一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)及方法，屬于無損檢測應(yīng)用領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括控制計算機、運動控制單元、機械掃查機構(gòu)、多通道敲擊檢測裝置、信號采集卡。其中，控制計算機向運動控制單元發(fā)送運動控制指令，運動控制單元驅(qū)動機械掃查機構(gòu)帶動多通道檢測裝置掃查待測樣品；多通道敲擊檢測裝置包括多個敲擊錘和驅(qū)動控制電路，在敲擊控制指令的控制下，多個敲擊頭同時敲擊待測樣品并采集敲擊信號輸入給控制計算機；控制計算機根據(jù)敲擊電信號的寬度和位置信息得到敲擊檢測的C掃描圖像。本發(fā)明克服了大面積待檢件手動人工檢測漏檢難題，解決蜂窩膠接結(jié)構(gòu)自動化檢測的問題，實現(xiàn)多通道、高可靠性和可視化敲擊檢測。
【專利說明】
一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)及方法，屬于無損檢測應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]復合材料膠接結(jié)構(gòu)是航天型號產(chǎn)品研制生產(chǎn)重要的結(jié)構(gòu)之一。廣泛用于運載火箭、戰(zhàn)略導彈、衛(wèi)星產(chǎn)品上，如火箭整流罩、衛(wèi)星支架。由于復合材料膠接結(jié)構(gòu)部件采用手工操作、單件生產(chǎn)方式，且生產(chǎn)工藝條件難以嚴格控制，部件內(nèi)部易存在影響使用性能的脫粘缺陷。對膠接結(jié)構(gòu)部件的膠接質(zhì)量進行無損檢測，是型號質(zhì)量可靠性的重要保證。
[0003]復合材料膠接結(jié)構(gòu)作為航天產(chǎn)品生產(chǎn)用重要結(jié)構(gòu)，其主要缺陷有脫粘、疏松、氣孔以及蜂窩芯短，蜂窩塌陷等。其中脫粘是最常見的內(nèi)部缺陷，影響整體結(jié)構(gòu)的力學性能、物理性能，如:2003年哥倫比亞航天飛機爆炸的主因就是外部隔熱瓦脫落所致。航空航天系統(tǒng)內(nèi)各單位對膠接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的無損檢測一直采用手持敲擊儀，該方法從原理上準確、可行，但受檢測人員自身因素的影響較大，在檢測實踐中存在缺陷漏檢問題。因此，如何采用準確性高、對材料、產(chǎn)品無二次污染的檢測成為迫切需要解決的問題。為此，開展復合材料膠接結(jié)構(gòu)自動檢測系統(tǒng)的研制工作。
[0004]目前敲擊檢測主要是手工敲擊檢測，具有檢測操作方便、檢測靈敏度較高的特點，但缺陷結(jié)果受到人為影響因素。手工敲擊檢測技術(shù)中，需要操作者使用前端設(shè)備(如敲擊錘)對被測件以合適的力和速度進行敲擊，通過敲擊錘內(nèi)置的傳感器裝置采集特征信號并作后續(xù)處理。但是，敲擊錘由人為的對被測結(jié)構(gòu)激振(敲擊)，因此，不同的操作者力度是有差別的。雖然要求操作者盡量使用連續(xù)、適當?shù)牧Χ?，但是并不能完全消除同一操作者每次檢測和不同操作者檢測使用的力度間的差別，而這些差別反應(yīng)到原始信號中是信號幅值的不同。手工敲擊檢測受人為因素影響大，檢測間距、檢測速度不可控制，容易出現(xiàn)缺陷漏檢情況;且手工敲擊檢測對掃描結(jié)果不具備成像功能，對缺陷的識別、定位、定量均受檢測員經(jīng)驗的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不易漏檢、容易控制、高可靠性、可視化的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動無損檢測。
[0006]本發(fā)明所解決的另一個技術(shù)問題是:提供一種不易漏檢、容易控制、高可靠性、可視化的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測方法。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]—種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制計算機、運動控制單元、機械掃查機構(gòu)、多通道敲擊檢測裝置、信號采集卡，其中:
[0009]控制計算機，接收外部輸入的掃描范圍、掃描速度、掃描間距，在每個掃查控制周期，向運動控制單元發(fā)送運動控制指令，根據(jù)掃描間隔、掃描速度確定發(fā)送敲擊控制指令的時機，向信號采集卡發(fā)送敲擊控制指令，接收信號采集卡輸出的敲擊檢測數(shù)據(jù)和運動控制單元實時反饋的掃查頭位置信息，根據(jù)掃查頭位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)實時繪制C掃描檢測圖像；
[0010]運動控制單元，根據(jù)運動控制指令生成驅(qū)動信號并發(fā)送給機械掃查機構(gòu)；判斷掃查頭是否到達目標敲擊位置，如果到達，則暫停發(fā)送驅(qū)動信號制動機械掃查機構(gòu);實時計算掃查頭的位置信息并發(fā)送給控制計算機；
