火箭發(fā)動機包覆層表面缺陷檢測系統(tǒng)研究

郭慧平，王召巴，金永

（中北大學信息與通信工程學院，太原 030051）

0 引言

現(xiàn)代固體火箭和導彈設(shè)計中，包覆層已成為發(fā)動機裝藥的重要組成部分，它不僅直接關(guān)系到火箭發(fā)動機的內(nèi)彈道性能，而且也是其使用壽命的決定因素之一[1]。包覆層厚度是包覆火藥的一個重要參數(shù)，對于火炮的具體彈道指標要求，往往要選擇一個最佳的包覆層厚度，包覆層太厚或者太薄均會影響發(fā)動機正常工作[2]。因此，包覆層厚度是否達到指標要求，對于發(fā)動機裝藥有著至關(guān)重要的影響。

在包覆層生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)工藝及環(huán)境等因素的影響，可能會使其表面產(chǎn)生凸起、凹坑、裂紋等缺陷。這些缺陷會直接造成包覆層的厚度偏差，若厚度偏差超過指標要求，不但會影響到發(fā)動機的工作性能，甚至會引起安全事故[3]。

本文結(jié)合當前自動化技術(shù)和圖像處理技術(shù)，設(shè)計了發(fā)動機包覆層表面缺陷檢測系統(tǒng)。在硬件上，采用工業(yè)相機與LED環(huán)形光源相結(jié)合的圖像采集裝置；在軟件上，采用實時處理的圖像處理方法，通過圖像模式匹配技術(shù)，快速判斷是否有缺陷圖像存在，并找出缺陷所存在的位置。本系統(tǒng)的檢測結(jié)果能夠為后續(xù)的包覆層厚度檢測提供重要的參考依據(jù)，具有重要的實際應用價值。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由機械控制系統(tǒng)、檢測操作系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理及結(jié)果顯示系統(tǒng)組成，組成框圖如圖1所示。

機械控制系統(tǒng)由IPC、脈沖輸出卡、控制信號輸入輸出卡、伺服電機及驅(qū)動器和檢測工作臺組成；圖像采集系統(tǒng)由圖像采集卡、工業(yè)相機和LED環(huán)形光源組成；圖像處理及顯示系統(tǒng)由安裝在IPC中的圖像處理及顯示軟件組成；檢測操作系統(tǒng)由鍵盤、鼠標、顯示器及各種控制按鈕組成[4-5]。

圖1 檢測系統(tǒng)組成框圖

工業(yè)相機與光源固定在測量臂上，工業(yè)相機的鏡頭中心與發(fā)動機的圓心在軸向方向上處于同一水平位置。根據(jù)所選工業(yè)相機的焦距與視場范圍，設(shè)定每一次圖像采集的區(qū)域為50mm，示意圖如圖2所示

圖2 采集區(qū)域示意圖

以常規(guī)檢測為例（完成整個試件的檢測），系統(tǒng)的工作過程為：在系統(tǒng)軟件的控制下，按照事先設(shè)定的采集方式，由安裝在IPC插槽上的控制信號輸入輸出卡發(fā)出使能信號和方向信號，以及脈沖輸出卡發(fā)出脈沖信號來控制伺服電機的運轉(zhuǎn)，帶動測量臂平移（由檢測工作臺上的絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn)）。首先移動到設(shè)定好的檢測起始位置，IPC插槽上的圖像采集卡在判斷脈沖信號發(fā)送完畢后，進行第一次圖像采集。然后測量臂每移動50mm進行一次圖像采集，總共進行35次圖像采集，并按一定的編號順序?qū)D像儲存在IPC中。采集結(jié)束后，測量臂復位，運行系統(tǒng)軟件的圖像處理及顯示模塊，顯示被測發(fā)動機包覆層的表面狀態(tài)圖像。圖像采集位置分布圖如圖3所示。

圖3 某型號發(fā)動機的圖像采集位置分布圖

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)選用AC6644卡和AC6654卡來分別實現(xiàn)脈沖輸出和控制信號輸入輸出功能。AC6644卡是一款通用脈沖板，支持2路24位脈沖輸出。在系統(tǒng)中，AC6644卡工作模式選擇為可編程脈沖個數(shù)輸出模式。通過向伺服電機發(fā)出若干個用戶定義周期的方波，來控制伺服電機運轉(zhuǎn)的圈數(shù)和速度。AC6654卡是一款通用光電隔離I/O板，具有32路輸入、32路輸出功能。該卡通過發(fā)出高低電平的輸出信號，來控制伺服電機的運轉(zhuǎn)方向。同時外接限位和報警輸入信號，自動檢測外接輸入信號并作出相應處理。

