一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整系统及方法

摘要

本发明涉及一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整系统及方法，包括无损检测系统，所述的无损检测系统包括对工控机、示波器和无损检测装置；所述的无损检测装置包括设置在铺放样品前方的YAG激光器、在YAG激光器的前方先后放有滤光透镜和偏振分束器、在偏振分束器前方先后放有反光镜和聚光透镜；样品后方设有双波混合干涉仪和光电探测器。根据无损检测系统检测结果的图像处理，获得最新铺放层与下一层之间的层内缺陷，进而对铺放工艺进行调整。本发明具有如下优点：1)实现了复合材料铺放过程中最新铺放层与下一之间的层内缺陷在线检测；2)实现实时根据复合材料铺放层内缺陷对铺放工艺的在线调整。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料铺放工艺参数调整系统及方法，尤其是涉及一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整系统及方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有比强度大、弹性模量高、耐疲劳和耐化学腐蚀等优良性能，被广泛地应用在航空航天和汽车船舶等领域。复合材料自动铺放具有自动化和高效率的特点，是目前较为常用的复合材料成形技术，复合材料铺放工艺中常需要控制的工艺参数包括铺放温度、铺放压力和铺放速度。复合材料采用铺放成形时受到铺放工艺参数组合的影响会出现褶皱、重叠、气泡和间隙等缺陷，影响构件力学性能。

激光超声是一种非接触、高精度、无损伤的新型检测技术，检测可以不用耦合介质，且检测速度快，非常适合用于对复合材料构件的缺陷进行无损检测，但目前激光超声无损检测主要用来检测铺放完成后的构件的整体缺陷。由于铺放是逐层进行的，后续的铺层会受到先前铺放层的影响，铺放环境如环境湿度和温度等变化也会对铺放质量产生影响，并且会存在干扰使得某项工艺参数无法达到设定值，使得当前的工艺参数组合不再是最佳铺放工艺参数组合，进而需要通过其它工艺参数的在线调整，重新获得最佳工艺参数组合，避免出现铺放缺陷。目前控制工艺参数达到设定目标的控制方法，无法自适应工艺参数在铺放过程中在线调整的需求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种用于复合材料在线铺放过程中实时获取铺放质量的无损检测系统及方法，且不影响铺放进程，可实现对复合材料自动铺放过程中的层内缺陷进行快速检测和成像，获得铺放工艺参数对铺放缺陷的影响，并可指导铺放工艺参数的在线调整。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明的技术方案如下：

一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整系统，其特征在于，包括无损检测系统，无损检测系统包括无损检测装置以及与无损检测装置连接的工控机，控制无损检测装置纵向移动的纵向移动滑台。

在上述的一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整系统，所述的无损检测装置包括YAG激光器、位于YAG激光器前方的偏振分束器、位于YAG激光器和偏振分束器之间的滤光透镜、位于YAG激光器前面的反光镜、位于铺放样件与聚光透镜之间的反光镜、位于铺放样件前方的双波混合干涉仪和对双波混合干涉仪进行控制的控制器，工控机对偏振分束器、光电探测器和控制器进行控制。

在上述的一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整系统，激光超声无损对刚铺放完成的复合材料构件的检测光路走向依次是：YAG激光器发射的激光通过滤光透镜后通过偏振分束器分成两束激光，其中一束激光先通过反光镜反射后射到聚光透镜，然后射到刚刚完成的铺放样件的表面，铺放样件的表面反射的激光束即反射光，带有缺陷声波的反射光与偏振分束器分出的另一束激光即参考光，一起射到双波混合干涉仪中进行干涉；光电探测器将反射光中由于超声振动引起的相位解调出来，并将该信号传送到工控机。

