陳利，董勇

錐形套表面缺陷微觀形貌的白光相移干涉重構(gòu)及顯著性檢測

陳利，董勇

（中國工程物理研究院 電子工程研究所質(zhì)檢中心，四川 綿陽 621900）

針對錐形套在機(jī)械拋光后出現(xiàn)白點(diǎn)、凹坑等表面缺陷，采用特別目視方法，用電鏡掃描能譜分析進(jìn)行成分分析，用白光相移干涉術(shù)對表面微觀形貌進(jìn)行重構(gòu)，并基于ITTI視覺顯著性模型對重構(gòu)圖像進(jìn)行顯著性檢測。最后提取出顯著性目標(biāo)的輪廓特征，從而反推分析產(chǎn)生缺陷的原因，指導(dǎo)加工，提高首次交檢合格率。結(jié)果表明白光相移干涉術(shù)能高效重構(gòu)微坑這類缺陷的形貌，而ITTI顯著性檢測對視覺污染具有良好平衡能力，顯著性目標(biāo)的特征分析反映損傷形成機(jī)理。根據(jù)缺陷特征指導(dǎo)加工，制定出相應(yīng)的措施，可有效減少錐形套的表面缺陷。通過錐形套這個典型案例分析，本文采取的檢測手段和改進(jìn)加工的措施可以廣泛應(yīng)用于此類曲面異性回轉(zhuǎn)體零件，有效提高機(jī)械拋光合格率。

錐形套表面；凹坑；白光相移干涉；顯著性檢測

表面缺陷是零件在加工過程中和在運(yùn)輸、存儲和使用過程中生成的無一定規(guī)律的單元體。它與表面粗糙度、波紋度和表面上的形狀誤差一起，綜合形成了零件的表面特征。零件表面出現(xiàn)一些隨機(jī)、且無一定規(guī)律可循的溝槽、隆起、坑穴、傷痕、蝕痕等表面缺陷時，往往代表著機(jī)械零件加工方法、使用設(shè)備、周轉(zhuǎn)方式等都可能出現(xiàn)不當(dāng)情況。而表面缺陷也會對零件的美觀程度、抗疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性能、配合的可靠性等有影響[1]。在特殊應(yīng)用場景，如果表面缺陷產(chǎn)生在零件的受力部位或者關(guān)鍵使用部位而形成應(yīng)力集中或者局部放電，將嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的性能和使用壽命。因此觀察表面缺陷愈來愈受到重視[2-4]。

表面缺陷比較難量化。對于表面缺陷的檢驗與評定，可用經(jīng)驗法目視、電鏡掃描等方法。但是由于表面缺陷形貌具有復(fù)雜的三維紋理特征，縱向高度信息亦不可忽視。白光相移干涉術(shù)[5-6]是一種基于多頻光譜干涉干涉的非接觸式三維輪廓重建技術(shù)。重建快速高效，高度測量范圍為1 nm～200 μm。本文以錐形套為典型案例，采用白光相移干涉術(shù)重建一類異形曲面回轉(zhuǎn)體零件表面缺陷三維形貌圖像。此外，利用機(jī)器視覺算法[7-8]對含有表面缺陷的零件形貌進(jìn)行顯著性檢測，獲得缺陷顯著性特征為其演化機(jī)理以及為機(jī)器識別和聚類分析提供數(shù)據(jù)支持。通過檢測數(shù)據(jù)分析再以目視檢測輔助全面分析判斷錐形套表面缺陷產(chǎn)生的原因，并制定相應(yīng)改進(jìn)的措施，提高錐形套合格率。

1 零件分析

錐形套為曲面異形零件，如圖1所示。兩端圓弧部位1和1.5輪廓度為0.01 mm，內(nèi)孔公差為±0.01 mm。錐形套是某部件中的重要零件，作為在電真空中使用的高壓電極，不能有目視勉強(qiáng)可見沖擊損傷（BVID）。機(jī)械拋光后還需進(jìn)行清洗和電化學(xué)拋光才能滿足使用性能要求。所以表面質(zhì)量對其使用性能至關(guān)重要，既要保證零件各部位公差，亦要滿足其表面近乎零缺陷的超高要求。統(tǒng)計表明在錐形套整個加工過程中，表面粗糙度基本能達(dá)到設(shè)計要求，由于拋光后的表面缺陷引起的返修率占90%。表面缺陷嚴(yán)重影響錐形套的合格率。

