基于機器視覺的航空發動機錯漏裝檢測技術

■ 繆晨萱 宋迎軍 靳衛兵 杜忠華 宋寶鑫/ 航發動力 王展/ 西北工業大學

在航空發動機組件及整機裝配完成后需要檢查各類零件的裝配狀態，以保證發動機的裝配質量符合工藝規范，基于機器視覺技術開展航空發動機錯漏裝檢測工作，有助于提升檢測效率和裝配質量。

航空發動機外觀零件數量眾多，采用人工檢查工作量大，過程耗費時間長，不能滿足航空發動機批量生產的需求。又由于航空發動機結構極為復雜，外部組件、附件之間遮擋關系較多，零件裝配形式多樣，現有的機器視覺檢測方案不能一次完成對航空發動機所有外觀裝配的質量檢測。本文提出的人機協同的航空發動機外觀錯漏裝視覺檢測方法，通過工業機器人夾持圖像采集單元實現航空發動機外觀圖像采集，利用圖像識別方法進行裝配質量判定，通過人工復查實現錯漏裝的人機協同判定。此方法可以采集、留存和追溯相關質量記錄，是發動機組件、整機裝配完成后進行人工目視檢查的有效輔助和補充。

外觀錯漏裝視覺檢測系統

航空發動機外觀錯漏裝視覺檢測系統分為硬件和軟件兩部分。硬件主要包含工業相機鏡頭、工業機器人、運動執行機構、光源和運動控制器等；軟件為航空發動機錯漏裝輔助檢測軟件（AEOIS）。

AEOIS以檢測任務規劃、檢測任務執行、檢測結果復查三大功能模塊為核心，兼顧人機協同檢測過程所需的輔助功能，具體結構如圖1所示。該軟件是航空發動機裝配缺陷人工目視檢查過程的輔助工具，同時可以提供原始圖像質量記錄。

圖1 AEOIS功能結構

AEOIS通過三大功能模塊的協同工作完成裝配質量檢測任務。檢測任務規劃模塊主要實現檢測任務定義和算子配置等任務；檢測任務執行模塊運行相應的檢測規程，同時提供機器人、檢測相機、光源等外部設備的工況感知與狀況顯示功能；檢測結果復查模塊主要將結果進行人工復核，同時根據需要導出該型號發動機的質量檢測報告。

在算子配置界面，可以查看拍攝的圖片、檢測對象清單、當前檢測對象檢測項目列表。檢測人員可以手動標記檢測對象添加相應的圖像判定算子，含有刪除標記、設置變量別名、設定閾值、目視巡查模式等按鈕。機器人按指定程序運行采集圖像，檢測任務執行界面主要包含仿真視頻、檢測日志、檢測時間等項目。

在檢測任務執行結束后會生成相應的檢測結果，檢測結果復查模塊主要對檢測結果進行逐條審核，必要時根據人工復查結果對算法判定結果進行修正，同時更改算法判定參數。

基于人機協同的航空發動機外觀缺陷檢測主要分為離線處理階段和在線檢測階段。離線處理階段主要完成外觀檢測視點的求解與機器人路徑規劃，同時制定檢測任務規劃并進行離線仿真；在線檢測階段主要由上位機發出指令控制機器人沿規劃視點執行圖像采集任務，經AEOIS分析后給出判定結果，具體檢測工作流程如圖2所示。

圖2 人機協同航空發動機錯漏裝視覺檢測工作流程

典型裝配缺陷圖像識別方法

在航空發動機外觀裝配檢測內容項中，螺栓之間鎖緊絲由于裝配工藝復雜、安裝方式多樣，目前還沒有相關的圖像識別方法。通過分析螺栓和鎖緊絲的裝配工藝規范，針對該類典型裝配缺陷開展圖像識別方法研究，可以提高圖像識別效率。

鎖緊絲打法較為靈活，裝配方式不唯一，難以利用單一圖像識別方法進行判定。針對該問題，根據裝配工藝技術要求制作了螺栓、鎖緊絲等鎖緊機構的實際裝配樣例，從實際安裝過程出發分析零件裝配規范，選用與發動機實際裝配中相同型號的螺栓及鎖緊絲，對所有正確和錯誤的裝配方式進行樣例制作，避免樣例圖像與實際工程應用環境差異過大，能夠初步滿足實際工程應用需求。圖3為制作的實際樣例圖像，其中包含了螺栓和鎖緊絲等鎖緊機構的各種安裝方式，雙螺栓鎖緊機構屬于四螺栓鎖緊機構的一個子集。

圖3 裝配缺陷檢測圖像樣例

發動機表面零件大多數為金屬材質，光源打光后會出現漫反射與鏡面反射。為了保證圖像識別方法具有較好的魯棒性，在進行圖像判定之前需要進行預處理，來保證不同環境下圖像識別方法仍具有較高的可靠性。在圖像采集過程中發現，影響圖像質量最重要的因素有兩個：一個是由于光照不均勻所產生的圖像陰影；另一個是由于零件表面反射所引起的光斑。針對上述兩種情況，在設計圖像識別方法之前必須進行圖像陰影處理、圖像增強和圖像閾值分割的預處理。

錯漏裝視覺檢測方法應用

航空發動機各單元體裝配過程中燃燒室零件種類數量最多、裝配工藝最為復雜，燃燒室組件各燃油噴嘴、燃油分管及總管之間遮擋關系極為復雜，搭建了檢測系統對燃燒室零件裝配開展錯漏裝視覺檢測。

檢測系統由圖像采集單元、工業機器人、數控裝配轉臺、集成控制計算機和AEOIS組成，如圖4所示。圖像采集單元和光源安裝在工業機器人末端，經AEOIS發出運動指令配合數控裝配轉臺實現燃燒室表面所有零件的圖像采集。

圖4 燃燒室錯漏裝視覺檢測系統組成

短環形燃燒室錯漏裝檢測裝置已經部署于生產現場進行實際應用。對燃燒室管路保險絲類（燃油分管保險絲、兩半環燃油總管）和平面保險絲類（燃油分管底座保險絲、孔探儀保險絲、堵蓋保險絲、其他保險絲）進行漏裝缺陷檢測。

燃燒室共檢測平面保險絲類點位2216個，其中實際保險絲存在項1160個，實際保險絲不存在項956個，漏裝缺陷檢出率為100%，保險絲存在判定整體準確率為99.6%；管路保險絲點位506個，其中實際保險絲存在項403個，實際保險絲不存在項103個，漏裝缺陷檢出率為100%，保險絲存在判定整體準確率為99.6%。

系統在航空發動機短環形燃燒室外觀檢測上的應用取得了良好的效果。完成一個燃燒室檢測需要約10min，相比人工目視檢查速度提升50%。在正確率方面，漏裝缺陷檢出率可以達到100%。

結束語

基于機器視覺的航空發動機錯漏裝視覺檢測方案覆蓋了任務規劃、實時檢測、質量數據分析的檢測全流程，并在實際生產中得到應用驗證，對航空發動機裝配質量的提升具有重要指導意義。