光亮強(qiáng)度對(duì)三維表面缺陷測(cè)量工藝穩(wěn)定性影響的研究

吳紅，鄒昱臨，蘇大帥

（中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

在航空航天領(lǐng)域中，機(jī)身表面狀態(tài)受損可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)飛機(jī)出現(xiàn)各種安全隱患[1]。例如，飛機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件（如機(jī)身蒙皮、壁板、發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管等）在加工、總裝、試飛、維修等階段極易與尖銳的外界物質(zhì)（如金屬屑、鏟刀、板角或設(shè)備上的尖銳物等）接觸，而在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)造成條狀分布的傷痕，即表面缺陷劃痕。雖然這類缺陷難以避免，且有的缺陷尺寸較小（寬度為幾十微米，深度僅為幾微米），但在長(zhǎng)期惡劣的服役環(huán)境中及疲勞循環(huán)載荷下，微觀劃痕極易誘發(fā)裂紋萌生乃至發(fā)生疲勞斷裂[2]，這將對(duì)飛機(jī)構(gòu)件服役性能與飛行安全造成極大的威脅。

目前，對(duì)于表面劃痕評(píng)價(jià)主要采用目視檢查、手指感受、直尺法、三坐標(biāo)機(jī)或尖頭深度表等方式，此方式存在測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)、精度差、可靠性不高等問題。以目視檢查、手指感受和直尺法為例，測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重依賴于操作者經(jīng)驗(yàn)，對(duì)缺陷尺寸無法定量，尤其是深度；而三坐標(biāo)機(jī)或尖頭深度表測(cè)量法屬于典型的接觸式測(cè)量，雖然該方法測(cè)量精度較高，但整個(gè)測(cè)量過程耗時(shí)較長(zhǎng)，測(cè)量范圍有限，不適合尺寸大、硬度小的構(gòu)件檢測(cè)，且由于測(cè)頭與被測(cè)物體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定壓力，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)頭磨損，同時(shí)也會(huì)帶來新的劃傷，另外該方法也不適用于實(shí)時(shí)在線的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。而隨著光學(xué)元件的不斷發(fā)展，工業(yè)視覺檢測(cè)技術(shù)得到快速廣泛應(yīng)用，其中基于條紋投影法的三維表面缺陷測(cè)量技術(shù)，因具有非接觸、精度高、速度快、便捷性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而成為光學(xué)視覺檢測(cè)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一[4]，同時(shí)也成為飛機(jī)表面質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要手段。

當(dāng)前，國(guó)外對(duì)于條紋投影法測(cè)量技術(shù)的研究開展較早，且已進(jìn)入實(shí)用化階段。而國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究開始于20 世紀(jì)90 年代，雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，目前各院校研究團(tuán)隊(duì)已開展了實(shí)驗(yàn)階段的理論研究和應(yīng)用論證[5-6]，并取得了眾多研究成果。本文針對(duì)鋼材質(zhì)的試驗(yàn)件開展了光亮強(qiáng)度對(duì)基于條紋投影法的三維表面缺陷測(cè)量工藝穩(wěn)定性研究，通過對(duì)光學(xué)條紋投射器設(shè)置8 個(gè)亮度值（分別為1、2、3、4、5、6、8、11），并分別進(jìn)行圖像采集、數(shù)據(jù)記錄與分析處理，從而明確了光亮強(qiáng)度對(duì)其工藝穩(wěn)定性的影響。

1 三維表面缺陷測(cè)量工藝基本原理

三維表面缺陷測(cè)量工藝采用的是由投影儀和攝像頭組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是基于結(jié)構(gòu)光三角法的條紋投影測(cè)量技術(shù)，即通過投影發(fā)射器將多條光柵條紋投射到被測(cè)物體表面，投影條紋受被測(cè)物體高度的調(diào)制發(fā)生形變（如圖1 所示），正上方的攝像機(jī)對(duì) “條紋圖像” 進(jìn)行采集，隨后通過計(jì)算機(jī)軟件分析條紋產(chǎn)生的形變，便可得到被測(cè)物體的高度與尺寸等信息[7]，其基本原理如圖2 所示。

圖1 條紋投影變形示意圖

圖2 基本原理示意圖

2 試驗(yàn)開展

2.1 基礎(chǔ)條件

本文主要采用三維表面缺陷測(cè)量?jī)x進(jìn)行光亮強(qiáng)度對(duì)三維表面缺陷測(cè)量工藝穩(wěn)定性的研究，所用設(shè)備量程/精度具體如下：深度測(cè)量范圍為-2.5～2.5 mm；X、Y方向測(cè)量范圍為13 mm×8 mm；最大允許示值誤差為±（2+L/1 000）μm。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

