CN117849115A - 一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,包括机械扫描模块、机械控制模块、热像采集模块及数据分析处理模块;机械扫描模块,包括传动带和工字型梁,被检测试件置于传动带上,工字型梁悬挂热像采集模块;机械控制模块,控制机械扫描模块的传动带将被检测试件移动至扫描区物理零点位置;热像采集模块,安装在机械扫描模块上,对热像数据进行采集和缺陷定位;被检测试件到达每个分区中心位置时,采集5‑10帧温度变化信息后,激励被检测试件,采集被检测试件表面在脉冲热源激励影响下产生的温度变化信息,获取被检测试件所在被检测区的热像序列。本发明解决现有航天器复合材料结构板自动化检测与缺陷智能识别的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测方法,属于复合材料结构板无损检测技术领域。
背景技术
目前航天器复合材料结构板的红外热像检测采用手动检测的方法,工作涉及手动检测准备环节多、时间长,在热像检测采集前需人工按照单次可检面积对被检产品进行分区标记,对检测系统进行调试,结合被测物体进行检测布局相对位置不断调整,检测效率低,操作人员劳动强度大,手动检测准确性、全面性和有效性很大程度上依赖于测试人员的操作经验和能力。
目前,单次检测面积约为300mm×300mm,1m×1m的蜂窝夹层结构板,分区和测量时间约为2小时左右,检测效率低。针对航天器逐年增加的碳蒙皮复合材料蜂窝夹层结构板的检测需求,手动检测时间长,难以实现检测环节的快速响应,影响产品生产效率。
航天器复合材料结构板检测过程中手工操作环节多,各环节过程及参数控制具有差异,手动检测准确性、全面性和有效性很大程度上依赖于测试人员的操作经验和能力,产品质量检测结果对操作者技能的依赖程度大,产品检测一致性和稳定性差。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测方法,解决现有航天器复合材料结构板自动化检测与缺陷智能识别的难题。
本发明解决技术的方案是:
一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,包括机械扫描模块、机械控制模块、热像采集模块及数据分析处理模块;其中,
机械扫描模块,包括传动带和工字型梁,被检测试件置于传动带上,工字型梁悬挂热像采集模块;
机械控制模块,控制机械扫描模块的传动带将被检测试件移动至扫描区物理零点位置;对每个分区进行时序性检测时,控制机械扫描模块的工字型梁将热像采集模块移动至每个分区的中心位置;对缺陷进行标记时,控制机械扫描模块的工字型梁带动热像采集模块中的激光器及标记笔移动,标记热像图中缺陷的中心位置及缺陷边缘;
热像采集模块,安装在机械扫描模块上,对热像数据进行采集和缺陷定位;被检测试件到达每个分区中心位置时,采集5-10帧温度变化信息后,激励被检测试件,采集被检测试件表面在脉冲热源激励影响下产生的温度变化信息,获取被检测试件所在被检测区的热像序列;
数据分析处理模块,对获取的热像序列进行多项式拟合和一阶微分处理,得到一阶导数热像序列,对一阶导数热像序列中缺陷进行智能识别,并标记出缺陷的轮廓。
进一步的,工字型梁包括沿X轴方向的横梁、沿Y轴方向的纵梁和沿着Z轴方向的垂直梁,热像采集模块悬挂在垂直梁上,通过机械控制模块控制工字型梁在三轴方向的三自由度移动。
进一步的,传动带置于工字型梁下方,通过电机驱动传动带带动被检测试件移动至扫描区物理零点位置。
进一步的,热像采集模块包括激励源,以激励被检测试件,激励源为卤素灯或氙灯,激励时间为0.2~0.9秒,激励角度不大于45°。
进一步的,激励源激励被检测试件表面升温速率为15-50℃/s,激励源功率不低于1000W。
进一步的,热像采集模块采集的帧频≥50Hz,采集时间为2-6s。
进一步的,热像采集模块包括红外热像仪,测温范围为0℃-100℃。