[0011]機械掃查機構(gòu)，在驅(qū)動信號的控制下移動掃查頭的位置、調(diào)整掃查頭的姿態(tài)，并實時發(fā)送反饋信號到運動控制單元；
[0012]信號采集卡，接收控制計算機發(fā)送的敲擊控制指令，生成控制信號發(fā)送給多通道敲擊檢測裝置;采集多通道敲擊檢測裝置輸出的多路調(diào)理信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成敲擊檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給控制計算機；
[0013]多通道敲擊檢測裝置，接收信號采集卡發(fā)送的控制信號，產(chǎn)生驅(qū)動電流信號，同時輸出給多個敲擊錘，各敲擊錘均與機械掃查機構(gòu)的掃查頭機械連接，隨機械掃查機構(gòu)運動，驅(qū)動電流信號驅(qū)動多個敲擊錘同時敲擊待測樣品并采集敲擊信號，將得到的多路敲擊信號進行調(diào)理后生成多路調(diào)理信號輸出給信號采集卡。
[0014]所述多通道敲擊檢測裝置包括驅(qū)動電路、調(diào)理電路、N個敲擊錘，每個敲擊錘包括I個電磁錘和I個敲擊頭，N彡I，其中:
[0015]驅(qū)動電路，接收信號采集卡輸入的控制信號，產(chǎn)生2N路驅(qū)動電流信號，同時輸出給N個電磁錘；
[0016]調(diào)理電路，接收N個敲擊頭采集的敲擊信號，對敲擊信號進行放大、濾波和生成調(diào)理信號輸出到信號采集卡；
[0017]電磁錘，包括兩個電磁線圈、磁鐵塊和金屬滑桿;兩個電磁線圈按相反的螺旋方向分別固定在金屬框上下兩端，金屬滑桿從下端的電磁線圈中間穿過，上端固定連接鐵磁性材料制成的鐵磁塊，下端固定連接敲擊頭，兩個電磁線圈之間留有一定間隔，使鐵磁塊能在兩個電磁線圈之間上下活動；驅(qū)動電路發(fā)送的兩路驅(qū)動電流信號分別連接至兩個電磁線圈，兩路驅(qū)動電流周期循環(huán)交替出現(xiàn)，使兩個電磁線圈中電流交替通斷，從而驅(qū)動金屬滑桿上下往復運動；
[0018]敲擊頭，固定連接在電磁錘的金屬滑桿末端，隨金屬滑桿反復敲擊被測物件，被測物件在敲擊頭的作用力下發(fā)生形變并產(chǎn)生回彈力，敲擊頭內(nèi)部含有壓電傳感器，壓電傳感器檢測回彈力，將回彈力轉(zhuǎn)換成敲擊信號并輸出到調(diào)理電路。
[0019]所述驅(qū)動電路包括第一輸入端口、第二輸入端口、兩個電阻Rl和R2、兩個三極管Ql和Q2，第一輸入端口和第二輸入端口分別連接電阻Rl和R2的一端，電阻Rl和R2另一端分別連接Ql和Q2的基極，Ql和Q2的集電極分別連接電磁錘中的第一電磁線圈LI和第二電磁線圈L2，Ql和Q2的發(fā)射極均接地。
[0020]所述調(diào)理電路包括運算放大器INA118、電阻R1、R2、R3、R4、電容Cl;
[0021]運算放大器INA118的差分輸入端為調(diào)理電路的輸入端，分別通過電阻Rl、電阻R2上拉至參考電平，負極電源端接地，正極電源端連接供電電源，輸入?yún)⒖级诉B接參考電平，輸出端連接R4的一端，其余兩個管腳外接增益電阻R3，R4的另一端分成兩路，一路接Cl，C1的另一端接地，電阻R4和Cl形成的濾波器，另一路為調(diào)理電路的輸出。
[0022]所述敲擊頭采用由樹脂與導電金屬粉固化而成的材料封裝而成。
[0023]所述導電金屬粉為鎢粉。
[0024]所述控制計算機根據(jù)掃查頭位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)實時繪制C掃描檢測圖像的具體過程為:對敲擊檢測數(shù)據(jù)進行濾波處理后，提取各調(diào)理信號中的有效信號寬度;將掃查頭位置信息轉(zhuǎn)換為每個敲擊點的位置信息，將每個敲擊點的位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，建立每路調(diào)理信號中的有效信號寬度與顏色灰度的線性關(guān)系，逐點進行顏色標識，形成C掃描檢測圖像。
[0025]所述控制計算機提取的有效信號寬度為:信號的上升沿大于預(yù)設(shè)第一門限值到下降沿小于預(yù)設(shè)的第二門限值之間的時間寬度。
[0026]—種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測方法，該方法包括如下步驟:
[0027](I)、設(shè)定掃描范圍、掃描速度、掃描間距；
[0028](2)、按照掃描范圍、掃描速度、掃描間距，將多通道敲擊檢測裝置移至單次目標敲擊位置的上方；
[0029](3)、發(fā)送敲擊控制信號控制多通道敲擊檢測裝置對待測樣品進行敲擊并采集多路敲擊信號；
[0030](4)、獲取多通道敲擊檢測裝置每個敲擊點的位置和每路敲擊信號的有效寬度；[0031 ] (5)、將每個敲擊點的位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)一一對應(yīng)；
[0032](6)、建立每路敲擊信號中的有效信號寬度與顏色灰度的線性關(guān)系，逐點進行顏色標識，繪制C掃描檢測圖像；
[0033](7)、循環(huán)執(zhí)行步驟(I)?步驟(6)，直到掃描范圍內(nèi)的區(qū)域全部掃查檢測完畢。
