周鵬，盛波，胡成海，畢超，郝雪

(1.北京航空精密機(jī)械研究所精密制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；2.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司科技工程部，湖南株洲 412002)

0 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的靜子組件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈱?dǎo)向部件中的關(guān)鍵零件。靜子組件為內(nèi)外多層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外環(huán)為圓環(huán)狀的薄壁結(jié)構(gòu)，在靜子安裝外環(huán)、內(nèi)環(huán)壁面間圓周方向均勻分布多個(gè)葉形孔，葉形孔的位置度和輪廓度都有公差要求。在靜子組件和葉片的安裝中，靜子葉片插裝在三級(jí)靜子外環(huán)和三級(jí)靜子內(nèi)環(huán)的葉形孔中，然后通過焊接的方法將葉片固定在靜子組件上，并且焊接時(shí)要保證葉片與葉形孔縫隙均勻以保證焊接強(qiáng)度。葉形孔多采用激光切割方法加工，由于激光系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用，其加工精度無(wú)法得到保證。傳統(tǒng)的葉形孔標(biāo)準(zhǔn)樣件法是將標(biāo)準(zhǔn)葉片插入實(shí)際葉形孔中，然后用燈光照射葉形孔，根據(jù)葉片標(biāo)準(zhǔn)樣件與葉形孔之間的漏光間隙大小估計(jì)葉形孔的輪廓誤差。標(biāo)準(zhǔn)樣件檢測(cè)法雖然具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速等優(yōu)點(diǎn)。但是只能定性分析葉形孔是否合格，無(wú)法給出誤差值。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量方法是檢測(cè)精度比較高的葉形孔測(cè)量方法，其測(cè)量原理是通過測(cè)頭測(cè)出葉形孔輪廓上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后通過建模求出葉形孔的位置誤差和輪廓度誤差。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只能用于測(cè)量尺寸比較大的葉形孔，且對(duì)于測(cè)頭的大小有要求，不適合小尺寸葉形孔測(cè)量。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)靜子組件性能的要求越來(lái)越高，迫切需要研制和開發(fā)出高效的葉形孔檢測(cè)裝置。隨著圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空各領(lǐng)域。機(jī)器視覺測(cè)量是通過工業(yè)相機(jī)采集圖像信息到PC機(jī)上，通過圖像處理算法求得待測(cè)物的尺寸位置等信息。機(jī)器視覺測(cè)量作為非接觸測(cè)量方法，具有成本低、操作簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

本文作者基于機(jī)器視覺的方法，設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子組件葉形孔的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉形孔邊緣坐標(biāo)的提取。

1 葉形孔幾何特征

靜子組件裝配孔形面具有以下3個(gè)特點(diǎn)：(1)葉形孔形面輪廓線由多段不同參數(shù)的弧線組成，靜子葉片插入內(nèi)外環(huán)葉形孔后，通過釬焊固定，但是釬焊必然會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)血管作用且釬料不漫流，所以葉片與葉形孔間要保持適當(dāng)、均勻的間隙，因此要求葉形孔輪廓度為0.08～0.1 mm；(2)為保持氣動(dòng)性能，葉形孔必須均布在內(nèi)外環(huán)軸線方向上，且葉形孔在一周均布有位置度0.08～0.15 mm的要求；(3)形面進(jìn)排氣邊部位的半徑非常小，靜子件的進(jìn)排氣邊轉(zhuǎn)接半徑約為0.2 mm。葉形孔如圖1所示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子組件如圖2所示。

圖1 葉形孔

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子組件

2 測(cè)量系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、工業(yè)相機(jī)、二維姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、光源、圖像處理軟件和上位機(jī)組成，如圖3所示。

