基于機(jī)器視覺的沉頭孔質(zhì)量檢測方法*

郝 博 郭 嵩 王嬋娟 閆俊偉

(①東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819;②東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

飛機(jī)的各種故障中，機(jī)體損傷的故障數(shù)量占總故障數(shù)量的30%以上，而機(jī)體損傷的故障中有75%～80%都是機(jī)體結(jié)構(gòu)的連接部位發(fā)生疲勞破壞引起的，而沉頭螺栓連接是如今飛機(jī)裝配中的主要連接方法。因此，保證沉頭螺栓連接質(zhì)量對保證飛機(jī)裝配質(zhì)量、提高飛機(jī)壽命尤為重要。波音公司對鈦合金螺栓試驗表明，當(dāng)緊固件沿外載荷作用方向傾斜角度大于2°時，疲勞壽命降低約47%；傾斜角度大于5°時，疲勞壽命降低95%[1-2]。北京衛(wèi)星制造廠有限公司倪愛晶等[3]于2018年通過螺紋孔測量試驗說明螺紋孔軸線與端面垂直度法矢偏差是引起螺紋孔相對光孔位置發(fā)生偏差的因素之一。天津大學(xué)于書宇等[3]于2016年研究了沉頭孔的锪窩深度對復(fù)合材料沉頭螺栓連接的疲勞強(qiáng)度的影響。因此，沉頭孔垂直度法矢偏差和锪窩深度是評價沉頭孔質(zhì)量的重要因素。

目前，國內(nèi)對沉頭孔的質(zhì)量檢測還主要依靠人工接觸式測量方法，檢測效率低下、檢測精度難以保證，且成本較高[4-6]，而機(jī)器視覺測量是一種非接觸式測量方法，相對于人工接觸式測量具有效率高、精度高、成本低、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢，如今應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。浙江大學(xué)的畢運波等[4]于2017年研究了基于機(jī)器視覺的沉頭孔垂直度檢測方法，該方法測得沉頭孔垂直度平均誤差約為0.03°，證明了機(jī)器視覺測量的可行性。

本文針對目前沉頭孔檢測精度與效率較低等問題，提出一種基于機(jī)器視覺測量沉頭孔的垂直度矢量偏差、锪窩深度的新方法。該方法首先從圖像中提取出沉頭孔的特征信息；其次，結(jié)合平行投影計算模型和透視投影修正模型得到沉頭孔的垂直度矢量偏差、锪窩深度計算式；最后，通過測量試驗驗證了該方法的有效性。

1 測量系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)組成

機(jī)器視覺成像系統(tǒng)包括相機(jī)、光源、移動平臺和計算機(jī)等部分。

工業(yè)相機(jī)作為本系統(tǒng)的重要部件負(fù)責(zé)采集圖像并發(fā)送給計算機(jī)處理。由于對測量精度要求較高的同時還要保證系統(tǒng)的工作效率，因此相機(jī)選用成像質(zhì)量較好且效率較高的面陣CCD相機(jī)[7]。

光學(xué)光源是機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，對成像質(zhì)量有重要影響。LED光源具有發(fā)熱少、功耗低、壽命長及發(fā)光強(qiáng)度高等優(yōu)點[8]。因此，本系統(tǒng)選用LED環(huán)形光源，采用高角度照射的打光方式，該光源布局有光束集中、亮度高及均勻性好等優(yōu)點，適用于本測量系統(tǒng)。系統(tǒng)組成與光源布局如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。首先，系統(tǒng)從導(dǎo)入的圖紙文件中識別并采集沉頭孔的位置信息和尺寸信息；零件到位后，系統(tǒng)將根據(jù)沉頭孔的位置信息控制移動平臺移動零件到工業(yè)相機(jī)正下方采集圖像；進(jìn)行圖像處理，并提取特征信息；將提取的特征信息代入公式，求得沉頭孔垂直度法矢偏差與锪窩深度；若被測孔垂直度法矢偏差與锪窩深度都合格，則送入下一步工位，否則系統(tǒng)報警并進(jìn)行人工復(fù)檢，復(fù)檢合格的零件送入下一步工位，不合格零件下線返修。

1.3 沉頭孔成像分析

隨著航空領(lǐng)域?qū)准庸さ馁|(zhì)量和效率要求越來越高，鉆锪一體式刀具在航空領(lǐng)域開始廣泛使用[9-10]。圖3為鉆锪一體刀具加工沉頭孔示意圖。左圖為標(biāo)準(zhǔn)加工的沉頭孔，右圖為存在垂直度法矢偏差的沉頭孔示意圖。

