飛機緊固孔非接觸式數字化測量技術研究

李 軍，張德遠，李 哲，何鳳濤

（1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100083；2.航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610092）

0 引言

現代航空工業飛機蒙皮的連接方式主要為鉆鉚連接[1]，裝配緊固孔作為主要受力單元，加工孔徑尺寸精度等參數會改變鉚釘受力狀態，對蒙皮外形和機械結構的安全可靠性產生重大影響[3]。前緊固孔主要采用手工鉆削加工，精度及穩定性難以控制。須在孔加工完成后測量形位誤差來保證加工質量[4]，高精度和高效率的孔徑測量技術是目前亟需解決的重點和難點。

機器視覺測量技術作為非接觸式數字化測量方法之一，具有精度高、效率高、穩定性好等特點。北京航空航天大學陶永等[5]開發的航空制孔機器人利用機器視覺測量技術識別和檢測制得孔，并反饋孔位偏差。浙江大學江一行[6]開發的環形軌自動化制孔系統中利用機器視覺測量技術測量孔位來建立位姿關系和孔位修正。浙江大學畢運波等[7]研發了基于視覺測量技術的沉頭孔垂直度自動化檢測系統。這些研究對于航空應用非接觸式數字化測量技術進行了有益探索。本文介紹了飛機緊固孔孔徑傳統測量方法及原理，并提出一種基于機器視覺測量技術的非接觸式數字化測量技術，以飛機蒙皮常見材料鋁合金試驗件上4mm左右緊固孔作為檢測目標進行孔徑測量對比試驗，對結果進行分析討論。

1 傳統測量技術分析

1.1 兩點式數顯內徑千分尺測量孔徑

兩點式數顯內徑千分尺是航空工業測孔徑時常用量具，測量時，由測桿上設定的兩孔徑測量點接觸孔壁，利用活動測頭移動距離與內徑千分尺顯示數值相等的原理來進行讀數[8]。兩測量點于測桿上呈180°線性對稱分布，測量時范圍可及該孔任意方向上直徑，其實物圖及其測量原理如圖1所示。測量位置一般選取沿孔軸線上靠近鉆削入口、中間和出口三處，取測量數據幾何平均值作測量結果。對孔深小于兩倍測頭高度的較淺孔，只在沿孔軸線方向的中間位置處測量。

1.2 三坐標測量機測量孔徑

圖1 實物及測量原理圖

三坐標測量機作為基于坐標測量的通用化數字測量設備，常用于測量各種形位公差，具有準確、方便的特點。測量時，首先采集孔表面數據，將孔徑測量轉化為孔壁上某些點集坐標位置測量。測量時通常取偶數點，根據所測得點的空間三坐標值，配合相應測量軟件以一定評定原則計算處理得到孔徑和形位誤差。具體取點過程如圖2(a)所示，垂直于蒙皮孔軸線的截面M內，測針觸測內孔壁上四點（點1～點4）甚至更多點，根據最小二乘法計算出圓心坐標OM、截面圓圓度誤差、孔近似最小二乘圓半徑：如圖2(b)所示。因受取點數量限制，測量精度在一定程度上受到影響。

圖2 取點及擬合原理

2 非接觸式數字化測量技術

本文所提緊固孔非接觸式數字化測量技術是指利用機器視覺對孔徑進行測量的技術。將機器視覺引入測量，把數字圖像轉化為非圖像幾何測量值，速度快、精度高、可靠性好，已在眾多領域中得到廣泛應用。

2.1 機器視覺測量技術硬件構成

基于機器視覺測量技術的飛機緊固孔非接觸式數字化測量系統由工業相機、圖像采集卡和工控計算機等主要硬件構成，如圖3(a)所示。試驗平臺中工業相機選用德國Basler公司Aca2040-25gm型面陣工業相機，圖像采集卡選用臺灣宸曜科技公司PCIe-PoE2+型圖像采集卡。工業相機采集緊固孔圖像，圖像采集卡將圖像傳輸至工控機，工控計算機通過系統軟件對圖像進行處理分析、運算，得到圖像中孔徑尺寸。通過標定，即將圖像孔徑像素點數和實際尺寸之間所存線性比例關系進行對應，最終得到孔徑測量值。