[0034]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:
[0035](I)本發(fā)明采用機械掃描方式對待測樣品進行檢測，解決了人工敲擊檢測方式效率低下、檢測間距不可控、敲擊方式受人為因素影響大等問題，實現(xiàn)了復合材料膠接結(jié)構(gòu)的快速自動掃描檢測；
[0036](2)本發(fā)明采用控制計算機為中央處理單元實現(xiàn)對運動控制單元、信號采集卡的控制，保證檢測參數(shù)可依據(jù)檢測對象靈活設(shè)置，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)實時記錄并保存；
[0037](3)本發(fā)明采用多通道檢測裝置，較單通道檢測裝置擴展了敲擊錘的數(shù)量，提高了檢測效率，針對較大尺寸工件其優(yōu)勢更為顯著；
[0038](4)本發(fā)明采用的信號采集卡，可針對多路信號進行數(shù)據(jù)的發(fā)送及采集，保證了系統(tǒng)工作的快速響應(yīng)能力及數(shù)據(jù)實時處理能力；
[0039](5)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對待測樣品的檢測結(jié)果進行成像，便于缺陷識別，掃描結(jié)束后能快速實現(xiàn)缺陷定位、定量及后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
[0040](6)本發(fā)明采用控制計算機替代電路模塊提取有效信號寬度，可針對不同的待測樣品用戶自行設(shè)置，設(shè)置更加靈活、便捷。
【附圖說明】
[0041]圖1為本發(fā)明一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)的示意圖；
[0042]圖2為本發(fā)明實施例機械掃查機構(gòu)示意圖；
[0043]圖3為本發(fā)明實施例運動控制單元的示意圖。
[0044]圖4為本發(fā)明實施例多通道敲擊檢測裝置示意圖；
[0045]圖5為本發(fā)明實施例敲擊錘示意圖
[0046]圖6為本發(fā)明實施例電磁錘驅(qū)動電流示意圖
[0047]圖7為本發(fā)明實施例多通道敲擊檢測裝置驅(qū)動電路圖；
[0048]圖8為本發(fā)明實施例調(diào)理電路圖；
[0049]圖9(a)為本發(fā)明實施例敲擊部位為膠接良好區(qū)域時敲擊信號示意圖；
[0050]圖9(b)為本發(fā)明實施例敲擊部位為脫粘區(qū)域時敲擊信號示意圖。
【具體實施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0052]圖1為一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)的示意圖。如圖1所示，該系統(tǒng)包括控制計算機、運動控制單元、機械掃查機構(gòu)、多通道敲擊檢測裝置、信號采集卡。
[0053]以一種具體的復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)為例，對本發(fā)明各主要組成部分進行詳細介紹。
[0054]該檢測系統(tǒng)性能參數(shù):
[0055](I)測量范圍:X軸500mm，Y軸300mm，Z軸200mm，A轉(zhuǎn)角±50°，B轉(zhuǎn)角±30° ；
[0056](2)最大掃描速度100m/S;
[0057](3)最小掃描間距0.lmm;
[0058](4)信號采集卡采樣率為100M。
[0059]1、機械掃查機構(gòu)
[0060]圖2為本發(fā)明實施例的機械掃查機構(gòu)示意圖。該機械掃查機構(gòu)由第一伺服電機21、第二伺服電機22、第一步進電機23、第二步進電機24、第三步進電機25、掃查架、絲杠、掃查頭組成。該機械掃查機構(gòu)具有四根支撐桿，所述四根支撐桿通過螺紋連接四個地腳螺母，可實現(xiàn)四根支撐桿高度的調(diào)整。通過調(diào)節(jié)四根支撐桿高度一致，形成XOY平面，與XOY平面垂直的軸為Z軸。第一伺服電機21和第二伺服電機22分別安裝在水平掃查架上，分別通過絲杠控制掃查頭水平方向的橫向和縱向運動，即第一伺服電機21控制掃查頭在X軸方向的運動，第二伺服電機22控制掃查頭在Y軸方向的運動，三個步進電機安裝在垂直掃查架上，第一步進電機23通過絲杠控制掃查頭在豎直方向(Z方向)的運動，第二步進電機24連接A軸，控制掃查頭沿X軸正負方向擺動，第三步進電機25連接B軸，控制掃查頭沿Y軸正負方向擺動，五個電機可以控制掃查頭實現(xiàn)三維立體的運動，還能控制敲擊錘空間姿態(tài)，實現(xiàn)敲擊錘角度的偏轉(zhuǎn)，對曲面結(jié)構(gòu)進行檢測。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)平面材料的掃描，也可以實現(xiàn)三維曲面掃描。
[0061]機械掃查機構(gòu)接收運動控制單元發(fā)送的電機驅(qū)動信號，在驅(qū)動信號的控制下移動掃查頭的位置到目標位置、調(diào)整掃查頭的姿態(tài)，使之保持垂直于工件表面的姿態(tài)，并實時發(fā)送反饋伺服電機編碼器信號到運動控制單元。
