雙基推進(jìn)劑包覆層界面脫粘敲擊檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張興成 李艷軍 曹愈遠(yuǎn) 宋甫成 趙楊超

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

文 摘 雙基推進(jìn)劑橡膠包覆層界面脫粘降低了推進(jìn)劑工作性能，使其運(yùn)行存在潛在的安全隱患。針對此問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套由信號處理組件、自動(dòng)化控制組件和智能診斷組件構(gòu)成的敲擊檢測系統(tǒng)，旨在通過自動(dòng)化控制與智能敲擊診斷技術(shù)相結(jié)合，更加全面的獲取待測件的狀態(tài)，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，敲擊檢測系統(tǒng)可以識別橡膠包覆層脫粘缺陷，并且當(dāng)敲擊檢測分辨率為3～10 mm時(shí)，脫粘缺陷檢測準(zhǔn)確率≥87.5%；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層神經(jīng)元數(shù)設(shè)置6或7時(shí)，故障識別效果良好，K-means聚類算法對敲擊檢測數(shù)據(jù)故障確診率≥90%。綜上所述，敲擊檢測系統(tǒng)具有較高的檢測分辨率和準(zhǔn)確率，可以實(shí)現(xiàn)對雙基推進(jìn)劑包覆層粘接質(zhì)量的客觀評價(jià)。

0 引言

雙基推進(jìn)劑作為各類戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航天飛行器和運(yùn)載火箭的主要推進(jìn)劑之一［1］，對其進(jìn)行安全性評估就顯得尤為重要。從發(fā)生的各類推進(jìn)故障來看，雙基推進(jìn)劑橡膠包覆層脫粘是引起災(zāi)難的關(guān)鍵因素之一［2］。由于雙基推進(jìn)劑大都采用單件加工模式［3］，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，膠粘可靠性難以得到保證，這間接增加了推進(jìn)劑橡膠包覆層發(fā)生脫粘的概率。

目前應(yīng)用于推進(jìn)劑橡膠包覆層脫粘檢測的技術(shù)主要有人工敲擊檢測法、超聲C 掃技術(shù)［4］和激光電子散斑干涉法［5-6］等。但人工檢測效率比較低，且易出現(xiàn)漏檢情況；激光電子散斑對膠粘結(jié)構(gòu)具有一定損傷，存在安全隱患，應(yīng)用場景比較局限；超聲波檢測操作復(fù)雜，需要耦合介質(zhì)，且橡膠內(nèi)襯阻尼大，超聲波會(huì)有較大的衰減，不適用于現(xiàn)場檢測。針對上述檢測技術(shù)在推進(jìn)劑橡膠包覆層脫粘檢測存在的不足，需要一套具備無損檢測、高效準(zhǔn)確、操作簡單，并且可以適用不同生產(chǎn)需求、工作環(huán)境的雙基推進(jìn)劑界面脫粘檢測系統(tǒng)。

雙基推進(jìn)劑裝藥制備一般流程及探傷檢測工序如圖1所示。基于對推進(jìn)劑的現(xiàn)場檢測和裝藥質(zhì)量的評價(jià)，根據(jù)預(yù)制包覆層的檢測探傷反饋，指導(dǎo)車藥整形的特殊要求。本文在傳統(tǒng)敲擊檢測基礎(chǔ)上，融合智能診斷方法［7］、傳感器技術(shù)［8］、信號處理技術(shù)［9］、自動(dòng)化控制［10］和大數(shù)據(jù)處理等對敲擊檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，擬實(shí)現(xiàn)對雙基推進(jìn)劑包覆層粘接質(zhì)量的客觀評價(jià)。

圖1 推進(jìn)劑一般制備流程與探傷檢測工序Fig.1 The general preparation process and flaw detection process of propellant

