薄板類工件視覺測量方法的應(yīng)用

周 奇 趙 婕 于望竹 苑 博 賈 濤 李 凱

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094）

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板是構(gòu)成航天器主結(jié)構(gòu)的重要部件，已成為航天器結(jié)構(gòu)中普遍使用的結(jié)構(gòu)形式。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板是一種性能優(yōu)良的復(fù)合結(jié)構(gòu)板，其主要特點是質(zhì)量輕、抗剪切能力強、抗彎曲剛度高[1]。航天復(fù)合結(jié)構(gòu)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(yè)的發(fā)展，航天飛行器的需求量越來越大，復(fù)合結(jié)構(gòu)板生產(chǎn)需求也隨之增大，2019 年結(jié)構(gòu)板生產(chǎn)量可達1200 塊。盡管目前薄板工件的檢測技術(shù)具有一定的成熟度，但與快速增長的生產(chǎn)能力需求相比，檢測環(huán)節(jié)已成為制約生產(chǎn)的瓶頸，迫切需要一種高效的適用于薄板類產(chǎn)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(jù)目前薄板工件不規(guī)則輪廓、孔位、孔徑的測量需求，提出使用視覺測量技術(shù)，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(xù)結(jié)構(gòu)板的生產(chǎn)需求，確保型號任務(wù)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(jié)構(gòu)板結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)板采用大量的薄板類產(chǎn)品，不僅數(shù)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(chǎn)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(chǎn)品測量內(nèi)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(chǎn)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(tǒng)的檢測技術(shù)依靠人工來完成，需要檢驗人員手工進行逐一測量，判斷產(chǎn)品是否合格。傳統(tǒng)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(nèi)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(chǎn)效率的同時增加了巨大的人工成本[2]。現(xiàn)有檢測手段還包括三坐標測量機，可通過設(shè)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(chǎn)品剛性差，接觸式測量方法易造成其變形。具體地，現(xiàn)有測量方法綜合評價分析如表1 所示。

表1 現(xiàn)有測量方法綜合評價

除此之外，隨著薄板類產(chǎn)品三維生產(chǎn)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(fù)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(shù)

隨著數(shù)碼成像技術(shù)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(shù)日益成熟。視覺測量技術(shù)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(shù)實現(xiàn)對薄板工件的測量時硬件構(gòu)架主要包括圖像采集模塊、核心處理系統(tǒng)及結(jié)果顯示系統(tǒng)[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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑢㈦娦盘栞斎胫翑?shù)字信號處理系統(tǒng)中，最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

圖2 圖像采集模塊成像原理圖

視覺測量技術(shù)實現(xiàn)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(shù)碼成像系統(tǒng)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(shè)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(jù)設(shè)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(jié)果及其與CAD 比對結(jié)果。

3 精度驗證

視覺測量技術(shù)可能由于鏡頭視角、拍攝高度及板厚陰影區(qū)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(shù)測量結(jié)果進行比對。比對結(jié)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(shù)測量結(jié)果進行比對。比對結(jié)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(jīng)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(fā)現(xiàn)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(yīng)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(shù)。

4 結(jié)論

目前該視覺測量方法已應(yīng)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(guī)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。