[0062]本實施例中，機械掃查機構(gòu)具有最大測量范圍，達到X方向500毫米，Y方向300毫米，Z方向200毫米，A轉(zhuǎn)動軸范圍±50°，B轉(zhuǎn)動軸范圍±30°。
[0063]2、運動控制單元
[0064]圖3為本發(fā)明實施例運動控制單元的示意圖。運動控制單元接收控制計算機發(fā)送運動控制指令，根據(jù)運動控制指令生成驅(qū)動信號，發(fā)送驅(qū)動信號給機械掃查機構(gòu);判斷掃查頭是否到達本次敲擊目標位置，如果到達，則暫停發(fā)送驅(qū)動信號制動機械掃查機構(gòu);實時計算掃查頭的位置信息并發(fā)送給控制計算機。
[0065]本實施例中，運動控制單元包含I個控制器、2個伺服電機驅(qū)動器和3個步進電機驅(qū)動器。控制器采用控制器ACR9000實現(xiàn)，該控制器接收來自控制計算機送來的運動控制指令，所述運動控制指令是指包含兩個伺服電機運行速度、運行距離(掃描間距)、三個步進電機運行速度、步進角度的數(shù)字信號，并將控制指令解析，將解析后兩個伺服電機需要轉(zhuǎn)動的周數(shù)和運行速度作為位置指令，分別發(fā)送給對應(yīng)的伺服電機驅(qū)動器，將解析后三個步進電機應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的周數(shù)和運行速度作為角位移指令，分別發(fā)給對應(yīng)的步進電機驅(qū)動器，同時負責接收兩個伺服電機驅(qū)動器反饋的位置信息。其中位置信息是包含兩個伺服電機運行周數(shù)的數(shù)字信號。同時控制器將包含兩個伺服電機運行周數(shù)的位置信號發(fā)送給控制計算機。
[0066]對于伺服電機驅(qū)動器而言，接收控制器送來的位置指令，即伺服電機需要轉(zhuǎn)動的周數(shù)和運行速度，首先把位置指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)的一系列脈沖信號，然后將其放大輸出給伺服電機執(zhí)行動作，使電機朝目標位置移動;其中，脈沖信號的相位變化快慢決定了電機運行速度。接收伺服電機發(fā)送的編碼器信號，所述編碼器信號是指伺服電機運行周數(shù)的脈沖信號，伺服電機驅(qū)動器根據(jù)編碼器反饋的編碼器信號可以得到伺服電機運行的周數(shù)，當該周數(shù)與位置指令中伺服電機需要轉(zhuǎn)動的周數(shù)一樣時，停止向伺服電機發(fā)送脈沖信號，使伺服電機停止運行。同時伺服電機驅(qū)動器將位置信息發(fā)送給控制器。其中位置信息是包含伺服電機運行周數(shù)的數(shù)字信號。
[0067]對于步進電機驅(qū)動器而言，接收控制器送來的角位移指令，即指步進電機需要旋轉(zhuǎn)的周數(shù)和運行速度，經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大輸出脈沖信號給步進電機執(zhí)行動作，其中脈沖個數(shù)控制角位移量，脈沖頻率控制控制電機運行速度。步進電機驅(qū)動器接收到驅(qū)動信號后驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，帶動敲擊檢測裝置到達目標位置；
[0068]控制器通過一系列的控制信號完成將掃查頭移動到目標位置，并調(diào)整好掃查頭姿態(tài)后，向控制計算機發(fā)送掃查頭的位置信號，所述位置信號為兩個伺服電機運行周數(shù)。
[0069]3、多通道敲擊檢測裝置
[0070]多通道敲擊檢測裝置包括多個敲擊錘，接收信號采集卡發(fā)送的控制信號，產(chǎn)生驅(qū)動電流信號，同時輸出給多個敲擊錘，各敲擊錘均與機械掃查機構(gòu)的掃查頭機械連接，隨機械掃查機構(gòu)運動，驅(qū)動電流信號驅(qū)動多個敲擊錘同時敲擊待測樣品并采集敲擊信號，將得到的多路敲擊信號進行調(diào)理后生成多路調(diào)理信號輸出給信號采集卡。
[0071]圖4為一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)的多通道敲擊檢測裝置示意圖。如圖所示，該多通道敲擊檢測裝置包括驅(qū)動電路、調(diào)理電路、N個敲擊錘，每個敲擊錘包括I個電磁錘和I個敲擊頭。本實施例，N=4，其中:
[0072 ]敲擊檢測裝置中的敲擊錘固定于機械掃查機構(gòu)的掃查頭上。
[0073]3.1敲擊錘
[0074]圖5為本實施例敲擊錘結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，電磁錘由兩個電磁線圈1、鐵磁塊2和一個金屬滑桿3構(gòu)成;敲擊頭由壓電晶片傳感器4和合成塑料錘頭5組成。兩個電磁線圈按相反的螺旋方向分別固定在金屬框6兩端，兩個電磁線圈之間留有一定間隔，所述間隔即為敲擊錘上下運動的行程，使鐵磁塊2能在兩個電磁線圈之間上下運動。金屬滑桿3—端從固定于金屬框6下端的電磁線圈I中間通過，并與鐵磁性材料制成的鐵磁塊2固定，金屬滑桿3另一端依次固定壓電傳感器4及合成塑料錘頭5。所述壓電傳感器4用壓電晶片實現(xiàn)，所述敲擊頭采用由樹脂與導電金屬粉固化而成的材料封裝，所述導電金屬粉為鎢粉。這種封裝可以提高敲擊頭的阻尼，有效抑制壓電傳感器固有頻率對傳輸結(jié)果的影響，使輸出結(jié)果主要表現(xiàn)為壓電傳感器受加速度沖擊載荷的受迫振動。
