工件表面缺陷尺寸的激光測(cè)量系統(tǒng)

，，

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 211106)

工件的表面質(zhì)量不僅影響其摩擦、密封、磨損、潤(rùn)滑等力學(xué)性能，還影響其導(dǎo)電、導(dǎo)熱、腐蝕等物理化學(xué)性能。表面缺陷是由于加工材料、加工工藝和人為損壞等因素造成的凹凸、劃痕、擦傷等一系列不同類型的損傷，是衡量表面質(zhì)量的重要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果產(chǎn)品的缺陷尺寸已經(jīng)超過(guò)了容許的范圍，便不能夠達(dá)到生產(chǎn)的預(yù)期目標(biāo)，甚至造成安全問(wèn)題。例如：晶片、磁盤等材料的表面劃痕會(huì)對(duì)其性能、產(chǎn)量和存儲(chǔ)能力有較大影響；飛機(jī)的某些關(guān)鍵部位(如機(jī)翼的前緣)如果存在一定深度的劃痕，將會(huì)影響飛機(jī)的飛行安全；由光學(xué)元件的表面劃痕引起的衍射和散射都將嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的性能。因此，必須通過(guò)一定的方法檢出加工工件表面是否存在缺陷并測(cè)量其尺寸。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外已有不少專家學(xué)者對(duì)表面缺陷的檢測(cè)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)生活中。采用的檢測(cè)方法大致有激光超聲技術(shù)[1]、激光三角法[2]、機(jī)器視覺方法[3-6]、散斑法[7]、散射法[8-10]等。王晶[1]利用雙激光線源激發(fā)超聲波，從數(shù)值模擬和試驗(yàn)兩方面研究了雙激光線源掃描檢測(cè)金屬板材表面缺陷的機(jī)理，并通過(guò)搭建試驗(yàn)系統(tǒng)研究了鋼軌踏面殘余應(yīng)力的分布。BRAUN等[2]基于激光三角原理測(cè)量了壓鑄件的表面質(zhì)量，分辨率為0.02 mm。LIU等[3]使用一種微觀散射成像分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大孔徑光學(xué)元件表面上隨機(jī)分布缺陷的自動(dòng)評(píng)估。FORTE等[4]使用明暗相間的結(jié)構(gòu)光源，采用圖像增強(qiáng)算法提高了缺陷的對(duì)比度，并利用圖像分割算法從中分離出缺陷，以實(shí)現(xiàn)高反射表面的缺陷檢測(cè)。TAO等[5]針對(duì)大孔徑光學(xué)元件的表面劃痕，研究了一種在復(fù)雜暗場(chǎng)圖像中檢測(cè)弱劃痕寬度的方法。RAVIKUMAR等[6]基于機(jī)器視覺技術(shù)，建立了一個(gè)包含劃痕、裂紋和氣泡等缺陷的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且分別使用了貝葉斯算法和C4.5算法對(duì)采集的圖像進(jìn)行分類。SIDOROV等[7]提到了一種基于空間濾波動(dòng)態(tài)散斑的小型表面缺陷檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)直徑為400 μm缺陷的在線檢測(cè)。YOUNES[8]討論了微表面劃痕的檢測(cè)和分類，并且基于激光散射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了劃痕形狀和大小的在線檢測(cè)。HA等[9]從高低兩個(gè)角度對(duì)晶圓表面微小劃痕引起的散射光強(qiáng)分布進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)散射光強(qiáng)隨著微劃痕深度和寬度的變化呈現(xiàn)波動(dòng)性，基于此，可實(shí)現(xiàn)微劃痕的尺寸測(cè)量。CHOI等[10]用激光作為光源，將其入射到晶圓表面,如果表面出現(xiàn)裂紋，會(huì)引起散射光信號(hào)的增加，由此實(shí)現(xiàn)晶圓表面裂紋的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

綜上所述，目前對(duì)于工件表面缺陷的檢測(cè)，大多數(shù)方法均局限于判斷表面是否存在缺陷，并定性給出缺陷的類型和大小，少有方法能對(duì)表面缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)。針對(duì)該問(wèn)題，筆者提出了一種用激光作為光源對(duì)表面凹痕進(jìn)行檢測(cè)的方法，該方法既能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)工件表面的凹痕，又能測(cè)量出凹痕的具體尺寸。

