飛行器用大型曲面恒力敲擊機探析

郭婷，賴周藝

（深圳信息職業技術學院，廣東 深圳 518172）

1 引言

復合材料具有輕質高強、耐沖擊、耐老化、耐腐蝕、可設計性強、環境適應性強等特性而被大量地應用于現代新型飛機中。無論是波音公司、空客公司還是國產大飛機，其生產飛機的復合材料用量占比逐步增長。如空客公司的新一代超寬體客機A350XWB復合材料用量所占結構總重的比例達到52%，中國商飛的CR929客機復合材料占比也將超50%。

復合材料大量的應用在飛機設計和生產中，為飛機維修帶來了巨大的挑戰。復合材料因生產工藝的影響，如表面纖維增強的狀態、低分子物質的含量、樹脂膠的粘度、高聚物轉化的化學反應速度、分層材料熱膨脹系數的差別等原因，容易出現開裂、脫層、疏松、氣孔、脫粘等損傷。飛機在飛行過程中，復合材料由于雷擊、鳥類撞擊、低空飛行周期所造成的溫度變化、起飛和降落時飛機結構經歷冷卻和加熱，導致復合材料構件難免產生進水、基體樹脂裂紋、疲勞破壞、層間分層等損傷，而這些損傷對飛機的飛行安全造成了極大的隱患。因此，飛機每飛行一段時間就要進行一次全面復合材料構件的無損檢測。

目前，在復合材料結構損傷檢測中最常用的方法是以敲擊檢測為基礎的檢測方法，相對X射線和超聲波等其他無損檢測方法，該方法具有簡單、廉價和快速等優點。敲擊檢測的方法是檢測人員運用小錘或硬幣等工具敲擊飛機復合構件表面，通過辨別敲擊聲音的差異來確定損傷及損傷類型。從事該檢測的工作人員需要經過專業的培訓以及長期的經驗積累，因此檢測結果的準確性主要取決于檢測人員的敲擊手法和主觀經驗判斷。操作人員每次敲擊的手法和力度都會不一樣，特別是遇到曲面復合材料每次敲擊的力度就會產生更大的差別，導致檢測結果產生了較大的誤差，給飛行安全帶來了危害。同時，從事該項工作的人員也會因為長期的敲擊聲，對自身聽力造成不可逆的損傷。

本文對流線型大曲面微型缺陷檢測所需恒力敲擊機進行了研究,取得了較好的效果。

2 大曲面恒力敲擊機結構組成

針對流線型大曲面復合材料的微型缺陷難以檢測的問題，筆者提出一種曲面恒力敲擊機及復合材料檢測方法，以克服流線型大曲面復合材料的微型缺陷難以檢測的技術問題。對傳統的敲擊檢測法進行改進，根據工程應用的實踐需要，利用敲擊頭傳感器采集到敲擊聲波信號，通過對聲波信號的處理及對比，來定義被測件的損傷情況，從而擺脫了人的主觀制約因素，更加客觀、便捷，檢測結果也更為準確。對改進飛機復合材料結構檢測的質量控制與管理、提高工作效率、保障飛行安全具有重要的現實意義。

大曲面恒力敲擊機包括敲擊機外殼體，敲擊機外殼體內固定設有支撐鋼板，支撐鋼板上通過弱電纜線連接有激光測距儀，在敲擊機外殼體內位于支撐鋼板下方設有步進電機，在步進電機的下方通過緩沖支撐墊固定在敲擊機外殼體內，步進電機上通過凸輪連接有敲擊桿，敲擊桿下方設有敲擊頭，敲擊頭上安裝聲波信號采集傳感器。敲擊頭可針對不同的結構，以不同的頻率對被測件進行敲擊，同時通過傳感器采集振動信號。因此敲擊頭的硬度及材料、傳感器的封裝、高頻響應、工作溫度濕度等因素都需要精密的考慮。如圖1所示。

圖1 大曲面恒力敲擊機結構示意圖

3 曲面敲擊機材料組成

這種大曲面恒力敲擊機的裝置結構簡單，取代了在復合材料表面的人工敲擊，保證每次敲擊在曲面上的力度都一樣，可以方便攜帶和隨時使用，且無噪音。這種結構的激光測距儀選用三角法測量類型的激光測距儀，步進電機選用AMAM0820普通四相步進電機，敲擊機的外殼可用鋼板或工程塑料組成，敲擊機外殼體的底部對稱設有支撐腳。敲擊機內的弱電纜線采用視頻信號傳輸同軸電纜，緩沖支撐墊采用具有抗沖擊性能的橡膠組成，敲擊桿用金屬材料加工而成。敲擊桿帶動敲擊頭在被測構件表面移動，可調節敲擊強度、速度和頻率自動連續敲擊，傳感器實時采集振動波形信號。敲擊頭由半球面的雙相不銹鋼合金組成，雙相不銹鋼合金是一種含鐵素體-奧氏體基體且具有良好抗腐蝕性能、結構穩定性和熱加工性。傳感器應用無應力封裝工藝，外部采用高絕緣塑料材質，并采取了防潮密封措施。

4 曲面恒力敲擊機的工作原理

曲面恒力敲擊機主要用于復合材料微型缺陷的檢測，其主要工作步驟為：首先敲擊頭自動連續敲擊，通過敲擊頭上的傳感器收集復合材料表面振動波形信號，接著運用敲擊機內的弱電纜傳輸信號，通過信號處理模塊對振動波形信號進行處理，對比待檢樣本數據和標準件對應的標準樣本數據，最后根據標準件數據庫計算給定損傷件的相對變化量，定性識別損傷程度。

