無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在飛機(jī)修理中的應(yīng)用

汪榮華，劉文波，王 靜，胡嘉蓉

（1．南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210000；2.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000）

傳統(tǒng)的依靠人工手動(dòng)掃查或者逐件產(chǎn)品的單獨(dú)檢測(cè)方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)工藝的需求，特別是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)存在大批量規(guī)整工件或大型的相對(duì)單一結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時(shí)，發(fā)展無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化是一種非常有效的解決途徑。無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化以其檢測(cè)效率快、檢測(cè)靈敏度高和檢測(cè)成本低廉的特點(diǎn)受到越來(lái)越多的青睞。

無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)是一門(mén)專業(yè)依賴性很強(qiáng)的綜合技術(shù)。所以在自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以及檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程中工程人員必須具備深厚的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)結(jié)合自身豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與各行業(yè)的不同發(fā)展情況對(duì)各項(xiàng)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行針對(duì)性研究。經(jīng)歷數(shù)十載的發(fā)展自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展，并漸漸在航空、航天、能源和核工業(yè)等重要部門(mén)得到應(yīng)用[1]。

在飛機(jī)維修工程中，因?yàn)榕瘟可俚脑颍瑹o(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化程度仍然處在初級(jí)階段。近些年來(lái)，隨著無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)的發(fā)展和工程化應(yīng)用成熟度的提高，飛機(jī)維修工程中的自動(dòng)化檢測(cè)呈現(xiàn)出小而精的特點(diǎn)，檢測(cè)方法以超聲為主，包括基于傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法、激光超聲和電磁超聲檢測(cè)方法的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)基于渦流和X射線成像檢測(cè)方法的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)也有了明顯的發(fā)展[2]。

1 超聲檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用

飛機(jī)維修工程中的超聲檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用取得了良好的發(fā)展，主要得益于復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的批量裝機(jī)應(yīng)用和特定構(gòu)型件的內(nèi)部缺陷檢測(cè)。前者顯著特點(diǎn)是單件產(chǎn)品檢測(cè)效率高、檢測(cè)成本低、顯示直觀、結(jié)果易存儲(chǔ)和容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)等，檢測(cè)方法對(duì)復(fù)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(jié)構(gòu)和膠接結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)。典型應(yīng)用為飛機(jī)外翼蒙皮的復(fù)合材料超聲成像檢測(cè)。后者主要應(yīng)用在特殊構(gòu)件的內(nèi)部缺陷掃查，例如渦輪盤(pán)的水浸超聲檢測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是非接觸、聲束聚焦、靈敏度分辨率高、可調(diào)節(jié)探頭聲束方向以實(shí)現(xiàn)曲面或不規(guī)則表面的掃查和缺陷分析更加多維立體。蒙皮自動(dòng)化檢測(cè)和輪盤(pán)水浸超聲檢測(cè)如圖1所示。

圖1 蒙皮自動(dòng)化檢測(cè)和輪盤(pán)水浸超聲檢測(cè)

總之，采用自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)，可以通過(guò)直觀的圖像方式再現(xiàn)被檢測(cè)料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的詳細(xì)分布和整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量情況，進(jìn)行缺陷的量化評(píng)估。

2 射線檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用

飛機(jī)維修工程中的射線檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用是隨著近些年閃爍體探測(cè)器和光電倍增器等技術(shù)的突破性發(fā)展而來(lái)的。由此數(shù)字射線（digital radiography，DR）實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)維修工程領(lǐng)域被廣泛嘗試和推廣，通過(guò)電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、控制和信號(hào)處理等技術(shù)，使檢測(cè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并取得了良好的檢測(cè)效果。

數(shù)字射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)快速檢測(cè)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)量評(píng)定[3]。基于數(shù)字射線的飛機(jī)平尾大軸半自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，如將DR技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)整合，實(shí)現(xiàn)平尾大軸的快速檢測(cè)，極大地壓縮了生產(chǎn)周期。通過(guò)平尾大軸DR成像圖和傳統(tǒng)拍片底片的對(duì)比，說(shuō)明DR檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)維修領(lǐng)域工程化應(yīng)用條件已完全成熟[4]。方向舵自動(dòng)化檢測(cè)透照布置示意圖如圖3所示，如通過(guò)引入數(shù)字射線替代傳統(tǒng)膠片、設(shè)計(jì)方向舵自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)的辦法，將單件方向舵蜂窩結(jié)構(gòu)件檢測(cè)效率提升到95%以上，保證了成像質(zhì)量的同時(shí)極大降低了操作人員所受X射線輻射的潛在風(fēng)險(xiǎn)[5]。

圖2 基于數(shù)字射線的飛機(jī)平尾大軸半自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)