[0075]驅(qū)動電路發(fā)送的兩路驅(qū)動電流信號分別連接至兩個電磁線圈，兩個電磁線圈中電流交替通斷，第一個電磁線圈在第一路電流信號的驅(qū)動下產(chǎn)生磁力，吸引鐵磁塊帶動金屬滑桿向上運動，第二個電磁線圈在第二路電流信號的驅(qū)動下產(chǎn)生磁力，吸引鐵磁塊帶動金屬滑桿向下運動，兩路驅(qū)動電流周期循環(huán)交替出現(xiàn)，從而驅(qū)動金屬滑桿往復運動。被測物件在敲擊錘的作用力下發(fā)生形變并產(chǎn)生回彈力，壓電傳感器將檢測到的回彈力轉(zhuǎn)換成敲擊信號并輸出到調(diào)理電路。
[0076]敲擊錘敲擊膠接良好區(qū)域與脫粘區(qū)域，其接觸力、接觸時間不同，內(nèi)置壓電傳感器感知接觸時間的大小、通過測量壓電傳感器輸出的電信號脈沖寬度，檢測產(chǎn)品是否存在脫粘缺陷。
[0077]3.2驅(qū)動電路
[0078]驅(qū)動電路，位于機械掃查機構(gòu)的掃查架上，接收外部的控制信號，產(chǎn)生2N路驅(qū)動電流信號，同時輸出給N個敲擊錘；
[0079]根據(jù)圖6可知，所述驅(qū)動電路包括第一輸入端口(portl)、第二輸入端口(port2)、兩個電阻Rl和R2、兩個三極管Ql和Q2，第一輸入端口(portl)和第二輸入端口(port2)分別連接電阻Rl和R2的一端，電阻Rl和R2另一端連接Ql和Q2的基極，Ql和Q2的集電極分別連接敲擊錘中的第一電磁線圈LI和第二電磁線圈L2，Q1和Q2的發(fā)射極分別接地，當?shù)谝惠斎攵丝?portl)輸入高電平，第二輸入端口(port2)輸入低電平時，在Rl和Ql的基極-發(fā)射極產(chǎn)生電流，該電流經(jīng)三極管放大后在Ql集電極產(chǎn)生電流流經(jīng)第一電磁線圈LI，第一電磁線圈LI通上電流后產(chǎn)生磁力，此時R2和Q2的基極-發(fā)射極不存在基極電流，在Q2集電極沒有電流流經(jīng)第二電磁線圈L2，第二電磁線圈L2不產(chǎn)生磁力;第一電磁線圈LI向上吸引滑桿上的鐵塊，帶動敲擊錘向上運動；當輸入端口 I輸入低電平，輸入端口 2輸入高電平時，在Rl和Ql的基極-發(fā)射極不存在電流，在Ql集電極沒有電流流經(jīng)第一電磁線圈LI，第一電磁線圈LI不產(chǎn)生磁力，此時R2和Q2的基極-發(fā)射極產(chǎn)生基極電流，該電流經(jīng)三極管放大后在Q2集電極產(chǎn)生電流流經(jīng)第二電磁線圈L2，第二電磁線圈L2產(chǎn)生磁力，第二電磁線圈L2向下吸引滑桿上的鐵塊，帶動敲擊錘向下運動。
[0080]驅(qū)動電路通過兩路驅(qū)動電流分別控制兩個電磁線圈交替通斷，實現(xiàn)金屬滑桿的往復運動?，F(xiàn)有市場上的敲擊錘主要由單電磁線圈和彈簧組成，其彈簧復位時不容易產(chǎn)生震蕩，相對于這種敲擊錘而言，按照本發(fā)明所制成的敲擊錘敲擊過程完全受到控制，具有良好的檢測效果。而且，采用電信號控制敲擊錘的敲擊運動，可以有效地控制敲擊錘的頻率和力度，不會因過度敲擊損壞被檢測件，并且力度能控制得比較均勻，敲擊頻率高、可靠性高。[0081 ]加載在敲擊錘上的兩路輸入電壓信號，為兩路方波信號，輸入端口 2的信號與輸入信號相位相反，即輸入端口 I的信號為高電平時，輸入端口 2的信號為低電平，輸入端口 I的信號為低電平時，輸入端口 2的信號為高電平。電磁線圈產(chǎn)生的磁力由通過線圈的電流決定，可能通過調(diào)節(jié)輸入端口的電壓控制電磁頭的敲擊力度和敲擊頻率。本實施例可以長時間工作在20Hz敲擊頻率下。
[0082]為了降低多通道敲擊檢測裝置的功耗，減少電磁線圈發(fā)熱，對電磁線圈起到保護作用，延長其使用壽命。釋放第一個電磁線圈的電流之前，可以控制輸入端口 I的信號先將電壓降低，并保持一段時間，直到輸入端口 2的信號變?yōu)楦唠娖綍r再變?yōu)榈碗娖?。如圖7所示，第一端口的輸入信號I為一個周期可調(diào)節(jié)的方波信號，該信號包含三個電平，其順序依次分別為(4?5)V電平、(3.5?4)V的電平和低電平?？刂菩盘?的信號周期同控制信號1，該信號包含兩個電平，其順序依次為低電平和高電平(4?5)V電平。其中高電平作用時間與控制信號I的低電平作用時刻和時長相等。
[0083]3.3調(diào)理電路
[0084]調(diào)理電路，接收N個敲擊錘采集的敲擊信號，對敲擊信號進行放大、濾波后生成調(diào)制信號輸出到外部設(shè)備；
[0085]調(diào)理電路包括運算放大電路、濾波電路，運算放大電路用于將外部輸入的敲擊信號進行放大后輸出給濾波電路，濾波電路對放大后的信號進行低通濾波消除信號上的毛刺，作為調(diào)制信號輸出。
[0086]根據(jù)圖8可知，本實例中，調(diào)理電路由運算放大器INA118、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容Cl構(gòu)成，其特征在于:
