李光保，孫建宇，陳 浩，平 昊, 鄭學(xué)鵬

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

無損檢測技術(shù)[1]在航空航天、軍工等領(lǐng)域的缺陷檢測中發(fā)揮著重要作用[2]，其中激光錯位散斑干涉技術(shù)因具有全場性、非接觸、無污染、高精度和高靈敏度等優(yōu)勢，在軍工產(chǎn)品檢測中得到了較多的應(yīng)用[3]。固體火箭發(fā)動機作為導(dǎo)彈的重要部件，其發(fā)動機裝藥的性能決定了發(fā)動機工作時的安全性[4-5]，為了保證發(fā)動機裝藥的正常工作，必須要求推進劑與包覆層緊密黏接。文章設(shè)計了一種激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)，對具有脫黏缺陷的某型包覆藥柱進行無損檢測[6]，試驗結(jié)果表明，激光錯位散斑干涉技術(shù)相對于其他常規(guī)無損檢測手段，在復(fù)合材料的無損檢測方面具有獨特的優(yōu)勢，能更準(zhǔn)確、有效地檢測出包覆層藥柱的脫黏缺陷，并能精確測量缺陷大小、位置，適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的快速檢測。

1 總體方案

激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括負(fù)載加壓裝置、升降機構(gòu)、控制臺、穩(wěn)壓電源、真空泵等模塊。控制部分主要由伺服電機、PLC(可編程邏輯控制器)[7]、真空氣壓計[8]、電磁閥及限位開關(guān)等組成。檢測部分主要由工業(yè)計算機、激光散斑探傷器及檢測軟件[9]等組成，系統(tǒng)檢測狀態(tài)如圖2所示。

圖1 激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)檢測狀態(tài)示意

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 負(fù)載加壓裝置

負(fù)載加壓裝置主要由負(fù)壓柜、真空泵、氣缸、壓縮機、轉(zhuǎn)臺組件等部件組成。負(fù)壓柜配合真空泵為待測產(chǎn)品提供真空環(huán)境；壓縮機和氣缸用于為負(fù)壓柜泄壓(檢測結(jié)束后)；真空氣壓計用于測量負(fù)壓柜內(nèi)實時氣壓并反饋至控制終端；轉(zhuǎn)臺組件用于裝卸、安放檢測產(chǎn)品并在負(fù)壓柜真空狀態(tài)下帶動檢測產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)。負(fù)載加壓裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示,轉(zhuǎn)臺組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 負(fù)載加壓裝置結(jié)構(gòu)示意

圖4 轉(zhuǎn)臺組件結(jié)構(gòu)示意

2.2 升降機構(gòu)

升降機構(gòu)主要由機架、直線模組、激光散斑探傷器、伺服電機等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。機架材料為Q235B，框架由方管焊接而成，底板、機架底部通過調(diào)節(jié)地腳調(diào)平，采用螺栓固定；直線模組安裝在機架前面板上，搭配伺服電機帶動激光散斑探傷器上下運動。激光散斑探傷器由激光器、方向調(diào)節(jié)器、邁克爾遜干涉光路等組成，用于檢測產(chǎn)品缺陷。

圖5 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)包含3個層次：設(shè)備層、控制層和操作層。其整體架構(gòu)如圖6所示，其中，兩臺伺服電機分別帶動升降機構(gòu)(攜帶激光探頭)和負(fù)壓柜(帶動檢測轉(zhuǎn)臺)，配合激光散斑探傷器和真空泵完成檢測工藝流程，其中通過伺服電機驅(qū)動器和西門子PLC(可編程邏輯控制器)完成通信[10]，升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)臺可以由觸摸屏和手輪來控制，真空氣壓計負(fù)責(zé)采集負(fù)壓柜真空度示數(shù)并反饋到觸摸屏，真空泵的驅(qū)動和激光散斑探傷器的驅(qū)動也由西門子PLC控制，最終將所有信息顯示到觸摸屏上，并通過缺陷檢測軟件將采集到的圖像信息顯示到工業(yè)計算機上。

圖6 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.1 控制系統(tǒng)PLC

西門子控制器PLC的作用為接收各子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并向子系統(tǒng)發(fā)送控制指令?？刂破鞑捎梦鏖T子S7-1200系列PLC，除PLC CPU外，主要還包括擴展I/O模塊、模擬量輸入模塊等。擴展I/O模塊主要完成開關(guān)量輸入信號的采集以及開關(guān)量控制信號的輸出，模擬量輸入模塊主要采集真空氣壓計的模擬量信號。PLC控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 PLC控制系統(tǒng)框圖

3.2 伺服電機控制

在待檢測產(chǎn)品，沿其圓周和高度方向均勻劃分出6個區(qū)域，為提高檢測效率，需把待檢測產(chǎn)品固定在負(fù)壓柜轉(zhuǎn)臺上，升降機構(gòu)分為兩個檢測位置，轉(zhuǎn)臺分為3個檢測位置，升降機構(gòu)固定時，按工藝流程完成其中一個區(qū)域的檢測后，通過轉(zhuǎn)臺伺服電機驅(qū)動，完成轉(zhuǎn)臺的120°旋轉(zhuǎn)，然后重復(fù)該工藝流程3次(完成3個轉(zhuǎn)臺位置的檢測)，再驅(qū)動升降機構(gòu)移動到下一位置重復(fù)轉(zhuǎn)臺的操作，最終完成待檢測產(chǎn)品的全部檢測。為了滿足旋轉(zhuǎn)精度的要求，轉(zhuǎn)臺的控制中采用了交流伺服控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)位置的精準(zhǔn)控制。