1 測(cè)量系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的工件表面缺陷測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。被測(cè)工件放置在平移臺(tái)上，半導(dǎo)體激光器發(fā)出準(zhǔn)直光束，光束以一定的角度入射到工件表面上并產(chǎn)生一個(gè)亮斑，使用配備單筒顯微鏡的工業(yè)相機(jī)拍攝工件表面的光斑圖像，送對(duì)后續(xù)的處理單元進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析。

圖1 工件表面缺陷測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

激光器選擇的是波長(zhǎng)為650 nm，功率為5 mW，光斑大小可調(diào)的半導(dǎo)體準(zhǔn)直激光器；相機(jī)為大恒公司的MER-500-14U3M黑白相機(jī)，該相機(jī)采用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器芯片，分辨率為2 592×1 944；顯微鏡為COSSIM公司的DTX-45單筒數(shù)碼體視顯微鏡。

圖2 不同情況下采集的表面圖像

對(duì)于采集的圖像，表面有無(wú)缺陷存在著明顯不同。如果工件表面無(wú)缺陷，由于激光的高斯特性，采集到的是直徑一定的亮點(diǎn)以及環(huán)繞亮點(diǎn)的光暈[見圖2(a)]?？梢詫⒄麄€(gè)圖像大致分成3個(gè)區(qū)域，區(qū)域A為亮點(diǎn)區(qū)域，區(qū)域B為光暈較強(qiáng)區(qū)域，區(qū)域C為光暈較弱區(qū)域。如果工件表面有缺陷，例如存在表面凹痕，則情況相對(duì)比較復(fù)雜。首先，凹痕區(qū)域表面通常比無(wú)凹痕區(qū)域表面更加粗糙，所以在凹痕區(qū)域上發(fā)生的漫反射現(xiàn)象更加明顯；其次，激光束在凹痕中會(huì)出現(xiàn)多次反射、折射以及吸收的情況；再者，還需要考慮相機(jī)的拍攝方向以及激光的高斯特性，因此會(huì)呈現(xiàn)出不同的采樣圖像。例如：① 如果凹痕在區(qū)域A，采集的圖像中凹痕的亮度雖然有所衰減，但仍然能夠接近區(qū)域A的亮度；② 如果凹痕在區(qū)域B，凹痕的亮度變化相對(duì)明顯，且亮點(diǎn)的密度也有一定下降；③ 如果凹痕在區(qū)域C，那么該區(qū)域的亮度在衰減之后已經(jīng)不能被檢測(cè)到，亮度接近于零，但是能夠檢測(cè)到激光射在凹痕側(cè)邊的亮痕。圖2(b)較好地反映了①和②的效果，③的情況如圖2(c)所示。

2 測(cè)量過(guò)程與結(jié)果分析

2.1 檢測(cè)步驟

利用上述測(cè)量系統(tǒng)開展試驗(yàn)，定制了有表面凹痕的工件作為測(cè)量對(duì)象，工件材料為45優(yōu)質(zhì)碳素鋼，加工的凹痕寬度分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1 mm。

試驗(yàn)時(shí)，將工件放到平移臺(tái)上，并按照一定的路徑移動(dòng)，移動(dòng)路徑如圖3所示(圓形表示回型采樣點(diǎn)，星形表示隨機(jī)采樣點(diǎn))，采用回型采樣和隨機(jī)采樣結(jié)合的方式掃描樣件，這樣可以避免漏檢，提高缺陷的檢出率。用配備顯微鏡的工業(yè)相機(jī)拍攝每一個(gè)采樣點(diǎn)的圖像。對(duì)于采集的每一個(gè)采樣點(diǎn)的圖像，按照如下步驟進(jìn)行處理。

圖3 采樣移動(dòng)路徑示意

圖4 凹痕圖像處理步驟示意

(1) 圖像預(yù)處理，包括中值濾波、形態(tài)學(xué)處理、二值化、選擇最大連通區(qū)域和填充孔洞等步驟。以寬度為1 mm的凹痕圖像為例，圖4(a)為采集的原始圖像，圖4(b)為經(jīng)過(guò)該步驟處理后的圖像。

(2) 使用同步驟(1)相同的方式處理事先采集的無(wú)凹痕圖像，用圖4(b)減去處理后的無(wú)凹痕圖像，并且對(duì)相減之后的圖像再次取最大連通區(qū)域，得到僅包含凹痕的圖像4(c)。