进一步的,对每个分区进行时序性检测时,根据单次实际检测区域、重叠区域和工件尺寸,按照行优先、隔区检测的原则进行自动分区编码,按行遍历,从0行开始,正向和反向扫描。
进一步的,通过T(t)=a0tn+a1tn-1+a2tn-2+......+an-1t+an,对获取的热像序列进行拟合,其中T(t)为温度随时间变化的函数,t为时间,a0,a1,…,an为拟合的多阶系数,n为拟合的最高阶阶次。
进一步的,一阶导数热像序列为其中N为自然数。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明采用高精度激光定位的方法,控制机械扫描模块到达指定的红外热像图中缺陷位置坐标,采用激光指示器指示出定位点,可实现缺陷精确标记;
(2)本发明满足航天器复合材料内部≤Φ10mm的内部脱粘类缺陷的有效检出,单次检测面积≥500mm×600mm,单次检测时间≤40s,能够高效率高精度完成航天器复合材料内部质量检测评价。
附图说明
图1为本发明方法流程图;
图2为本发明设备模块示意图
图3为本发明缺陷智能识别CNN神经网络结构;
图4为本发明蒙皮厚度0.3mm的航天器复合材料结构板对比试件温度时间曲线和1阶导数时间曲线;
图5为本发明红外热像一阶导数序列45帧智能识别结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,如图2所示,包括机械扫描模块、机械控制模块、热像采集模块及数据分析处理模块;其中,
机械扫描模块,包括传动带和工字型梁,被检测试件置于传动带上,工字型梁悬挂热像采集模块;
机械控制模块,控制机械扫描模块的传动带将被检测试件移动至扫描区物理零点位置;对每个分区进行时序性检测时,控制机械扫描模块的工字型梁将热像采集模块移动至每个分区的中心位置;对缺陷进行标记时,控制机械扫描模块的工字型梁带动热像采集模块中的激光器及标记笔移动,标记热像图中缺陷的中心位置及缺陷边缘;
热像采集模块,安装在机械扫描模块上,对热像数据进行采集和缺陷定位;被检测试件到达每个分区中心位置时,采集5-10帧温度变化信息后,激励被检测试件,采集被检测试件表面在脉冲热源激励影响下产生的温度变化信息,获取被检测试件所在被检测区的热像序列;
数据分析处理模块,对获取的热像序列进行多项式拟合和一阶微分处理,得到一阶导数热像序列,对一阶导数热像序列中缺陷进行智能识别,并标记出缺陷的轮廓。
工字型梁包括沿X轴方向的横梁、沿Y轴方向的纵梁和沿着Z轴方向的垂直梁,热像采集模块悬挂在垂直梁上,通过机械控制模块控制工字型梁在三轴方向的三自由度移动。
传动带置于工字型梁下方,通过电机驱动传动带带动被检测试件移动至扫描区物理零点位置。
热像采集模块包括激励源,以激励被检测试件,激励源为卤素灯或氙灯,激励时间为0.2~0.9秒,激励角度不大于45°。
激励源激励被检测试件表面升温速率为15-50℃/s,激励源功率不低于1000W。热像采集模块采集的帧频≥50Hz,采集时间为2-6s。热像采集模块包括红外热像仪,测温范围为0℃-100℃。
对每个分区进行时序性检测时,根据单次实际检测区域、重叠区域和工件尺寸,按照行优先、隔区检测的原则进行自动分区编码,按行遍历,从0行开始,正向和反向扫描。
通过T(t)=a0tn+a1tn-1+a2tn-2+......+an-1t+an,对获取的热像序列进行拟合,其中T(t)为温度随时间变化的函数,t为时间,a0,a1,…,an为拟合的多阶系数,n为拟合的最高阶阶次。一阶导数热像序列为其中N为自然数。
所述的数据分析处理模块对一阶导数热像序列的特定帧的热像图进行图谱智能识别分析,并判定缺陷;所述判定缺陷主要是在评判过程中对于存在缺陷的相应分区首先进行区定位,通过机械控制模块指挥机械扫描模块到达指定的区位置。机械扫描模块在开机归零后,机械坐标系内任意点的位置坐标已确定,建立红外热像仪的视场和检测区域的对应关系可确定检测图像与检测区域的对应关系,即可计算出红外热像图中缺陷位置坐标,指挥机械扫描模块到达指定的位置。
