薄片零件尺寸機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)研究與開發(fā)

1、2010年9月第38卷第17期機(jī)床與液壓MACH I NE TOOL &HYDRAUL I CSSep 2010V ol 38No 17DO I :10.3969/j issn 1001-3881 2010 17 027收稿日期:2009-08-31作者簡介:伍濟(jì)鋼(1978 ,男,博士,教師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺檢測、先進(jìn)制造技術(shù)。電話:158*,E -m ai:l j gwuhust gmail com 。薄片零件尺寸機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)研究與開發(fā)伍濟(jì)鋼1,2,賓鴻贊2(1 湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南湘潭411201;2 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430

2、074摘要:對薄片零件尺寸機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,開發(fā)一套完整的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)。提出基于CAD 信息的線掃描步長自適應(yīng)優(yōu)化方法用于被檢測零件的圖像采集;提出基于三次樣條插值的矩形透鏡法亞像素邊緣檢測方法用于邊緣檢測;提出基于曲率與HOUGH 變換的平面輪廓圖元識別方法用于圖像識別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:檢測系統(tǒng)的檢測精度能達(dá)到1 m,檢測時間能滿足實(shí)時在線檢測的要求,該檢測系統(tǒng)是可行的。關(guān)鍵詞:薄片零件尺寸;機(jī)器視覺檢測;線掃描;亞像素邊緣檢測;平面輪廓圖元識別中圖分類號:T P391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-3881(201017-086-3Research and Dev

3、elop m ent of D i m ensional Inspection Syste m for Thin Sheet Part Based on M achine V isionWU Ji g ang 1,2,B IN H ongzan2(1 H unan Pr ov i n cia lKey Laborato r y ofH ea lth M a i n tenance for M echanical Equipm en,t H unan Un i v ersity of Science and Techno l o gy ,X iangtan H unan 411201,Ch i

4、n a ;2 Schoo l ofM echan ica l Science and Eng ineeri n g ,H uazhong U niversityof Science and Techno l o gy ,W uhan H ubei 430074,Ch i n aAbstrac t :K ey techno log i es o f di m ensi ona l i nspec tion syste m f o r t h i n sheet part ba sed on m ach i ne v ision w ere investi g ated ,and an entir

5、e m achine v i sion i nspe cti on system wa s dev eloped .A CA D i nfor m a ti on based li ne scanni ng step se lf adapti ve opti m iza ti on m e t hod used for i m age grabb i ng o f i nspected partw as proposed .A rectang le lens subp i xe l edg e detec tion m ethod based on cub i c spli ne i nter

6、po lation used f o r edge de tecti on wa s advanced .A planar contou r pri m itive recogn iti on m e t hod based on curv ature and HOU GH transform used for i m age recogn iti on w as ra ised .T he experi m enta l re sults show the i nspec tion accuracy o f the i nspection syste m can reach to 1 m,a

7、nd the inspec ti on ti m e can satisfy t he requ irem ents of on li ne rea l ti m e i nspection ,so the i nspection sy s te m is feasible .K eyword s :D i m ensi on of t h i n sheet part ;M ach i ne v i sion i nspection ;L i ne scanning ;Subp i xe l edge detec tion ;P lanar contourpr i m itive recog

8、nition在薄片零件的大批量生產(chǎn)中,為了保證薄片零件的產(chǎn)品質(zhì)量,提高薄片零件的生產(chǎn)效率,必須對成品薄片零件的尺寸進(jìn)行100%的在線檢測,其檢測系統(tǒng)必須具有實(shí)時性,在保證一定檢測精度的同時能在盡量短的時間內(nèi)獲取盡量多的被檢測零件的尺寸信息,以滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。由于薄片零件很薄,在接觸力的作用下易變形從而產(chǎn)生很大的測量誤差,所以只能用非接觸檢測方法進(jìn)行尺寸檢測。薄片零件的形狀一般不規(guī)則且對孔間距和孔徑有較高的精度要求,因此檢測系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的檢測能力,并且有較高的檢測精度。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)和設(shè)備難以在精度、效率及自動化程度等方面完全滿足薄片零件的檢測要求。機(jī)器視覺檢測技術(shù)具有非接觸、柔性好、精

9、度高、速度快、自動化和智能化水平高、易于同設(shè)計(jì)信息與加工控制信息集成等優(yōu)點(diǎn),可以很好地滿足薄片零件的檢測要求。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的薄片零件尺寸機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。1 系統(tǒng)簡介檢測系統(tǒng)的硬件組成示意圖如圖1所示,由檢測儀器本體和計(jì)算機(jī)兩部分組成,包括相機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、檢測工作臺和支架。相機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)包括運(yùn)動控制卡、電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、運(yùn)動滑塊、導(dǎo)軌和限位開關(guān);圖像采集系統(tǒng)包括圖像采集卡、線陣CCD 相機(jī)、鏡頭、光柵尺、分頻器;照明系統(tǒng)包括LED 背光源和光源控制器。 圖1 檢測系統(tǒng)的硬件組成示意圖檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,