2.2 機器視覺測量技術軟件算法

飛機緊固孔非接觸式數字化測量技術中軟件算法采用VC++環境下OpenCV軟件進行編制。獲取被測孔原始圖像后，經過預處理、邊緣特征提取和識別分析計算等階段來獲得結果[9]，流程如圖3(b)所示。預處理階段包括緊固孔圖像直方圖均衡化、中值濾波處理等。直方圖均衡化改善光照明暗不均，增加灰度級并均勻分布，具有較高對比度和較大動態范圍，圖像邊界特征更明顯。中值濾波處理消除圖像讀取和傳輸中產生的噪聲，圖像均衡且較好保留邊界信息。圖像邊緣檢測須同時有效抑制噪聲和盡量精確確定邊緣位置，兩者無法兼得，故采用Canny邊緣檢測算法對信噪比與定位乘積進行測度，得到最優化逼近。最小二乘法擬合測量圓并確定緊固孔孔徑所占像素數目，通過標定板圖像中單位像素代表實際物理尺寸，最終得到緊固孔孔徑真實測量值，擬合圓效果及測量結果如圖3(c)中界面所示。

圖3 非接觸式數字化測量過程圖

3 試驗方案

本文試驗件為厚度5mm左右的飛機鋁合金蒙皮，制孔數量為6個，由直徑4.1mm的硬質合金刀具一次鉆削完成。分別使用兩點式數顯內徑千分尺、三坐標測量機和機器視覺測量技術進行孔徑測量。使用千分尺測量時，因蒙皮件厚度較小，孔深小于兩倍測頭高度，故只在沿孔軸線方向中間位置進行測量，旋轉測頭來測量5個不同方位的孔徑并做數值記錄；使用三坐標測量機測量時，將制孔后的試驗樣件固定于測量臺上，操縱測針對直孔內壁均勻采點6次后作為每孔數據進行處理并重復5次操作，做數值記錄；使用機器視覺測量技術測量時，將制孔后的試驗樣件通過緊固銷釘固定于測量臺上，通過旋轉、移動改變試驗件的方位，對每個孔重復5次操作并做數值記錄。

4 試驗結果與分析

對飛機鋁合金蒙皮試驗件上已制孔進行機器視覺測量技術、兩點式數顯內徑千分尺和三坐標測量機三種方式的測量結果如表1所示，包括孔徑測量原始值、平均值、標準差值和平均耗費時間結果。

4.1 重復性精度

圖4(a)中，直方圖中長方形高度為各緊固孔孔徑測量平均值，誤差條高度為標準差。對比可見，機器視覺測量技術所測得孔徑數值穩定性最好，穩定性提高51%～62%。主要原因如下：一，機器視覺測量技術人為操作誤差降低。兩點式數顯內徑千分尺手持測量，很難保證千分尺和孔軸線平行以及每次測量點均為同一平面。三坐標測量機在測量過程中人為操縱測頭與孔壁相接觸，兩者易碰撞接觸，產生二次損傷。二，機器視覺測量技術屬于非接觸式數字化測量，數據取樣點較多，不受孔壁毛刺及粗糙度影響，隨機誤差產生減少。

表1 三種測量方式測量值及平均耗費時間結果

圖4 測量方法對比

4.2 測量效率

圖4(b)中，數據點為各緊固孔孔徑測量過程耗費時間平均值。對比可見，機器視覺測量技術在各孔孔徑測量過程中效率最高，效率提高120～441倍。主要原因如下：機器視覺測量由計算機中程序自動化處理光學圖像信息，易于實現信息集成，極大提高了自動化程度和測量效率。兩點式數顯內徑千分尺在測量孔徑時，人工調整過程耗費大量時間。三坐標測量機操作繁瑣，數據點信息采集由人工控制且采樣點數量繁多，時間累積降低孔測量效率。

5 結論

本文針對飛機緊固孔孔徑精度測量穩定性和效率提高問題，進行了基于機器視覺測量技術的非接觸式數字化測量技術研究，并進行相關測量試驗，最終，根據對機器視覺測量技術原理分析和試驗結果，得到以下結論：

1）本文引入基于機器視覺測量技術的非接觸式數字化測量方法在緊固孔孔徑測量過程具有可行性，可滿足航空工業領域自動化無損測量要求。

2）相比于兩點式數顯內徑千分尺測量和三坐標測量機測量，機器視覺測量技術在測量緊固孔孔徑時，測量結果重復性精度明顯提高，重復性精度提高51%～62%。

3）相比于兩點式數顯內徑千分尺測量和三坐標測量機測量，機器視覺測量技術在測量緊固孔孔徑時，測量效率明顯提高，效率提高120～441倍。