基于圖像分析的粘接質量評價系統設計

王新德，王文強，鐘 峰

(1.西安維控自動化科技有限公司，西安 710065；2.中國航天科工集團第六研究院二一零所，西安 710065)

0 引言

固體火箭發動機的防熱結構件是固體火箭的重要部件，由金屬外罩(常規為鋼和鋁)和絕熱內襯通過膠粘接、壓裝、固化成形，能夠保證發動機在高溫、高振動沖擊環境下可靠工作。因此，金屬外罩與絕熱內襯的粘接質量直接決定防熱結構件的成品率。在防熱結構件的生產過程中，不可避免的有空氣混入粘合劑中，當產品經過粘接、壓裝和固化成形后，在金屬外罩和絕熱內襯之間會形成空氣泡，氣泡的面積大小，形狀和氣泡的分布決定了產品的粘接質量是否符合成品要求。

在目前的生產過程中，由于缺乏高效的檢測手段，嚴重制約產品的量產能力。主要體現在以下幾個方面：

1)現有生產方式因采取固化后檢測方式，缺少在線式檢測方式及固化前檢測手段，當發現粘接缺陷后已經無法挽救，導致質量成本居高不下。因此亟需一種在線檢測的手段，在壓粘工序后即可進行粘接質量檢測，一旦發現粘接缺陷，立刻重新粘接，從而避免造成無法挽救的損失。

2)粘接工序因其品種多、工作量大、固化周期長的工藝特點導致其成為批量生產主要瓶頸環節之一。

3)在檢測過程中，采用人工檢測，通過超聲波回波的a波圖形來人工判讀[1]，對于檢測人員的要求很高，而且檢測人員需要時刻關注波形的變化，人員工作強度大、負荷重、誤判率也很高。人工檢測時，通過a波波形判斷脫粘缺陷以主觀因素、經驗判斷為主，標準不統一，對于判斷依據和做出結論無量化指標。

4)在檢測過程中，一些產品需要涂抹耦合劑，某些產品卻不能用任何的耦合劑；而涂抹耦合劑的產品，在檢測完畢后又需要清理耦合劑，因此造成檢測操作復雜，且增加了多余的工序。

為了提高生產效率，加快產品的列裝速度，針對固體火箭發動機防熱構件壓裝粘接過程設計了在線電磁超聲無損檢測質量評價系統。系統布置在壓粘工序后，檢測時與工件不接觸，直接讀取電磁超聲a波的數據，然后結合發動機的外形尺寸生成粘接缺陷的二維圖形，自動畫出每個粘接缺陷區域的形狀、分布，對于相鄰缺陷之間距離小于標準值的缺陷自動合并，并自動計算每塊粘接缺陷的面積，給出粘接質量評價結果，提升粘接質量的檢測過程，避免因粘接質量不合格造成的產品損失。

1 無損檢測粘接質量評價系統結構

無損檢測粘接質量評價系統的結構如圖1所示。防熱結構件采用鋼殼體材質，外形呈錐臺體，采用專用公裝安裝在測試臺上，由伺服電機帶動做勻角速度轉動。電磁超聲檢測儀測量探頭在距離結構件表面小于2 mm的位置進行檢測，測量探頭由伺服電機帶動，沿著放熱結構件法線方向勻速移動，從錐臺體的上表面一直測量到下表面結束。所有的設備的運動過程由控制器控制自動完成，采集的數據由無損檢測粘接質量評價系統軟件接收并分析。

圖1 無損檢測質量評價系統結構圖

電磁超聲波探測儀的型號為ECTMAT-180，探頭直徑Φ18 mm，伺服系統采用DB100直流伺服電機，控制器采用Ti公司的ARM A15 CPU作為主控制器，粘接質量評價軟件采用NI公司的Labview 2016開發完成。

系統工作時，測量聲速為：3 225 m/s，超聲波發射頻率為：3 840 Hz。[2]

圖2 電磁超聲測量時的A波

在每一時刻，控制器將電磁超聲檢測儀的測量探頭的實時位置，電磁超聲檢測儀測量的該位置的粘接質量信息一并傳送給粘接質量評價系統軟件，評價系統軟件根據這兩項數據和預設的坐標系，完成繪圖過程，并展開粘接質量評價。

