錐形套表面缺陷微觀形貌的白光相移干涉重構及顯著性檢測

陳利，董勇

錐形套表面缺陷微觀形貌的白光相移干涉重構及顯著性檢測

陳利，董勇

（中國工程物理研究院 電子工程研究所質檢中心，四川 綿陽 621900）

針對錐形套在機械拋光后出現白點、凹坑等表面缺陷，采用特別目視方法，用電鏡掃描能譜分析進行成分分析，用白光相移干涉術對表面微觀形貌進行重構，并基于ITTI視覺顯著性模型對重構圖像進行顯著性檢測。最后提取出顯著性目標的輪廓特征，從而反推分析產生缺陷的原因，指導加工，提高首次交檢合格率。結果表明白光相移干涉術能高效重構微坑這類缺陷的形貌，而ITTI顯著性檢測對視覺污染具有良好平衡能力，顯著性目標的特征分析反映損傷形成機理。根據缺陷特征指導加工，制定出相應的措施，可有效減少錐形套的表面缺陷。通過錐形套這個典型案例分析，本文采取的檢測手段和改進加工的措施可以廣泛應用于此類曲面異性回轉體零件，有效提高機械拋光合格率。

錐形套表面；凹坑；白光相移干涉；顯著性檢測

表面缺陷是零件在加工過程中和在運輸、存儲和使用過程中生成的無一定規律的單元體。它與表面粗糙度、波紋度和表面上的形狀誤差一起，綜合形成了零件的表面特征。零件表面出現一些隨機、且無一定規律可循的溝槽、隆起、坑穴、傷痕、蝕痕等表面缺陷時，往往代表著機械零件加工方法、使用設備、周轉方式等都可能出現不當情況。而表面缺陷也會對零件的美觀程度、抗疲勞強度、抗腐蝕性能、配合的可靠性等有影響[1]。在特殊應用場景，如果表面缺陷產生在零件的受力部位或者關鍵使用部位而形成應力集中或者局部放電，將嚴重影響到產品的性能和使用壽命。因此觀察表面缺陷愈來愈受到重視[2-4]。

表面缺陷比較難量化。對于表面缺陷的檢驗與評定，可用經驗法目視、電鏡掃描等方法。但是由于表面缺陷形貌具有復雜的三維紋理特征，縱向高度信息亦不可忽視。白光相移干涉術[5-6]是一種基于多頻光譜干涉干涉的非接觸式三維輪廓重建技術。重建快速高效，高度測量范圍為1 nm～200 μm。本文以錐形套為典型案例，采用白光相移干涉術重建一類異形曲面回轉體零件表面缺陷三維形貌圖像。此外，利用機器視覺算法[7-8]對含有表面缺陷的零件形貌進行顯著性檢測，獲得缺陷顯著性特征為其演化機理以及為機器識別和聚類分析提供數據支持。通過檢測數據分析再以目視檢測輔助全面分析判斷錐形套表面缺陷產生的原因，并制定相應改進的措施，提高錐形套合格率。

1 零件分析

錐形套為曲面異形零件，如圖1所示。兩端圓弧部位1和1.5輪廓度為0.01 mm，內孔公差為±0.01 mm。錐形套是某部件中的重要零件，作為在電真空中使用的高壓電極，不能有目視勉強可見沖擊損傷（BVID）。機械拋光后還需進行清洗和電化學拋光才能滿足使用性能要求。所以表面質量對其使用性能至關重要，既要保證零件各部位公差，亦要滿足其表面近乎零缺陷的超高要求。統計表明在錐形套整個加工過程中，表面粗糙度基本能達到設計要求，由于拋光后的表面缺陷引起的返修率占90%。表面缺陷嚴重影響錐形套的合格率。