10、基于W indo ws 操作系統(tǒng)平臺、采用V isual C+語言編制而成。軟件的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,主要包括參數(shù)設(shè)置、圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像邊緣檢測、平面輪廓圖元識別與尺寸計(jì)算、圖元尺寸對比檢測和結(jié)果顯示與保存7部分。在參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)主要對圖像采集參數(shù)和相機(jī)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖像采集參數(shù)設(shè)置包括圖像采集卡和相機(jī)工作模式的設(shè)置,觸發(fā)設(shè)置,曝光時間設(shè)置等。相機(jī)運(yùn)動參數(shù)設(shè)置包括運(yùn)動速度和運(yùn)動加速度的設(shè)置。圖像采集環(huán)節(jié)包括線掃描步長的自適應(yīng)優(yōu)化和變步長線掃描獲得被檢測零件的圖像。在圖像預(yù)處理環(huán)節(jié),主要包括對線掃描圖像進(jìn)行標(biāo)定、二值化和去噪聲。圖像邊緣檢測環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)像素級和亞像素級的邊緣檢測。平面輪

11、廓圖元識別與尺寸計(jì)算環(huán)節(jié)根據(jù)亞像素邊緣檢測后得到的平面輪廓進(jìn)行圖元識別,并計(jì)算各圖元的尺寸數(shù)據(jù)。圖元尺寸對比檢測環(huán) 節(jié)將計(jì)算得到的尺寸值與設(shè)計(jì)的理想尺寸值進(jìn)行比較圖2 檢測系統(tǒng)軟件的模塊結(jié)構(gòu)圖得到差值,并將該差值與公差值進(jìn)行比較,進(jìn)而確定尺寸是否合格。結(jié)果顯示與保存環(huán)節(jié)將檢測的結(jié)果顯示,并保存為TXT 文件,便于察看和后續(xù)進(jìn)行SPC (Statistica l P r ocess Contro,l SPC 分析,以對制造工藝進(jìn)行改進(jìn)或?qū)に噮?shù)進(jìn)行調(diào)整從而選擇最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。2 檢測系統(tǒng)關(guān)鍵算法機(jī)器視覺尺寸檢測系統(tǒng)以被檢測物體的圖像為檢測和傳遞信息的手段和載體,通過處理被檢測物體圖 像的邊緣

12、來獲得被檢測物體的幾何尺寸參數(shù),因此如何獲取被檢測物體的高精度優(yōu)質(zhì)圖像、如何獲取高精度的圖像邊緣、如何對圖像邊緣進(jìn)行識別進(jìn)而獲得被檢測物體的幾何尺寸即圖像采集、圖像處理、圖像識別是機(jī)器視覺尺寸檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵。2 1 圖像采集檢測系統(tǒng)通過線掃描進(jìn)行圖像采集,不但要求線掃描具有高分辨率能獲得真實(shí)反映被檢測零件輪廓特征的優(yōu)質(zhì)圖像,而且要盡量減少掃描時間以保證實(shí)時性,要盡量減少掃描數(shù)據(jù)量以減少后續(xù)處理的時間。為了達(dá)到上述目標(biāo),提出了基于CAD 信息的線掃描步長自適應(yīng)優(yōu)化方法用于被檢測零件的圖像采集。其步驟為:首先,打開設(shè)計(jì)圖的DXF 文件,讀取設(shè)計(jì)圖中各圖元的尺寸及其公差信息并保存,然后對各圖元進(jìn)行順

13、序化;輸入初始線掃描步長;根據(jù)初始線掃描步長在計(jì)算機(jī)中對各圖元進(jìn)行虛擬等步長線掃描;保存各圖元等步長線掃描后的掃描點(diǎn)坐標(biāo)和線掃描步長;判斷各圖元的屬性,根據(jù)其屬性進(jìn)行相應(yīng)的線掃描步長自適應(yīng)優(yōu)化;保存優(yōu)化后的各圖元的掃描點(diǎn)坐標(biāo)和線掃描步長;根據(jù)各圖元的端點(diǎn)在掃描運(yùn)動方向的垂直方向上將設(shè)計(jì)圖劃分為若干區(qū)域;根據(jù)區(qū)域線掃描步長自適應(yīng)選取準(zhǔn)則確定區(qū)域的線掃描步長;依次將各區(qū)域的線掃描步長按順序保存;再用優(yōu)化的線掃描步長進(jìn)行線掃描獲得被檢測零件的圖像并保存。薄片零件的線掃描圖像如圖3所示。圖3 薄片零件的線掃描圖像2 2 圖像處理為了提高檢測系統(tǒng)的檢測精度與檢測速度,提出了基于三次樣條插值的矩形透鏡法亞