[0087]運算放大器INA118的差分輸入端接收壓電傳感器輸出的電信號，分別接2M上拉電阻R1、電阻R2至參考電平(1.65V)，負極電源端接地，正極電源端接供電電源(3.3V)，輸入?yún)⒖级诉B接參考電平(1.65V);輸出端連接R4的一端，其余兩個管腳外接增益電阻R3，R4的另一端分成兩路，一路接Cl，C1的另一端接地，電阻R4和Cl形成的濾波器，另一路為調(diào)理電路的輸出。
[0088]根據(jù)圖9可知，輸出的敲擊信號為脈沖信號。當敲擊部位膠接良好區(qū)域時，輸出的電信號脈沖窄，如圖9(a)所示；當敲擊部位為脫粘區(qū)域時，輸出的電信號脈沖寬，如圖9(b)所示。
[0089]4、信號采集卡
[0090]信號采集卡在獲得控制計算機下達的敲擊控制指令后，發(fā)送控制信號給敲擊檢測裝置，敲擊檢測裝置的驅(qū)動控制電路接收外部的控制信號，產(chǎn)生2N路驅(qū)動電流信號，同時輸出給N個敲擊錘;多路敲擊錘同時敲擊待測樣品，敲擊檢測裝置將得到的N路敲擊信號進行調(diào)理后輸出給信號采集卡;信號采集卡將敲擊檢測裝置輸出的多路調(diào)理信號同時采集，將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出給控制算計機。
[0091]5、控制計算機
[0092]控制計算機接收外部輸入的掃描范圍、掃描速度、掃描間距(如:掃查范圍:200mm*100mm，掃描速度:100mm/s，掃描間距:lmm)，發(fā)送單次運動控制指令給運動控制單元，之后，根據(jù)掃描間隔、掃描速度計算掃查準備時間，所述掃查準備時間為掃查頭到達本次敲擊目標位置所需要的時間。例如，掃查準備時間為掃描間隔除以掃描速度=0.01s。在間隔掃查準備時間之后，向信號采集卡發(fā)送敲擊控制指令，等待多通道敲擊檢測裝置完成敲擊檢測和信號采集，接收信號采集卡反饋的本次敲擊檢測數(shù)據(jù)并存儲，之后，獲取運動控制單元實時反饋的掃查頭位置信息，將掃查頭位置信息轉(zhuǎn)換為每個敲擊點的位置信息，將每個敲擊點的位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，根據(jù)每個敲擊點的有效信號寬度實時繪制C掃描檢測圖像，隨后再次發(fā)送單次運動控制指令給運動控制單元，如此循環(huán)往復，直到掃描范圍內(nèi)的區(qū)域全部掃查檢測完畢，實現(xiàn)對待測樣品缺陷的定位、定性和定量檢測。
[0093]控制計算機對信號采集卡輸出的數(shù)字信號分別進行低通和高通濾波處理后，提取有效信號的寬度。其中，高通濾波的截止頻率是300Hz，低通濾波截止頻率是6kHz ο提取的有效信號寬度為:信號的上升沿大于預(yù)設(shè)第一門限值到下降沿小于預(yù)設(shè)的第二門限值之間的時間寬度。本實施例中，第一門限值取700mv和第二門限值取lOOmv。第一通道的位置信息與掃查頭的位置信息一致，當多通道敲擊裝置中N=I時，為單通道敲擊，成像圖像的位置信息為運動控制單元發(fā)送的位置信息；當多通道敲擊時，以第一通道的位置坐標為基準，其他通道的位置信息按與該通道敲擊錘的相對位置進行偏移后確定的其他通道的位置坐標。例如，本實施例中N=4時，其中掃查頭為(Χ0，Υ0)，與第一通道敲擊錘的坐標一一對應(yīng)，其余3個通道敲擊錘的坐標可以通過與該敲擊錘的相對位置進行偏移獲得，分別為(Χ0+ΛΧ，Υ0)、(ΧΟ+2ΛΧ，YO) (ΧΟ+3ΛΧ，YO)，其中ΛΧ表示各敲擊錘的間距。
[0094]伺服電機運行的周數(shù)乘以對應(yīng)軸向絲杠的行程比，可以得到當前時刻掃查頭在X方向相對于起始點距離和Y方向相對應(yīng)起始點的距離，從而得到掃查頭在XOY平面的坐標信息。
[0095]三維曲面掃查時位置坐標為曲面展開成平面得到的位置坐標。
[0096]所述控制計算機根據(jù)每個敲擊點的有效信號寬度實時繪制C掃描檢測圖像的具體過程為:提取該信號的有效信號寬度，建立寬度與256階顏色灰度的線性關(guān)系，按照掃描間距及位置信息逐點進行顏色標識，形成C掃描檢測圖像。所述C掃描檢測圖像的變量為被測點的坐標信息，值為有效信號寬度。
[0097]下面結(jié)合實施例對多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)的檢測過程進行介紹
[0098]實施例:
[0099]本發(fā)明適用的被檢測復合材料膠接結(jié)構(gòu)尺寸范圍較大，單次檢測長度范圍:500mm;寬度范圍:300mm;蜂窩蒙皮厚度范圍:<1.5mm。
[0100]本發(fā)明采用蜂窩膠接結(jié)構(gòu)敲擊自動檢測系統(tǒng)進行蜂窩膠接結(jié)構(gòu)件檢測的具體過程如下:
[0101 ]步驟一、將被檢測材料置于機械掃查機構(gòu)掃查平面中央位置，材料長度方向為X方向，寬度方向為Y方向，掃描起始點為材料的左上方位置;所采用的多通道敲擊錘Y向最大中心間距m0
[0102]步驟二、接通系統(tǒng)電源，開啟控制計算機和運動控制單元；
[0103]步驟三、在控制計算機上，通過程序軟件控制機械掃查機構(gòu)將第一個通道的敲擊錘移動到掃查起始位置(該敲擊錘位于起始點正上方)，其他通道的敲擊錘位置分別按照第一通道敲擊錘的坐標進行偏移確定；
