火箭发动机包覆层表面缺陷检测系统研究

郭慧平，王召巴，金永

（中北大学信息与通信工程学院，太原 030051）

0 引言

现代固体火箭和导弹设计中，包覆层已成为发动机装药的重要组成部分，它不仅直接关系到火箭发动机的内弹道性能，而且也是其使用寿命的决定因素之一[1]。包覆层厚度是包覆火药的一个重要参数，对于火炮的具体弹道指标要求，往往要选择一个最佳的包覆层厚度，包覆层太厚或者太薄均会影响发动机正常工作[2]。因此，包覆层厚度是否达到指标要求，对于发动机装药有着至关重要的影响。

在包覆层生产过程中，由于生产工艺及环境等因素的影响，可能会使其表面产生凸起、凹坑、裂纹等缺陷。这些缺陷会直接造成包覆层的厚度偏差，若厚度偏差超过指标要求，不但会影响到发动机的工作性能，甚至会引起安全事故[3]。

本文结合当前自动化技术和图像处理技术，设计了发动机包覆层表面缺陷检测系统。在硬件上，采用工业相机与LED环形光源相结合的图像采集装置；在软件上，采用实时处理的图像处理方法，通过图像模式匹配技术，快速判断是否有缺陷图像存在，并找出缺陷所存在的位置。本系统的检测结果能够为后续的包覆层厚度检测提供重要的参考依据，具有重要的实际应用价值。

1 系统组成及工作原理

系统由机械控制系统、检测操作系统、图像采集系统和图像处理及结果显示系统组成，组成框图如图1所示。

机械控制系统由IPC、脉冲输出卡、控制信号输入输出卡、伺服电机及驱动器和检测工作台组成；图像采集系统由图像采集卡、工业相机和LED环形光源组成；图像处理及显示系统由安装在IPC中的图像处理及显示软件组成；检测操作系统由键盘、鼠标、显示器及各种控制按钮组成[4-5]。

图1 检测系统组成框图

工业相机与光源固定在测量臂上，工业相机的镜头中心与发动机的圆心在轴向方向上处于同一水平位置。根据所选工业相机的焦距与视场范围，设定每一次图像采集的区域为50mm，示意图如图2所示

图2 采集区域示意图

以常规检测为例（完成整个试件的检测），系统的工作过程为：在系统软件的控制下，按照事先设定的采集方式，由安装在IPC插槽上的控制信号输入输出卡发出使能信号和方向信号，以及脉冲输出卡发出脉冲信号来控制伺服电机的运转，带动测量臂平移（由检测工作台上的丝杠螺母机构实现）。首先移动到设定好的检测起始位置，IPC插槽上的图像采集卡在判断脉冲信号发送完毕后，进行第一次图像采集。然后测量臂每移动50mm进行一次图像采集，总共进行35次图像采集，并按一定的编号顺序将图像储存在IPC中。采集结束后，测量臂复位，运行系统软件的图像处理及显示模块，显示被测发动机包覆层的表面状态图像。图像采集位置分布图如图3所示。

图3 某型号发动机的图像采集位置分布图

2 系统硬件

系统选用AC6644卡和AC6654卡来分别实现脉冲输出和控制信号输入输出功能。AC6644卡是一款通用脉冲板，支持2路24位脉冲输出。在系统中，AC6644卡工作模式选择为可编程脉冲个数输出模式。通过向伺服电机发出若干个用户定义周期的方波，来控制伺服电机运转的圈数和速度。AC6654卡是一款通用光电隔离I/O板，具有32路输入、32路输出功能。该卡通过发出高低电平的输出信号，来控制伺服电机的运转方向。同时外接限位和报警输入信号，自动检测外接输入信号并作出相应处理。

工业相机为维视图像公司的VS-616H高清晰低照度微小型黑白工业相机，尺寸大小为12mm×12mm。图像采集卡为OK_M30A高分辨10位黑白图像采集降噪回显卡。检测工作台是用于完成各种检测动作的机械部分，共分为两部分。其中一部分安装测量臂、工业相机和光源、伺服电机及驱动器等设备，结构如图4所示。