14、像素邊緣檢測方法,使邊緣能定位到像素內(nèi)部更精確的位置。其步驟為:首先對線掃描圖像進(jìn)行預(yù)處理,包括圖像標(biāo)定、二值化、去噪聲;根據(jù)線掃描的成像特性,開發(fā)了圖像標(biāo)定算法;選取最大類間方差法作為檢測系統(tǒng)的圖像二值化方法;然后采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)邊緣檢測方法進(jìn)行邊緣檢測,步驟是用膨脹后的圖像減去腐蝕后的圖像,得到多像素寬的邊緣,再用區(qū)域骨架提取算法對多像素寬的邊緣進(jìn)行細(xì)化,獲得單像素寬的邊緣,稱之為輪廓,組成輪廓的各像素點(diǎn)稱之為輪廓點(diǎn);以某輪廓點(diǎn)為矩形透鏡中心到標(biāo)定后的圖像中讀取9像素 9像素大小矩形透鏡內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度值和坐標(biāo);判斷矩形透鏡內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度值梯度方向;用三次樣條插值函數(shù)對灰度值梯度方向上各像

15、素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行插值,求得插值函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù);然后求得插值函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)的極值點(diǎn)位置,根據(jù)極值點(diǎn)位置計(jì)算出亞像素坐標(biāo)并保存;然后再選取下一輪廓點(diǎn),依次循87第17期伍濟(jì)鋼等:薄片零件尺寸機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)研究與開發(fā)環(huán)反復(fù),直至將所有的輪廓點(diǎn)都處理完。薄片零件圖像預(yù)處理后的結(jié)果如圖4所示,像素級邊緣檢測后的結(jié)果如圖5 所示。圖4 薄片零件圖像預(yù)處理結(jié)果圖5 薄片零件圖像像素級邊緣檢測結(jié)果2 3 圖像識別被檢測零件的圖像經(jīng)邊緣檢測后得到的是單像素寬連通的像素點(diǎn)集,屬于同一圖元的單像素寬連通的像素點(diǎn)構(gòu)成如直線、圓弧、圓等的圖元,然后再由這些圖元構(gòu)成平面輪廓。在機(jī)器視覺尺寸檢測系統(tǒng)中,需要檢測圖元的幾何尺

16、寸及其誤差、形狀誤差、圖元間的位置及其誤差,因此必須識別出組成平面輪廓的各個圖元,為此提出了基于曲率與HOUGH 變換的平面輪廓圖元識別方法用于圖像識別。其具體步驟為:(1根據(jù)輪廓點(diǎn)的鄰域值將輪廓點(diǎn)進(jìn)行分類,將可能成為角點(diǎn)的輪廓點(diǎn)選出,稱這些輪廓點(diǎn)為候選輪廓點(diǎn);(2采用11點(diǎn)k 曲率法計(jì)算各候選輪廓點(diǎn)的離散曲率值,根據(jù)各候選輪廓點(diǎn)的離散曲率值計(jì)算出離散曲率閾值,按照此閾值對候選輪廓點(diǎn)進(jìn)行第一次篩選,選出離散曲率值大于閾值的候選輪廓點(diǎn),稱這些候選輪廓點(diǎn)為一次篩選候選輪廓點(diǎn);(3用投影高度法對一次篩選候選輪廓點(diǎn)進(jìn)行分類;(4用基于HOUGH 變換的圓弧分割與融合算法將圓弧圖元中的偽特征點(diǎn)剔除并增選

17、拐點(diǎn),將進(jìn)行該步驟后得到的候選輪廓點(diǎn)稱為二次篩選候選輪廓點(diǎn);(5用投影高度法對二次篩選候選輪廓點(diǎn)進(jìn)行分類;(6用基于HOUGH 變換的直線分割與融合算法將直線圖元中的偽特征點(diǎn)剔除并增選切點(diǎn),到此已經(jīng)完全剔除了候選輪廓點(diǎn)中的偽特征點(diǎn)并增選了拐點(diǎn)與切點(diǎn),此時得到的候選輪廓點(diǎn)即為特征點(diǎn);(7用投影高度法對特征點(diǎn)進(jìn)行分類,并判斷特征點(diǎn)兩側(cè)圖元的屬性;(8將特征點(diǎn)按順序保存。薄片零件平面輪廓圖元識別的結(jié)果如圖6所示,圖中用黑點(diǎn)標(biāo)識了特 征點(diǎn)的位置。圖6 薄片零件平面輪廓圖元識別結(jié)果構(gòu)建識別圖元類CR ecogn itionEntity ,用該類的對象來保存各類識別圖元的數(shù)據(jù)。如圖7所示,采用兩級指針的形