具體工作原理步驟為：利用激光測距儀首先測出步進電機到復合材料曲面的距離，并將該距離傳遞給單片機控制系統。單片機控制系統接收到信息后由單片機內部進行運行處理，并將計算出的數據傳遞給步進電機。步進電機收到單片機的信息后開始自行調節步進電機的旋轉角速度來實現控制敲擊力與復合材料表面的垂直度和力度，使敲擊的垂直度和力度符合規定的要求，這時單片機的控制系統就能實時采集和傳輸復合材料表面振動波形信號，通過獲得準確客觀的被測件振動波形信號，對信號進行采集、轉換、處理等，再通過編寫的檢測算法對信號的處理結果進行識別、對比和歸類，做出最終診斷。

該結構中的激光測距儀選用三角法測量類型的激光測距儀，該類型的激光測距儀具有直線性好，發散角小、能量集中的特點，能用于非常近距離的測量，測量距離通常在幾十毫米，測量精度可以達到微米級，測量時間非常短。電機選用工作性質穩定的普通四相步進電機AM0820，工作時相對安靜，不會對敲擊聲形成噪聲干擾。步進電機中驅動芯片選用L298N，利用單片機的P1口低4位實現四相雙4拍控制原理控制步進電機上的凸輪控制敲擊桿對復合材料進行敲擊。齒輪聯結器將步進電機的旋轉角速度轉變到敲擊桿上，使敲擊桿在復合材料的法線上產生敲擊力。

敲擊產生的振動信息被采集后，通過信號軟件系統處理后就可檢測出復合材料的強度和缺陷。單片機控制系統主要選用Keil C51單片機系統軟件進行程序開發，單片機進行編譯仿真后利用I94100的板級支持包(BSP)下載功能，將機器代碼下載到其自帶隨機存取存儲器中，該系列芯片是32位微控制器帶有數字信號處理擴展和一個高達200MHz的浮點單元，可快速的處理大量數據。最后系統軟件就可將接收到的數據進行處理分析對比，確定檢測位置的損傷類型。

5 曲面恒力敲擊機準確率分析

復合材料損傷診斷是以敲擊機采集到的信號為基礎的，波形信號是被測件性能最客觀的反映。采集到的信號通過轉換、變換、預處理后，與搭建好的數據庫中的波形進行對比，確定測量部位是否有損傷，以及復合材料的損傷類型。數據庫中包含了不同類型復合材料檢測對比的標準，包括了常見的復合材料損傷和缺陷種類，以及這些損傷和缺陷的比對波形。要得到各種不同狀態的數據，要收集滿足各方面需求的測試件。一般飛行器復合材料包括3種類型：平面結構、曲面結構和帶有加強筋的結構。通過敲擊飛行器不同的部位，得到這3種結構類型合格件所對應的信號波形。同時在這3種結構類型構件中內置不同缺陷，收集不同損傷復合材料的敲擊波形信號。得到待檢件對應的待檢樣本數據和標準件對應的標準樣本數據。將收集好的樣本按照不同結構與損傷類別進行分類，對不同結構波形分別通過聚類算法將得到的待檢結果進行聚類，結果小于最大或最小值的類視為隨機誤差結果，刪除這類型的結果。以標準損傷波形數據為標準對其余的波形進行聚類分析，最終所在類對應的損傷即為待檢件損傷形式。確定檢測位置的損傷形式，最終用劃線的方法在飛機表面圈出損傷位置。

該敲擊機能否準確的檢查出曲面復合材料的微型缺陷主要和敲擊表面力與表面的垂直度和敲擊力度有關。我們對曲面恒力敲擊機的工作準確率進行了試驗。試驗是在一塊面積2m×3m的曲面復合材料上進行，該復合材料試驗前經過嚴格的檢驗，得出了微型缺陷的數量和位置。我們將敲擊機和人工同時進行了6次檢驗，檢驗時同時核對出敲擊機和人工的準確數量和錯誤數量，如表1所示。

表1 敲擊機和人工檢測標準曲面復合材料準確率

對于準確率試驗的數據進行了分析，敲擊機檢驗的平均準確數為：

F機=∑ Fi/6=（42+44+43+42+44+42）/6=42.8

敲擊機檢驗的平均準確率：

S機=42.8/46=93.0%

人工檢驗的平均準確數為：

F人=∑ Fi/6=（28+26+27+29+26+28）/6=27.3

敲擊機檢驗的平均準確率：

S人=27.3/46=59.3%

從敲擊機和人工檢驗數據對比分析可以知道，敲擊機檢驗的準確率是93.0%，人工檢驗的準確率是59.3%，敲擊機檢驗的準確率比人工提高了33.7%，可以應用于飛機復合材料的無損檢測中。

6 結語

該曲面敲擊機應用在大曲面復合材料的檢驗中，敲擊機檢驗的準確率比人工提高了33.7%，可以有效提高檢驗的準確率，減少檢驗的勞動強度，可以應用到大飛機的流線型曲面機身，提高機身的安全系數。有效解決目前以敲擊法檢測為基礎的無損檢測飛機復合材料技術不夠精確的問題，提供一種飛機復合材料快速區域檢測裝置，通過對自動敲擊信號的分析與處理，提取損傷特征值，實現對飛機復合材料的快速區域式檢測。避免了檢測人員在長期工作中受到噪音污染和傷害，減輕檢測人員的工作負擔，提高其工作效率，可見具有廣泛的應用前景。