圖1 錐形套結(jié)構(gòu)示意圖

目前是采用機(jī)械拋光的工藝方法來實現(xiàn)錐形套表面質(zhì)量要求。錐形套在機(jī)械拋光過程可能出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷（凸點(diǎn)、白點(diǎn)、微型凹坑）、線狀缺陷（劃傷、紋路不均勻）、面狀缺陷（碰傷、灼傷、變形）等。檢測是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。錐形套為抗氫鋼材料，形狀為曲面異形回轉(zhuǎn)體，抗氫鋼材料在機(jī)械拋光后光亮如鏡。目視檢測基于強(qiáng)光下進(jìn)行，檢測面積較大，對檢驗員視力要求很高，且無法量化缺陷。由于錐形套倒圓部分尺寸較小，尺寸公差要求高，有些嚴(yán)重的缺陷，通過返修即使能保證表面質(zhì)量，也會造成零件變形或者尺寸超差而無法滿足設(shè)計要求；而微小的表面缺陷如白點(diǎn)，目視檢測往往會遺漏而造成錯漏檢。通過白光相移干涉術(shù)可以將表面缺陷量化，直接剔除因缺陷導(dǎo)致返修后會引起零件尺寸超差或者變形的零件。將檢測結(jié)果用于分析缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，指導(dǎo)加工制定應(yīng)對措施。本文以凹坑嚴(yán)重劃傷為例介紹一種特別目視方法：白光相移干涉術(shù)。

2 凹坑三維微觀形貌重構(gòu)

2.1 利用白光相移干涉原理量化凹坑和嚴(yán)重劃傷

光學(xué)干涉測量法是一種基于光的干涉原理的表面測量方法，光源發(fā)出的光經(jīng)過分光鏡后被分成兩束相干光，其中一束射到被測表面的光為測量光，測量光被物體表面反射回來與另外一束光被參考鏡反射回來的參考光交匯，滿足相干條件產(chǎn)生干涉條紋，干涉條紋的相應(yīng)信息對應(yīng)被測量表面的高度信息。

白光相移干涉術(shù)重建錐形套點(diǎn)狀凹坑微觀形貌特征，系統(tǒng)采用Linnik結(jié)構(gòu)，光源為大功率白光發(fā)光二極管（LED），參考光路和測量光路采用了一個顯微物鏡，光線經(jīng)過干涉顯微鏡直接到零件被測表面。因為與零件被測表面之間沒有其他光學(xué)元件，Linnik型干涉顯微物鏡放大倍數(shù)大，工作距離短，能達(dá)到0.5 μm的橫向分辨率,如圖2所示。

圖2 Linnik結(jié)構(gòu)原理圖

白光相移干涉術(shù)三維重建通常是基于條紋對比度峰值檢測。對于復(fù)雜的表面微坑形貌，可能會吸收或者散射掉部分光譜，從而發(fā)生色散不平衡問題造成條紋對比度包絡(luò)畸變，導(dǎo)致條紋對比度檢測精度的下降。為改善信噪比以及良好的縱深分辨率，可使用濾波片限制光源頻譜帶寬，利用4幅數(shù)字全息圖疊加可以再現(xiàn)出與原物光場完全相同的復(fù)振信息，可消除0級像和共軛像。在此基礎(chǔ)上采用枝切法進(jìn)行包裹相位解調(diào)完成三維微觀形貌重建。經(jīng)軟件計算得出缺陷的長寬高度等信息，如圖3所示。

圖3 4步相移干涉圖序

2.2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

實驗中對抗氫鋼HR-1錐形套表面進(jìn)行白光干涉檢測，如圖4所示為錐形套二維表面形貌圖像，圖中標(biāo)記為一處微觀凹坑，而圖5和圖6對應(yīng)樣件表面三維形貌圖像以及標(biāo)記處微觀凹坑的三維形貌圖像細(xì)節(jié)。

圖4 錐形套二維表面圖像

圖5 錐形套表面三維形貌圖像

從重構(gòu)出來的三維形貌圖像，可以得到長寬、深度等尺寸細(xì)節(jié)信息，全面分析表面微觀特征，從而反演出損傷形成機(jī)理。需要考慮的是當(dāng)標(biāo)記處是一個光學(xué)污染點(diǎn)時，可能帶來的是形貌細(xì)節(jié)被丟失甚至整個微觀缺陷都被掩蓋。這種情況在正常工況下是會出現(xiàn)的。例如清潔工序不當(dāng)，一些微觀雜質(zhì)、油污盲點(diǎn)等會落在微觀凹坑，若采用目視檢查，加上人為因素的影響，則很大程度上會漏檢。對于這種情況，采用機(jī)器視覺原理以及對檢測目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)性辨識。

2.3 表面缺陷微觀形貌的顯著性檢測

本文采用經(jīng)典ITTI視覺顯著性模型對表面缺陷進(jìn)行顯著性檢測。ITTI模型基于靈長類視覺系統(tǒng)的行為和神經(jīng)元結(jié)構(gòu)啟發(fā)的視覺注意系統(tǒng)。多尺度圖像特征可被組合成一個由亮度、顏色和方向顯著圖構(gòu)成高斯金字塔。該系統(tǒng)通過計算快速選擇要詳細(xì)分析的顯眼位置來打破復(fù)雜的場景理解問題。當(dāng)、和是輸入圖像的紅色、綠色和藍(lán)色通道時，強(qiáng)度、顏色高斯金字塔可推公式[17]得：