圖3 測(cè)量裝置組成部分

將3個(gè)二維姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)組成1個(gè)三維姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)(可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)繞軸和軸擺動(dòng)、繞軸360°旋轉(zhuǎn))，將此三維姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)固定到三軸運(yùn)動(dòng)裝置的末端(即軸的前端)，相機(jī)固定在三維姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)上。在三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的大理石平面上安裝高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，將待測(cè)工件通過專用夾具固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，工件可以隨著轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過上位機(jī)軟件控制三軸運(yùn)動(dòng)裝置和高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使葉形孔完整清晰成像在相機(jī)的CMOS上，然后相機(jī)將圖像傳輸給上位機(jī)，在上位機(jī)上求出葉形孔邊緣在圖像上的坐標(biāo)。

2.1 多軸運(yùn)動(dòng)裝置

葉形孔測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由、和3個(gè)直線軸和1個(gè)與軸平行的回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。其中、和軸是三軸運(yùn)動(dòng)裝置的3個(gè)直線軸，而回轉(zhuǎn)軸是由單獨(dú)布置在三軸運(yùn)動(dòng)裝置大理石平臺(tái)上的高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。三維姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和相機(jī)安裝在軸的前端。相機(jī)可以單獨(dú)沿著、和軸運(yùn)動(dòng)，或者可以三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)在、、構(gòu)成的直角坐標(biāo)系內(nèi)任意一點(diǎn)的精確定位。

三軸運(yùn)動(dòng)裝置的軸行程600 mm、軸行程400 mm、軸行程400 mm，各軸光柵尺的分辨率為0.5 μm，測(cè)量不確定度為(2.5+3×/1 000) μm(為測(cè)量長(zhǎng)度)、重復(fù)定位精度為2.8 μm。

旋轉(zhuǎn)軸的高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)采用某公司的SGMCS型直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，該型電機(jī)可以在不帶減速器的狀態(tài)下直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)從低速至高速的強(qiáng)力平滑運(yùn)行。電機(jī)采用20位高分辨率編碼器，可滿足被測(cè)量器件精確定位的需求。

2.2 多軸測(cè)量控制系統(tǒng)

多軸測(cè)量控制系統(tǒng)是控制、、軸和旋轉(zhuǎn)軸精確運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置的關(guān)鍵。本文作者提出基于PMAC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)方案。該方案采用主流工控PC機(jī)(上位機(jī))與專用多軸運(yùn)動(dòng)軸控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(下位機(jī))相結(jié)合的二級(jí)位置閉環(huán)數(shù)字復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。這樣，下位機(jī)控制更具實(shí)時(shí)性，同時(shí)上位機(jī)也能夠更有效地實(shí)時(shí)反饋，從而提高整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的工作效率。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)技術(shù)方案

2.3 圖像采集裝置

圖像采集裝置包括遠(yuǎn)心鏡頭、工業(yè)相機(jī)和LED光源。圖像采集裝置的質(zhì)量決定了成像質(zhì)量，從而決定系統(tǒng)最終的精度，所以圖像采集裝置的選型、照明方式以及安裝方式至關(guān)重要。

相機(jī)選取大恒水星二代MER系列工業(yè)面陣黑白數(shù)字相機(jī)，它具有高清晰度、低噪聲、安裝及使用方便等特點(diǎn)。相機(jī)性能參數(shù)見表1。

表1 相機(jī)性能參數(shù)

若被測(cè)物與相機(jī)之間的距離發(fā)生變化，則CMOS中一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離會(huì)發(fā)生變化，所以在鏡頭選型時(shí)要選用遠(yuǎn)心鏡頭。遠(yuǎn)心鏡頭只允許平行光進(jìn)入，所以被測(cè)物與相機(jī)之間距離發(fā)生變化不會(huì)影響CMOS中單個(gè)像素與實(shí)際距離之間的關(guān)系。靜子組件的葉形孔的尺寸為29 mm×21 mm，而CMOS對(duì)角線長(zhǎng)度為9.00 mm，長(zhǎng)、寬分別為7.20、5.35 mm(CMOS尺寸為1.41 cm(1/1.8″))，選擇鏡頭倍率為0.23的鏡頭，且鏡頭的靶面尺寸要大于CMOS的尺寸才可以使葉形孔完整成像在相機(jī)的CMOS上。選擇的鏡頭型號(hào)為Myutron MGTL023，其性能參數(shù)見表2。

