李 軍，張德遠，李 哲，何鳳濤

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

0 引言

現(xiàn)代航空工業(yè)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(shù)會改變鉚釘受力狀態(tài)，對蒙皮外形和機械結(jié)構(gòu)的安全可靠性產(chǎn)生重大影響[3]。前緊固孔主要采用手工鉆削加工，精度及穩(wěn)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(zhì)量[4]，高精度和高效率的孔徑測量技術(shù)是目前亟需解決的重點和難點。

機器視覺測量技術(shù)作為非接觸式數(shù)字化測量方法之一，具有精度高、效率高、穩(wěn)定性好等特點。北京航空航天大學(xué)陶永等[5]開發(fā)的航空制孔機器人利用機器視覺測量技術(shù)識別和檢測制得孔，并反饋孔位偏差。浙江大學(xué)江一行[6]開發(fā)的環(huán)形軌自動化制孔系統(tǒng)中利用機器視覺測量技術(shù)測量孔位來建立位姿關(guān)系和孔位修正。浙江大學(xué)畢運波等[7]研發(fā)了基于視覺測量技術(shù)的沉頭孔垂直度自動化檢測系統(tǒng)。這些研究對于航空應(yīng)用非接觸式數(shù)字化測量技術(shù)進行了有益探索。本文介紹了飛機緊固孔孔徑傳統(tǒng)測量方法及原理，并提出一種基于機器視覺測量技術(shù)的非接觸式數(shù)字化測量技術(shù)，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(jié)果進行分析討論。

1 傳統(tǒng)測量技術(shù)分析

1.1 兩點式數(shù)顯內(nèi)徑千分尺測量孔徑

兩點式數(shù)顯內(nèi)徑千分尺是航空工業(yè)測孔徑時常用量具，測量時，由測桿上設(shè)定的兩孔徑測量點接觸孔壁，利用活動測頭移動距離與內(nèi)徑千分尺顯示數(shù)值相等的原理來進行讀數(shù)[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(shù)據(jù)幾何平均值作測量結(jié)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(shù)字測量設(shè)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(shù)據(jù)，將孔徑測量轉(zhuǎn)化為孔壁上某些點集坐標位置測量。測量時通常取偶數(shù)點，根據(jù)所測得點的空間三坐標值，配合相應(yīng)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(nèi)，測針觸測內(nèi)孔壁上四點（點1～點4）甚至更多點，根據(jù)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(shù)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(shù)字化測量技術(shù)

本文所提緊固孔非接觸式數(shù)字化測量技術(shù)是指利用機器視覺對孔徑進行測量的技術(shù)。將機器視覺引入測量，把數(shù)字圖像轉(zhuǎn)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(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

2.1 機器視覺測量技術(shù)硬件構(gòu)成

基于機器視覺測量技術(shù)的飛機緊固孔非接觸式數(shù)字化測量系統(tǒng)由工業(yè)相機、圖像采集卡和工控計算機等主要硬件構(gòu)成，如圖3(a)所示。試驗平臺中工業(yè)相機選用德國Basler公司Aca2040-25gm型面陣工業(yè)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(yè)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(tǒng)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(shù)和實際尺寸之間所存線性比例關(guān)系進行對應(yīng)，最終得到孔徑測量值。

2.2 機器視覺測量技術(shù)軟件算法

飛機緊固孔非接觸式數(shù)字化測量技術(shù)中軟件算法采用VC++環(huán)境下OpenCV軟件進行編制。獲取被測孔原始圖像后，經(jīng)過預(yù)處理、邊緣特征提取和識別分析計算等階段來獲得結(jié)果[9]，流程如圖3(b)所示。預(yù)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(tài)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(chǎn)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(yōu)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(shù)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(jié)果如圖3(c)中界面所示。

圖3 非接觸式數(shù)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(shù)量為6個，由直徑4.1mm的硬質(zhì)合金刀具一次鉆削完成。分別使用兩點式數(shù)顯內(nèi)徑千分尺、三坐標測量機和機器視覺測量技術(shù)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(zhuǎn)測頭來測量5個不同方位的孔徑并做數(shù)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(nèi)壁均勻采點6次后作為每孔數(shù)據(jù)進行處理并重復(fù)5次操作，做數(shù)值記錄；使用機器視覺測量技術(shù)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(zhuǎn)、移動改變試驗件的方位，對每個孔重復(fù)5次操作并做數(shù)值記錄。

4 試驗結(jié)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(shù)、兩點式數(shù)顯內(nèi)徑千分尺和三坐標測量機三種方式的測量結(jié)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(jié)果。

4.1 重復(fù)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(shù)所測得孔徑數(shù)值穩(wěn)定性最好，穩(wěn)定性提高51%～62%。主要原因如下：一，機器視覺測量技術(shù)人為操作誤差降低。兩點式數(shù)顯內(nèi)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(chǎn)生二次損傷。二，機器視覺測量技術(shù)屬于非接觸式數(shù)字化測量，數(shù)據(jù)取樣點較多，不受孔壁毛刺及粗糙度影響，隨機誤差產(chǎn)生減少。

表1 三種測量方式測量值及平均耗費時間結(jié)果

圖4 測量方法對比

4.2 測量效率

圖4(b)中，數(shù)據(jù)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(shù)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(xué)圖像信息，易于實現(xiàn)信息集成，極大提高了自動化程度和測量效率。兩點式數(shù)顯內(nèi)徑千分尺在測量孔徑時，人工調(diào)整過程耗費大量時間。三坐標測量機操作繁瑣，數(shù)據(jù)點信息采集由人工控制且采樣點數(shù)量繁多，時間累積降低孔測量效率。

5 結(jié)論

本文針對飛機緊固孔孔徑精度測量穩(wěn)定性和效率提高問題，進行了基于機器視覺測量技術(shù)的非接觸式數(shù)字化測量技術(shù)研究，并進行相關(guān)測量試驗，最終，根據(jù)對機器視覺測量技術(shù)原理分析和試驗結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）本文引入基于機器視覺測量技術(shù)的非接觸式數(shù)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(yè)領(lǐng)域自動化無損測量要求。

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

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