光亮強度對三維表面缺陷測量工藝穩(wěn)定性影響的研究

吳紅，鄒昱臨，蘇大帥

（中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324）

在航空航天領域中，機身表面狀態(tài)受損可能會導致整個飛機出現(xiàn)各種安全隱患[1]。例如，飛機關鍵構件（如機身蒙皮、壁板、發(fā)動機導管等）在加工、總裝、試飛、維修等階段極易與尖銳的外界物質（如金屬屑、鏟刀、板角或設備上的尖銳物等）接觸，而在相對滑動時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]，這將對飛機構件服役性能與飛行安全造成極大的威脅。

目前，對于表面劃痕評價主要采用目視檢查、手指感受、直尺法、三坐標機或尖頭深度表等方式，此方式存在測量耗時長、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，測量結果嚴重依賴于操作者經(jīng)驗，對缺陷尺寸無法定量，尤其是深度；而三坐標機或尖頭深度表測量法屬于典型的接觸式測量，雖然該方法測量精度較高，但整個測量過程耗時較長，測量范圍有限，不適合尺寸大、硬度小的構件檢測，且由于測頭與被測物體接觸時會產(chǎn)生一定壓力，可能會導致測頭磨損，同時也會帶來新的劃傷，另外該方法也不適用于實時在線的應用場景[3]。而隨著光學元件的不斷發(fā)展，工業(yè)視覺檢測技術得到快速廣泛應用，其中基于條紋投影法的三維表面缺陷測量技術，因具有非接觸、精度高、速度快、便捷性強等優(yōu)點而成為光學視覺檢測領域中的研究熱點之一[4]，同時也成為飛機表面質量評價的重要手段。

當前，國外對于條紋投影法測量技術的研究開展較早，且已進入實用化階段。而國內對該技術的研究開始于20 世紀90 年代，雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，目前各院校研究團隊已開展了實驗階段的理論研究和應用論證[5-6]，并取得了眾多研究成果。本文針對鋼材質的試驗件開展了光亮強度對基于條紋投影法的三維表面缺陷測量工藝穩(wěn)定性研究，通過對光學條紋投射器設置8 個亮度值（分別為1、2、3、4、5、6、8、11），并分別進行圖像采集、數(shù)據(jù)記錄與分析處理，從而明確了光亮強度對其工藝穩(wěn)定性的影響。

1 三維表面缺陷測量工藝基本原理

三維表面缺陷測量工藝采用的是由投影儀和攝像頭組成的系統(tǒng)結構，其本質是基于結構光三角法的條紋投影測量技術，即通過投影發(fā)射器將多條光柵條紋投射到被測物體表面，投影條紋受被測物體高度的調制發(fā)生形變（如圖1 所示），正上方的攝像機對 “條紋圖像” 進行采集，隨后通過計算機軟件分析條紋產(chǎn)生的形變，便可得到被測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 試驗開展

2.1 基礎條件

本文主要采用三維表面缺陷測量儀進行光亮強度對三維表面缺陷測量工藝穩(wěn)定性的研究，所用設備量程/精度具體如下：深度測量范圍為-2.5～2.5 mm；X、Y方向測量范圍為13 mm×8 mm；最大允許示值誤差為±（2+L/1 000）μm。

2.2 試驗參數(shù)

針對鋼材質的試驗件開展了光亮強度對三維表面缺陷測量工藝穩(wěn)定性影響的研究試驗，首先對光學條紋投射器設置8 個亮度值（分別為1、2、3、4、5、6、8、11），且按照每個亮度值重復進行10 次測量，并分別進行圖像采集、數(shù)據(jù)記錄與分析處理。圖3 為鋼材質的試驗件，以此模擬表面劃痕缺陷。目視檢查該試驗件發(fā)現(xiàn)其表面并無高亮反光現(xiàn)象。光學條紋投射與圖像采集示意圖如圖4 所示。

圖3 鋼材質的試驗件

圖4 光學條紋投射與圖像采集示意圖

圖5 分別為對光學條紋投射器設置8 個亮度值下的光亮強度波譜圖。從圖5 可以看出，亮度值為4 時，光亮強度呈現(xiàn)居中的“正態(tài)分布”；亮度值為3 或5 時，光亮強度呈現(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度波譜圖