表2 鏡頭性能參數(shù)

該系統(tǒng)只是用于采集葉形孔的輪廓特征，所以光源采用LED背光光源。將LED光源放置在氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子組件環(huán)內(nèi)，光線通過葉形孔進(jìn)入相機(jī)，可以很好地將葉形孔輪廓成像在CMOS上。

2.4 圖像處理

相機(jī)采集到的葉形孔圖像通過USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)上，在PC機(jī)中對(duì)采集到的圖像進(jìn)行中值濾波、二值化、區(qū)域選擇、圖像的形態(tài)學(xué)處理、亞像素邊緣提取和邊緣坐標(biāo)提取等操作。

對(duì)相機(jī)采集到的原圖(見圖5)進(jìn)行中值濾波，得到中值濾波圖像。中值濾波對(duì)于濾除圖像的脈沖噪聲及圖像掃描噪聲最有效，還可以克服線性濾波器帶來(lái)的圖像細(xì)節(jié)模糊的影響。用中值濾波器濾除葉形孔圖像中孤立的雜點(diǎn)，為后續(xù)的邊緣提取濾除假邊緣，提高邊緣提取精度。將中值濾波后的圖像進(jìn)行二值化處理，得到二值化圖像。由于輸入的圖像背景與前景分明，所以圖像二值化采用的是全局閾值處理方法，閾值為128，全局閾值計(jì)算簡(jiǎn)單、快速。然后分離前景區(qū)域，把前景每一個(gè)聯(lián)通的區(qū)域劃分成一個(gè)前景子區(qū)域,得到前景子區(qū)域集合圖像。得到每一個(gè)前景子區(qū)域后，按面積特征選擇所需要的子區(qū)域(即一個(gè)完整葉形孔的前景區(qū)域)，得到完整的葉形孔區(qū)域圖像。對(duì)得到的前景子區(qū)域進(jìn)行膨脹處理，將子區(qū)域向外擴(kuò)張，得到膨脹圖像，防止在進(jìn)行圖像二值化時(shí)把邊緣區(qū)域當(dāng)作背景，以至于在后面搜索邊緣時(shí)搜索到錯(cuò)誤的邊緣。通過Canny算子在膨脹后的區(qū)域中進(jìn)行輪廓提取，獲得圖像中目標(biāo)區(qū)域的二維輪廓，最后求出葉形孔輪廓邊緣的坐標(biāo)值，得到邊緣圖像,如圖6所示。

圖5 葉形孔原圖 圖6 葉形孔邊緣

在比較標(biāo)準(zhǔn)葉形孔和實(shí)際測(cè)得葉形孔前，需要將標(biāo)準(zhǔn)輪廓的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到圖像坐標(biāo)下。已知相機(jī)像元的大小為3.45 μm、鏡頭倍率為0.23×，可將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到圖像坐標(biāo)下。由標(biāo)準(zhǔn)葉形孔輪廓坐標(biāo)點(diǎn)生成葉形孔區(qū)域，將標(biāo)準(zhǔn)葉形孔區(qū)域和實(shí)際測(cè)得葉形孔區(qū)域進(jìn)行形狀模板匹配，得到剛性變換矩陣如式(1)所示。通過剛性變換矩陣對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輪廓坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行變換,變換公式如式(2)所示，使理論輪廓曲線的內(nèi)外等距線對(duì)曲線的包容區(qū)域達(dá)到最小狀態(tài)。經(jīng)過剛體變換后實(shí)際輪廓線和理論輪廓線見圖7。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)輪廓和實(shí)際輪廓

(1)

(2)

根據(jù)輪廓度測(cè)量中的最小包容區(qū)域的定義，對(duì)實(shí)際輪廓進(jìn)行剛體變換，使其滿足最小包容區(qū)域的定義，從而將線輪廓度誤差的評(píng)定問題轉(zhuǎn)化為對(duì)進(jìn)行剛體變換后的曲線求解最小單向豪斯多夫距離的問題,且最小單向豪斯多夫距離為兩包絡(luò)線之間法向距離的1/2。