如图3所示,所述的智能识别分析是基于yolov4建立的卷积神经网络模型能够对红外热像图中存在缺陷进行智能识别,同时也可标记相关缺陷尺寸、面积等信息。
所述的yolov4建立的卷积神经网络模型基于TensorFlow环境进行YOLOv4模型架构,架构主要由主干网络、颈部网络及头部网络组成。模型将训练集中的热波特征图像数据输入神经网络后,经过一个卷积层,并与卷积核进行卷积运算,经过激活函数非线性运算后输出特征图。模型训练中需结合实际目标尺寸特征对神经网络结构中的超参数进行调整,如动量、迭代次数、最小批尺寸和学习率等。采用验证集热波特征图像数据输入神经网络后进行验证和测试,考核识别概率。
所述的激光器在机械扫描模块X、Y轴驱动下到达缺陷位置上方,并开启激光指示出缺陷中心定位点,并采用弹簧伸缩笔进行缺陷的外轮廓标记,可实现缺陷位置和尺寸的精确标记。
所述的激光器发出的激光束是在空间中的物理坐标系内进行描述的,而红外图像缺陷位置的坐标系是在图像坐标系内进行描述的,由于两个坐标系的描述方式不同,需要进行坐标系的转换和配准。
①标定基准:在目标场景中选择多个基准点,利用激光束进行标定;标定过程中需要记录基准点在空间坐标系和图像坐标系的位置信息。
②通过标定基准进行坐标系转换,将图像的缺陷位置转换为光斑位置。
③配准:将空间坐标系中的位置信息与图像中的鼠标点击位置(即光斑位置)进行配准,从而确定激光束对应图像的位置。
所述的数据分析处理模块将对检测的红外特征图像进行分析,并自动生成检测报告。
所述的检测报告包含结构板参数信息、检测结果。系统能够获取能够读取输入工件的元数据信息以及检测内容的特征,最后生成包含工件检测结果详细信息的报告。
实施例
本发明的试验测试载体为一种蒙皮厚度为0.3mm的内置人工预制脱粘缺陷的航天器复合材料结构板对比试件,缺陷尺寸为Φ15mm、Φ20mm、Φ30mm。
一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测方法,如图1所示,步骤如下:
步骤1:将被检测的试件边缘放置在传送带上,启动传送带将试件传输进去,使其左上角对齐检测平台零点位置,确定扫描区物理零点;目视系统上的钢尺,获取被检测试件物理尺寸,测量试件尺寸为1200mm×1500mm;
步骤2:输入试件尺寸1200mm×1500mm,进行路径规划,单个检测面积设置为500mm×600mm,长宽重叠区域均为10mm,进行分区计算,计算得到的分区为3×3,设置跳区检测;基于被检测试件物理尺寸及热像仪的检测视场,对被检测试件面积进行分区;按照行优先规则,对整个被检测试件的每个分区进行时序性检测;
步骤3:执行过程中控制机械扫描模块进行精确定位到第1个检测区域后,然后控制激励源对被检测试件进行加热和控制热像仪进行数据采集温度随时间变化的信息,如图4,记录采集数据,进行数据处理,然后自动移动到下1个检测区域,开始检测,并重复上述操作,直至所有区域均检测完成;
步骤4:获得检测结果,并对获取的检测结果进行多项式拟合和一阶微分处理,得到一阶导数热像序列,对序列中缺陷进行智能识别,并标记出缺陷的轮廓;如图5所示;
步骤5:将机械扫描模块重复定位到缺陷的热像图区域,并通过机械控制模块移动激光器指示缺陷中心,并采用弹簧伸缩笔进行缺陷标记。
本发明方法实现了航天器复合材料结构板的自动化检测、智能化识别以及缺陷的自动标示,能够作为结构板自动化在线检测单元融入碳蒙皮结构板批产生产线中,实现航天器结构板在线检测。
本发明采用红外热像特征图智能识别方法,能够对缺陷尺寸面积的量化检测,提出的卷积神经网络模型与一阶导数序列相结合,相比于传统的红外热波检测方法而言特征提取能力和泛化能力更强、速度更快、精度高,将基于深度学习的卷积神经网络代替人眼参与到识别过程中,解放了人眼在传统识别过程中的劳动,大大提高了识别效率,对缺陷或损伤的评估具有重要意义;
本发明采用高精度激光定位的方法,指挥机械扫描模块到达指定的红外热像图中缺陷位置坐标,采用激光指示器指示出定位点,可实现缺陷精确标记;