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

圖6 8 種不同光亮強度下的試件表面狀況

2.3 試驗結果

2.3.1 深度測量分析

圖7 為8 種不同光亮強度下的深度測量結果。從圖7 可以看出，隨著亮度值的增加，試驗結果的波動性呈現(xiàn)先增大后減小，再急劇增大的趨勢。通過計算分析可知，對應于亮度值為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，深度標準差分別為0.64 μm、1.07 μm、2.00 μm、0.89 μm、3.83 μm、16.98 μm、8.59 μm、48.71 μm。當亮度值最大（為11）時，深度極差值和標準差均達到最大；當亮度值小于5 時，深度極差與標準差值均較小，且在設備精度（±5 μm）范圍內，其中當亮度值為1 或4 時，試驗結果較好。另外，分析試驗結果發(fā)現(xiàn)，當亮度值大于等于5 時，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)自動識別評價的最深值會出現(xiàn)在輪廓線附近，以亮度值為11 時的深度測量圖像為例，如圖8 所示。

圖7 8 種不同光亮強度下的深度測量結果

圖8 亮度值為11 時的深度測量圖像

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

2.3.2 寬度測量分析

圖9 為8 種不同光亮強度下的寬度測量結果。從圖9 可以看出，隨著亮度值的增加，試驗結果的波動性基本類似。通過計算分析可知，對應于亮度值為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，寬度標準差分別為19.21 μm、11.83 μm、7.75 μm、9.00 μm、8.72 μm、6.40 μm、4.58 μm、11.18 μm。與深度測量結果不同的是，當亮度值最?。?）時，寬度極差值和標準差均達到最大；當亮度值為3、4、5、6、8 時，寬度極差與標準差值均較小。另外，分析實際試驗結果發(fā)現(xiàn)，當亮度值小于等于2 時，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 時的寬度測量結果為例，如圖10 所示。

圖9 8 種不同光亮強度下的寬度測量結果

圖10 亮度值為1 時的寬度測量剖面輪廓線

造成上述現(xiàn)象的主要原因為：寬度的測量需要通過沿人工缺陷刻槽切線方向手動劃線進行剖面輪廓分析來實現(xiàn)，所以試驗結果的波動性基本類似；當亮度值小于等于2 時，試驗件表面較暗，系統(tǒng)對于人工缺陷刻槽輪廓點云數(shù)據(jù)采集也受到限制，數(shù)據(jù)擬合結果不佳，剖面輪廓線缺邊，因此測量存在一定偏差。

2.3.3 綜合分析

分析深度自動測量與寬度手動測量的試驗結果可知，對于鋼材質的試驗件而言，當亮度值為4 時，深度測量的極差與標準差分別為3.2 μm、0.8 μm；寬度測量的極差與標準差分別為20 μm、9 μm，另外寬深比為2.04 時深度與寬度測量的偏差值最小，工藝試驗穩(wěn)定性最佳，這也與圖5 所示的光亮強度波譜圖“正態(tài)分布” 相對應。

3 結論

本文采用三維表面缺陷測量儀，對鋼材質的試驗件開展了光亮強度對三維表面缺陷測量工藝穩(wěn)定性影響研究試驗，通過對光學條紋投射器設置8 個亮度值（分別為1、2、3、4、5、6、8、11），并分別進行圖像采集、數(shù)據(jù)記錄與分析處理，得到下述結論：①當光亮強度太低時，試驗件表面較暗，系統(tǒng)采集人工缺陷刻槽輪廓點云數(shù)據(jù)受限，數(shù)據(jù)擬合結果不佳，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當光亮強度太高時，試驗件表面反光現(xiàn)象劇烈，圖像采集時間由正常情況下的3 s 逐漸增加至18 s（亮度值為11），由于操作人員需手持設備并保持固定進行測量，采集時間的增加會使其產(chǎn)生疲勞或晃動；同時，也會由于試驗件表面過于反光而導致系統(tǒng)采集人工缺陷刻槽輪廓點云數(shù)據(jù)受限，數(shù)據(jù)擬合結果不佳，從而使得工藝穩(wěn)定性變差。

為保證三維表面缺陷測量工藝試驗的穩(wěn)定性，圖像采集時應選擇合適的亮度，即光學條紋投射器投影后表面無嚴重的反光現(xiàn)象，且光亮強度波譜圖最佳“正態(tài)分布”。對于鋼材質試驗件開展的工藝試驗而言，最佳測量效果的亮度值為4，此時工藝穩(wěn)定性最佳。