動化系統(tǒng)也發(fā)揮著強(qiáng)大的作用。對于設(shè)備安全性能與節(jié)能方面的貢獻(xiàn)，也很十分重大。電力自動化技術(shù)能夠有效改善設(shè)備的性能，提高人力資源的利用率。在設(shè)備維修與數(shù)據(jù)的整理分析上，也更加方面和可靠。

由圖3所示，當(dāng)鉆锪刀具與加工平面存在垂直度法矢偏差時，锪窩外孔投影是以L1為對稱軸的不規(guī)則封閉曲線，锪窩內(nèi)孔投影是橢圓。通過從投影圖像中提取出的特征信息可經(jīng)計算得到沉頭孔的垂直度法矢偏差和锪窩深度。

2 沉頭孔關(guān)鍵尺寸計算

2.1 沉頭孔平行投影計算模型

為了便于推出計算公式，現(xiàn)建立沉頭孔的平行投影計算模型。由于是對沉頭外孔所在平面進(jìn)行標(biāo)定，所以成像平面與沉頭外孔所在平面平行。

實際情況下，要考慮垂直度法矢偏差對锪窩深度的影響。如圖4所示，當(dāng)沉頭孔存在垂直度法矢偏差時，锪窩部分與沉頭孔外孔所在平面不平行，因此，一般情況下的锪窩深度無法準(zhǔn)確描述該情況下沉頭孔锪窩部分的深度分布。為了能夠描述準(zhǔn)確，將锪窩外孔曲線距锪窩內(nèi)孔平面的最大距離稱為高邊锪窩深度Hg，如圖4中的線段AH；將锪窩外孔距锪窩內(nèi)孔平面的最小距離稱為低邊锪窩深度hd，如圖4中的線段DJ。

如圖4所示，成像平面上沉頭孔锪窩外孔投影為AD，锪窩內(nèi)孔投影為BC。設(shè)θ為沉頭孔的垂直度法矢偏差偏差，φ為沉頭孔的锪窩角度，d1(圖4中線段FE)為標(biāo)準(zhǔn)沉頭孔內(nèi)孔直徑，則有∠θ=∠BCG，cos∠BCG=BC/BG。因此，可求得沉頭孔垂直度法矢偏差：

(1)

又因沉頭孔的锪窩角度為φ，則：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

由于上述公式中，線段BA、BC、CD的長度均是從圖像中采集到的信息，其中BC為橢圓內(nèi)孔的短軸，AB與CD的長度是內(nèi)孔邊緣與外孔邊緣的投影距離。由于外孔與內(nèi)孔所在平面存在高度差，存在透視畸變現(xiàn)象[11]。因此AB、CD的測量誤差較大，導(dǎo)致后續(xù)計算結(jié)果不準(zhǔn)確。為提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)一步研究沉頭孔特征值之間的關(guān)系，盡量減小圖像處理引起的誤差。

2.2 優(yōu)化的沉頭孔平行投影計算模型

(7)

(8)

同理，ΔHFA由三角形正弦定理可得：

(9)

(10)

(11)

因為ΔFDJ∽ΔFAH,有：

(12)

因為∠GED=∠GHA,∠DGE=∠AGH，所以ΔGAH∽ΔGDE，則：

(13)

其中DG=FG-FD,AG=FA-FG,所以：

(14)

由式(8)、(9)、(10)可得：

(15)

由三角形正弦定理可得：

(16)

因為ΔFJC∽ΔKPC，F(xiàn)C=FD，則：

(17)

考慮到鉆锪刀具在深度方向上存在的加工誤差，建立以下數(shù)學(xué)模型，圖6為存在锪窩深度加工誤差的沉頭孔示意圖：

設(shè)鉆锪刀具在深度方向的誤差為hd，則锪窩深度誤差的計算公式如下：

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

最終可得：式(23)、式(24)中的標(biāo)準(zhǔn)沉頭孔锪窩深度h1、锪窩內(nèi)孔直徑d1、锪窩角度φ均為已知量，垂直度法矢偏差θ由BC經(jīng)式(1)計算求得，只有锪窩外孔短軸L2、線段BC為圖像中提取的特征值，因此誤差相對較小。

(23)