一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整方法，其特征在于，包括：

步骤A.纵向移动滑台底部与常规的复合材料自动铺放装置连接，从而实现无损检测装置随着复合材料铺放过程一起运动，实现无损检测装置对铺放完成区域层内的缺陷在线检测。

步骤B.在复合材料自动铺放时，工控机控制YAG激光器沿着垂直于复合材料自动铺放方向发射激光，激光先后通过滤光透镜和偏振分束器之后变成两束激光，其中一束先后通过反光镜照射到铺放样件表面，其反射光与另一束激光在双波混合干涉仪发生干涉。

步骤C.控制器对光电探测器进行控制，光电探测器将反射光中带有的超声振动信号解调出来，并将解调的信号传送到工控机。

步骤D.采用信号匹配追踪法对信号噪声进行初步去除噪声。

步骤D

其中，t表示时间参数，s、u、v、w分别表示尺度参数(尺度因子)、原子的位移参数(位移因子)、原子的频率参数(频率)和原子的相位参数(相位)，这些参数构成信号的时频参数r＝(s,u,v,w)，并将其离散化：

r＝{(α

其中，时频参数r的离散化中的参数α，j,p,k分别为：α＝2,0＜j≤log

步骤D

将信号分解为在最佳原子

步骤D

其中

经n步分解后，信号被分解为：

信号长度有限时，经过n次分解后，残差信号的能量递减最后收敛到零，此时信号中有用的成分已经被全部提取，余下的部分为噪声，此时完成对信号的初步去噪，并且使得含有缺陷振动的波形特征较好的保存下来，最终信号被分解为：

步骤E、采用分谱处理法对匹配信号法对去除噪声后保留下来的缺陷信号进行分谱处理，进一步去除噪声，并对信号进行特征提取；

步骤E

其中X(ω)为x(t)的傅里叶变换结果，w代表频率，t代表时间，e

将能量谱最大值的一半所对应的起始频率和截止频率分别用于指定信号的主要频率带，然后利用一组带通滤波器把所制定的主要频率带切分为一系列窄的频率带Y

Δf＝1/T；M＝BT+1

其中T是信号的采样时间，即信号总的时间长度；B为主要频率带的带宽，为使得相邻的带通滤波器之间有足够的混叠，取B＝4/T；

步骤E

步骤E

步骤F、在完成对缺陷信号处理后，采用合成孔径聚焦成像方法对缺陷成像；

步骤F

其中

步骤F

步骤G、在大量试验的基础上获得铺放工艺参数包括铺放温度、压力和速度与铺放缺陷之间的关系，获得较好铺放质量时的工艺参数组合，选取一组铺放质量较好的工艺参数组合作为铺放工艺参数初始值，采用上述的激光无损检测方式获得在线铺放过程中最新铺层与下一层之间的缺陷信息，当出现缺陷超过铺放质量可接受的缺陷范围时，当前的工艺参数组合已经不再适合铺放；

根据铺放过程中压力传感器、温度传感器和速度传感器等获得的工艺参数值实时大小和铺放工艺参数组合与铺放质量之间的关系，对铺放工艺参数进行在线调整，重新获得适合当前铺放条件的工艺参数组合，减小铺放缺陷。

因此，本发明具有如下优点：1.实现了对复合材料自动铺放过程中层间铺放缺陷的在线检测；2.实现根据层间缺陷对铺放工艺参数在线调整。

附图说明

图1是本发明所提供的采用激光超声无损检测方式的复合材料铺放缺陷在线检测系统示意图；

图2为本发明所提供的用激光超声无损在线检测复合材料层内缺陷指导工艺参数实时调整流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，无损检测系统1、工控机2、YAG激光器3、滤光透镜4、偏振分束器5、反光镜6、聚光透镜7、双波混合干涉仪8、控制器9、光电探测器10、无损检测装置11、纵向移动滑台12、铺放样件13。

实施例：

参照图1，一种无损检测指导复合材料铺放工艺在线调整方法，其包括无损检测系统1，所述的无损检测系统1包括无损检测装置11、工控机2和控制无损检测装置11纵向移动的纵向移动滑台12。