圖1 錐形套結構示意圖

目前是采用機械拋光的工藝方法來實現錐形套表面質量要求。錐形套在機械拋光過程可能出現點狀缺陷（凸點、白點、微型凹坑）、線狀缺陷（劃傷、紋路不均勻）、面狀缺陷（碰傷、灼傷、變形）等。檢測是質量控制的重要環節。錐形套為抗氫鋼材料，形狀為曲面異形回轉體，抗氫鋼材料在機械拋光后光亮如鏡。目視檢測基于強光下進行，檢測面積較大，對檢驗員視力要求很高，且無法量化缺陷。由于錐形套倒圓部分尺寸較小，尺寸公差要求高，有些嚴重的缺陷，通過返修即使能保證表面質量，也會造成零件變形或者尺寸超差而無法滿足設計要求；而微小的表面缺陷如白點，目視檢測往往會遺漏而造成錯漏檢。通過白光相移干涉術可以將表面缺陷量化，直接剔除因缺陷導致返修后會引起零件尺寸超差或者變形的零件。將檢測結果用于分析缺陷產生的機理，指導加工制定應對措施。本文以凹坑嚴重劃傷為例介紹一種特別目視方法：白光相移干涉術。

2 凹坑三維微觀形貌重構

2.1 利用白光相移干涉原理量化凹坑和嚴重劃傷

光學干涉測量法是一種基于光的干涉原理的表面測量方法，光源發出的光經過分光鏡后被分成兩束相干光，其中一束射到被測表面的光為測量光，測量光被物體表面反射回來與另外一束光被參考鏡反射回來的參考光交匯，滿足相干條件產生干涉條紋，干涉條紋的相應信息對應被測量表面的高度信息。

白光相移干涉術重建錐形套點狀凹坑微觀形貌特征，系統采用Linnik結構，光源為大功率白光發光二極管（LED），參考光路和測量光路采用了一個顯微物鏡，光線經過干涉顯微鏡直接到零件被測表面。因為與零件被測表面之間沒有其他光學元件，Linnik型干涉顯微物鏡放大倍數大，工作距離短，能達到0.5 μm的橫向分辨率,如圖2所示。

圖2 Linnik結構原理圖

白光相移干涉術三維重建通常是基于條紋對比度峰值檢測。對于復雜的表面微坑形貌，可能會吸收或者散射掉部分光譜，從而發生色散不平衡問題造成條紋對比度包絡畸變，導致條紋對比度檢測精度的下降。為改善信噪比以及良好的縱深分辨率，可使用濾波片限制光源頻譜帶寬，利用4幅數字全息圖疊加可以再現出與原物光場完全相同的復振信息，可消除0級像和共軛像。在此基礎上采用枝切法進行包裹相位解調完成三維微觀形貌重建。經軟件計算得出缺陷的長寬高度等信息，如圖3所示。

圖3 4步相移干涉圖序

2.2 實驗數據及結果

實驗中對抗氫鋼HR-1錐形套表面進行白光干涉檢測，如圖4所示為錐形套二維表面形貌圖像，圖中標記為一處微觀凹坑，而圖5和圖6對應樣件表面三維形貌圖像以及標記處微觀凹坑的三維形貌圖像細節。

圖4 錐形套二維表面圖像

圖5 錐形套表面三維形貌圖像

從重構出來的三維形貌圖像，可以得到長寬、深度等尺寸細節信息，全面分析表面微觀特征，從而反演出損傷形成機理。需要考慮的是當標記處是一個光學污染點時，可能帶來的是形貌細節被丟失甚至整個微觀缺陷都被掩蓋。這種情況在正常工況下是會出現的。例如清潔工序不當，一些微觀雜質、油污盲點等會落在微觀凹坑，若采用目視檢查，加上人為因素的影響，則很大程度上會漏檢。對于這種情況，采用機器視覺原理以及對檢測目標進行增強性辨識。

2.3 表面缺陷微觀形貌的顯著性檢測

本文采用經典ITTI視覺顯著性模型對表面缺陷進行顯著性檢測。ITTI模型基于靈長類視覺系統的行為和神經元結構啟發的視覺注意系統。多尺度圖像特征可被組合成一個由亮度、顏色和方向顯著圖構成高斯金字塔。該系統通過計算快速選擇要詳細分析的顯眼位置來打破復雜的場景理解問題。當、和是輸入圖像的紅色、綠色和藍色通道時，強度、顏色高斯金字塔可推公式[17]得：