針對(duì)鋼材質(zhì)的試驗(yàn)件開展了光亮強(qiáng)度對(duì)三維表面缺陷測(cè)量工藝穩(wěn)定性影響的研究試驗(yàn)，首先對(duì)光學(xué)條紋投射器設(shè)置8 個(gè)亮度值（分別為1、2、3、4、5、6、8、11），且按照每個(gè)亮度值重復(fù)進(jìn)行10 次測(cè)量，并分別進(jìn)行圖像采集、數(shù)據(jù)記錄與分析處理。圖3 為鋼材質(zhì)的試驗(yàn)件，以此模擬表面劃痕缺陷。目視檢查該試驗(yàn)件發(fā)現(xiàn)其表面并無高亮反光現(xiàn)象。光學(xué)條紋投射與圖像采集示意圖如圖4 所示。

圖3 鋼材質(zhì)的試驗(yàn)件

圖4 光學(xué)條紋投射與圖像采集示意圖

圖5 分別為對(duì)光學(xué)條紋投射器設(shè)置8 個(gè)亮度值下的光亮強(qiáng)度波譜圖。從圖5 可以看出，亮度值為4 時(shí)，光亮強(qiáng)度呈現(xiàn)居中的“正態(tài)分布”；亮度值為3 或5 時(shí)，光亮強(qiáng)度呈現(xiàn)近似“正態(tài)分布”，但其特征不夠顯著。

圖5 8 種亮度值下的光亮強(qiáng)度波譜圖

圖6 為8 種不同光亮強(qiáng)度下的試件表面狀況。從圖6 可以看出，隨著亮度值的增大，試驗(yàn)件表面反光情況逐漸加劇。當(dāng)亮度值為1 或2 時(shí)，試驗(yàn)件表面較暗；當(dāng)亮度值為4 時(shí)，試驗(yàn)件表面狀況與實(shí)際目視結(jié)果最為接近；當(dāng)亮度值大于等于8 時(shí)，表面反光較為嚴(yán)重；尤其當(dāng)亮度值為11 時(shí)，表面反光現(xiàn)象極為劇烈。

圖6 8 種不同光亮強(qiáng)度下的試件表面狀況

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 深度測(cè)量分析

圖7 為8 種不同光亮強(qiáng)度下的深度測(cè)量結(jié)果。從圖7 可以看出，隨著亮度值的增加，試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性呈現(xiàn)先增大后減小，再急劇增大的趨勢(shì)。通過計(jì)算分析可知，對(duì)應(yīng)于亮度值為1、2、3、4、5、6、8、11的深度極差值分別為2.6 μm、3.4 μm、6.3 μm、3.2 μm、13.4 μm、58.6 μm、24.1 μm、146.5 μm，深度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.64 μm、1.07 μm、2.00 μm、0.89 μm、3.83 μm、16.98 μm、8.59 μm、48.71 μm。當(dāng)亮度值最大（為11）時(shí)，深度極差值和標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到最大；當(dāng)亮度值小于5 時(shí)，深度極差與標(biāo)準(zhǔn)差值均較小，且在設(shè)備精度（±5 μm）范圍內(nèi)，其中當(dāng)亮度值為1 或4 時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果較好。另外，分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)亮度值大于等于5 時(shí)，所采集的人工缺陷刻槽輪廓圖像出現(xiàn)邊緣虛化，且系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別評(píng)價(jià)的最深值會(huì)出現(xiàn)在輪廓線附近，以亮度值為11 時(shí)的深度測(cè)量圖像為例，如圖8 所示。

圖7 8 種不同光亮強(qiáng)度下的深度測(cè)量結(jié)果

圖8 亮度值為11 時(shí)的深度測(cè)量圖像

造成上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋寒?dāng)亮度值大于等于5時(shí)，試驗(yàn)件表面反光現(xiàn)象明顯，系統(tǒng)采集人工缺陷刻槽輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)受限，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果不佳，輪廓線圖像邊緣出現(xiàn)虛化；同時(shí)，圖像采集時(shí)間由正常情況下的3 s 逐漸增加至18 s（亮度值為11），由于操作人員需手持設(shè)備并保持固定進(jìn)行測(cè)量，采集時(shí)間的增加會(huì)使其產(chǎn)生疲勞或晃動(dòng)，因此也增加了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量偏差和不穩(wěn)定性。