无损检测装置11包括YAG激光器3、位于YAG激光器3前方的偏振分束器5、位于YAG激光器3和偏振分束器5之间的滤光透镜4、位于YAG激光器前面的反光镜6、位于铺放样件13与聚光透镜7之间的反光镜6、位于铺放样件13前方的双波混合干涉仪8。

YAG激光器3发射的激光通过滤光透镜4后通过偏振分束器5分成两束激光，其中一束激光先后通过反光镜6和聚光透镜7后射到自动铺放装置11刚刚完成的铺放样件13的表面，其激光束的反射光(即信号光)与偏振分束器5分出的另一束激光(即参考光)，一起射到双波混合干涉仪8中，干涉形成动态光栅；所述的光电探测器10将接收到的超声振动信号解调出来。

参照图2，一种用激光超声无损在线检测指导复合材料铺放工艺调整方法，包括以下步骤：

A.纵向移动滑台12对无损检测装置11与复合材料样件的相对位置调整到合适的距离，纵向移动滑台12的底部与常规的自动铺放装置连接在一起，实现无损检测装置11随着复合材料铺放过程沿着复合材料铺放方向移动，实现对刚刚铺放完成区域层内的缺陷实时检测。

B.在复合材料自动铺放时，工控机2控制YAG激光器3发射沿着垂直于复合材料自动铺放方向的激光束，激光先后通过滤光透镜4和偏振分束器5之后变成两束激光，其中一束先后通过反光镜6后照射到铺放样件表面，其反射光携带缺陷信息与另一束激光在双波混合干涉仪8发生干涉。

C.控制器9对光电探测器10进行控制，同时光电探测器10将反射光中带有的超声振动信号解调出来，并将解调出来的信号传送到工控机2。

D.采用信号匹配追踪法对信号噪声进行初步去除噪声。

D

其中，s、u、v、w分别表示尺度参数(尺度因子)、原子的位移参数(位移因子)、原子的频率参数(频率)和相位参数(相位)，这些参数构成信号的时频参数r＝(s,u,v,w)，并将其离散化：

r＝{(α

其中，α＝2,Δu＝1/2,Δv＝π,Δw＝π/6,0＜j≤log

D

将信号分解为在最佳原子

D

其中

经n步分解后，信号被分解为：

信号长度有限时，经过n次分解后，残差信号的能量递减最后收敛到零，此时信号中有用的成分已经被全部提取，余下的部分为噪声，此时完成对信号的初步去噪，并且使得含有缺陷的波形特征较好的保存下来，最终信号被分解为：

E.采用分谱处理法对匹配信号法对去除噪声后保留下来的缺陷信号进行分谱处理，进一步去除噪声，并对信号进行特征提取。

E

其中X(ω)为x(t)的傅里叶变换结果，w代表频率，t代表时间，e

将能量谱最大值的一半所对应的起始频率和截止频率分别用于指定信号的主要频率带，然后利用一组带通滤波器把所制定的主要频率带切分为一系列窄的频率带(Y

E

E

F.在完成对缺陷信号处理后，采用合成孔径聚焦成像方法对缺陷成像。

F

其中

F

G.在大量试验的基础上获得铺放工艺参数包括铺放温度、压力和速度与铺放缺陷之间的关系，获得较好铺放质量时的工艺参数组合。选取一组铺放质量较好的工艺参数组合作为铺放工艺参数初始值。采用上述的激光超声无损检测方式获得在线铺放过程中最新铺层与下一层之间的缺陷信息，当出现缺陷超过铺放质量可接受的缺陷范围时，当前的工艺参数组合已经不再适合铺放。

根据铺放过程中压力传感器、温度传感器和速度传感器等获得的工艺参数值实时大小和铺放工艺参数组合与铺放质量之间的关系，对铺放工艺参数进行在线调整，重新获得适合当前铺放条件的工艺参数组合，减小铺放缺陷。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。