[0104]步驟四、調(diào)整敲擊錘距被檢測件表面距離，保證敲擊錘與被檢測件表面的距離在敲擊行程距離之內(nèi)；
[0105]步驟五、在控制計算機根據(jù)被檢測材料設(shè)置掃描參數(shù)，輸入掃描范圍(100X120)、掃描間距(lmm)、掃描速度(200mm/s)、敲擊頻率(20Hz)。
[0106]步驟六、開始進行掃查，具體檢測方法如下:
[0107](I)運動控制單元發(fā)送本次電機驅(qū)動信號給機械掃查機構(gòu)，并接收機械掃查機構(gòu)中伺服電機實時反饋編碼器信號，控制機械掃查機構(gòu)的X軸運動，使各通道敲擊錘以掃描速度V沿正X方向運動，保證第一通道敲擊錘到達位置坐標(I，O)處。運動控制單元實時反饋位置信號給控制計算機。
[0108](2)控制計算機根據(jù)掃描速度計算得出第一通道敲擊錘到達位置坐標(I，0)的時間t，延時該時間后，發(fā)送敲擊控制指令給信號采集卡；
[0109](3)信號采集卡發(fā)送多通道敲擊控制信號給敲擊檢測裝置，同時驅(qū)動多路敲擊錘同時敲擊待測樣品一次；
[0110](4)多通道敲擊錘在敲擊待測樣品后，其內(nèi)部的壓電傳感器將回彈力轉(zhuǎn)換成電信號通過放大后輸出多通道調(diào)理信號給信號采集卡；
[0111](5)信號采集卡采集多通道調(diào)理信號輸出給控制計算機檢測數(shù)據(jù)，并觸發(fā)控制計算機獲取運動控制單元實時反饋的敲擊錘位置信息；
[0112](6)控制計算機將得到的多通道檢測數(shù)據(jù)，提取信號的有效寬度，并與各通道敲擊錘的位置按照顏色標示進行成像；
[0113](7)重復步驟(I)?(6)，直至第一通道敲擊錘位置到達位置坐標(100，0)后，控制機械掃查機構(gòu)的Y軸運動，使各通道敲擊錘以掃描速度V沿正Y方向運動，保證第一通道敲擊錘到達位置坐標(100，1)處。運動控制單元實時反饋位置信號給控制計算機。
[0114](8)控制計算機根據(jù)掃描速度和掃描間隔計算得出第一通道敲擊錘到達位置坐標(99，1)的時間t，延時該時間后，發(fā)送敲擊控制指令給信號采集卡；
[0115](9)信號采集卡發(fā)送多通道敲擊控制信號給敲擊檢測裝置，同時驅(qū)動多路敲擊錘同時敲擊待測樣品一次；
[0116](10)多通道敲擊錘在敲擊待測樣品后，其內(nèi)部的壓電傳感器將回彈力轉(zhuǎn)換成電信號通過放大后輸出多通道調(diào)理信號給信號采集卡；
[0117](11)信號采集卡采集多通道調(diào)理信號輸出給控制計算機檢測數(shù)據(jù)，并觸發(fā)控制計算機獲取運動控制單元實時反饋的敲擊錘位置信息；
[0118](12)控制計算機將得到的多通道檢測數(shù)據(jù)，提取信號的有效寬度，并與各通道敲擊錘的位置按照顏色標示進行成像；
[0119](13)重復步驟(8)?(12)直至第一通道敲擊錘位置到達位置坐標(0，1)后，控制機械掃查機構(gòu)的Y軸運動，使各通道敲擊錘以掃描速度V沿正Y方向運動，保證第一通道敲擊錘到達位置坐標(0，2)處。運動控制單元實時反饋位置信號給控制計算機。
[0120](14)重復步驟(I)?(13)，直至第一通道敲擊錘縱坐標Y等于m時，控制機械掃查機構(gòu)的Y軸運動，使各通道敲擊錘以掃描速度V沿正Y方向運動m距離。運動控制單元實時反饋位置信號給控制計算機。
[0121](15)重復步驟(I)?(14)，直至掃查結(jié)束。
[0122]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于包括控制計算機、運動控制單元、機械掃查機構(gòu)、多通道敲擊檢測裝置、信號采集卡，其中: 控制計算機，接收外部輸入的掃描范圍、掃描速度、掃描間距，在每個掃查控制周期，向運動控制單元發(fā)送運動控制指令，根據(jù)掃描間隔、掃描速度確定發(fā)送敲擊控制指令的時機，向信號采集卡發(fā)送敲擊控制指令，接收信號采集卡輸出的敲擊檢測數(shù)據(jù)和運動控制單元實時反饋的掃查頭位置信息，根據(jù)掃查頭位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)實時繪制C掃描檢測圖像； 運動控制單元，根據(jù)運動控制指令生成驅(qū)動信號并發(fā)送給機械掃查機構(gòu)；判斷掃查頭是否到達目標敲擊位置，如果到達，則暫停發(fā)送驅(qū)動信號制動機械掃查機構(gòu);實時計算掃查頭的位置信息并發(fā)送給控制計算機； 機械掃查機構(gòu)，在驅(qū)動信號的控制下移動掃查頭的位置、調(diào)整掃查頭的姿態(tài)，并實時發(fā)送反饋信號到運動控制單元； 信號采集卡，接收控制計算機發(fā)送的敲擊控制指令，生成控制信號發(fā)送給多通道敲擊檢測裝置;采集多通道敲擊檢測裝置輸出的多路調(diào)理信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成敲擊檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給控制計算機； 