2.3.2 寬度測(cè)量分析

圖9 為8 種不同光亮強(qiáng)度下的寬度測(cè)量結(jié)果。從圖9 可以看出，隨著亮度值的增加，試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性基本類似。通過計(jì)算分析可知，對(duì)應(yīng)于亮度值為1、2、3、4、5、6、8、11 的寬度極差值分別為50 μm、40 μm、30 μm、20 μm、30 μm、20 μm、10 μm、30 μm，寬度標(biāo)準(zhǔn)差分別為19.21 μm、11.83 μm、7.75 μm、9.00 μm、8.72 μm、6.40 μm、4.58 μm、11.18 μm。與深度測(cè)量結(jié)果不同的是，當(dāng)亮度值最小（為1）時(shí)，寬度極差值和標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到最大；當(dāng)亮度值為3、4、5、6、8 時(shí)，寬度極差與標(biāo)準(zhǔn)差值均較小。另外，分析實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)亮度值小于等于2 時(shí)，人工缺陷刻槽的剖面線往往存在缺邊的問題，以亮度值為1 時(shí)的寬度測(cè)量結(jié)果為例，如圖10 所示。

圖9 8 種不同光亮強(qiáng)度下的寬度測(cè)量結(jié)果

圖10 亮度值為1 時(shí)的寬度測(cè)量剖面輪廓線

造成上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋簩挾鹊臏y(cè)量需要通過沿人工缺陷刻槽切線方向手動(dòng)劃線進(jìn)行剖面輪廓分析來實(shí)現(xiàn)，所以試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性基本類似；當(dāng)亮度值小于等于2 時(shí)，試驗(yàn)件表面較暗，系統(tǒng)對(duì)于人工缺陷刻槽輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集也受到限制，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果不佳，剖面輪廓線缺邊，因此測(cè)量存在一定偏差。

2.3.3 綜合分析

分析深度自動(dòng)測(cè)量與寬度手動(dòng)測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于鋼材質(zhì)的試驗(yàn)件而言，當(dāng)亮度值為4 時(shí)，深度測(cè)量的極差與標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.2 μm、0.8 μm；寬度測(cè)量的極差與標(biāo)準(zhǔn)差分別為20 μm、9 μm，另外寬深比為2.04 時(shí)深度與寬度測(cè)量的偏差值最小，工藝試驗(yàn)穩(wěn)定性最佳，這也與圖5 所示的光亮強(qiáng)度波譜圖“正態(tài)分布” 相對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

本文采用三維表面缺陷測(cè)量?jī)x，對(duì)鋼材質(zhì)的試驗(yàn)件開展了光亮強(qiáng)度對(duì)三維表面缺陷測(cè)量工藝穩(wěn)定性影響研究試驗(yàn)，通過對(duì)光學(xué)條紋投射器設(shè)置8 個(gè)亮度值（分別為1、2、3、4、5、6、8、11），并分別進(jìn)行圖像采集、數(shù)據(jù)記錄與分析處理，得到下述結(jié)論：①當(dāng)光亮強(qiáng)度太低時(shí)，試驗(yàn)件表面較暗，系統(tǒng)采集人工缺陷刻槽輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)受限，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果不佳，輪廓線圖像邊緣出現(xiàn)虛化，剖面輪廓線極易缺邊，工藝穩(wěn)定性較差。②當(dāng)光亮強(qiáng)度太高時(shí)，試驗(yàn)件表面反光現(xiàn)象劇烈，圖像采集時(shí)間由正常情況下的3 s 逐漸增加至18 s（亮度值為11），由于操作人員需手持設(shè)備并保持固定進(jìn)行測(cè)量，采集時(shí)間的增加會(huì)使其產(chǎn)生疲勞或晃動(dòng)；同時(shí)，也會(huì)由于試驗(yàn)件表面過于反光而導(dǎo)致系統(tǒng)采集人工缺陷刻槽輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)受限，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果不佳，從而使得工藝穩(wěn)定性變差。

為保證三維表面缺陷測(cè)量工藝試驗(yàn)的穩(wěn)定性，圖像采集時(shí)應(yīng)選擇合適的亮度，即光學(xué)條紋投射器投影后表面無嚴(yán)重的反光現(xiàn)象，且光亮強(qiáng)度波譜圖最佳“正態(tài)分布”。對(duì)于鋼材質(zhì)試驗(yàn)件開展的工藝試驗(yàn)而言，最佳測(cè)量效果的亮度值為4，此時(shí)工藝穩(wěn)定性最佳。