＝(r()＋()＋())/3

()＝()－(g()＋())/2

G()＝()－(()＋())/2

()＝()－(()＋())/2

()＝(()＋())/2＋())/2－|()＋

()|/2－()

式中：為亮度；、、、分別為紅色、綠色、藍色、黃色的高斯金字塔。

利用Gabor濾波器構建Gabor方向金字塔(,)，∈[0..8]，∈{0°,45°,90°,135°}。

上述獲得亮度、顏色和方向高斯金字塔后，利用Center-Surround（Center即精細尺度，Surround即粗尺度）方法計算對應的特征圖。

圖7（a）為帶有標記（紅色）錐形套二維表面圖像進行顯著性檢測，發現在顯著性圖中仍可看出微坑缺陷。但是標記更為突出（明亮），這表明，ITTI視覺顯著性模型中的顏色高斯金字塔在此例中起決定性作用，也說明在機器視覺中需要考慮視覺干擾。圖7（b）是三維表面缺陷圖像的顯著性檢測，由于是三維重構所以具有高度信息，將高度信息轉為顏色信息。可以平衡視覺顏色干擾因素。所以圖7（b）中微坑形貌特征更為清晰。

圖7 表面缺陷圖像的顯著性檢測

需要注意的是圖4中紅色標記作為干擾因素，由于與背景高對比度，而并不常見。而圖8（a）為二維表面凹坑圖像，并采用與凹坑灰度接近的標記作為視覺污染。經過顯著性計算圖8（b）發現凹坑和標記都能清晰可見。所以顯著性檢測能很好的平衡視覺干擾。

圖8 顯著性檢測對比圖

圖9是在圖8（b）的顯著性檢測基礎上，采用sobel算法對顯著性目標進行輪廓紋理分析，其結果表現出聚－彌散性形態，從一定程度上反映出拋光過程中對表面造成的沖擊作用。

圖9 顯著性目標的輪廓紋理特征

2.4 數據分析

檢測得出缺陷深度數據，據錐形套尺寸計算，如果缺陷產生于錐形套圓弧1部位（圓弧的輪廓度要求為0.01 mm）且缺陷深度超過0.01 mm，即使進行返修，也無法滿足其形狀特征要求，應將其直接判斷為廢品，不予返修；如果缺陷產生于內孔且深度大于0.01 mm（內孔公差為X±0.01 mm），返修缺陷至完全去除將會引起內孔尺寸超差，可以直接判定為廢品。分析缺陷產生在不同表面的原因：缺陷在零件較為突出的1和1.5部位出現多是因為周轉中包裝存放不當，零件相互碰撞而產生；缺陷在內孔出現是由于車工工序中采用過大的切削量導致出削不暢引起孔壁擠壓致傷。如若出現在外部輪廓則多是由于刀具鈍化，引起車刀紋路粗糙或機床穩定性差造成顫紋。快速篩選出無需返修的產品可以極大減少其生產周期。通過特別目視檢測各類表面缺陷可總結如下：

錐形套表面缺陷從形狀上可分為點狀缺陷、線狀缺陷、面狀缺陷[6-7]。在剔除材料本身可能存在缺陷如毛孔、裂紋、夾雜物、斑點、空穴[8]等后，錐形套在機械拋光過程可能出現點狀缺陷（凹坑、白點）多分布在兩端圓弧部位、線狀缺陷（劃痕、劃傷、紋路不均勻）多分布在內孔和錐面、面狀缺陷（碰傷、灼傷、變形）多分布在兩端圓弧部位。從缺陷來源可分為三大類：

（1）夾雜物：由于拋光過程中基體夾雜物部分脫落引起的表面缺陷。夾雜物屬于硬質高熔點夾雜物，機械加工前應當優選基材，從源頭上減少原始表面的凹坑缺陷。在加工過程中也應該注意觀察、剔除。

