飞机零件上大量小尺寸导孔的快速视觉检测方法

摘要

本发明公开了一种飞机零件上大量小尺寸导孔的快速视觉检测技术，属于视觉检测领域。该技术采用将视觉检测与数控运动机构相结合的导孔检测方式，将视觉成像系统安装在数控运动机构的运动末端上，在标定系统后，由运动机构带动视觉成像系统精确移动至待测导孔的孔轴方向上的适当拍摄距离处拍摄待测导孔图像，用配套的图像处理算法得到待测导孔的实际成像边缘，采用虚拟相机技术得到待测导孔的理论成像边缘，将实际成像与理论成像进行对比分析，得到孔位检测结果。本发明提供了飞机零件上的大量小尺寸导孔孔位的快速数字化检测手段，其检测精度和检测效率能够很好地满足飞机导孔制造中的数字化检测需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机零件上大量小尺寸导孔的快速视觉检测技术，属于视 觉检测领域。

背景技术

导孔是飞机制造工程中最常见的结构特征之一，大量存在于框、肋、壁板、 蒙皮等各类飞机零部件上，主要用于飞机零部件之间的装配连接，包括铆钉孔、 螺栓过孔、销孔等。飞机零部件上的导孔数目十分庞大，据统计一架大型飞机 的各类结构特征上，导孔的数量多达300万以上，某些单个零件上就有几千个 导孔。导孔的加工质量是影响飞机寿命和飞行安全的重要因素，导孔存在几何 偏差等质量缺陷时，强迫装配产生的装配应力会对飞机安全构成极大隐患。

在新一代飞机研制中，对导孔的加工质量提出了新的更高要求。在新的质量 规范和公差要求下，采用高效精确的数控方法加工导孔已是势在必行，然而目 前缺乏能够与新的导孔制造工艺和导孔质量要求相匹配的导孔检测技术。目前 我国航空制造企业中导孔检测主要采用的通用量具和专用检测模板，已经不再 适应新一代飞机的研制生产要求。由于飞机零部件上导孔尺寸较小，且多分布 于自由曲面薄壁结构上，一般为Φ2.5～4mm浅圆柱通孔，而若采用三坐标测量 机对导孔进行检测则存在以下几方面难以克服的问题：(1)对于五轴数控机床 加工的复杂零件小尺寸导孔，三坐标测量机往往不具有可达性；(2)由于孔径 小，即使采用超小测头，也容易因实际的孔径、孔位偏差而导致自动检测过程 中发生测头与孔壁干涉；(3)对于即使可以用三坐标测量检测的情形，三坐标 测量机对导孔的检测效率也明显低于数控制孔的效率，因此会形成制造效率瓶 颈。

各种以数字图像为信息源的数字化检测方法(也称为视觉检测方法)不断涌 现，如各类平面类零件的二维影像检测技术、基于三维视觉技术的结构光表面 点云扫描测量技术等。视觉检测技术的主要特点是使用方便快捷、精度稳定可 靠、便于进行多要素的综合检测。然而，由于导孔在飞机零件上量大面广，各 类分布有大量导孔的飞机零件的结构形式各异、尺寸大小迥然不同，这使得单 纯的视觉检测方法受视场、景深的限制而难以胜任。目前尚未见有满足飞机零 件上大量小尺寸导孔快速数字化检测需求的手段和方法。

发明内容

本发明提出了一种飞机零件上大量小尺寸导孔的快速视觉检测方法，为飞机 零件上的大量小尺寸导孔提供了快速数字化的检测手段。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种飞机零件上大量小尺寸导孔的快速视觉检测方法，其特征在于：检测 系统包括视觉成像系统、运动机构和计算机检测系统；在检测时将视觉成像系 统安装在运动机构的运动末端上，在标定系统后，由运动机构带动视觉成像系 统移动至待测导孔的孔轴方向上的适当拍摄距离处拍摄得到导孔实际成像；对 实际成像进行图像处理得到待测导孔的实际边缘表达式；利用虚拟相机得到待 测导孔的理论成像并处理得到理论边缘表达式，最后将实际边缘表达式与理论 边缘表达式进行对比分析，得到检测结果。

所述标定方法采用特别设计的标定参照物以及包括如下步骤：

(1)在运动机构工作台上装夹找正标定参照物，得到标定参照物坐标系与 运动末端坐标系的位置关系；

(2)移动相机从多个方位拍摄标定参照物得到标定图像，由此标定出相机 内参数以及相机坐标系相对于标定参照物坐标的位置关系；

(3)根据已经的得到的标定参照物坐标系与运动末端坐标系的位置关系以 及相机坐标系相对于标定参照物坐标的位置关系，计算相机坐标系与运动末端 坐标系间的位置关系。

所述标定参照物存在可以通过机械找正确定其坐标系的几何元素，并存在 可用于相机标定的非对称的平面几何特征。

所述配套图像处理算法包括如下步骤：

(1)对原图像进行灰度化，对灰度图像上进行高斯滤波操作；

(2)采用最大类间方差法，即Otsu法进行二值化，寻找二值化后图像中 的轮廓边缘，初步拟合椭圆；

(3)对灰度图像用Canny算法进行边缘检测，得到更为精确的边缘。用步 骤(2)拟合的椭圆信息对像素边缘进行筛选，在对其进行畸变校正后，最终采 用RANSAC方法进行椭圆拟合得到待测导孔在图像坐标下最终的表达式。