＝(r()＋()＋())/3

()＝()－(g()＋())/2

G()＝()－(()＋())/2

()＝()－(()＋())/2

()＝(()＋())/2＋())/2－|()＋

()|/2－()

式中：為亮度；、、、分別為紅色、綠色、藍(lán)色、黃色的高斯金字塔。

利用Gabor濾波器構(gòu)建Gabor方向金字塔(,)，∈[0..8]，∈{0°,45°,90°,135°}。

上述獲得亮度、顏色和方向高斯金字塔后，利用Center-Surround（Center即精細(xì)尺度，Surround即粗尺度）方法計算對應(yīng)的特征圖。

圖7（a）為帶有標(biāo)記（紅色）錐形套二維表面圖像進(jìn)行顯著性檢測，發(fā)現(xiàn)在顯著性圖中仍可看出微坑缺陷。但是標(biāo)記更為突出（明亮），這表明，ITTI視覺顯著性模型中的顏色高斯金字塔在此例中起決定性作用，也說明在機(jī)器視覺中需要考慮視覺干擾。圖7（b）是三維表面缺陷圖像的顯著性檢測，由于是三維重構(gòu)所以具有高度信息，將高度信息轉(zhuǎn)為顏色信息?？梢云胶庖曈X顏色干擾因素。所以圖7（b）中微坑形貌特征更為清晰。

圖7 表面缺陷圖像的顯著性檢測

需要注意的是圖4中紅色標(biāo)記作為干擾因素，由于與背景高對比度，而并不常見。而圖8（a）為二維表面凹坑圖像，并采用與凹坑灰度接近的標(biāo)記作為視覺污染。經(jīng)過顯著性計算圖8（b）發(fā)現(xiàn)凹坑和標(biāo)記都能清晰可見。所以顯著性檢測能很好的平衡視覺干擾。

圖8 顯著性檢測對比圖

圖9是在圖8（b）的顯著性檢測基礎(chǔ)上，采用sobel算法對顯著性目標(biāo)進(jìn)行輪廓紋理分析，其結(jié)果表現(xiàn)出聚－彌散性形態(tài)，從一定程度上反映出拋光過程中對表面造成的沖擊作用。

圖9 顯著性目標(biāo)的輪廓紋理特征

2.4 數(shù)據(jù)分析

檢測得出缺陷深度數(shù)據(jù)，據(jù)錐形套尺寸計算，如果缺陷產(chǎn)生于錐形套圓弧1部位（圓弧的輪廓度要求為0.01 mm）且缺陷深度超過0.01 mm，即使進(jìn)行返修，也無法滿足其形狀特征要求，應(yīng)將其直接判斷為廢品，不予返修；如果缺陷產(chǎn)生于內(nèi)孔且深度大于0.01 mm（內(nèi)孔公差為X±0.01 mm），返修缺陷至完全去除將會引起內(nèi)孔尺寸超差，可以直接判定為廢品。分析缺陷產(chǎn)生在不同表面的原因：缺陷在零件較為突出的1和1.5部位出現(xiàn)多是因為周轉(zhuǎn)中包裝存放不當(dāng)，零件相互碰撞而產(chǎn)生；缺陷在內(nèi)孔出現(xiàn)是由于車工工序中采用過大的切削量導(dǎo)致出削不暢引起孔壁擠壓致傷。如若出現(xiàn)在外部輪廓則多是由于刀具鈍化，引起車刀紋路粗糙或機(jī)床穩(wěn)定性差造成顫紋。快速篩選出無需返修的產(chǎn)品可以極大減少其生產(chǎn)周期。通過特別目視檢測各類表面缺陷可總結(jié)如下：

錐形套表面缺陷從形狀上可分為點(diǎn)狀缺陷、線狀缺陷、面狀缺陷[6-7]。在剔除材料本身可能存在缺陷如毛孔、裂紋、夾雜物、斑點(diǎn)、空穴[8]等后，錐形套在機(jī)械拋光過程可能出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷（凹坑、白點(diǎn)）多分布在兩端圓弧部位、線狀缺陷（劃痕、劃傷、紋路不均勻）多分布在內(nèi)孔和錐面、面狀缺陷（碰傷、灼傷、變形）多分布在兩端圓弧部位。從缺陷來源可分為三大類：

（1）夾雜物：由于拋光過程中基體夾雜物部分脫落引起的表面缺陷。夾雜物屬于硬質(zhì)高熔點(diǎn)夾雜物，機(jī)械加工前應(yīng)當(dāng)優(yōu)選基材，從源頭上減少原始表面的凹坑缺陷。在加工過程中也應(yīng)該注意觀察、剔除。