工業(yè)相機為維視圖像公司的VS-616H高清晰低照度微小型黑白工業(yè)相機，尺寸大小為12mm×12mm。圖像采集卡為OK_M30A高分辨10位黑白圖像采集降噪回顯卡。檢測工作臺是用于完成各種檢測動作的機械部分，共分為兩部分。其中一部分安裝測量臂、工業(yè)相機和光源、伺服電機及驅(qū)動器等設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

另外一部分用于放置發(fā)動機，被檢試件安放在前后4個支撐輪上，通過調(diào)整支撐輪軸向位置(Y向)可以適應不同長度發(fā)動機的安放要求，而支撐輪中心距(Z向)的調(diào)整可以滿足不同直徑發(fā)動機的安放要求，示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)通用支撐輪結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)軟件及算法實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)硬件的搭建和對檢測系統(tǒng)要求的進一步分析，系統(tǒng)軟件所要完成的主要功能包括參數(shù)設(shè)置、檢測控制、圖像采集、圖像處理和結(jié)果顯示、打印報告。功能框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件功能框圖

系統(tǒng)檢測前需根據(jù)發(fā)動機的不同型號設(shè)置檢測參數(shù)，其中包括檢測型號幾何特征，對應型號的檢測起始和結(jié)束位置；檢測控制需控制運動卡實現(xiàn)機械部分在檢測過程中的動作；圖像采集則需根據(jù)機械部分反饋的檢測觸發(fā)信號控制圖像采集卡進行采集；而圖像處理則實現(xiàn)了檢測結(jié)果的分析處理，為結(jié)果的直觀顯示做好準備；結(jié)果顯示功能則在檢測和處理的基礎(chǔ)上將有缺陷的位置標示出來；最后將檢測的結(jié)果以報表的形式打印出來，為工序轉(zhuǎn)交和資料留檔做好準備。

在對多個發(fā)動機包的覆層表面進行拍照實驗后，得到了大量的缺陷圖片數(shù)據(jù)。進行分析和研究后，總結(jié)出典型的缺陷種類有凹坑、凸起、裂紋等。顯然，由于圖片的多樣性和缺陷的不規(guī)則性，并不能直接采用模式匹配的方式進行缺陷檢測，所以需要先對每一幅圖片進行預處理[6-7]。具體步驟為：（1）灰度化：采用灰度化的方法減少每個像素點的取值，從而使后續(xù)的計算量減少。（2）圖像去噪：由于輸入設(shè)備、現(xiàn)場環(huán)境和光源等的影響，圖像上可能含有各種各樣的噪聲，為了降低噪聲的影響，采用了對邊緣保護較好的中值濾波法對圖像進行光滑處理[8]。（3）二值化：用二值化的方法來顯示圖像中的缺陷。

經(jīng)過預處理后，系統(tǒng)軟件采用模式匹配的方法對圖像中的方法進行檢測。這一算法的主要思想是：將采集回來的包覆層表面圖像跟標準圖像（即沒有缺陷）數(shù)據(jù)庫中的圖像進行比較，判斷是否存在缺陷，最后顯示檢測結(jié)果。所以標準圖像數(shù)據(jù)庫的建立對整個檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)起到了重要的作用。

4 實驗及結(jié)語

對某固體火箭發(fā)動機進行包覆層表面缺陷檢測，采集35個截面的包覆層圖像，共找出3個缺陷，距發(fā)動機尾部的距離分別為970.1mm，990.5mm，1184.5mm，采集圖像如圖7所示。經(jīng)實際測量3個缺陷離發(fā)動機尾部的距離，大約位于【953 987mm】，【976 998mm】，【1182 1191mm】的范圍內(nèi)。

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)能夠準確定位到包覆層表面缺陷處。目前系統(tǒng)已投入使用，實踐證明，其檢測精度高，性能穩(wěn)定，除了可以檢測當前型號的火箭發(fā)動機，通過調(diào)整支撐輪和對軟件進行改進就可以對其他型號的火箭發(fā)動機進行檢測。

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