陳 田 ，孟 康 ，2，吳入軍 ，于忠海

（1.上海電機學院 機械學院，上海 200245；2.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

1 引言

一般來說，在飛機上應(yīng)用的部件比普通部件所要求的質(zhì)量要高。從飛機發(fā)動機到非球面透鏡或微芯片電路的所有高質(zhì)量產(chǎn)品，都需要檢測是否符合客戶的要求。由于光學測量的分辨率高、速度快以及非接觸式等優(yōu)點，使得光學測量受到很多企業(yè)的青睞。

介紹了光學檢測與測量技術(shù)在飛機部件檢測中的一些應(yīng)用。在第二節(jié)中，分析了RE技術(shù)的一般流程和現(xiàn)有的RE軟件。在第三節(jié)中，列舉了對飛機部件進行光學檢測的案例，并討論了其解決方案。最后，借鑒相關(guān)的研究經(jīng)驗和研究成果，對其關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)。

2 質(zhì)量控制概述

與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，RE技術(shù)首先對已存在的零件進行測量，然后生成一個具有分析結(jié)果代表性的CAD幾何模型。RE檢測技術(shù)流程包括以下幾個步驟，如圖1所示。

圖1 RE檢測技術(shù)一般流程Fig.1 General Process of RE for Inspection

（1）實物測量：對于測量系統(tǒng)，有兩種數(shù)據(jù)采集方法：一種是接觸式測量，如三坐標測量機[1]；另一種是光學非接觸式測量。光學非接觸式數(shù)據(jù)采集的廣泛使用，主要是因為它可以代替價格昂貴的機械儀表，減少兩到三次的測量次數(shù)，并可將所有測量結(jié)果進行存儲等優(yōu)點。（2）數(shù)據(jù)處理：第四節(jié)中詳細介紹了相關(guān)技術(shù)。（3）建模：RE技術(shù)現(xiàn)有的主要軟件有Imageware、CopyCAD、Geomagic和RapidForm四大軟件[2]，協(xié)助用戶進行數(shù)據(jù)處理和建模。然而，即便RE技術(shù)提供了一些方便的交互工具，對于商業(yè)軟件平臺而言，實施具體的自動化系統(tǒng)還是很困難。（4）幾何分析：這一步是由需求驅(qū)動的，可以是CAE分析、比較或其他形式。（5）RP/CNC：是快速開發(fā)產(chǎn)品的一個重要方法。

3 光學檢測與測量技術(shù)的應(yīng)用

3.1 幾何參數(shù)的提取

檢測加工零件的特征是為了確保這些特征能夠符合所要求的配置或形狀，通過手工實現(xiàn)裝配、測量和分析邊緣破裂、切削刀具的磨損等特征，從而達到一定的力學性能。目前，投影法是車間中常用的方法[3]。其不足在于測量這個特征的基準是手動實現(xiàn)的，由于操作者在訓練和技能水平上有所差異，邊緣斷裂這個不希望出現(xiàn)的特征可能會被代入。因此，不同操作者會因為減少測量次數(shù)，而導(dǎo)致測量結(jié)果的不準確。對于不同的零件，不同的參數(shù)提取方案被應(yīng)用于光學檢測之中。從一個平面端銑刀的徑向部分自動提取了切割直徑、內(nèi)徑、前角、主后角、刀刃寬度、槽間距、槽半徑等10幾個參數(shù)，如圖2（a）所示。自動提取半徑參數(shù)用于檢查零件的邊緣斷裂特征，如圖2（b）所示。

圖2 幾何參數(shù)提取案例Fig.2 Cases of Geometric Parameter Extraction

3.2 表面缺陷測量

光學測量技術(shù)是通過光學非接觸式測量裝置，采集零件的3D數(shù)據(jù)進行分析零件表面凹痕或點蝕的缺陷，這些表面缺陷往往出現(xiàn)在零件使用一段時間以后。如果面積、深度或體積這些缺陷的幾何參數(shù)可以精確地測量，便可以對零件進行剩余壽命預(yù)測[4]。一般情況下，在一個缺陷的區(qū)域內(nèi)，一個零件表面的形狀相對于起初的設(shè)計形狀會有所改變。為了找到測量對象和理想對象之間的差異，必須首先定義參考表面以及沒有缺陷的區(qū)域，然后對其差異進行判斷和評價。在綠色區(qū)域的擬合曲面參考平面上，通過對比個別點間的距離和在擬合參考曲面相應(yīng)的位置，從原始點云中可以直接判斷其缺陷所在，如圖3（a）所示。因此，生成了用于缺陷評價的彩色編碼表面圖，如圖3（b）所示。