2 無損檢測粘接質量評價系統實現技術路線

無損檢測粘接質量評價系統主要包含2個部分的功能，第一部分是把從控制器接收到的數據進行可視化。在這個過程中，主要采用三維網格化建模，將待測工件根據其法線的函數旋轉形成三維模型[3]，然后根據電磁超聲的最小分辨率[4]，對其輪廓表面進行網格化劃分，而后進行二維極坐標展開[5]，用不同的色塊填充相應位置的缺陷信息，形成可視化圖像。第二部分是對形成的可視化圖形進行分析，采用二值法建立缺陷矩陣[6]，根據可視化圖像的尺寸建立縮放系數，然后通過粒子法求解缺陷的面積[7]，采用缺陷矩陣擴張[8]的方法，解決相鄰缺陷的識別問題，在通過特征值數組的方法解決從3D展開至2D時展開邊界切割缺陷區域的問題，從而完整地描述缺陷的特征，并根據判斷標準完成粘接缺陷質量的評價。

圖3 粘接質量評價系統技術路線圖

3 無損檢測粘接質量評價系統實現方案

3.1 結構件上點的數據建模

如圖4所示，防熱結構件外形呈錐臺形，上底半徑為R0，下底半徑為R，椎體高度為H。對于殼體上的任何一個點P，都可以用P(h，r，θ，V)來描述其位置信息。其中h表示P點距離錐臺上表面的高度，r代表P在距離旋轉軸線的半徑，θ表示P點所在的法線距離0°法線的角度，V代表P點的缺陷狀態，當V=0時，代表該點為正常，不是缺陷；當V=1時，代表該點為缺陷。

圖4 防熱結構件的數學模型

粘接質量評價系統從超聲波檢測儀和伺服系統中獲取測量結果，每一個點的測量結果采用11個字節表示。其中：

0、1、2三個字節代表高度(h)；3、4、5三個字節代表半徑(r)；6、7、8三個字節代表角度(θ)；9字節代表置信度(η)；10字節代表測量結果(V)。

高度h，半徑r，角度θ都采用浮點數表示，前兩個字節代表整數部分，第三個字節代表小數部分。

置信度η表示本次測量結果的可信度，取值范圍為：0～100。當η<75時，表示本次測量不可信，測量結果不采納；反之接受測量結果。

讀取數據的流程圖如圖5。

圖5 數據讀取模塊流程圖

3.2 測量數據的解包

從超聲波檢測儀中接收的測量數據是經過DSP編碼后采用十六進制格式保存的結果，評價系統無法直接使用，需要通過數據處理模塊進行分解和工程量的轉化。

對于高度h，半徑r和角度θ，都采用3個字節定義。其結構如下：

圖6 三字節參數結構

則其值為：

實際值=(AA+BB×255+CC×65535)/1000

“/1000”表示實際值保留3位小數，精確到0.001 mm。

角度θ的測量值是弧度，通過弧度角度公式轉化為角度。

由于測量返回值中P(h，r，θ)的形式采用“極坐標”的方式表示，為了繪制平面展開圖形方便，將(r，θ)轉化為直角坐標系(x，y)。

經過數據處理模塊后，所有的測量數據全部轉化成可以直接進行繪圖使用的參數，分別保存在數組中。記作：

數組H：記錄高度h；

數組R：記錄半徑r；

數組X,Y：轉化為直角坐標系中的坐標值；

數組角度：轉化為角度表示的θ。

3.3 繪制二維展開圖并填充缺陷信息

在平面中圖形中，可以采用缺陷矩陣的算法來計算粘接缺陷，因此將根據圖3的結構圖將發動機外輪廓展開到平面如圖7所示。椎體展開成一個扇形，其參數為：

外環半徑：

內環半徑：

頂角：

展開后，有效區域是藍色線框中的區域。此時如下。

長：

寬：

圖7 防熱結構件二維展開數學模型

設置顯示圖像的區域為Q(m，n)，其中m，n分別為圖像的水平像素點和垂直方向的像素點，建立標定參數a，b。

參數a，b意思是標定圖像上多少個像素表示1 mm的長度。

根據標定參數a、b的值在缺陷數組、直角坐標系數組X、Y中抽取各個坐標點的數據和數據個數，用不同的顏色填充區域Q，可以畫出缺陷的展開圖。如圖8所示。

圖8 防熱結構件粘接缺陷展開圖

3.4 缺陷區域識別與缺陷區域面積計算

在第3節中填充區域Q(m，n)時，同時建立一個識別矩陣M[a×L，b×W]，其中的部分區域如下：

圖9 識別矩陣的部分區域

其中，當矩陣元素的值為1時，代表該點為缺陷；當矩陣元素的值為0時，代表該點為正常。

在矩陣M中，設有一個元素點P0(x0，y0)，若P0=1，則表示該點為缺陷。那么搜索其周圍八個點P(x0+1，y0)、P(x0-1，y0)、P(x0，y0+1)、P(x0，y0-1)、P(x0+1，y0+1)、P(x0+1，y0-1)、P(x0-1，y0+1)、P(x0-1，y0-1)的值，若其中存在一個點P1，其值為1，則認為P1與P0屬于同一個缺陷區域。遍歷所有相鄰的點，直至缺陷區域內再沒有新的點滿足上述條件。其偽代碼如下[9]：

