薄板類工件視覺測量方法的應用

周 奇 趙 婕 于望竹 苑 博 賈 濤 李 凱

（北京衛星制造廠有限公司，北京100094）

蜂窩夾層結構板是構成航天器主結構的重要部件，已成為航天器結構中普遍使用的結構形式。蜂窩夾層結構板是一種性能優良的復合結構板，其主要特點是質量輕、抗剪切能力強、抗彎曲剛度高[1]。航天復合結構板主要由蜂窩夾層和表面鋁合金薄板工件組成。“十三五”期間，隨著我國航天事業的發展，航天飛行器的需求量越來越大，復合結構板生產需求也隨之增大，2019 年結構板生產量可達1200 塊。盡管目前薄板工件的檢測技術具有一定的成熟度，但與快速增長的生產能力需求相比，檢測環節已成為制約生產的瓶頸，迫切需要一種高效的適用于薄板類產品的檢測方法。因此，需要開展提高薄板工件檢測效率的測量方法研究。

本文根據目前薄板工件不規則輪廓、孔位、孔徑的測量需求，提出使用視覺測量技術，利用影像特征識別、比對達到薄板工件檢測過程的高效化，以使測量過程效率大力提升，滿足后續結構板的生產需求，確保型號任務的順利完成。

1 目前薄板工件的檢測方法及存在的問題

蜂窩夾層結構板結構形式，結構板采用大量的薄板類產品，不僅數量多，而且形狀各異，面板、均壓板和固化底板均為鋁合金薄板類產品。此類薄板上有大量圓形孔、方形孔、長圓孔等待測特征，如圖1 所示。鋁合金薄板類產品測量內容包括：（1）圓孔孔位位置度；（2）各孔孔徑；（3）方形孔、長圓孔等孔心位置度；（4）方形孔、長圓孔等孔心距離。

目前，僅面板類生產能力達60 塊/天，每塊上待測孔位少則20-30 個多則700-800 個。傳統的檢測技術依靠人工來完成，需要檢驗人員手工進行逐一測量，判斷產品是否合格。傳統的檢測手段包括卡尺、樣板檢測等手段，此類檢測方法成本低，使用方便，但大量測量內容需手工進行逐一測量，檢驗人員檢測耗時，需要大量勞動力，減緩生產效率的同時增加了巨大的人工成本[2]。現有檢測手段還包括三坐標測量機，可通過設定程序完成自動測量及尺寸評價，但厚度1mm 以下的薄板類產品剛性差，接觸式測量方法易造成其變形。具體地，現有測量方法綜合評價分析如表1 所示。

表1 現有測量方法綜合評價

除此之外，隨著薄板類產品三維生產模式的推行，無尺寸標注的三維模型給尺寸檢測帶來了新的難題，人工檢測需反復查看三維圖再進行尺寸測量，測量過程繁瑣易錯，造成檢測效率下降。

2 視覺測量技術

隨著數碼成像技術的日益完善以及光學傳感器像素的不斷擴大，視覺測量技術日益成熟。視覺測量技術可以擺脫對激光光源的依賴，采用背光光源，對薄板工件一次成像，完成對薄板工件外形輪廓、孔位置度、方圓孔心距離等指標的測量。視覺測量技術實現對薄板工件的測量時硬件構架主要包括圖像采集模塊、核心處理系統及結果顯示系統[3]。

圖像采集模塊主要由照相物鏡和圖像傳感器組成。照相物鏡將成像目標聚焦至圖像傳感器，成像原理圖如圖2 所示，其中y 為被測范圍，l 為工作距離，y’為工件通過物鏡在焦平面上成像的半高，l’為后工作距離。圖像傳感器將成像由光信號轉變為電信號，將電信號輸入至數字信號處理系統中，最終轉換為數字圖像。

圖2 圖像采集模塊成像原理圖

視覺測量技術實現對薄板工件的測量基本操作方式為：將薄板工件放置在帶有背光的工作臺上，控制數碼成像系統對該薄板工件拍照，瞬間完成薄板工件的邊緣尺寸測繪，并在顯示屏上顯示，將測繪圖同標準CAD 設計圖進行比對，通過不同顏色顯示該零件邊緣處每個位置的偏差，整個零件的加工精度一目了然。根據設計要求，自動生成所需要的尺寸檢測報告，或自動生成全尺寸檢測報告。所示為薄板工件邊緣測繪結果及其與CAD 比對結果。

3 精度驗證

視覺測量技術可能由于鏡頭視角、拍攝高度及板厚陰影區等原因影響其測量精度，因此選取如圖3 所示厚度為3mm，尺寸為950*800mm 的薄板工件進行視覺測量精度驗證。

圖3 薄板工件CAD 圖

使用低橋式三坐標測量機對圖4 薄板工件進行尺寸測量，與視覺測量技術測量結果進行比對。比對結果顯示，距離最大偏差小于0.1mm。

使用卡尺對厚度為0.3mm，尺寸為1090*610mm 的薄板工件進行手工測量，與視覺測量技術測量結果進行比對。比對結果顯示，長方孔間距最大偏差小于0.1mm，圓孔直徑最大偏差0.05mm。

經驗證，視覺測量方法的測量精度滿足使用要求，且精度驗證過程中發現影響視覺測量精度的因素有以下幾個方面：（1）薄板工件的平整度；（2）激光切割遺留的毛刺、掛渣等；（3）薄板尺寸過大需要拼接測量時。因此，使用視覺測量方法測量薄板尺寸時應注意：（1）薄板工件厚度小于1mm 時，可使用玻璃壓蓋，保證其平整度；（2）薄板工件測量前去處毛刺等影響測量精度的多余物；（3）注意薄板工件的擺放及測量方法，必要時可分部測量，盡量減少測量拼接次數。

4 結論

目前該視覺測量方法已應用到多個型號薄板工件的幾何尺寸測量中，解決了方形孔、長圓孔等不規則輪廓尺寸的測量，精度滿足使用要求的同時，通過與CAD 的直接比對，快速完成與理論尺寸的合格判定，高效完成對薄板工件外形輪廓、孔位置度、方圓孔心距離等指標的測量。該測量方法不僅能大大降低操作者的工作強度，還對提高薄板工件檢測效率，增強檢測可靠性等方面起到非常重要作用。