1 局部敲擊檢測

局部敲擊檢測是一種對待測界面進(jìn)行逐點(diǎn)檢測的無損檢測技術(shù)，常用于蜂窩結(jié)構(gòu)、層壓結(jié)構(gòu)［11-12］和膠接結(jié)構(gòu)的檢測?，F(xiàn)代局部敲擊檢測理論是由Cawley 和Adams 共同建立的［13］，他們發(fā)現(xiàn)敲擊被測件的不同區(qū)域時(shí)，敲擊力信號的時(shí)域和頻域都有明顯的差異，故可通過分析敲擊不同區(qū)域的時(shí)域和頻域差異判斷局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣；冷勁松等人［14］對CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）層板脫粘區(qū)和無損區(qū)進(jìn)行敲擊檢測獲得時(shí)域曲線，并利用快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)域曲線變換到頻域，發(fā)現(xiàn)脫粘區(qū)域的結(jié)構(gòu)模態(tài)低于無損區(qū)域；Ju-Won Kim 等［15］人利用壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測CFRP 的脫膠缺陷；肖莉等［16］人對壓電阻抗的界面脫粘結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測和健康監(jiān)測研究，為無損檢測和傳感器技術(shù)在局部敲擊檢測的實(shí)現(xiàn)提供了研究方向。

在敲擊力作用下，局部被檢結(jié)構(gòu)可簡化成一個(gè)脫粘界面層向信號響應(yīng)層的映射關(guān)系模型，如圖2所示。

圖2 局部敲擊檢測的映射關(guān)系模型Fig.2 The mapping relationship model of partial tap detection

從質(zhì)量為m敲擊錘敲擊待測結(jié)構(gòu)表面上開始計(jì)時(shí)至敲擊錘彈起脫離待測結(jié)構(gòu)表面這一過程所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為敲擊持續(xù)時(shí)間（敲擊脈沖時(shí)間）τ，即：

式（1）敲擊頻率ω=，這時(shí)局部所受壓力為：

當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫粘缺陷時(shí)，可以簡化為四周固定的支撐薄板結(jié)構(gòu)，假設(shè)脫粘結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)直徑為d的圓，脫粘深度為h局部接觸剛度為Kc，可以得到缺陷剛度為：

式中，D=，E為彈性模量，μ為泊松比，這時(shí)局部有效接觸剛度為：

通過分析式（3）、（4）［17］可知，缺陷直徑d越大，缺陷深度h越小，有效接觸剛度也就越小，敲擊力作用在局部位置的時(shí)間τ也就越長，即局部敲擊持續(xù)時(shí)間越久，越容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)脫粘缺陷。

敲擊錘端部的壓電傳感器負(fù)責(zé)采集被測結(jié)構(gòu)（脫粘界面層）所受的振動(dòng)信號，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號響應(yīng)（信號響應(yīng)層）。受壓電元件兩電極間的電容量為：

式中，εr為相對介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，δ為壓電元件厚度，S為極板面積。

2 敲擊檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)層

敲擊檢測系統(tǒng)架構(gòu)可分為信號采集與傳輸層、自動(dòng)化集成控制層和信息處理與顯示層。信號采集與傳輸層圍繞敲擊信號的采集、處理與傳輸展開敲擊采集裝置的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)；自動(dòng)化集成控制層主要是配合工件模型和控制策略實(shí)現(xiàn)對整個(gè)敲擊檢測系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)控制；信息處理與顯示層指示了敲擊數(shù)據(jù)流的傳輸、存儲(chǔ)與處理顯示。系統(tǒng)架構(gòu)層如圖3所示。

圖3 界面敲擊檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)層Fig.3 The architecture layer of interface tap detection system

2.2 信號采集處理系統(tǒng)

信號采集與處理系統(tǒng)主要由敲擊錘、驅(qū)動(dòng)電路和信號調(diào)理電路組成，如圖4所示。敲擊錘內(nèi)部由兩個(gè)一定間距的通電螺線管構(gòu)成，中間部分嵌入磁塊，并通過滑桿結(jié)構(gòu)固定敲擊錘頭，敲擊錘頭內(nèi)部嵌入壓電傳感器拾取敲擊作用力的持續(xù)時(shí)間。

