無損檢測自動化技術在飛機修理中的應用

汪榮華，劉文波，王 靜，胡嘉蓉

（1．南京航空航天大學，江蘇 南京 210000；2.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000）

傳統的依靠人工手動掃查或者逐件產品的單獨檢測方式已經很難滿足現代無損檢測工藝的需求，特別是當現場存在大批量規整工件或大型的相對單一結構的構件時，發展無損檢測自動化是一種非常有效的解決途徑。無損檢測自動化以其檢測效率快、檢測靈敏度高和檢測成本低廉的特點受到越來越多的青睞。

無損檢測自動化技術是一門專業依賴性很強的綜合技術。所以在自動化無損檢測技術以及檢測設備的開發應用過程中工程人員必須具備深厚的基礎知識，同時結合自身豐富的實踐經驗與各行業的不同發展情況對各項檢測對象進行針對性研究。經歷數十載的發展自動化無損檢測技術已經取得長足發展，并漸漸在航空、航天、能源和核工業等重要部門得到應用[1]。

在飛機維修工程中，因為批次量少的原因，無損檢測自動化程度仍然處在初級階段。近些年來，隨著無損檢測新技術的發展和工程化應用成熟度的提高，飛機維修工程中的自動化檢測呈現出小而精的特點，檢測方法以超聲為主，包括基于傳統超聲檢測方法、激光超聲和電磁超聲檢測方法的自動化檢測技術，同時基于渦流和X射線成像檢測方法的自動化檢測技術也有了明顯的發展[2]。

1 超聲檢測自動化應用

飛機維修工程中的超聲檢測自動化應用取得了良好的發展，主要得益于復合材料在航空航天領域的批量裝機應用和特定構型件的內部缺陷檢測。前者顯著特點是單件產品檢測效率高、檢測成本低、顯示直觀、結果易存儲和容易實現自動化檢測等，檢測方法對復合材料分層、夾雜和空隙等主要缺陷比較敏感，檢出率高，主要用于層壓板、夾層結構和膠接結構的缺陷檢測。典型應用為飛機外翼蒙皮的復合材料超聲成像檢測。后者主要應用在特殊構件的內部缺陷掃查，例如渦輪盤的水浸超聲檢測，優點是非接觸、聲束聚焦、靈敏度分辨率高、可調節探頭聲束方向以實現曲面或不規則表面的掃查和缺陷分析更加多維立體。蒙皮自動化檢測和輪盤水浸超聲檢測如圖1所示。

圖1 蒙皮自動化檢測和輪盤水浸超聲檢測

總之，采用自動化超聲檢測技術，可以通過直觀的圖像方式再現被檢測料結構內部缺陷的詳細分布和整個結構的內部質量情況，進行缺陷的量化評估。

2 射線檢測自動化應用

飛機維修工程中的射線檢測自動化應用是隨著近些年閃爍體探測器和光電倍增器等技術的突破性發展而來的。由此數字射線（digital radiography，DR）實時成像檢測技術在飛機維修工程領域被廣泛嘗試和推廣，通過電子、計算機、機械、控制和信號處理等技術，使檢測過程實現自動化，并取得了良好的檢測效果。

數字射線實時成像檢測技術的最大優點是動態快速檢測，可進行實時的質量評定[3]。基于數字射線的飛機平尾大軸半自動化檢測系統如圖2所示，如將DR技術與自動控制技術整合，實現平尾大軸的快速檢測，極大地壓縮了生產周期。通過平尾大軸DR成像圖和傳統拍片底片的對比，說明DR檢測技術在飛機維修領域工程化應用條件已完全成熟[4]。方向舵自動化檢測透照布置示意圖如圖3所示，如通過引入數字射線替代傳統膠片、設計方向舵自動化檢測平臺的辦法，將單件方向舵蜂窩結構件檢測效率提升到95%以上，保證了成像質量的同時極大降低了操作人員所受X射線輻射的潛在風險[5]。