for i=0 to a×L

for j=0 to b×W

if P[i，j] == 1

生成一個缺陷數組Defect1[]

if P[i+1,j] = 0，該點為右邊界之一

將P[i+1,j]寫入右邊界數組Right[]

將P[i+1,j]的x坐標寫入右邊界數組RightX[]

else

RightPointisNew = true

將P[i+1,j]寫入缺陷數組Defect1[]

else

RightPointisNew = false

if P[i-1,j]=0，該點為左邊界之一

將P[i-1,j]寫入左邊界數組Left[]

將P[i-1,j]的x坐標寫入右邊界數組LeftX[]

else

LeftPointisNew = true

將P[i-1,j]寫入缺陷數組Defect1[]

else

LeftPointisNew = false

左上、右上、左下、右下的檢測偽代碼與此類似，故省略。

if P[i,j+1]=0，該點為上邊界之一

將P[i,j+1]寫入上邊界數組Top[]

將P[i,j+1]的Y坐標寫入上邊界數組TopY[]

else

TopPointisNew = true

將P[i,j+1]寫入缺陷數組Defect1[]

else

TopPointisNew = false

if P[i,j-1]=0，該點為下邊界之一

將P[i,j-1]寫入下邊界數組Bottom[]

將P[i,j-1]的Y坐標寫入下邊界數組BottomY[]

else

BottomPointisNew = true

將P[i,j-1]寫入缺陷數組Defect1[]

else

BottomPointisNew = false

HaveNewDefectPoint = RightPointisNew && LeftPointisNew && ottomPointisNew

if HaveNewDefectPoint == true

一個缺陷檢測完畢，保存缺陷數組Defect1[]。

此時即可確定一個缺陷區域，如圖9所示。

用函數count()統計缺陷數組Defect1[]中數據的個數，記作NUM，則本區域的缺陷面積S為：

缺陷區域的重心G位置的坐標為：

在Labveiw中提供了一個dll函數[10]，IMAQ Particle Analysis ReportA函數，可以對一個二值圖形提取8連通或者4連通的區域，此函數的功能可以滿足缺陷區域識別和缺陷面積計算的要求。

3.5 相鄰缺陷區域識別

在缺陷評價時，對于相鄰的缺陷區域存在一個判定準則。若存在2個缺陷區域的最近點之間的距離小于d，則將2個缺陷區域合并為一個，面積為2個缺陷區域面積之和。

如圖9所示，設d=5 mm，若缺陷區域1和缺陷區域2的最近點之間的距離≤5 mm，則將缺陷區域1和缺陷區域2合并為命名為區域3，而區域3的面積為：

S區域3=S區域1+S區域2

在矩陣M中，識別缺陷區域1和缺陷區域2的最近點過于麻煩，計算量大。因此采用如下方法：

3.6 展開邊界缺陷區域識別

在將發動機的外形輪廓進行二維展開時，如圖7所示，展開基準法線的位置是隨機選擇的，這樣就存在3種情況：

1)基準法線的位置正好將一個缺陷區域分割開來；

2)基準法線的位置沒有經過任何一個缺陷區域，但是存在2個或者多個缺陷區域，它們的最近點之間的距離≤d；

3)基準法線的位置沒有經過任何一個缺陷區域，且與其他缺陷區域的最近點之間的距離>d。

對于第一種情況：基準法線上所有元素所對應的點P(h，r，θ)的極坐標中，其θ=0，而在另一端，所有元素所對應的點P(h，r，θ)的θ=2π。建立2個對比數組A1，A2，A1中保存所有基準法線上的元素的值，A2中保存所有2π法線上的元素的值，數組的索引號為識別矩陣M的行號a×L。

對于數組A1，A2，若存在i∈[0，a×L]，使得：

A1[i] =A2[i] = 1

則說明在第i行，基準法線分割了一個缺陷區域。基準法線兩端的2個缺陷區域合并為1個參與評價。

對于第二種情況：采用重合線檢測的方式實現。

將0°基準法線向后平移d/2得到重合線A，將360°法線向前平移d/2得到重合線B，當2塊缺陷區域的最近點之間的距離≤d時，根據第5節“相鄰缺陷區域識別”中描述的方法，在重合線A、B上的點一定存在缺陷點，其值為1。

