了在線檢測的功能。經(jīng)過一批產(chǎn)品的實(shí)際加工測試,與手工檢測對比,結(jié)果如表1。
表1 在線檢測與手工檢測對比表
由表1可以看出,在線檢測極大降低了檢測時(shí)間,提高了檢測效率。與之前手工相比,缺陷檢測效率提高58%。而只要通過增加粘接質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)的數(shù)量,即可迅速擴(kuò)大生產(chǎn)線的產(chǎn)能。
采用固體火箭發(fā)動機(jī)絕熱層粘接缺陷質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)后,可以有效降低對專業(yè)無損檢測人員的要求,對于裝備的量產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)的支撐意義。該評價(jià)系統(tǒng)也可以無縫進(jìn)入各種產(chǎn)品的生產(chǎn)線中,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的在線無損檢測,使得整條生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,提高生產(chǎn)效率、降低損耗、降低生產(chǎn)成本和管理成本。