蜂窝夹心复合材料超声C 扫移动小车设计

岳 斌，童恕琪，张 娇，么晓珊，王 雷

（北京玻钢院复合材料有限公司，北京 102101）

0 引言

蜂窝夹心复合材料常用于航空领域大型客机的地板及机身等舱体结构[1-4]。如图1 所示，常见的蜂窝夹心结构主要有两层蒙皮加蜂窝粘接而成，脱粘缺陷常出现在蒙皮与蜂窝粘接层间[5-7]。目前蜂窝夹心复合材料的无损检测主要依赖于喷水式超声C 扫描检测，且可以实现检测需求[8-10]。但对于大尺寸蜂窝结构的超声波检测却鲜有人研究。

图1 蜂窝夹心复合材料结构

通过研制便携式移动小车实现大尺寸蜂窝夹心复合材料结构的超声波检测，解决常规超声波C 扫系统无法现场检测及人工超声波A 扫描检测可能出现的漏检问题，同时为大型尺寸产品的超声波检测提供参考。

1 蜂窝夹心复合材料检测需求

大尺寸蜂窝夹心复合材料结构主要尺寸为长度10 m，宽5 m 的平板结构，如图2 所示。该产品要求针对蒙皮与蜂窝夹心之间进行100%超声波检测，不允许存在脱粘缺陷且检测原始图像数据可追溯。

图2 大尺寸蜂窝结构产品示意图

蒙皮与蜂窝粘接层的粘接质量采用喷水对穿式超声波C 扫检测评价时，只需要采集穿透式两个探头的超声波声压（对应信号幅值）进行成像，再依据预制缺陷的对比样件在缺陷处幅值信号衰减的程度进行判定即可完成检测目标。但喷水穿透式超声C 扫成像需要两个探头同步位移，因此所研制移动小车显然不适合用该原理检测。

采用超声波纵波多次反射法进行检测，当复合材料蒙皮与蜂窝粘接层出现脱粘时，超声波反射回波声压随反射次数的增加下降缓慢；当粘接界面良好时，超声波反射回波声压随反射次数增加迅速下降[11]。依据该原理通过制作预制缺陷的对比样件即可完成粘接质量检测。为减少超声波多次反射法时近表面盲区的影响[12-13]，采用有楔块的超声波聚焦探头检测。

2 系统研制方案

2.1 硬件系统搭建

系统逻辑结构如图3 所示。超声C 扫移动小车主要有运动控制模块，超声波发射接受模块及信号采集成像模块组成。运动控制模块主要由探头扫查x轴、控制小车移动的y轴及可自动调整探头高度的z轴构成。运动模块的电路系统采用国产正运动控制器ZAMC3 系列搭配42 步进电机及42 步进电机驱动器，通过正运动控制器读取电机运动方向和轴坐标即可精确控制轴运动。超声波发射接收模块通过便携式EPOCH1000i 超声探伤仪完成，该探伤仪可通过RS232 通讯输出0 ～10 V 电压信号。信号采集成像模块采用研华4711A 采集卡通过USB2.0 与window系统上位机完成通讯，整个系统采用24 V 锂电池直流供电，三层立体结构分别容纳三个模块使得系统体积小方便携带，整个小车系统如图4 所示。

图3 系统逻辑图

图4 超声C 扫移动小车实物图

2.2 软件系统设计

本系统上位机软件基于VB6.0 程序设计，采集超声信号幅值后使用Hibert 变换信号处理手段对成像结果优化，包含扫查参数设置、缺陷面积测量、显示方式选择、缺陷定位等功能，上位机软件界面如图5 所示。正运动控制器和研华采集卡均支持VB6.0 编程语言，调用其中运动命令如ZAux_Direct_Single_Vmove及信号采集命令InstantAiCtrl1.ReadChannels 完成运动控制及信号采集，设定XY 轴步进电机坐标值与C扫图片各点坐标之间对照关系，并将采集电压的特征值映射成对应RGB 颜色或灰度即可完成成像检测。通过调节信号采样频率及电机转动步距等参数即可完成最小0.01 × 0.01 mm 像素成像。

图5 软件界面

3 系统检测验证

3.1 对比试块制作及缺陷验证

对比试块由2 mm × 2 mm、4 mm × 4 mm、6 mm ×6 mm、8 mm × 8 mm 方形聚四氟乙烯薄膜置于蒙皮和蜂窝粘接层之间，具体位置如图6 所示。只需模拟单面脱粘情况即可，实际检测时，将蜂窝夹心复合材料板翻面即可完成100%全覆盖式检测。

图6 对比试块

如图7 所示为系统超声波发射和接受模块超声A扫信号，通过采集闸门内幅值高度信号并成像即可完成检测。如图8 所示是对比试块4 种超声C 扫成像方式检测结果，检测结果表明，2 mm× 2 mm 以上的人工缺陷本系统可以有效检测出结果，并满足预期要求。

图7 对比试块A 扫信号

图8 对比试块C 扫描结果

3.2 实际蜂窝夹心复合材料板缺陷验证

本检测系统依据3.1 节中确定的超声C 扫检测参数对实际产品检测，得到检测图像如图9（a）（b）中显示，图中圈内区域为脱粘缺陷。对实际产品边缘脱粘缺陷如图9（c）显示，从图中可见蜂窝与蒙皮的脱粘缺陷。结果表明实际脱粘缺陷的检测结果与预制缺陷实验结果一致。

图9 复合材料超声检测结果及缺陷实物图

4 结语

针对大尺寸蜂窝夹心复合材料蒙皮与蜂窝脱粘缺陷的检测需求，研制了便携式超声C 扫移动小车系统。解决了普通A 扫检测数据不能成像并储存的难题及喷水式超声C 扫系统现场检测的难题。经对比试块及实物检测结果表明，2 mm × 2 mm 以上的脱粘缺陷该系统可以有效检测。与此同时，简化检测系统模块，拼接检测的思路具有很强的推广价值。