(3) 對(duì)圖4(c)的像素灰度求和，并與閾值相比較。如果大于閾值，即可判斷出存在凹痕。如果存在凹痕，標(biāo)記凹痕的位置，并且繼續(xù)根據(jù)下述步驟處理圖像，得到凹痕尺寸。

(4) 旋轉(zhuǎn)如圖4(c)所示的圖像，使得凹痕兩側(cè)的邊界線恰好處于豎直狀態(tài)，如圖4(d)所示。

(5) 統(tǒng)計(jì)圖像4(d)中每一列像素的灰度，據(jù)此給出凹痕的寬度。

其中，步驟(4)中旋轉(zhuǎn)圖像的角度是基于連通區(qū)域中的重心位置確定的。如圖5所示，圖5(a)中的紅點(diǎn)A是無(wú)凹痕時(shí)亮點(diǎn)的重心，圖5(b)中的紅點(diǎn)B是僅凹痕連通區(qū)域[見圖4(c)]的重心。紅線L1是經(jīng)過(guò)點(diǎn)A的直線，藍(lán)線L2是經(jīng)過(guò)點(diǎn)B的直線。當(dāng)L1和L2垂直的時(shí)候，兩條直線相交于點(diǎn)C。那么，點(diǎn)B到直線L1的距離就是BC兩點(diǎn)之間的距離。計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)點(diǎn)C和點(diǎn)A重合的時(shí)候，根據(jù)線段BC的斜率便可以得到正確的旋轉(zhuǎn)角度。讓圖像以交點(diǎn)C為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)之后，凹痕兩側(cè)的邊界線便處于豎直狀態(tài)。

圖5 旋轉(zhuǎn)角度的確定示意

2.2 結(jié)果分析

為了能夠定量地給出表面凹痕的尺寸信息，使用具有不同寬度的表面凹痕工件進(jìn)行了試驗(yàn)，得到的對(duì)應(yīng)不同凹痕寬度的圖像如圖6所示。對(duì)于每一幅圖像，按照上述步驟進(jìn)行處理，判斷凹痕的位置并計(jì)算出凹痕的寬度。

對(duì)于凹痕寬度的計(jì)算，需要用到圖像中對(duì)應(yīng)凹痕區(qū)域的像素?cái)?shù)據(jù)和凹痕寬度之間的近似線性關(guān)系。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)上述步驟對(duì)凹痕圖像處理之后得到的對(duì)應(yīng)凹痕寬度的像素列數(shù)與實(shí)際的凹痕寬度之間接近線性關(guān)系，其間的線性擬合式可表示為

W=(N-78)/789

(1)

式中：W為凹痕的寬度；N為按照上述檢測(cè)步驟對(duì)圖像處理后統(tǒng)計(jì)所得的凹痕像素列的列數(shù)。

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，可以使用文中提到的方法掃描判斷被測(cè)表面是否存在凹痕；如果有表面凹痕，即可進(jìn)行圖像處理后，將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算出凹痕的具體寬度。按照該思路，進(jìn)行了一些驗(yàn)證性試驗(yàn)。對(duì)具有不同寬度的凹痕樣件進(jìn)行采樣，分析處理后得到的結(jié)果見表1。可以看出，利用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)0.2～1 mm間寬度的凹痕測(cè)量，其中在凹痕寬度為0.2 mm時(shí)的誤差最大。

表1 不同寬度凹痕的測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種用激光檢測(cè)工件表面缺陷的方法，該方法能夠發(fā)現(xiàn)并定位工件表面凹痕的位置，同時(shí)測(cè)量凹痕的尺寸。測(cè)量系統(tǒng)由準(zhǔn)直激光器、CMOS相機(jī)、平移臺(tái)和顯微鏡等組成。采用回型采樣和隨機(jī)采樣相結(jié)合的方式掃描被測(cè)工件表面，采集激光入射到表面的光斑圖像；對(duì)采樣圖像進(jìn)行分析處理，判斷是否存在表面凹痕；如果存在凹痕，則通過(guò)一種基于重心的方法分析凹痕像素的分布情況,進(jìn)而得到凹痕的具體寬度。試驗(yàn)結(jié)果表明，凹痕寬度與采集圖像中凹痕區(qū)域的像素分布情況存在近似線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可用于凹痕尺寸的測(cè)量。