圖3 評估缺陷彩色編碼圖Fig.3 Color-Coded Surface Map for Defect Evaluation

3.3 參數(shù)化建模

光學檢測技術(shù)首先測量一個已存在的零件，并生成CAD幾何模型。參數(shù)化建模是應(yīng)用傳統(tǒng)的逆向工程，為了修改和調(diào)整迭代過程，在不改變基本的幾何拓撲結(jié)構(gòu)情況下重新設(shè)計CAD模型[5]。光學測量和參數(shù)化建模的集成，可以重建一個精確的三維實體模型，并且同時滿足特定的幾何形狀或尺寸限制。光學檢測技術(shù)的參數(shù)化主要原因是容易編輯一個重建的參數(shù)化模型，并可以作為工程分析和重新設(shè)計的智能主模型?；跍y量點云平臺與參數(shù)化建模的銜接，如圖4所示。

圖4 參數(shù)化建模平臺的銜接Fig.4 Parametric Modeling for Dovetail and Platform

3.4 其他應(yīng)用

RE技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的零件檢測中有許多應(yīng)用，如焊接或涂層后的質(zhì)量修復(fù)檢測，通過數(shù)控加工或快速成型制造技術(shù)，幾何配準與對比，用于質(zhì)量控制的零件或機床的調(diào)整等。（1）修復(fù)驗證：飛機燃氣渦輪葉片和葉片的高更換成本促使了飛機維修行業(yè)的快速發(fā)展和高度專業(yè)化。表面缺陷測量是零件表面修復(fù)的第一步。對于允許重新加工所需要修復(fù)的焊接部分，測量表面缺陷可以幫助確定所需焊接材料的量。在光學測量技術(shù)中，激光掃描系統(tǒng)與CAD軟件的集成，通過檢測外部幾何形狀的角焊縫，給出一個更準確的測量焊縫輪廓。通常情況下，空氣冷卻葉片和葉片是現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機常用的組件，在發(fā)動機運行過程中，空氣通過翼型件平臺和尖端內(nèi)部的冷卻孔流動[6]。至于它們的修復(fù)，RE技術(shù)在磨損尖端的測量、焊接過程控制以及冷卻孔的重建過程中起著至關(guān)重要的作用。（2）快速成型：快速原型（RP）和數(shù)控技術(shù)（CNC）是快速成型的關(guān)鍵技術(shù)。利用RE技術(shù)，根據(jù)所提供的3D數(shù)據(jù)建立CAD模型，利用快速成型或數(shù)控技術(shù)進行加工?？焖俪尚图夹g(shù)是一種從三維數(shù)據(jù)中快速生成模型和原型零件的特殊制造技術(shù)[7]。（3）幾何對比，幾何尺寸和公差：一般來說，要了解一個實體模型的一致性，用測量出的三維數(shù)據(jù)模型和它的原始設(shè)計模型進行比較，結(jié)果是顯而易見的。在制造業(yè)中，幾何尺寸和公差（GD&T）的檢測過程是檢查制造與設(shè)計零件的一致性，提出了一種非接觸式的基于數(shù)字化自動檢測幾何尺寸和公差的檢測系統(tǒng)[8]。（4）零件/機床的調(diào)整：對于一些加工工藝，為了減少部分加工工具的安裝時間，RE技術(shù)提供了配置文件進行捕獲和對比。例如，我們可以利用RE技術(shù)，進行輪廓校準和公差對比，幫助拉削刀具快速有效地安裝，以便拉削完成燃氣渦輪發(fā)動機的葉片連接槽。