圖4 敲擊信號采集與處理系統(tǒng)Fig.4 The system of tap signal acquisition and processing

驅(qū)動(dòng)電路通過三極管實(shí)現(xiàn)信號放大和開關(guān)電路設(shè)計(jì)，在控制信號的作用下，為兩個(gè)螺線管提供交替導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁場，吸引磁塊并帶動(dòng)敲擊錘頭循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)局部敲擊作用后，敲擊錘內(nèi)部的壓電傳感器會(huì)將作用力轉(zhuǎn)換為敲擊電信號并傳向信號調(diào)理電路。

由于敲擊所得的信號微弱且受高頻信號和噪聲影響較大，需要進(jìn)行濾波整流等信號調(diào)理，提高有用敲擊信號的信噪比，保證敲擊信號質(zhì)量滿足要求，使得最終采集到的信號能夠?qū)崿F(xiàn)對脫粘缺陷的評估。

2.3 自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)

自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制組件和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。遠(yuǎn)程控制組件主要由集成電氣設(shè)備、集成控制按鈕和人機(jī)界面組成。主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制指令的接收與反饋、狀態(tài)顯示與控制和測試與維護(hù)等工作。機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)則是由旋轉(zhuǎn)支撐組件、機(jī)器人手臂和伺服電機(jī)等機(jī)構(gòu)組成。

由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)面向待測試驗(yàn)件，故對工件的關(guān)鍵尺寸參數(shù)進(jìn)行定義，如表1所示。

表1 雙基推進(jìn)劑關(guān)鍵尺寸參數(shù)定義表1）Tab.1 The definition table of the double-base propellant key dimension parameter mm

基于表1尺寸參數(shù)定義，建立工件的簡化模型，并對敲擊錘空間軌跡中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定（即敲擊錘運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵坐標(biāo)計(jì)算），如圖5所示。

圖5 敲擊軌跡關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)定Fig.5 Key point coordinate calibration based on tap trajectory

通過關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值，能夠確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的節(jié)點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)化時(shí)間，達(dá)到對不同尺寸工件表面的自適應(yīng)。

計(jì)算四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，A點(diǎn)作為起始零點(diǎn)：

（1）A點(diǎn)：

式中，xW表示距離起始零點(diǎn)的安全距離。

（2）B點(diǎn)：

（3）C點(diǎn)：

（4）D點(diǎn)：

基于上述關(guān)鍵坐標(biāo)值的計(jì)算，對自適應(yīng)控制的四軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)建立空間坐標(biāo)系，將關(guān)鍵坐標(biāo)的參數(shù)值映射到自適應(yīng)控制系統(tǒng)，控制上表現(xiàn)為不同的脈沖輸出，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)（防爆伺服電機(jī)等）識別控制指令，完成敲擊錘的姿態(tài)控制，并實(shí)現(xiàn)位置信息的閉環(huán)控制。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要分為五個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，主要包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理與成像、數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)管理，如圖6所示。

圖6 界面脫粘敲擊檢測軟件系統(tǒng)功能框圖Fig.6 The functional block diagram of the interface debonding tap detection software system

通過對運(yùn)動(dòng)控制框架和控制參數(shù)進(jìn)行分析，引入不同運(yùn)動(dòng)控制模式的設(shè)置，并實(shí)時(shí)對控制系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對敲擊錘采集信息的獲取、傳輸與數(shù)據(jù)清洗，同時(shí)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)處理與成像模塊可以對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合診斷，輸出二維云圖、檢測報(bào)告等；數(shù)據(jù)庫模塊主要針對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和運(yùn)維進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)；系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)對用戶信息、產(chǎn)品信息和系統(tǒng)安全的監(jiān)測等。

2.5 檢測流程

敲擊檢測系統(tǒng)基于自動(dòng)控制系統(tǒng)和敲擊檢測系統(tǒng)，以人的干預(yù)指導(dǎo)為核心，通過軟硬件系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)智能敲擊檢測，敲擊檢測流程圖如圖7所示。

圖7 界面脫粘敲擊檢測系統(tǒng)操作流程圖Fig.7 The operation flow chart of interface debonding tap detection system