（2）機械劃傷類表面缺陷：不銹鋼拋光表面機械劃傷類缺陷是由拋光過程中的機械劃傷引起的，主要原因是拋光工藝參數不匹配、拋光液成分不合理以及外來小顆粒污染等，一般在整個表面缺陷中所占比例較少，應盡量避免。

（3）凹坑類缺陷：由于原始表面質量較差會造成波峰、波谷相對高度差較大，拋光去除波谷后，局部較深的波谷會形成微小的白點。或是由于加工中碰傷等造成的表面缺陷。拋光后將原料凹坑缺陷部分覆蓋，但仍存在少量坑狀缺陷不能完全覆蓋，而且存在填充金屬與基體結合不牢的現象，導致最終引起拋光產品表面凹坑缺陷。

2.5 應對措施

在加工中拋光工藝參數的選擇等應與材料基體硬度相匹配，同時消除外來污染的影響，避免機械劃傷引起的拋光表面缺陷[15]；高拋光要求的表面質量與包括基材、前道切削加工質量的原始表面質量密切相關，提升原始表面質量有助于拋光質量和效率的提升；拋光過程的細節控制、拋光工藝參數是保證質量的重要環節；若是油污等表面附著物，應當注意清潔零件。根據缺陷出現的部位以及不同的形式，優化加工參數，改變包裝采用專門的軟材包裝箱，在拋光過程中注意均勻拋光，避免在拋光嚴重缺陷部位時造成零件變形。根據不同的表面缺陷制定不同的應對措施，如表1所示。

表1 表面缺陷預防應對措施

2.5 有效性驗證

為驗證改進措施的有效性，隨機抽取2018年生產的幾批零件與采取預防措施進行效果比對，如表2所示。結果表明零件首檢合格率由75%左右提升至92%以上，減少返修工作量，證明改進措施有效。

表2 首檢驗合格率對比

3 結論

ITTI模型通過初級特征提取，將多種特征、多種尺度的視覺空間通過Center-Surround方法對錐形套表面缺陷進行白光相移干涉重構及顯著性檢測，得到各個特征的顯著性圖合成一副顯著圖，從而得到想要的量化數據參數。在生產中，表面三維微觀形貌對于工程零件的許多技術性能的評價具有最直接的影響，而且能夠更全面、真實地反映零件表面的特征及衡量表面的質量，全面地評價表面質量的優劣，進而分析加工方法的好壞及設計要求的合理性。用檢測數據反推分析以指導加工、優化加工工藝以加工出高質量的表面，可確保零件使用功能的實現。

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White Light Phase-Shifting Interference on the Surface Defects of Conical Sleeve Reconstruction and Significance Detection

CHEN Li，DONG Yong

( Quality Inspection Center of Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

In view of the surface defects such as white spots and pits in the conical sleeve after mechanical polishing, in this paper, by using special visual method, SEM scanning energy spectrum analysis for composition analysis and the white light phase-shifting interferometry for surface micro morphology reconstruction are conducted, and the significance detection of the reconstructed image is carried out based on the ITT visual significance model. Finally, the contour characteristics of the significant objects is extracted to analyze the causes of defects, provide guidance for processing and improve the qualified rate of the first inspection. The results show that white light phase-shifting interferometry can effectively reconstruct the morphology of the defects as micro pits, the significance detection of ITTI can restrain the visual pollution to keep balance, and the feature analysis of significance targets reflects the damage formation mechanism. Processing improved according to the characteristics of the defects can effectively reduce the surface defects of the conical sleeve. The inspection method and improvement measures adopted in this paper can be widely used in this kind of curved anisotropic rotating parts, thus effectively improving the qualified rate of mechanical polishing.

conical sleeve surface；pit；white light phase-shifting interference；significance detection

TG145

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.011

1006－0316 (2021) 01－0075－06

2020－04－21

陳利（1983－），四川宜賓人，高級工，主要從事機械零件、裝配檢驗的工作，E-mail：935417922@qq.com。