4 光學檢測的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 測量規(guī)劃

對于形狀復(fù)雜的飛機部件，在尖端、彎曲邊緣的部位，傳感器在有限的工作范圍內(nèi)，傳感器視角可能會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準確，如丟失點或產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)噪聲和異常值。掃描的目的是在相對較短的時間內(nèi)獲得較為準確的刀具檢測數(shù)據(jù)。自動而高效的進行零件表面的數(shù)據(jù)采集是為了實現(xiàn)一個高效、高精度、低密度的理想掃面策略，傳遞精確的零件形狀。一般而言，測量規(guī)劃集成了常用的規(guī)劃法[9]和試掃描法。試掃描法是一種推理測量方法。即使不知道它的確切形狀，也至少知道測量對象的一些參數(shù)信息。使用試掃描法，我們可以從其他已知信息中獲得相關(guān)的信息。因此，具有良好的測量知識基礎(chǔ)，通過迭代試掃描不同的對象，將更容易從事測量工作。一個切削刀具的整體云掃描是測量規(guī)劃的一部分。

4.2 數(shù)據(jù)處理

從原始數(shù)據(jù)中進行排序和平滑以獲得均勻的數(shù)據(jù)。在特征提取、路徑生成和其他分析之前，實現(xiàn)基于點的曲線是必要的。零件檢測的數(shù)據(jù)采集和處理的總體框架，如圖5所示。常用的數(shù)據(jù)處理步驟，如表1所示，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的情況，可以省略一些步驟，單獨選擇一些參數(shù)。

圖5 數(shù)據(jù)流程和處理框架Fig.5 Data Pipeline and Processing Framework

表1 數(shù)據(jù)處理流程Tab.1 Data Processing Work Flow

4.3 虛擬切片

虛擬切片技術(shù)是一種應(yīng)用于整個系統(tǒng)參數(shù)提取的主要方法之一。簡要地說，有兩種虛擬切片，一種是平面切片，在定義一個交叉點和一個平面法線方向后，可以得到一個切片。另一種是表面切片，它包括規(guī)則表面切片和不規(guī)則表面切片。為了獲得足夠的點，一般情況下沿切片方向的層有一個點集[10]，以獲得預(yù)定的相交平面點集或曲面。

4.4 幾何投影處理

（1）直紋面特征投影：對于復(fù)雜形狀的幾何體，飛機部件往往具有相對規(guī)則的幾何體，如直紋面特征。例如，一個有四條裂縫特征的平面銑刀，如圖6（a）所示。我們可以發(fā)現(xiàn)每個裂縫特征的具體投影平面。具體的投影平面也是基于此投影面，如圖6（a）中裂縫1所示，裂縫參數(shù)可以很容易地計算出來。對于每一個軸向切割邊緣，它的投影面被標記為虛線矩形，黑體線是軸向參數(shù)計算的交叉線，如圖6（b）所示。

圖6 直紋面特征投影Fig.6 Ruled Surface Feature Projection

（2）旋轉(zhuǎn)軸投影：旋轉(zhuǎn)軸投影的操作是將所有測量的三維點圍繞在刀桿軸上，并將它們投射到同一個軸平面上，同時保持每個點到柄軸的距離，即等半徑旋轉(zhuǎn)每一個點的投影?；谛D(zhuǎn)軸的投影，可以將輪廓提取到二維平面上。此外，相應(yīng)的3D點集可以保留在二維輪廓上，并可以估算相關(guān)參數(shù)。旋轉(zhuǎn)軸投影的方法可以擴展到帶有錐形、螺旋角的所有旋轉(zhuǎn)零件上。

4.5 圖像分割與特征檢測

有許多研究人員專注于分割和特征檢測的工作，并提出了許多具體的解決方案。一般來說，在尋找特征點上我們結(jié)合了一些特殊的尋找方法，即從二維點云或三維點云以及特定測量部分的橫截面，找到特征點或特征邊緣后，點云將被自動分割，如圖7所示。

圖7 特征檢測與分割Fig.7 Feature Detectikon&Segmentation

5 總結(jié)

光學檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于飛機零部件的質(zhì)量控制，包括幾何參數(shù)提取、表面缺陷測量、參數(shù)化建模、修復(fù)驗證、快速制造、幾何比較、零件/機床調(diào)整等。面向光學檢測的RE技術(shù)在理論和實踐上具有越來越重要的意義。但是，仍有一些需要改進的方面。例如，大部分的研究工作主要集中在沒有交叉協(xié)同作用的一些特殊應(yīng)用上；光學測量技術(shù)在復(fù)雜的應(yīng)用上還缺乏智能。