藥柱產品缺陷的激光錯位散斑自動檢測

李光保，孫建宇，陳 浩，平 昊, 鄭學鵬

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

無損檢測技術[1]在航空航天、軍工等領域的缺陷檢測中發揮著重要作用[2]，其中激光錯位散斑干涉技術因具有全場性、非接觸、無污染、高精度和高靈敏度等優勢，在軍工產品檢測中得到了較多的應用[3]。固體火箭發動機作為導彈的重要部件，其發動機裝藥的性能決定了發動機工作時的安全性[4-5]，為了保證發動機裝藥的正常工作，必須要求推進劑與包覆層緊密黏接。文章設計了一種激光錯位散斑自動檢測系統，對具有脫黏缺陷的某型包覆藥柱進行無損檢測[6]，試驗結果表明，激光錯位散斑干涉技術相對于其他常規無損檢測手段，在復合材料的無損檢測方面具有獨特的優勢，能更準確、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，適用于復合材料結構的快速檢測。

1 總體方案

激光錯位散斑自動檢測系統組成如圖1所示，主要包括負載加壓裝置、升降機構、控制臺、穩壓電源、真空泵等模塊?？刂撇糠种饕伤欧姍C、PLC(可編程邏輯控制器)[7]、真空氣壓計[8]、電磁閥及限位開關等組成。檢測部分主要由工業計算機、激光散斑探傷器及檢測軟件[9]等組成，系統檢測狀態如圖2所示。

圖1 激光錯位散斑自動檢測系統組成

圖2 系統檢測狀態示意

2 結構設計

2.1 負載加壓裝置

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

圖3 負載加壓裝置結構示意

圖4 轉臺組件結構示意

2.2 升降機構

升降機構主要由機架、直線模組、激光散斑探傷器、伺服電機等部件組成，其結構示意如圖5所示。機架材料為Q235B，框架由方管焊接而成，底板、機架底部通過調節地腳調平，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、方向調節器、邁克爾遜干涉光路等組成，用于檢測產品缺陷。

圖5 升降機構結構示意

3 控制系統設計

控制系統包含3個層次：設備層、控制層和操作層。其整體架構如圖6所示，其中，兩臺伺服電機分別帶動升降機構(攜帶激光探頭)和負壓柜(帶動檢測轉臺)，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動器和西門子PLC(可編程邏輯控制器)完成通信[10]，升降機構、轉臺可以由觸摸屏和手輪來控制，真空氣壓計負責采集負壓柜真空度示數并反饋到觸摸屏，真空泵的驅動和激光散斑探傷器的驅動也由西門子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計算機上。

圖6 控制系統總體架構

3.1 控制系統PLC

西門子控制器PLC的作用為接收各子系統發送的數據，并向子系統發送控制指令?？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模塊主要完成開關量輸入信號的采集以及開關量控制信號的輸出，模擬量輸入模塊主要采集真空氣壓計的模擬量信號。PLC控制系統框圖如圖7所示。

圖7 PLC控制系統框圖

3.2 伺服電機控制

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

伺服電機的位置控制方式是采用PLC控制器輸入伺服驅動器脈沖的頻率，從而實現對伺服系統轉動速度的控制。在實際運行過程中，PLC控制器通過控制脈沖個數實現電機不同角度的轉動，從而確定驅動設備運動的實際位置，所涉及的伺服驅動系統采用半閉環方式，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 程序設計

3.3.1 PLC程序流程

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

圖9 PLC控制系統控制流程

3.3.2 觸摸屏程序

觸摸屏程序設計主要包括界面設計和按鈕及數值輸入等控件的邏輯編寫，其基于檢測系統的工藝要求進行編寫，可滿足下位機的數據采集和顯示，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

缺陷檢測功能是激光錯位散斑自動檢測系統的核心功能[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、系統設置等。

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生整體變形，而整體變形會導致背景圖出現條紋，對檢測結果產生影響，系統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整圖像的對比度。

4.2 缺陷測量

圖像初始標定后，將檢測圖像與標準試塊對比，判斷缺陷邊界，然后進行缺陷大小和面積測量，測量結果可同時顯示在圖像左側標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域，測量結果中會顯示出描繪區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域的形狀。

4.2.2 缺陷定位

缺陷自動定位功能可實現待測物體表面缺陷位置的精確標記，便于后續的分析、修復工作。

5 試驗驗證

為了驗證激光錯位散斑自動檢測系統的功能，首先選用某型號含有缺陷的包覆藥柱產品，將其固定于負載加壓裝置的檢測轉臺上，設定真空度為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，得到的包覆藥柱產品的檢測位相圖如圖13所示，試驗結果表明設計的激光錯位散斑自動檢測系統能夠有效地實現包覆藥柱的缺陷檢測。

圖13 某型包覆藥柱產品的檢測位相圖

為了驗證檢測系統的檢測精度，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，該試驗驗證了所設計的激光錯位散斑自動檢測系統的可行性，表明其能滿足實際工程中的檢測要求。

6 結語

設計了一種激光錯位散斑自動檢測系統，并對某型包覆藥柱進行缺陷檢測試驗。試驗結果表明，所設計的系統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。