圖10 處于邊界且最近點距離≤d的缺陷區域示意圖

此時參照處理“第一種情況”的方法，以重合線A的數據建立對比數組A1，以重合線B上的數據建立對比數組A2，以個點的Y軸坐標為索引，對于數組A1，A2，若存在i∈[0，a×L]，使得：

A1[i] =A2[i] = 1

則說明在第i行，分布在基準法線兩邊的2個缺陷區域，其最近點的距離≤d，在粘接質量評價時，需要按照1個缺陷區域進行評價，評價面積為2個缺陷區域的面積之和。

當不存在任何一個i，使得上述等式成立時，就對應第三種情況。說明分布在基準法線兩邊的2個缺陷區域是獨立的缺陷，單獨進行評價。

3.7 粘接缺陷質量評價

當缺陷區域的面積>1 cm2時，記入缺陷面積。粘接缺陷總面積不得大于35 cm2，單塊缺陷面積不大于8 cm2，兩塊面積之和大于5 cm2的相鄰缺陷區之間的距離不得小于1 cm。

圖11 缺陷評價標準設置畫面

在設置畫面中，可以根據不同的評價標準進行調整，方便不同的產品進行粘接質量的評價。

4 實驗結果與分析

4.1 實驗方法

采用無損檢測粘接質量評價系統和電超聲粘接質量檢測臺架配合，對某型發熱結構件的粘接質量進行檢測，獲取粘接質量數據，輸入評價系統軟件進行可視化顯示、二維圖形展開、缺陷區域分析計算、給出粘接質量評價結論。

4.2 實驗設備

電磁超聲波檢測儀1臺，防熱結構件1個，電磁超聲粘接質量檢測臺架1套，評價軟件1套，筆記本電腦1臺。評價軟件提前安裝在筆記本電腦上。

圖12 實驗設備實物畫面

4.3 實驗步驟

1) 將防熱結構件如圖所示安裝在的試驗臺架上；

2) 將電磁超聲波檢測儀與pc相連；

3) 設置法線上的旋轉線速度為25 mm/s；探頭與防熱結構件的表面距離保持為1.5 mm；

4) 設置電磁超測量聲速為：3 225 m/s，超聲波發射頻率為：3 840 Hz；

5) 啟動測量，并記錄測量數據；

6) 啟動粘接質量評價系統軟件，開始數據分析。

圖13 某型固體火箭發動機防熱結構件圖像分析畫面

如圖13所示，左上角為“產品總覽”，保存著已經獲取的測量數據。讀取保存的測量數據，經過解包后，根據測量數據形成三維網格圖，并按照坐標進行缺陷區域的填充，填充后效果如右上角的“三維圖形”所示。該三維圖形支持圖像的旋轉、翻轉、放大、縮小等功能，可以從各個方向展示缺陷區域的輪廓及分布。

在畫面的上中部，是三維圖形的二維展開圖。展開過程中采用極坐標展開，并對各個缺陷區域進行了標識。

在左下角中的“缺陷清單”中列出了本次測量的放熱結構件上缺陷統計表，包括各塊缺陷區域的編號、面積大小，重心位置和缺陷的占比信息。當選中清單中的某一條缺陷信息時，在二維圖形上會有輪廓線指示該缺陷的對應圖形。

最后在“缺陷分析結果”中給出了評價結論，并給出了所有缺陷面積的總和。

4.4 在線檢測速度實驗

生產線安裝一套粘接質量評價系統，布置在涂膠、壓粘工序后即可進行檢測，實現了在線檢測的功能。經過一批產品的實際加工測試，與手工檢測對比，結果如表1。

表1 在線檢測與手工檢測對比表

由表1可以看出，在線檢測極大降低了檢測時間，提高了檢測效率。與之前手工相比，缺陷檢測效率提高58%。而只要通過增加粘接質量評價系統的數量，即可迅速擴大生產線的產能。

5 結束語

采用固體火箭發動機絕熱層粘接缺陷質量評價系統后，可以有效降低對專業無損檢測人員的要求，對于裝備的量產具有現實的支撐意義。該評價系統也可以無縫進入各種產品的生產線中，實現產品生產過程的在線無損檢測，使得整條生產線實現閉環控制，提高生產效率、降低損耗、降低生產成本和管理成本。