2.6 實(shí)現(xiàn)框圖

基于上述對敲擊檢測架構(gòu)層的分析與設(shè)計(jì)，敲擊檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了具備工件自適應(yīng)、人機(jī)隔離、遠(yuǎn)程通信、自動(dòng)化控制、可視化人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)以及智能診斷識別等功能，最終檢測實(shí)物及系統(tǒng)關(guān)聯(lián)如圖8所示。

圖8 界面脫粘敲擊檢測系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)框圖Fig.8 The final realization block diagram of the interface debonding tap detection system

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

忽略待測推進(jìn)劑藥柱類球面，制備長度為225 mm，直徑φ127 mm的圓柱體試驗(yàn)件，并將柱面沿軸向等分成四個(gè)區(qū)域，標(biāo)號A/B/C/D，在四個(gè)分區(qū)交界位置的圓周方向上預(yù)埋2個(gè)φ10 mm和2個(gè)φ5 mm、蒙皮厚度為2 mm、橡膠包覆層為1 mm的脫粘缺陷，藥柱芯為實(shí)木材質(zhì)（選用標(biāo)準(zhǔn)主要考慮安全性、工件制備的難易程度、固體柱芯采集信號的相似性）。待測試驗(yàn)件如圖9所示。

圖9 預(yù)埋脫粘缺陷的試驗(yàn)件Fig.9 Test piece with embedded debonding defect

3.2 敲擊檢測實(shí)驗(yàn)

敲擊檢測參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際檢測需求進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。

表2 敲擊檢測實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.2 The parameter settings tap detection experiment

3.2.1 脫粘缺陷識別對比驗(yàn)證

由于檢測現(xiàn)場噪聲對超聲C 掃檢測的影響較大，兩組實(shí)驗(yàn)需在低噪聲環(huán)境下進(jìn)行檢測，避免外界因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

基于對大量敲擊檢測數(shù)據(jù)的分析，確定敲擊閾值、敲擊標(biāo)準(zhǔn)值和顏色標(biāo)識（其中，初步認(rèn)為大于敲擊標(biāo)準(zhǔn)值50%為故障點(diǎn)，圖10中標(biāo)為紅色的點(diǎn)），經(jīng)過對噪聲數(shù)據(jù)預(yù)處理（插值與臟數(shù)據(jù)剔除）與故障診斷算法識別后對敲擊數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色映射，然后根據(jù)對應(yīng)坐標(biāo)位置對網(wǎng)格進(jìn)行排布，導(dǎo)出敲擊檢測結(jié)果如圖10（a）所示。其中，圖10（b）為超聲C 掃檢測相同試驗(yàn)件的二維展開圖。

圖10 敲擊檢測和超聲檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.10 The comparison of test results between tap testing and ultrasonic testing

3.2.2 脫粘缺陷檢測準(zhǔn)確率驗(yàn)證

基于上述制備的試驗(yàn)件，設(shè)置4 組不同分辨率（3～10 mm）的敲擊檢測實(shí)驗(yàn)，為了避免檢測結(jié)果偶然性，每種分辨率分別進(jìn)行10次，并統(tǒng)計(jì)敲擊識別出的故障網(wǎng)格和實(shí)際劃分的故障網(wǎng)格個(gè)數(shù)，計(jì)算每種分辨率的脫粘缺陷識別情況，即檢測準(zhǔn)確率。檢測結(jié)果如表3所示。

表3 不同檢測分辨率下的脫粘缺陷檢測準(zhǔn)確率Tab.3 Detection accuracy of debonding defects under different detection resolutions

3.2.3 故障診斷算法測試分析

對上述5 mm 檢測分辨率的10 組數(shù)據(jù)集（每組6 300 個(gè)數(shù)據(jù)）分別進(jìn)行隨機(jī)抽取1 080 個(gè)數(shù)據(jù)對兩種故障診斷算法進(jìn)行訓(xùn)練，表4展示了一種抽取結(jié)果。

表4 檢測分辨率為5 mm采集的部分敲擊數(shù)據(jù)及缺陷情況Tab.4 Part of the tap data and defects collected with 5 mm inspection resolution

