蜂窩夾心復(fù)合材料超聲C 掃移動(dòng)小車設(shè)計(jì)

岳 斌，童恕琪，張 嬌，么曉珊，王 雷

（北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司，北京 102101）

0 引言

蜂窩夾心復(fù)合材料常用于航空領(lǐng)域大型客機(jī)的地板及機(jī)身等艙體結(jié)構(gòu)[1-4]。如圖1 所示，常見的蜂窩夾心結(jié)構(gòu)主要有兩層蒙皮加蜂窩粘接而成，脫粘缺陷常出現(xiàn)在蒙皮與蜂窩粘接層間[5-7]。目前蜂窩夾心復(fù)合材料的無損檢測(cè)主要依賴于噴水式超聲C 掃描檢測(cè)，且可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)需求[8-10]。但對(duì)于大尺寸蜂窩結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)卻鮮有人研究。

圖1 蜂窩夾心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

通過研制便攜式移動(dòng)小車實(shí)現(xiàn)大尺寸蜂窩夾心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)，解決常規(guī)超聲波C 掃系統(tǒng)無法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及人工超聲波A 掃描檢測(cè)可能出現(xiàn)的漏檢問題，同時(shí)為大型尺寸產(chǎn)品的超聲波檢測(cè)提供參考。

1 蜂窩夾心復(fù)合材料檢測(cè)需求

大尺寸蜂窩夾心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要尺寸為長(zhǎng)度10 m，寬5 m 的平板結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。該產(chǎn)品要求針對(duì)蒙皮與蜂窩夾心之間進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，不允許存在脫粘缺陷且檢測(cè)原始圖像數(shù)據(jù)可追溯。

圖2 大尺寸蜂窩結(jié)構(gòu)產(chǎn)品示意圖

蒙皮與蜂窩粘接層的粘接質(zhì)量采用噴水對(duì)穿式超聲波C 掃檢測(cè)評(píng)價(jià)時(shí)，只需要采集穿透式兩個(gè)探頭的超聲波聲壓（對(duì)應(yīng)信號(hào)幅值）進(jìn)行成像，再依據(jù)預(yù)制缺陷的對(duì)比樣件在缺陷處幅值信號(hào)衰減的程度進(jìn)行判定即可完成檢測(cè)目標(biāo)。但噴水穿透式超聲C 掃成像需要兩個(gè)探頭同步位移，因此所研制移動(dòng)小車顯然不適合用該原理檢測(cè)。

采用超聲波縱波多次反射法進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)復(fù)合材料蒙皮與蜂窩粘接層出現(xiàn)脫粘時(shí)，超聲波反射回波聲壓隨反射次數(shù)的增加下降緩慢；當(dāng)粘接界面良好時(shí)，超聲波反射回波聲壓隨反射次數(shù)增加迅速下降[11]。依據(jù)該原理通過制作預(yù)制缺陷的對(duì)比樣件即可完成粘接質(zhì)量檢測(cè)。為減少超聲波多次反射法時(shí)近表面盲區(qū)的影響[12-13]，采用有楔塊的超聲波聚焦探頭檢測(cè)。

2 系統(tǒng)研制方案

2.1 硬件系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖3 所示。超聲C 掃移動(dòng)小車主要有運(yùn)動(dòng)控制模塊，超聲波發(fā)射接受模塊及信號(hào)采集成像模塊組成。運(yùn)動(dòng)控制模塊主要由探頭掃查x軸、控制小車移動(dòng)的y軸及可自動(dòng)調(diào)整探頭高度的z軸構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)模塊的電路系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)正運(yùn)動(dòng)控制器ZAMC3 系列搭配42 步進(jìn)電機(jī)及42 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過正運(yùn)動(dòng)控制器讀取電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和軸坐標(biāo)即可精確控制軸運(yùn)動(dòng)。超聲波發(fā)射接收模塊通過便攜式EPOCH1000i 超聲探傷儀完成，該探傷儀可通過RS232 通訊輸出0 ～10 V 電壓信號(hào)。信號(hào)采集成像模塊采用研華4711A 采集卡通過USB2.0 與window系統(tǒng)上位機(jī)完成通訊，整個(gè)系統(tǒng)采用24 V 鋰電池直流供電，三層立體結(jié)構(gòu)分別容納三個(gè)模塊使得系統(tǒng)體積小方便攜帶，整個(gè)小車系統(tǒng)如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)邏輯圖