（2）機(jī)械劃傷類表面缺陷：不銹鋼拋光表面機(jī)械劃傷類缺陷是由拋光過程中的機(jī)械劃傷引起的，主要原因是拋光工藝參數(shù)不匹配、拋光液成分不合理以及外來小顆粒污染等，一般在整個表面缺陷中所占比例較少，應(yīng)盡量避免。

（3）凹坑類缺陷：由于原始表面質(zhì)量較差會造成波峰、波谷相對高度差較大，拋光去除波谷后，局部較深的波谷會形成微小的白點(diǎn)?；蚴怯捎诩庸ぶ信鰝仍斐傻谋砻嫒毕荨伖夂髮⒃习伎尤毕莶糠指采w，但仍存在少量坑狀缺陷不能完全覆蓋，而且存在填充金屬與基體結(jié)合不牢的現(xiàn)象，導(dǎo)致最終引起拋光產(chǎn)品表面凹坑缺陷。

2.5 應(yīng)對措施

在加工中拋光工藝參數(shù)的選擇等應(yīng)與材料基體硬度相匹配，同時消除外來污染的影響，避免機(jī)械劃傷引起的拋光表面缺陷[15]；高拋光要求的表面質(zhì)量與包括基材、前道切削加工質(zhì)量的原始表面質(zhì)量密切相關(guān)，提升原始表面質(zhì)量有助于拋光質(zhì)量和效率的提升；拋光過程的細(xì)節(jié)控制、拋光工藝參數(shù)是保證質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)；若是油污等表面附著物，應(yīng)當(dāng)注意清潔零件。根據(jù)缺陷出現(xiàn)的部位以及不同的形式，優(yōu)化加工參數(shù)，改變包裝采用專門的軟材包裝箱，在拋光過程中注意均勻拋光，避免在拋光嚴(yán)重缺陷部位時造成零件變形。根據(jù)不同的表面缺陷制定不同的應(yīng)對措施，如表1所示。

表1 表面缺陷預(yù)防應(yīng)對措施

2.5 有效性驗證

為驗證改進(jìn)措施的有效性，隨機(jī)抽取2018年生產(chǎn)的幾批零件與采取預(yù)防措施進(jìn)行效果比對，如表2所示。結(jié)果表明零件首檢合格率由75%左右提升至92%以上，減少返修工作量，證明改進(jìn)措施有效。

表2 首檢驗合格率對比

3 結(jié)論

ITTI模型通過初級特征提取，將多種特征、多種尺度的視覺空間通過Center-Surround方法對錐形套表面缺陷進(jìn)行白光相移干涉重構(gòu)及顯著性檢測，得到各個特征的顯著性圖合成一副顯著圖，從而得到想要的量化數(shù)據(jù)參數(shù)。在生產(chǎn)中，表面三維微觀形貌對于工程零件的許多技術(shù)性能的評價具有最直接的影響，而且能夠更全面、真實地反映零件表面的特征及衡量表面的質(zhì)量，全面地評價表面質(zhì)量的優(yōu)劣，進(jìn)而分析加工方法的好壞及設(shè)計要求的合理性。用檢測數(shù)據(jù)反推分析以指導(dǎo)加工、優(yōu)化加工工藝以加工出高質(zhì)量的表面，可確保零件使用功能的實現(xiàn)。

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White Light Phase-Shifting Interference on the Surface Defects of Conical Sleeve Reconstruction and Significance Detection

CHEN Li，DONG Yong

( Quality Inspection Center of Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

In view of the surface defects such as white spots and pits in the conical sleeve after mechanical polishing, in this paper, by using special visual method, SEM scanning energy spectrum analysis for composition analysis and the white light phase-shifting interferometry for surface micro morphology reconstruction are conducted, and the significance detection of the reconstructed image is carried out based on the ITT visual significance model. Finally, the contour characteristics of the significant objects is extracted to analyze the causes of defects, provide guidance for processing and improve the qualified rate of the first inspection. The results show that white light phase-shifting interferometry can effectively reconstruct the morphology of the defects as micro pits, the significance detection of ITTI can restrain the visual pollution to keep balance, and the feature analysis of significance targets reflects the damage formation mechanism. Processing improved according to the characteristics of the defects can effectively reduce the surface defects of the conical sleeve. The inspection method and improvement measures adopted in this paper can be widely used in this kind of curved anisotropic rotating parts, thus effectively improving the qualified rate of mechanical polishing.

conical sleeve surface；pit；white light phase-shifting interference；significance detection

TG145

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.011

1006－0316 (2021) 01－0075－06

2020－04－21

陳利（1983－），四川宜賓人，高級工，主要從事機(jī)械零件、裝配檢驗的工作，E-mail：935417922@qq.com。