萬(wàn) 文，雷紅勝

WAN Wen, LEI Hong-sheng

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化對(duì)尺寸檢測(cè)技術(shù)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的尺寸檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)很難適用產(chǎn)品生產(chǎn)批量化、逐個(gè)檢測(cè)和高精度在線檢測(cè)的需求現(xiàn)狀。機(jī)器視覺(jué)尺寸可以克服傳統(tǒng)尺寸檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)成本、檢測(cè)精度、檢測(cè)效率方面的缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的零件尺寸測(cè)量及加工精度分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件質(zhì)量的判識(shí)。

1 尺寸檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)工作平臺(tái)組成

檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)主要大恒CG400圖像采集卡、SONY JC-569 CCD攝像機(jī)和數(shù)控車(chē)床組成。零件測(cè)量尺寸為

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)軟件組成

1.2.1 圖像采集模塊

采集模塊如圖1所示，設(shè)計(jì)了采集開(kāi)始控件和采集結(jié)束控件，點(diǎn)擊兩控制就能完成零件圖像的采集，圖像保存在預(yù)先設(shè)定好的文件夾內(nèi)。

1.2.2 圖像預(yù)處理模塊

圖像增強(qiáng)處理是指將采集圖像中的有用的但是不明顯的細(xì)節(jié)信息突出，以有利于圖像的處理與分析，如圖2所示，原圖偏暗且灰度級(jí)動(dòng)態(tài)范圍比較小，反映在直方圖上就是其直方圖所占據(jù)的灰度值范圍比較窄且集中在高灰度值一邊，圖像經(jīng)過(guò)均衡化之后圖像對(duì)比度明顯提高，視覺(jué)效果更加明顯，其直方圖范圍較大，圖像的很多細(xì)節(jié)可以看得比較清楚，增強(qiáng)之后的圖像與背景更容易被邊緣檢測(cè)程序識(shí)別有利于得到邊緣結(jié)果。

圖1 采集程序前面板

圖2 原始圖像和增強(qiáng)后的圖像

圖像在采集過(guò)程中都會(huì)包含有一定程度的噪聲，中值濾波在去除噪聲的同時(shí)還能保留圖像的邊緣細(xì)節(jié)。中值濾波效果對(duì)比如圖3所示，可以看出7×7比5×5算法更易使圖像模糊，但其邊緣并沒(méi)有出現(xiàn)模糊狀況。

圖3 圖像濾波效果圖

1.2.3 圖像的二值化

二值化分閾值分割的計(jì)算公式為：

其中f(x,y)和g(x,y)分別原始灰度圖像和二值化閾值處理后的圖像，T為閾值，大于T的像素置為白（灰度值為255），小于T的像素置為黑（灰度值為0）。如圖4所示，當(dāng)閾值T為50時(shí)，目標(biāo)圖像和背景得到了很好的分割。

圖4 二值化處理效果圖

1.2.4 圖像形態(tài)學(xué)處理

圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理和二值化之后得到了一張只有黑白的二值圖像，二值圖像與原來(lái)的圖像相比很多的細(xì)節(jié)信息在處理過(guò)程中被丟失了。形態(tài)學(xué)處理包括膨脹、腐蝕、開(kāi)運(yùn)算、閉運(yùn)算，可以有效消除圖像邊緣的毛刺，是圖像邊緣提取前非常重要的準(zhǔn)備操作，可以有利于測(cè)量精度的提高。程序前面板如圖5所示，包含了進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理方法選擇控件，以及二值化閾值調(diào)節(jié)控件。

圖5 形態(tài)學(xué)處理程序前面板

1.2.5 尺寸測(cè)量模塊

圖像處理與測(cè)量系統(tǒng)前面板如圖6所示，包括已采圖像路徑選擇，如需處理離線圖像，則開(kāi)始控件向左，如需處理在線采集圖像，則開(kāi)始控件向右。可以進(jìn)行單軸和雙軸測(cè)量切換。系統(tǒng)界面的中間上圖為邊緣檢測(cè)結(jié)果顯示界面，中間下圖為原圖界面，界面最右邊為顯示圖設(shè)定及圖像二值化閾值的選擇。

圖6 尺寸測(cè)量系統(tǒng)前面板

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定與誤差試驗(yàn)

視覺(jué)系統(tǒng)完成圖像采集、圖像處理及尺寸測(cè)量得出零件參數(shù)后，還需要進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，因?yàn)榻?jīng)軟件處理計(jì)算得出的零件尺寸值并非實(shí)際尺寸，只是一個(gè)像素值，必須對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，必須找到尺寸值與像素值之間的一個(gè)關(guān)系比例。

設(shè)系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)圖像處理和分析后的結(jié)果像素?cái)?shù)值為p，標(biāo)塊的測(cè)量尺寸為l，系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)為k，則圖像像素?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度的公式可表示為：l=k×p。本程序在得出的測(cè)量結(jié)果后端加入了一個(gè)與標(biāo)定系數(shù)k=0.098756相乘的運(yùn)算，運(yùn)算后的結(jié)果即為最后的測(cè)量值。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

由表2可以得出視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)誤差在0.008mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足測(cè)量精度要求。

2 尺寸加工精度分析系統(tǒng)

通過(guò)測(cè)量一批（100個(gè)）零件加工后的實(shí)際尺寸，繪出直方圖，做出實(shí)際分布曲線，利用此曲線來(lái)判斷該批零件加工誤差的性質(zhì)，確定工序的工藝能力，估算合格率和廢品率，保證產(chǎn)品零件的加工精度要求。系統(tǒng)前面板如圖7 所示，均方根偏差為0.011，cp=1.06007，工序等級(jí)為二級(jí)。

圖7 尺寸精度分析系統(tǒng)前面板

點(diǎn)圖法可以將零件加工時(shí)的質(zhì)量指標(biāo)隨時(shí)間的變化情況反映出來(lái)，是一種有效的加工質(zhì)量判別方法。

2.1 單值點(diǎn)圖

單值點(diǎn)圖橫坐標(biāo)為零件的序號(hào)，縱坐標(biāo)為零件的實(shí)際尺寸。如圖8所示，圖中的尺寸在上下控制線之間，偏向上控制線。

圖8 單值點(diǎn)圖

圖9 圖及R圖程序前面板

3 結(jié)論

以機(jī)器視覺(jué)尺寸測(cè)量為研究主線，根據(jù)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及軸類(lèi)零件檢測(cè)的要求，充分發(fā)揮了LabVIEW在程序設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)和尺寸精度分析系統(tǒng)的各功能模塊，包括圖像采集模塊、通過(guò)圖像增強(qiáng)、濾波、二值化、形態(tài)學(xué)處理和邊緣檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了圖像處理模塊，以及尺寸測(cè)量模塊和精度分析模塊，實(shí)現(xiàn)了軸類(lèi)零件的尺寸參數(shù)的測(cè)量，系統(tǒng)界面友好，具有數(shù)據(jù)保存、圖像和測(cè)量結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)方法相比，可提高檢測(cè)的精度和效率。

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