圖4 超聲C 掃移動(dòng)小車實(shí)物圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于VB6.0 程序設(shè)計(jì)，采集超聲信號(hào)幅值后使用Hibert 變換信號(hào)處理手段對(duì)成像結(jié)果優(yōu)化，包含掃查參數(shù)設(shè)置、缺陷面積測(cè)量、顯示方式選擇、缺陷定位等功能，上位機(jī)軟件界面如圖5 所示。正運(yùn)動(dòng)控制器和研華采集卡均支持VB6.0 編程語言，調(diào)用其中運(yùn)動(dòng)命令如ZAux_Direct_Single_Vmove及信號(hào)采集命令I(lǐng)nstantAiCtrl1.ReadChannels 完成運(yùn)動(dòng)控制及信號(hào)采集，設(shè)定XY 軸步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)值與C掃圖片各點(diǎn)坐標(biāo)之間對(duì)照關(guān)系，并將采集電壓的特征值映射成對(duì)應(yīng)RGB 顏色或灰度即可完成成像檢測(cè)。通過調(diào)節(jié)信號(hào)采樣頻率及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步距等參數(shù)即可完成最小0.01 × 0.01 mm 像素成像。

圖5 軟件界面

3 系統(tǒng)檢測(cè)驗(yàn)證

3.1 對(duì)比試塊制作及缺陷驗(yàn)證

對(duì)比試塊由2 mm × 2 mm、4 mm × 4 mm、6 mm ×6 mm、8 mm × 8 mm 方形聚四氟乙烯薄膜置于蒙皮和蜂窩粘接層之間，具體位置如圖6 所示。只需模擬單面脫粘情況即可，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，將蜂窩夾心復(fù)合材料板翻面即可完成100%全覆蓋式檢測(cè)。

圖6 對(duì)比試塊

如圖7 所示為系統(tǒng)超聲波發(fā)射和接受模塊超聲A掃信號(hào)，通過采集閘門內(nèi)幅值高度信號(hào)并成像即可完成檢測(cè)。如圖8 所示是對(duì)比試塊4 種超聲C 掃成像方式檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果表明，2 mm× 2 mm 以上的人工缺陷本系統(tǒng)可以有效檢測(cè)出結(jié)果，并滿足預(yù)期要求。

圖7 對(duì)比試塊A 掃信號(hào)

圖8 對(duì)比試塊C 掃描結(jié)果

3.2 實(shí)際蜂窩夾心復(fù)合材料板缺陷驗(yàn)證

本檢測(cè)系統(tǒng)依據(jù)3.1 節(jié)中確定的超聲C 掃檢測(cè)參數(shù)對(duì)實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)，得到檢測(cè)圖像如圖9（a）（b）中顯示，圖中圈內(nèi)區(qū)域?yàn)槊撜橙毕荨?duì)實(shí)際產(chǎn)品邊緣脫粘缺陷如圖9（c）顯示，從圖中可見蜂窩與蒙皮的脫粘缺陷。結(jié)果表明實(shí)際脫粘缺陷的檢測(cè)結(jié)果與預(yù)制缺陷實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖9 復(fù)合材料超聲檢測(cè)結(jié)果及缺陷實(shí)物圖

4 結(jié)語

針對(duì)大尺寸蜂窩夾心復(fù)合材料蒙皮與蜂窩脫粘缺陷的檢測(cè)需求，研制了便攜式超聲C 掃移動(dòng)小車系統(tǒng)。解決了普通A 掃檢測(cè)數(shù)據(jù)不能成像并儲(chǔ)存的難題及噴水式超聲C 掃系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的難題。經(jīng)對(duì)比試塊及實(shí)物檢測(cè)結(jié)果表明，2 mm × 2 mm 以上的脫粘缺陷該系統(tǒng)可以有效檢測(cè)。與此同時(shí)，簡(jiǎn)化檢測(cè)系統(tǒng)模塊，拼接檢測(cè)的思路具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。