18、式保存整個圖像中的所有識別圖元的數(shù)據(jù),將CR ecogn itionEntity 類的對象的指針按照識別圖元的連接順序依次保存到第一級指針CPtr A rray :*p_R ecogniti onEntit i es_Contour_P tr A rray 中,于是一個p_R ecogniti onEntit i es_Contour_P tr A rray 就保存了一個輪廓中所有識別圖元的數(shù)據(jù)信息,然后將p_Recogni t i onEntities_Contour_Ptr A rray 按照輪廓點(diǎn)保存時輪廓的排列順序依次保存到第二級指針CP tr A rray :*p_Rec ognit

19、i onEntit i es_G raph _P tr A rray 中,這樣p _Recogni t i onEntities_G raph_Ptr A rray 就保存整個圖像中所有識 別圖元的數(shù)據(jù)信息。圖7 識別圖元的尺寸數(shù)據(jù)保存格式3 尺寸檢測實(shí)驗(yàn)將經(jīng)精密測量后直徑的測量平均值為25 0322mm 、測量極限誤差為!0 0009mm 的精密標(biāo)準(zhǔn)件用薄片零件尺寸機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)對其直徑D 進(jìn)行檢測,重復(fù)檢測10次,直徑D 的檢測結(jié)果及其分析如表1所示。從分析結(jié)果可以看出,精密標(biāo)準(zhǔn)件的直徑檢測值的平均值與用其他精密測量方法得到的直徑測量平均值的差值在亞微米級,說明薄片零件尺寸機(jī)器視覺檢測系

20、統(tǒng)的檢測精度能達(dá)到微米級。檢測時間(不包括精密標(biāo)準(zhǔn)件的線掃描時間如表2所示,精密標(biāo)準(zhǔn)件的平均檢測時間為0 156s ,能滿足實(shí)時在線檢測的要求。表1 精密標(biāo)準(zhǔn)件直徑D 的檢測結(jié)果及其分析檢測次數(shù)12345678910直徑D 的檢測值/mm25 032625 032325 032425 031825 032525 032725 032325 032225 032425 0320平均值/mm 25 0323平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差/ m 0 26測量極限誤差/mm!0 0008(下轉(zhuǎn)第101頁88機(jī)床與液壓第38卷隙d c 較小時對流量影響不明顯,但間隙增大到一定程度時對流量影響很大,這就要求在設(shè)計(jì)加工時

21、要控制間隙在一定的范圍之內(nèi),即能夠保證流量,又不能把間隙值設(shè)計(jì)得過小,增加加工難度和柱塞運(yùn)動阻尼;出口閥開度x o 對柱塞泵流量的影響顯著,且靈敏度很高,加工時對此尺寸要重點(diǎn)保證;負(fù)載壓力p L 對輸出流量影響不大,但驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載增大會有顯著提高,在設(shè)計(jì)時應(yīng)限定柱塞泵的工作壓力范 圍。圖6 柱塞泵流量與各影響因素之間的關(guān)系曲線4 結(jié)論AM ES m i 仿真軟件建模運(yùn)算能力強(qiáng)大,VB6 0具有顯著的W i ndo w s 應(yīng)用程序開發(fā)便捷性,將二者有機(jī)結(jié)合,可以將仿真測試工作同模型構(gòu)建相分離,細(xì)化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)分工,同時專門的仿真管理軟件也可以快捷有效地進(jìn)行仿真試驗(yàn),提高試驗(yàn)效率。作者首先介

22、紹了AE M Sm i 與VB 聯(lián)合仿真分析平臺的結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)合仿真分析流程,然后將此平臺應(yīng)用于某型液壓柱塞泵的流量分析。結(jié)果表明,通過此聯(lián)合仿真分析平臺,可以對系統(tǒng)進(jìn)行高效地仿真分析,將工程人員從繁瑣的模型編輯工作中解脫出來,更專注于系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化工作。通過仿真分析,說明了影響柱塞泵流量的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù),并根據(jù)分析數(shù)據(jù),建立了柱塞泵流量同一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的響應(yīng)面,為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。參考文獻(xiàn):1#付永領(lǐng),祈曉野.AM ES i m 系統(tǒng)建模和仿真M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.2#L ev iti n A nany.算法設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)M .北京:清華大學(xué)出版社,2007.3#李鴻吉.V is ua l Basic 6.0數(shù)理統(tǒng)計(jì)實(shí)用算法M .北京:科學(xué)出版社,2003.4#謝步瀛,龔沛曾.V i sua l Basic 計(jì)算機(jī)繪圖實(shí)用技術(shù)M .北京:電子工業(yè)出版社,2004.5#陸惠恩,陸培恩.軟件