本发明满足航天器复合材料内部≤Φ10mm的内部脱粘类缺陷的有效检出,单次检测面积≥500mm×600mm,单次检测时间≤40s,能够高效率高精度完成航天器复合材料内部质量检测评价;
本发明解决批产模式下现用手工检测效率低、一致性差、劳动力成本大等问题,提高结构板胶接质量检测灵敏度,实现胶接缺陷高精度自动检测,大幅提高检测效率,满足航天器碳蒙皮蜂窝夹层结构板批量化研制快速检测响应需求。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,包括机械扫描模块、机械控制模块、热像采集模块及数据分析处理模块;其中,
机械扫描模块,包括传动带和工字型梁,被检测试件置于传动带上,工字型梁悬挂热像采集模块;
机械控制模块,控制机械扫描模块的传动带将被检测试件移动至扫描区物理零点位置;对每个分区进行时序性检测时,控制机械扫描模块的工字型梁将热像采集模块移动至每个分区的中心位置;对缺陷进行标记时,控制机械扫描模块的工字型梁带动热像采集模块中的激光器及标记笔移动,标记热像图中缺陷的中心位置及缺陷边缘;
热像采集模块,安装在机械扫描模块上,对热像数据进行采集和缺陷定位;被检测试件到达每个分区中心位置时,采集5-10帧温度变化信息后,激励被检测试件,采集被检测试件表面在脉冲热源激励影响下产生的温度变化信息,获取被检测试件所在被检测区的热像序列;
数据分析处理模块,对获取的热像序列进行多项式拟合和一阶微分处理,得到一阶导数热像序列,对一阶导数热像序列中缺陷进行智能识别,并标记出缺陷的轮廓。
2.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,工字型梁包括沿X轴方向的横梁、沿Y轴方向的纵梁和沿着Z轴方向的垂直梁,热像采集模块悬挂在垂直梁上,通过机械控制模块控制工字型梁在三轴方向的三自由度移动。
3.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,传动带置于工字型梁下方,通过电机驱动传动带带动被检测试件移动至扫描区物理零点位置。
4.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,热像采集模块包括激励源,以激励被检测试件,激励源为卤素灯或氙灯,激励时间为0.2~0.9秒,激励角度不大于45°。
5.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,激励源激励被检测试件表面升温速率为15-50℃/s,激励源功率不低于1000W。
6.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,热像采集模块采集的帧频≥50Hz,采集时间为2-6s。
7.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,热像采集模块包括红外热像仪,测温范围为0℃-100℃。
8.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,对每个分区进行时序性检测时,根据单次实际检测区域、重叠区域和工件尺寸,按照行优先、隔区检测的原则进行自动分区编码,按行遍历,从0行开始,正向和反向扫描。
9.根据权利要求1所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,通过T(t)=a0tn+a1tn-1+a2tn-2+......+an-1t+an,对获取的热像序列进行拟合,其中T(t)为温度随时间变化的函数,t为时间,a0,a1,…,an为拟合的多阶系数,n为拟合的最高阶阶次。
10.根据权利要求9所述的一种航天器复合材料胶接结构质量自动化检测系统,其特征在于,一阶导数热像序列为其中N为自然数。
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