3.2.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱含層神經(jīng)元數(shù)是決定網(wǎng)絡(luò)效果優(yōu)劣的關(guān)鍵，個(gè)數(shù)選擇不當(dāng)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力不夠或者歸納能力差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置隱含層神經(jīng)元數(shù)h=+a，其中a常數(shù)，學(xué)習(xí)率選擇0.01，隱含層激活函數(shù)選擇logsig 函數(shù)。測試結(jié)果見圖11。

圖11 隱含層神經(jīng)元數(shù)對識別準(zhǔn)確率的影響Fig.11 The Influence of the number of neurons in hidden layer on the accuracy of recognition

其中：

F1為第一層數(shù)據(jù)中故障數(shù)據(jù)的識別正確率；

F2為第一層數(shù)據(jù)中正常數(shù)據(jù)的識別正確率；

G1為第二層數(shù)據(jù)中故障數(shù)據(jù)的識別正確率；

G2為第二層數(shù)據(jù)中正常數(shù)據(jù)的識別正確率。

由圖11可知，當(dāng)隱含層神經(jīng)元數(shù)在［1，9］范圍內(nèi)時(shí)，隨著其個(gè)數(shù)的增加，第一層數(shù)據(jù)的識別準(zhǔn)確率整體偏好，而第二層數(shù)據(jù)的識別準(zhǔn)確率則由好到壞。

3.2.3.2 K-means聚類

K-means 聚類算法通過對預(yù)處理數(shù)據(jù)集隨機(jī)K個(gè)初始聚類中心，計(jì)算各個(gè)聚類均值作為新的聚類中心重新聚類，如果聚類中心不發(fā)生改變，退出聚類算法，否則，反復(fù)這個(gè)過程。

為了避免K-means 的初始中心是隨機(jī)過程帶來的偶然性，設(shè)置10 次測試試驗(yàn)，3 次聚類確定聚類中心，測試診斷結(jié)果如圖12所示。

圖12 基于K-means聚類算法的敲擊數(shù)據(jù)診斷結(jié)果Fig.12 The tap data diagnosis results based on K-means clustering algorithm

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從脫粘缺陷識別對比驗(yàn)證結(jié)果可以看出，敲擊檢測和超聲C 掃檢測對脫粘缺陷的檢測結(jié)果基本吻合。

（2）根據(jù)脫粘缺陷檢測準(zhǔn)確率驗(yàn)證結(jié)果分析表明，不同檢測分辨率（3～10 mm）的缺陷識別率≥87.5%。

（3）由于檢測分辨率和檢測效率成反比，但正比與缺陷識別率，所以需要根據(jù)不同場景調(diào)整參數(shù)設(shè)置。

（4）由BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果可知，當(dāng)隱含層神經(jīng)元數(shù)為6或7時(shí)，整體識別準(zhǔn)確率最佳；K-means聚類診斷算法對敲擊檢測數(shù)據(jù)故障確診率≥90%，誤診率≤5%，識別效果較好，可以用于脫粘故障點(diǎn)的檢測。

4 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)適用于雙基推進(jìn)劑界面脫粘檢測，并可根據(jù)實(shí)際檢測需求和應(yīng)用場景不同，設(shè)置不同的檢測分辨率。

（2）該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)敲擊檢測效率不高、易漏檢、安全性差等情況，顯著提高了雙基推進(jìn)劑界面脫粘檢測的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性。

（3）該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌叽缃Y(jié)構(gòu)的雙基推進(jìn)劑的界面自適應(yīng)，保證敲擊檢測自動(dòng)化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的無損檢測。

（4）該系統(tǒng)可通過人機(jī)交互界面監(jiān)測并反饋檢測相關(guān)信息，易實(shí)現(xiàn)流水線操作，指導(dǎo)車藥整形。

（5）該系統(tǒng)操作簡單，不需要特殊耦合劑，且不受噪聲環(huán)境影響，并且具備工業(yè)防爆等級，可用于裝藥現(xiàn)場檢測。