圖2 基于數字射線的飛機平尾大軸半自動化檢測系統

圖3 方向舵自動化檢測透照布置示意圖

非接觸式三維高精度掃描成像檢測系統如圖4所示，基于面陣探測器的非接觸式三維高精度掃描成像檢測系統是典型的集成化程度非常高的X射線自動化應用案例。該系統可獲得工件內部高精度的三維斷層數據和材料信息，能夠實現針對不同材質和尺寸樣品的精確定量無損檢測與評價，把被檢測實物進行分層掃描獲取三維數據模型，從而建立虛擬樣品模型，為樣品質量評估、修復及測量等提供數據。同時通過X射線透射衰減原理獲取樣品的內部結構或缺陷狀況，并以圖像的形式清晰、準確、直觀地展現被檢物體內部的結構特征、裝配情況、材料密度、有無缺損、缺損性質與位置及大小，極大補充了檢測數字化的內部細節信息。

圖4 非接觸式三維高精度掃描成像檢測系統

3 電磁檢測自動化應用

電磁檢測在棒材、管材方向的自動化應用相對其他檢測方法的自動化應用較早、較成熟。按探頭與工件的相對位置可分為內穿過式和外穿過式。由于集膚效應的存在，電磁檢測只能發現工件的表面或者近表面的缺陷，因此在實際工程化應用過程中，常采用超聲檢測和電磁檢測作為互補的有效手段來檢測棒材、管材表面、近表面和內部缺陷[6]。

近些年，在飛機維修工程領域中，高端全自動機器人渦流C掃描系統在航空航天發動機篦齒盤及凸輪軸等非圓形工件上成功應用，解決了傳統人工掃查效率低、易漏檢等問題，某凸輪軸自動化電磁檢測系統結構示意圖如圖5所示。

圖5 某凸輪軸自動化電磁檢測系統結構示意圖

4 機器視覺/光學檢測自動化應用

機器視覺（Machine Vision）是利用圖像采集裝置代替人眼對目標對象的圖像信息進行采集，然后利用圖像處理系統代替人類神經系統對視覺信息進行處理與傳輸，最后利用計算機綜合分析系統代替人腦視覺中樞，對視覺信息進行分析與判斷，進而根據輸出的判斷結果驅動執行機構完成現場作業[7]。因此，機器視覺/光學檢測天然帶有自動化工程應用的基因。機器視覺/光學檢測具有非接觸、減少測量誤差、提高檢測速度和人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法缺陷智能識別等諸多優點。機器視覺/光學檢測在飛機維修蒙皮檢測、防護柵檢測中均有重要的應用，飛機進氣道防護柵機器視覺/光學檢測系統如圖6所示。

圖6 飛機進氣道防護柵機器視覺/光學檢測系統

5 其他檢測方法的自動化應用

飛機維修工程領域其他無損檢測方法的自動化應用主要集中在無損檢測新技術方向，具有代表性的方向有：適用于聲衰減性大的泡沫芯層的三明治結構復合材料空氣耦合超聲C掃描自動化檢測系統、可用于檢測陶瓷、泡沫、復合材料、聚合物和熱障涂層等戰階結構的非接觸高性能太赫茲檢測技術等。

6 結束語

當前，飛機維修工程領域無損檢測自動化應用仍然處在初級階段，部分產品或系統只實現了半自動化或過程的自動化，比如生產線上料過程的自動化和檢測關鍵步驟的人工參與相結合，機械翻轉的自動化和缺陷判定的人工化相結合。但隨著計算機、機械控制、信號處理和人工智能技術的發展，飛機維修工程領域檢測技術的自動化程度正在走向成熟。

無損檢測自動化是無損檢測技術發展的重要趨勢，是飛機維修檢測的重要支撐和技術保障。無損檢測自動化技術是一門涉及多專業、交叉學科的綜合技術，特別是有關檢測系統的研發，需要結合具體的檢測對象進行系統性的研究和設計，需要成熟的方法和豐富的經驗。

在實現無損檢測自動化過程中，需統籌考慮檢測對象、應用環境以及制造使用成本。當檢測對象形成規模化效應時，自動化高精度、高效率的核心優勢才能真正體現。