圖3 方向舵自動(dòng)化檢測(cè)透照布置示意圖

非接觸式三維高精度掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，基于面陣探測(cè)器的非接觸式三維高精度掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)是典型的集成化程度非常高的X射線自動(dòng)化應(yīng)用案例。該系統(tǒng)可獲得工件內(nèi)部高精度的三維斷層數(shù)據(jù)和材料信息，能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同材質(zhì)和尺寸樣品的精確定量無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)，把被檢測(cè)實(shí)物進(jìn)行分層掃描獲取三維數(shù)據(jù)模型，從而建立虛擬樣品模型，為樣品質(zhì)量評(píng)估、修復(fù)及測(cè)量等提供數(shù)據(jù)。同時(shí)通過(guò)X射線透射衰減原理獲取樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷狀況，并以圖像的形式清晰、準(zhǔn)確、直觀地展現(xiàn)被檢物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征、裝配情況、材料密度、有無(wú)缺損、缺損性質(zhì)與位置及大小，極大補(bǔ)充了檢測(cè)數(shù)字化的內(nèi)部細(xì)節(jié)信息。

圖4 非接觸式三維高精度掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)

3 電磁檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用

電磁檢測(cè)在棒材、管材方向的自動(dòng)化應(yīng)用相對(duì)其他檢測(cè)方法的自動(dòng)化應(yīng)用較早、較成熟。按探頭與工件的相對(duì)位置可分為內(nèi)穿過(guò)式和外穿過(guò)式。由于集膚效應(yīng)的存在，電磁檢測(cè)只能發(fā)現(xiàn)工件的表面或者近表面的缺陷，因此在實(shí)際工程化應(yīng)用過(guò)程中，常采用超聲檢測(cè)和電磁檢測(cè)作為互補(bǔ)的有效手段來(lái)檢測(cè)棒材、管材表面、近表面和內(nèi)部缺陷[6]。

近些年，在飛機(jī)維修工程領(lǐng)域中，高端全自動(dòng)機(jī)器人渦流C掃描系統(tǒng)在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)篦齒盤(pán)及凸輪軸等非圓形工件上成功應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)人工掃查效率低、易漏檢等問(wèn)題，某凸輪軸自動(dòng)化電磁檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 某凸輪軸自動(dòng)化電磁檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 機(jī)器視覺(jué)/光學(xué)檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用

機(jī)器視覺(jué)（Machine Vision）是利用圖像采集裝置代替人眼對(duì)目標(biāo)對(duì)象的圖像信息進(jìn)行采集，然后利用圖像處理系統(tǒng)代替人類神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)視覺(jué)信息進(jìn)行處理與傳輸，最后利用計(jì)算機(jī)綜合分析系統(tǒng)代替人腦視覺(jué)中樞，對(duì)視覺(jué)信息進(jìn)行分析與判斷，進(jìn)而根據(jù)輸出的判斷結(jié)果驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)[7]。因此，機(jī)器視覺(jué)/光學(xué)檢測(cè)天然帶有自動(dòng)化工程應(yīng)用的基因。機(jī)器視覺(jué)/光學(xué)檢測(cè)具有非接觸、減少測(cè)量誤差、提高檢測(cè)速度和人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法缺陷智能識(shí)別等諸多優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器視覺(jué)/光學(xué)檢測(cè)在飛機(jī)維修蒙皮檢測(cè)、防護(hù)柵檢測(cè)中均有重要的應(yīng)用，飛機(jī)進(jìn)氣道防護(hù)柵機(jī)器視覺(jué)/光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 飛機(jī)進(jìn)氣道防護(hù)柵機(jī)器視覺(jué)/光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)

5 其他檢測(cè)方法的自動(dòng)化應(yīng)用

飛機(jī)維修工程領(lǐng)域其他無(wú)損檢測(cè)方法的自動(dòng)化應(yīng)用主要集中在無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)合材料空氣耦合超聲C掃描自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)、可用于檢測(cè)陶瓷、泡沫、復(fù)合材料、聚合物和熱障涂層等戰(zhàn)階結(jié)構(gòu)的非接觸高性能太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)等。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，飛機(jī)維修工程領(lǐng)域無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用仍然處在初級(jí)階段，部分產(chǎn)品或系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化或過(guò)程的自動(dòng)化，比如生產(chǎn)線上料過(guò)程的自動(dòng)化和檢測(cè)關(guān)鍵步驟的人工參與相結(jié)合，機(jī)械翻轉(zhuǎn)的自動(dòng)化和缺陷判定的人工化相結(jié)合。但隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)械控制、信號(hào)處理和人工智能技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)維修工程領(lǐng)域檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化程度正在走向成熟。

無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，是飛機(jī)維修檢測(cè)的重要支撐和技術(shù)保障。無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)是一門(mén)涉及多專業(yè)、交叉學(xué)科的綜合技術(shù)，特別是有關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，需要結(jié)合具體的檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和設(shè)計(jì)，需要成熟的方法和豐富的經(jīng)驗(yàn)。

在實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化過(guò)程中，需統(tǒng)籌考慮檢測(cè)對(duì)象、應(yīng)用環(huán)境以及制造使用成本。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象形成規(guī)模化效應(yīng)時(shí)，自動(dòng)化高精度、高效率的核心優(yōu)勢(shì)才能真正體現(xiàn)。