(24)

2.3 沉頭孔透視投影修正模型

考慮到锪窩內(nèi)孔平面與锪窩外孔平面間存在的高度差會引起透視畸變現(xiàn)象，從而導(dǎo)致基于平行投影假設(shè)的計算模型存在誤差，因此需要結(jié)合透視投影模型對其進(jìn)行修正[12]。

圖7為沉頭孔透視投影示意圖。設(shè)焦點O位于沉頭孔底孔圓心正上方，與外孔平面的垂直距離為h2，锪窩內(nèi)孔直徑為d1，锪窩外孔直徑為d2。由于垂直度法矢偏差θ通常都在2°以內(nèi)[13]，因此可近似看作ΔOB′C′∽ΔOBC，則有：

(25)

(26)

式(26)即為透視投影修正公式，對式(23)、(24)中的θ進(jìn)行修正，從而減小誤差。

3 試驗驗證

3.1 試驗設(shè)備

本次試驗的研究對象選用的是锪窩角度90°的M6沉頭孔，沉頭孔尺寸參數(shù)表如表1所示。

表1 沉頭孔尺寸表 mm

相機(jī)選用VMS-4030型工業(yè)相機(jī)，如圖8所示。

3.2 試驗方案

3.2.1 圖像處理

為減少測量精度對試驗的影響，選取10個垂直度法矢偏差較大的沉頭孔作為待測對象。首先，用工業(yè)相機(jī)獲取沉頭孔圖像并進(jìn)行圖像處理。圖像處理的目的主要是消除影響目標(biāo)識別的圖像噪聲，從而提高目標(biāo)識別的準(zhǔn)確度與效率[14]。因此，使用Matlab軟件對采集到的沉頭孔圖像進(jìn)行以下處理，處理流程如圖9所示。

步驟1：將沉頭孔圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并進(jìn)行高斯濾波處理。

步驟2：為保證測量精度，對灰度圖進(jìn)行兩次閾值處理，分別提取外孔圖像和內(nèi)孔圖像。

步驟3：用bwareaopen和imdilate命令去除圖中干擾點，然后用Canny算法提取內(nèi)孔邊緣與外孔邊緣。

步驟4：MajorAxisLength命令測得橢圓內(nèi)孔長軸長度。記外孔邊緣上兩點最長線段為外孔長軸L1，L1垂直方向上的最長兩點線段記為外孔短軸L2，如圖9所示，使用BoundingBox命令測得L1,L2長度。

3.2.2 數(shù)據(jù)獲取

將帶有待測沉頭孔的零件固定在三坐標(biāo)測量儀上，用測頭在沉頭孔所在平面選取5個測量點；在其锪窩部分的不同深度均勻選取20個測量點；在其直孔部分的不同深度均勻選取20個測量點。將以上所得點云坐標(biāo)系進(jìn)行三維重建，得到被測沉頭孔的三維圖像[15]，進(jìn)而求得沉頭孔的垂直度法矢偏差法矢偏差φs、低邊锪窩深度hs、高邊锪窩深度Hs作為試驗的標(biāo)準(zhǔn)值。

完成拍照試驗后，將提取到的特征值按照平行投影計算模型求得一組被測值，再用透視投影公式修正，得到另一組被測值；最后，得到兩組待測沉頭孔的垂直度法矢偏差、低邊锪窩深度和高邊锪窩深度。

3.3 實驗結(jié)果及分析

測量結(jié)果如圖10～12所示。

由圖10～12可以看出：

(1)當(dāng)被測沉頭孔的锪窩深度較小時，平行投影計算結(jié)果與經(jīng)過透視投影修正的結(jié)果相近。

(2)平行投影計算模型經(jīng)過修正后的結(jié)果整體更準(zhǔn)確。其中，垂直度矢量偏差測量誤差約為0.04°；高邊锪窩深度測量誤差約為0.03 mm；低邊锪窩深度測量誤差約為0.02 mm。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)檢測沉頭孔質(zhì)量的方法，能夠自動、準(zhǔn)確的實現(xiàn)沉頭孔質(zhì)量檢測。經(jīng)試驗驗證，垂直度法矢偏差的平均檢測誤差為0.04°，相對誤差為2%，高邊锪窩深度的平均檢測誤差為0.03 mm，低邊锪窩深度的平均檢測誤差為0.02 mm，驗證了該方法的準(zhǔn)確性和有效性。