伺服電機的位置控制方式是采用PLC控制器輸入伺服驅(qū)動器脈沖的頻率，從而實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動速度的控制。在實際運行過程中，PLC控制器通過控制脈沖個數(shù)實現(xiàn)電機不同角度的轉(zhuǎn)動，從而確定驅(qū)動設(shè)備運動的實際位置，所涉及的伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式，伺服電機控制方式如圖8所示。

圖8 伺服電機控制方式

3.3 程序設(shè)計

3.3.1 PLC程序流程

整個檢測系統(tǒng)中的伺服電機控制、激光散斑探傷器驅(qū)動、真空泵驅(qū)動、壓縮機驅(qū)動、真空計讀數(shù)等都是由PLC控制器程序進行控制，PLC控制系統(tǒng)控制流程如圖9所示。

圖9 PLC控制系統(tǒng)控制流程

3.3.2 觸摸屏程序

觸摸屏程序設(shè)計主要包括界面設(shè)計和按鈕及數(shù)值輸入等控件的邏輯編寫，其基于檢測系統(tǒng)的工藝要求進行編寫，可滿足下位機的數(shù)據(jù)采集和顯示，觸摸屏界面如圖10所示。

圖10 觸摸屏界面示例

4 缺陷檢測功能實現(xiàn)

缺陷檢測功能是激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)的核心功能[11-12]，檢測軟件主程序界面如圖11所示。軟件界面包含控制部分、視頻窗口、凍結(jié)圖像顯示窗口、操作日志文件等。軟件功能主要包括視頻顯示、圖像處理、缺陷測量和定位、系統(tǒng)設(shè)置等。

圖11 檢測軟件主程序界面示例

4.1 圖像處理

檢測軟件的圖像處理功能主要有平滑濾波、去背景和對比度拉伸。

4.1.1 平滑

圖像平滑采用線性平滑處理方式，能使得采集的檢測圖像亮度漸變，減小突變梯度，實現(xiàn)圖像的平滑去噪聲。某圖像平滑處理前后效果如圖12所示。

圖12 某圖像平滑處理前后效果

4.1.2 去背景

檢測圖像不可避免地會產(chǎn)生整體變形，而整體變形會導(dǎo)致背景圖出現(xiàn)條紋，對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，系統(tǒng)則可采用去背景方式對圖像進行處理。

4.1.3 對比度拉伸

若處理后得到的圖像缺陷特征比較模糊，不易分辨，則可以通過對比度拉伸來調(diào)整圖像的對比度。

4.2 缺陷測量

圖像初始標(biāo)定后，將檢測圖像與標(biāo)準(zhǔn)試塊對比，判斷缺陷邊界，然后進行缺陷大小和面積測量，測量結(jié)果可同時顯示在圖像左側(cè)標(biāo)簽欄和缺陷位相圖上。

4.2.1 畫缺陷

該功能會在圖像上描繪出一塊缺陷區(qū)域，測量結(jié)果中會顯示出描繪區(qū)域所代表缺陷的幾何尺寸，可選擇圓形或矩形方式用于描繪缺陷區(qū)域的形狀。

4.2.2 缺陷定位

缺陷自動定位功能可實現(xiàn)待測物體表面缺陷位置的精確標(biāo)記，便于后續(xù)的分析、修復(fù)工作。

5 試驗驗證

為了驗證激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)的功能，首先選用某型號含有缺陷的包覆藥柱產(chǎn)品，將其固定于負(fù)載加壓裝置的檢測轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定真空度為40 kPa，啟動激光散斑探傷器，打開缺陷檢測軟件，觀測該包覆藥柱產(chǎn)品的檢測圖像，通過缺陷檢測軟件對檢測圖像進行平滑濾波、去背景、對比度拉伸和去包裹處理，得到的包覆藥柱產(chǎn)品的檢測位相圖如圖13所示，試驗結(jié)果表明設(shè)計的激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)包覆藥柱的缺陷檢測。

圖13 某型包覆藥柱產(chǎn)品的檢測位相圖

為了驗證檢測系統(tǒng)的檢測精度，首先制備含有不同大小缺陷的待測工件，制備的缺陷直徑分別為2.05，3.15，4.08 mm，膠層的厚度為0.5 mm，待測工件實物如圖14所示。

圖14 待測工件實物

圖15 待測工件的缺陷檢測結(jié)果

檢測時，通過缺陷檢測軟件，觀測到微小的氣壓變化即可得到高對比度的位相條紋圖(見圖15)，經(jīng)過一系列圖像處理，可檢測出直徑2 mm左右的脫黏缺陷，該試驗驗證了所設(shè)計的激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)的可行性，表明其能滿足實際工程中的檢測要求。

6 結(jié)語

設(shè)計了一種激光錯位散斑自動檢測系統(tǒng)，并對某型包覆藥柱進行缺陷檢測試驗。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效地對包覆藥柱進行缺陷檢測，可檢測出直徑約2 mm的脫黏缺陷，并可快速準(zhǔn)確地顯示缺陷位置，測量出缺陷尺寸，滿足實際工程中的要求。