無損檢測自動化技術(shù)在飛機修理中的應(yīng)用

汪榮華，劉文波，王 靜，胡嘉蓉

（1．南京航空航天大學，江蘇 南京 210000；2.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000）

傳統(tǒng)的依靠人工手動掃查或者逐件產(chǎn)品的單獨檢測方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代無損檢測工藝的需求，特別是當現(xiàn)場存在大批量規(guī)整工件或大型的相對單一結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時，發(fā)展無損檢測自動化是一種非常有效的解決途徑。無損檢測自動化以其檢測效率快、檢測靈敏度高和檢測成本低廉的特點受到越來越多的青睞。

無損檢測自動化技術(shù)是一門專業(yè)依賴性很強的綜合技術(shù)。所以在自動化無損檢測技術(shù)以及檢測設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用過程中工程人員必須具備深厚的基礎(chǔ)知識，同時結(jié)合自身豐富的實踐經(jīng)驗與各行業(yè)的不同發(fā)展情況對各項檢測對象進行針對性研究。經(jīng)歷數(shù)十載的發(fā)展自動化無損檢測技術(shù)已經(jīng)取得長足發(fā)展，并漸漸在航空、航天、能源和核工業(yè)等重要部門得到應(yīng)用[1]。

在飛機維修工程中，因為批次量少的原因，無損檢測自動化程度仍然處在初級階段。近些年來，隨著無損檢測新技術(shù)的發(fā)展和工程化應(yīng)用成熟度的提高，飛機維修工程中的自動化檢測呈現(xiàn)出小而精的特點，檢測方法以超聲為主，包括基于傳統(tǒng)超聲檢測方法、激光超聲和電磁超聲檢測方法的自動化檢測技術(shù)，同時基于渦流和X射線成像檢測方法的自動化檢測技術(shù)也有了明顯的發(fā)展[2]。

1 超聲檢測自動化應(yīng)用

飛機維修工程中的超聲檢測自動化應(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)域的批量裝機應(yīng)用和特定構(gòu)型件的內(nèi)部缺陷檢測。前者顯著特點是單件產(chǎn)品檢測效率高、檢測成本低、顯示直觀、結(jié)果易存儲和容易實現(xiàn)自動化檢測等，檢測方法對復(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。典型應(yīng)用為飛機外翼蒙皮的復(fù)合材料超聲成像檢測。后者主要應(yīng)用在特殊構(gòu)件的內(nèi)部缺陷掃查，例如渦輪盤的水浸超聲檢測，優(yōu)點是非接觸、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。蒙皮自動化檢測和輪盤水浸超聲檢測如圖1所示。

圖1 蒙皮自動化檢測和輪盤水浸超聲檢測

總之，采用自動化超聲檢測技術(shù)，可以通過直觀的圖像方式再現(xiàn)被檢測料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的詳細分布和整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量情況，進行缺陷的量化評估。

2 射線檢測自動化應(yīng)用

飛機維修工程中的射線檢測自動化應(yīng)用是隨著近些年閃爍體探測器和光電倍增器等技術(shù)的突破性發(fā)展而來的。由此數(shù)字射線（digital radiography，DR）實時成像檢測技術(shù)在飛機維修工程領(lǐng)域被廣泛嘗試和推廣，通過電子、計算機、機械、控制和信號處理等技術(shù)，使檢測過程實現(xiàn)自動化，并取得了良好的檢測效果。

數(shù)字射線實時成像檢測技術(shù)的最大優(yōu)點是動態(tài)快速檢測，可進行實時的質(zhì)量評定[3]。基于數(shù)字射線的飛機平尾大軸半自動化檢測系統(tǒng)如圖2所示，如將DR技術(shù)與自動控制技術(shù)整合，實現(xiàn)平尾大軸的快速檢測，極大地壓縮了生產(chǎn)周期。通過平尾大軸DR成像圖和傳統(tǒng)拍片底片的對比，說明DR檢測技術(shù)在飛機維修領(lǐng)域工程化應(yīng)用條件已完全成熟[4]。方向舵自動化檢測透照布置示意圖如圖3所示，如通過引入數(shù)字射線替代傳統(tǒng)膠片、設(shè)計方向舵自動化檢測平臺的辦法，將單件方向舵蜂窩結(jié)構(gòu)件檢測效率提升到95%以上，保證了成像質(zhì)量的同時極大降低了操作人員所受X射線輻射的潛在風險[5]。