另外一部分用于放置发动机，被检试件安放在前后4个支撑轮上，通过调整支撑轮轴向位置(Y向)可以适应不同长度发动机的安放要求，而支撑轮中心距(Z向)的调整可以满足不同直径发动机的安放要求，示意图如图5所示。

图5 系统通用支撑轮结构示意图

3 系统软件及算法实现

根据系统硬件的搭建和对检测系统要求的进一步分析，系统软件所要完成的主要功能包括参数设置、检测控制、图像采集、图像处理和结果显示、打印报告。功能框图如图6所示。

图6 系统软件功能框图

系统检测前需根据发动机的不同型号设置检测参数，其中包括检测型号几何特征，对应型号的检测起始和结束位置；检测控制需控制运动卡实现机械部分在检测过程中的动作；图像采集则需根据机械部分反馈的检测触发信号控制图像采集卡进行采集；而图像处理则实现了检测结果的分析处理，为结果的直观显示做好准备；结果显示功能则在检测和处理的基础上将有缺陷的位置标示出来；最后将检测的结果以报表的形式打印出来，为工序转交和资料留档做好准备。

在对多个发动机包的覆层表面进行拍照实验后，得到了大量的缺陷图片数据。进行分析和研究后，总结出典型的缺陷种类有凹坑、凸起、裂纹等。显然，由于图片的多样性和缺陷的不规则性，并不能直接采用模式匹配的方式进行缺陷检测，所以需要先对每一幅图片进行预处理[6-7]。具体步骤为：（1）灰度化：采用灰度化的方法减少每个像素点的取值，从而使后续的计算量减少。（2）图像去噪：由于输入设备、现场环境和光源等的影响，图像上可能含有各种各样的噪声，为了降低噪声的影响，采用了对边缘保护较好的中值滤波法对图像进行光滑处理[8]。（3）二值化：用二值化的方法来显示图像中的缺陷。

经过预处理后，系统软件采用模式匹配的方法对图像中的方法进行检测。这一算法的主要思想是：将采集回来的包覆层表面图像跟标准图像（即没有缺陷）数据库中的图像进行比较，判断是否存在缺陷，最后显示检测结果。所以标准图像数据库的建立对整个检测系统的实现起到了重要的作用。

4 实验及结语

对某固体火箭发动机进行包覆层表面缺陷检测，采集35个截面的包覆层图像，共找出3个缺陷，距发动机尾部的距离分别为970.1mm，990.5mm，1184.5mm，采集图像如图7所示。经实际测量3个缺陷离发动机尾部的距离，大约位于【953 987mm】，【976 998mm】，【1182 1191mm】的范围内。

从实验数据可以看出，系统能够准确定位到包覆层表面缺陷处。目前系统已投入使用，实践证明，其检测精度高，性能稳定，除了可以检测当前型号的火箭发动机，通过调整支撑轮和对软件进行改进就可以对其他型号的火箭发动机进行检测。

[1]詹惠安,郑邯勇,赵文忠,王永昌.固体推进剂包覆层的研究进展[J].舰船防化, 2009(3):1-5.

[2]郑林,赵宏利,陈晓明,赵凤起.包覆层可靠性对高燃速火药燃速测试的影响及改进[J].火炸药学报,2007,30(3):59-61.

[3]苗慧,路宏年.火箭发动机厚层包覆质量的信号处理[J].宇航材料工艺,2004，34(3):60-62.

[4]黄伟伟,韦江利,路宏年.火箭发动机装药包覆层检测系统设计[J].无损检测, 2008(11):20-22.

[5]陈芳,徐威.某固体发动机内表面缺陷检测系统设计[J].科技广场, 2010(5):113-115.

[6]龙晓薇,阳春华,龙永红.PVC建材表面缺陷检测系统研究与设计[J].计算机技术与自动化,2010,29(2):46-50.

[7]王志成,吴壮志,冯路,唐发根.钢板表面缺陷检测系统的设计与实现[J].计算机工程与科学,2009,31(1):61-65.

[8]张小琳.图像边缘检测技术综述[J].高能量密度物理,2007(1):38-40.