2.5 上位機(jī)軟件

葉形孔視覺測(cè)量系統(tǒng)的上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制終端，其功能包括控制四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、顯示4個(gè)軸的位置坐標(biāo)、連接工業(yè)相機(jī)并采集圖像、圖像處理、與下位機(jī)通信和相機(jī)標(biāo)定。

上位機(jī)用戶界面如圖8所示，界面分為4個(gè)功能區(qū)：功能區(qū)1實(shí)時(shí)顯示相機(jī)采集到的圖像；功能區(qū)2控制四軸運(yùn)動(dòng)以及實(shí)時(shí)顯示4個(gè)軸的位置坐標(biāo)；功能區(qū)3用于顯示經(jīng)過一系列圖像處理完成后的圖像；功能區(qū)4具有連接相機(jī)、采集圖像、設(shè)置圖像處理相關(guān)參數(shù)、處理圖像、保存圖像和相機(jī)標(biāo)定等功能。

圖8 上位機(jī)界面

3 實(shí)驗(yàn)過程

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，通過三維調(diào)整裝置調(diào)整工業(yè)相機(jī)的空間方位，使其成像光軸的方向與測(cè)量系統(tǒng)的軸方向平行；其次，對(duì)高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸線進(jìn)行標(biāo)定，將定制的長(zhǎng)方體標(biāo)定塊放在氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，使工業(yè)相機(jī)對(duì)焦在標(biāo)定塊的表面，沿軸方向移動(dòng)工業(yè)相機(jī)，使相機(jī)采集到標(biāo)定塊鋒利的邊緣，通過邊緣提取、像素距離轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離等步驟，最終確定回轉(zhuǎn)軸線在機(jī)器坐標(biāo)系的空間方位；然后，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子組件固定在氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的專用夾具上，通過控制氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使葉形孔正對(duì)著工業(yè)相機(jī)，同時(shí)通過調(diào)整、和軸使工業(yè)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)葉形孔，使葉形孔完整、清晰成像在相機(jī)上；當(dāng)圖像采集裝置部分調(diào)整完畢之后，需要在上位機(jī)上點(diǎn)擊圖像采集按鈕，工業(yè)相機(jī)將采集到的圖像通過USB3.0傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)通過調(diào)用在Halcon上寫好的圖像處理算法，提取葉形孔的邊緣以及邊緣坐標(biāo)，將標(biāo)準(zhǔn)葉形孔輪廓和實(shí)際葉形輪廓進(jìn)行模板匹配，得到剛性變換矩陣，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輪廓坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行剛性變換，最后計(jì)算Hausdoff距離；當(dāng)一個(gè)葉形孔測(cè)量完成，控制氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使靜子組件的下一個(gè)葉形孔完整成像在CMOS上，重復(fù)上面的圖像處理環(huán)節(jié)，直至整個(gè)靜子組件的所有葉形孔測(cè)量完畢。實(shí)驗(yàn)流程如圖9所示。葉形孔測(cè)量系統(tǒng)如圖10所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)流程

圖10 葉形孔測(cè)量系統(tǒng)

4 結(jié)論

本文作者應(yīng)用三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、工業(yè)相機(jī)和工控機(jī)等搭建航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子組件上的葉形孔測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉形孔的線輪廓度高精度測(cè)量。該系統(tǒng)采用機(jī)器視覺方法進(jìn)行測(cè)量，具有實(shí)時(shí)性、非接觸性、測(cè)量方便和價(jià)格便宜等特點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法(例如標(biāo)準(zhǔn)工件參考法、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法)，它不僅提高了檢測(cè)精度，還提高了檢測(cè)速度，降低了靜子組件轉(zhuǎn)入焊接車間后多次產(chǎn)生不滿足零件尺寸的概率，提高了生產(chǎn)效率，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件高精度生產(chǎn)的要求。該系統(tǒng)不僅可以用于葉形孔測(cè)量，還可以用于緊固件的測(cè)量。