圖2 基于數(shù)字射線的飛機平尾大軸半自動化檢測系統(tǒng)

圖3 方向舵自動化檢測透照布置示意圖

非接觸式三維高精度掃描成像檢測系統(tǒng)如圖4所示，基于面陣探測器的非接觸式三維高精度掃描成像檢測系統(tǒng)是典型的集成化程度非常高的X射線自動化應(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)針對不同材質(zhì)和尺寸樣品的精確定量無損檢測與評價，把被檢測實物進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)量評估、修復(fù)及測量等提供數(shù)據(jù)。同時通過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、有無缺損、缺損性質(zhì)與位置及大小，極大補充了檢測數(shù)字化的內(nèi)部細節(jié)信息。

圖4 非接觸式三維高精度掃描成像檢測系統(tǒng)

3 電磁檢測自動化應(yīng)用

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

近些年，在飛機維修工程領(lǐng)域中，高端全自動機器人渦流C掃描系統(tǒng)在航空航天發(fā)動機篦齒盤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、易漏檢等問題，某凸輪軸自動化電磁檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 某凸輪軸自動化電磁檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 機器視覺/光學檢測自動化應(yīng)用

機器視覺（Machine Vision）是利用圖像采集裝置代替人眼對目標對象的圖像信息進行采集，然后利用圖像處理系統(tǒng)代替人類神經(jīng)系統(tǒng)對視覺信息進行處理與傳輸，最后利用計算機綜合分析系統(tǒng)代替人腦視覺中樞，對視覺信息進行分析與判斷，進而根據(jù)輸出的判斷結(jié)果驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成現(xiàn)場作業(yè)[7]。因此，機器視覺/光學檢測天然帶有自動化工程應(yīng)用的基因。機器視覺/光學檢測具有非接觸、減少測量誤差、提高檢測速度和人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法缺陷智能識別等諸多優(yōu)點。機器視覺/光學檢測在飛機維修蒙皮檢測、防護柵檢測中均有重要的應(yīng)用，飛機進氣道防護柵機器視覺/光學檢測系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 飛機進氣道防護柵機器視覺/光學檢測系統(tǒng)

5 其他檢測方法的自動化應(yīng)用

飛機維修工程領(lǐng)域其他無損檢測方法的自動化應(yīng)用主要集中在無損檢測新技術(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掃描自動化檢測系統(tǒng)、可用于檢測陶瓷、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檢測技術(shù)等。

6 結(jié)束語

當前，飛機維修工程領(lǐng)域無損檢測自動化應(yīng)用仍然處在初級階段，部分產(chǎn)品或系統(tǒng)只實現(xiàn)了半自動化或過程的自動化，比如生產(chǎn)線上料過程的自動化和檢測關(guān)鍵步驟的人工參與相結(jié)合，機械翻轉(zhuǎn)的自動化和缺陷判定的人工化相結(jié)合。但隨著計算機、機械控制、信號處理和人工智能技術(shù)的發(fā)展，飛機維修工程領(lǐng)域檢測技術(shù)的自動化程度正在走向成熟。

無損檢測自動化是無損檢測技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，是飛機維修檢測的重要支撐和技術(shù)保障。無損檢測自動化技術(shù)是一門涉及多專業(yè)、交叉學科的綜合技術(shù)，特別是有關(guān)檢測系統(tǒng)的研發(fā)，需要結(jié)合具體的檢測對象進行系統(tǒng)性的研究和設(shè)計，需要成熟的方法和豐富的經(jīng)驗。

在實現(xiàn)無損檢測自動化過程中，需統(tǒng)籌考慮檢測對象、應(yīng)用環(huán)境以及制造使用成本。當檢測對象形成規(guī)模化效應(yīng)時，自動化高精度、高效率的核心優(yōu)勢才能真正體現(xiàn)。