所述检测精度分析方法包括如下步骤：

(1)将系统标定参数输入到虚拟成像模型中，对检测零件的三维模型进行 成像得到待测导孔的理论成像，并处理得到导孔边缘理论表达表达式；

(2)对于待测导孔的理论和实际边缘表达式E_t、E_r，从两个方面分析导孔 的加工精度：

A.孔心位置偏差，即椭圆E_t和椭圆E_r的中心之间的距离；

B.最大边界误差。首先计算过E_t中心的直线与E_t、E_r在同一个方向上的交 点，而后计算两个交点间的距离，直线扫描一周，最大的距离即为最大边界误 差。

本发明的有益效果如下：

本发明将视觉检测技术与运动机构相结合，利用运动机构带动视觉成像系统 做精确可控的运动，有效弥补视觉成像系统检测范围有限的问题，兼具高精度、 高效率、非接触等优点，而且测量范围灵活，自动化程度高，适用于任意复杂 零件上各种不同空间方位大量导孔的检测。本发明为飞机零件上的大量小尺寸 导孔提供了快速数字化的检测手段，其检测精度和检测效率很好的满足了现代 飞机导孔制造中的检测需要。

附图说明

图1为具体实施例中标定参照物结构示意图；

图2为具体实施例中标定参照物结构示意图2；

图3为导孔加工精度评价示意图。

图中：1、2、3为三个面，h1为装夹定位孔，h2为两个孔径较大的孔，h3 为一个孔径较小的孔，A为孔阵列，E_r为实际成像椭圆表达式，E_t为理论成像 椭圆表达式，O_r为E_r中心，O_t为E_t中心，d为两中心之间距离，dmax为最大边 界误差。

具体实施方式

下面结合一个具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

本发明一个具体实施例的检测系统由视觉成像系统1与五轴运动机构2和 计算机检测系统3组成，a为五轴运动机构的运动末端，运动末端相对运动机构 工作台需具有五个运动自由度。检测时视觉成像系统安装在运动末端上。在标 定系统后，由运动机构带动视觉成像系统精确移动至待测导孔的孔轴方向上的 适当拍摄距离处拍摄得到导孔实际成像，将图像传输至计算机检测系统进行处 理得到导孔实际边缘的椭圆表达式。并采用虚拟相机技术得到待测导孔的理论 成像并处理得到理论边缘的椭圆表达式，最后将实际边缘的表达式与理论边缘 表达式进行对比分析，得到检测结果。

本实施例采用如图1、2所示的标定参照物进行系统标定，标定参照物为一 长方体块状金属制件。在其一个较宽的表面1上加工有垂直该面的高精度的孔 h1和孔阵列A，孔之间的位置关系均为已知；可以通过面1、面2和面3或者孔 h1与任意两个不相互平行的面用机械找正的方式确定标定参照物的坐标系；孔 阵列A包含两个孔径较大的孔h2和一个孔径较小的孔h3，并组成非对称排列， 方便标定过程中控制点的三维坐标与图像坐标的自动匹配，提高标定效率。使 用该标定参照的具体标定步骤为：

(1)在运动机构工作台上装夹找正标定参照物，通过机械找正得到标定参 照物坐标系与运动末端坐标系的位置关系；

(2)移动相机从多个方位拍摄标定参照物得到标定图像，以张正友的平板 标定方法进行相机标定，得到相机内参数以及相机坐标系相对于标定参照物坐 标的位置关系；

(3)最后计算相机坐标系与运动末端坐标系间的位置关系。

得到待测导孔的实际成像并将其传输至计算机检测软件后，以如下步骤对 其进行处理：

(1)对原图像进行灰度化，对灰度图像上进行高斯滤波操作；

(2)采用最大类间方差法--Otsu法进行二值化，寻找二值化后图像中的轮 廓边缘，初步拟合椭圆；

(3)对灰度图像用Canny算法进行边缘检测，得到更为精确的边缘。由于 零件表面存在纹理和划痕等，边缘图像上往往还存在噪声边缘点，因此用步骤 (2)拟合的椭圆信息对像素边缘进行筛选，筛选结果仍会存在一些明显的噪声 点，因此在对其进行畸变校正后，最终采用RANSAC方法进行椭圆拟合得到待测 导孔在图像坐标下最终的表达式E_r。

得到待测导孔的实际成像椭圆表达式E_r后，通过如下步骤来描述导孔的加 工精度：

(1)将系统标定参数输入到OpenGL虚拟成像模型中，对检测零件的三维 模型进行成像得到待测导孔的理论成像，并通过椭圆拟合得到导孔理论成像椭 圆表达式E_t；

(2)根据待测导孔边缘的理论成像椭圆表达式E_t和实际成像椭圆表达式E_r， 从两个方面分析导孔的加工精度，如图3所示：

A.孔心位置偏差，即椭圆E_t和椭圆E_r的中心O_t、O_r之间的距离d；

B.最大边界误差。首先计算过E_t中心的直线与E_t、E_r在同一个方向上的交点， 而后计算两个交点间的距离，直线扫描一周，最大的距离即为最大边界误差 dmax。