多通道敲擊檢測裝置，接收信號采集卡發(fā)送的控制信號，產(chǎn)生驅(qū)動電流信號，同時輸出給多個敲擊錘，各敲擊錘均與機械掃查機構(gòu)的掃查頭機械連接，隨機械掃查機構(gòu)運動，驅(qū)動電流信號驅(qū)動多個敲擊錘同時敲擊待測樣品并采集敲擊信號，將得到的多路敲擊信號進行調(diào)理后生成多路調(diào)理信號輸出給信號采集卡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于所述多通道敲擊檢測裝置包括驅(qū)動電路、調(diào)理電路、N個敲擊錘，每個敲擊錘包括I個電磁纏和I個敲擊頭，N^ I，其中: 驅(qū)動電路，接收信號采集卡輸入的控制信號，產(chǎn)生2N路驅(qū)動電流信號，同時輸出給N個電磁錘； 調(diào)理電路，接收N個敲擊頭采集的敲擊信號，對敲擊信號進行放大、濾波和生成調(diào)理信號輸出到信號采集卡； 電磁錘，包括兩個電磁線圈、磁鐵塊和金屬滑桿;兩個電磁線圈按相反的螺旋方向分別固定在金屬框上下兩端，金屬滑桿從下端的電磁線圈中間穿過，上端固定連接鐵磁性材料制成的鐵磁塊，下端固定連接敲擊頭，兩個電磁線圈之間留有一定間隔，使鐵磁塊能在兩個電磁線圈之間上下活動；驅(qū)動電路發(fā)送的兩路驅(qū)動電流信號分別連接至兩個電磁線圈，兩路驅(qū)動電流周期循環(huán)交替出現(xiàn)，使兩個電磁線圈中電流交替通斷，從而驅(qū)動金屬滑桿上下往復運動； 敲擊頭，固定連接在電磁錘的金屬滑桿末端，隨金屬滑桿反復敲擊被測物件，被測物件在敲擊頭的作用力下發(fā)生形變并產(chǎn)生回彈力，敲擊頭內(nèi)部含有壓電傳感器，壓電傳感器檢測回彈力，將回彈力轉(zhuǎn)換成敲擊信號并輸出到調(diào)理電路。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述驅(qū)動電路包括第一輸入端口、第二輸入端口、兩個電阻Rl和R2、兩個三極管Ql和Q2，第一輸入端口和第二輸入端口分別連接電阻Rl和R2的一端，電阻Rl和R2另一端分別連接Ql和Q2的基極，Ql和Q2的集電極分別連接電磁錘中的第一電磁線圈LI和第二電磁線圈L2，Q1和Q2的發(fā)射極均接地。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)理電路包括運算放大器1嫩118、電阻1?1、1?2、1?、1?4、電容(:1; 運算放大器INA118的差分輸入端為調(diào)理電路的輸入端，分別通過電阻R1、電阻R2上拉至參考電平，負極電源端接地，正極電源端連接供電電源，輸入?yún)⒖级诉B接參考電平，輸出端連接R4的一端，其余兩個管腳外接增益電阻R3，R4的另一端分成兩路，一路接Cl，Cl的另一端接地，電阻R4和Cl形成的濾波器，另一路為調(diào)理電路的輸出。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于所述敲擊頭采用由樹脂與導電金屬粉固化而成的材料封裝而成。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于所述導電金屬粉為鎢粉。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于所述控制計算機根據(jù)掃查頭位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)實時繪制C掃描檢測圖像的具體過程為:對敲擊檢測數(shù)據(jù)進行濾波處理后，提取各調(diào)理信號中的有效信號寬度;將掃查頭位置信息轉(zhuǎn)換為每個敲擊點的位置信息，將每個敲擊點的位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，建立每路調(diào)理信號中的有效信號寬度與顏色灰度的線性關(guān)系，逐點進行顏色標識，形成C掃描檢測圖像。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測系統(tǒng)，其特征在于所述控制計算機提取的有效信號寬度為:信號的上升沿大于預(yù)設(shè)第一門限值到下降沿小于預(yù)設(shè)的第二門限值之間的時間寬度。9.一種復合材料膠接結(jié)構(gòu)多通道敲擊自動檢測方法，其特征在于包括如下步驟: (1)、設(shè)定掃描范圍、掃描速度、掃描間距； (2)、按照掃描范圍、掃描速度、掃描間距，將多通道敲擊檢測裝置移至單次目標敲擊位置的上方； (3)、發(fā)送敲擊控制信號控制多通道敲擊檢測裝置對待測樣品進行敲擊并采集多路敲擊信號； (4)、獲取多通道敲擊檢測裝置每個敲擊點的位置和每路敲擊信號的有效寬度； (5)、將每個敲擊點的位置信息和敲擊檢測數(shù)據(jù)一一對應(yīng)； (6)、建立每路敲擊信號中的有效信號寬度與顏色灰度的線性關(guān)系，逐點進行顏色標識，繪制C掃描檢測圖像； (7)、循環(huán)執(zhí)行步驟(I)?步驟(6)，直到掃描范圍內(nèi)的區(qū)域全部掃查檢測完畢。
【文檔編號】G01N29/04GK106053600SQ201610499882
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】何雙起, 張穎, 陳穎, 吳時紅, 趙建華, 羅明
【申請人】航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院