李現(xiàn)友

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014030）

鍛件的生產(chǎn)尤其是模鍛件的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，要求的加工精度較高，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能對產(chǎn)品的最終質(zhì)量造成影響，目前企業(yè)普遍采用人工肉眼觀察或卡尺測量方法，此方法存在較大測量誤差且測量效率低，并且在批量生產(chǎn)中多數(shù)采用鍛件冷卻后抽檢的方法進(jìn)行，無法做到實(shí)時(shí)在線測量，如果將高精度的在線非接觸測量技術(shù)引入到生產(chǎn)過程中對于提高生產(chǎn)的效率和質(zhì)量有重要的意義[1-3]。

機(jī)器視覺作為現(xiàn)代測量技術(shù)的先進(jìn)代表，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛，其優(yōu)點(diǎn)包括：非接觸、高速度、高準(zhǔn)確性、造價(jià)相對較低，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、產(chǎn)品包裝、電工電子、醫(yī)療器械、智能家居等領(lǐng)域[4]。

本文采用工業(yè)CCD 相機(jī)作為采集硬件，采用Matlab 語言進(jìn)行程序編寫，首先確定測量方案，進(jìn)而進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，然后通過圖像采集、圖像前期處理、邊界輪廓提取、尺寸換算等幾個(gè)關(guān)鍵步驟，快速的獲得盤類鍛件外輪廓尺寸和內(nèi)輪廓尺寸。此技術(shù)的應(yīng)用能在線的得到產(chǎn)品的誤差信息，為生產(chǎn)提供及時(shí)的反饋，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。

1 圓盤類鍛件測量要求

此圓盤類鍛件為精密模鍛鍛件，中間為中空結(jié)構(gòu)，主要測量的參數(shù)為外圓直徑和內(nèi)孔直徑。

圖1 鍛件加工圖紙

2 測量的方法

此測量系統(tǒng)位于模鍛之后，鍛件的取出采用機(jī)器人手臂夾取，將鍛件放置于測量平臺中，放置的位置是確定的。

2.1 測量裝置的空間布置

整個(gè)測量裝置由CCD 相機(jī)，圓環(huán)鍛件及照明系統(tǒng)組成。相機(jī)型號為GE500C-T ，其感光面積為傳感器 1× 2.5英寸，采集像素為 2592× 1944。本項(xiàng)目光源系統(tǒng)采用背向照明的方式，照明等的設(shè)計(jì)采用矩形矩陣的方式，并大大的超過被測件的投影面積，通過多次的試驗(yàn)，光源的擴(kuò)散性、均勻性、一致性都非常好，并加裝了功率調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)不同的工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在相機(jī)的調(diào)整過程中，保證圖像清晰，物體圖像盡量占滿整個(gè)有效采集區(qū)域，并且相機(jī)的中心線與圓環(huán)的中心重合。

圖2 測量裝置空間布置

2.2 相機(jī)的標(biāo)定

本項(xiàng)目中對相機(jī)采用直接標(biāo)定法，未考慮相機(jī)的鏡頭畸變的影響。如圖3 所示，標(biāo)定平面的高度與被測件放到照明系統(tǒng)后的頂面的高度是相同的。從而形成標(biāo)定平面坐標(biāo)系和成像坐標(biāo)系xoy兩個(gè)坐標(biāo)系，從而建立了被測件頂面二維空間坐標(biāo)位置與成像像素點(diǎn)之間的一一對應(yīng)關(guān)系。應(yīng)的其在標(biāo)定平面坐標(biāo)系中的唯一位置。其存在如下關(guān)

圖3 相機(jī)標(biāo)定

由上圖可以看出，在成像坐標(biāo)系xoy中的任意一點(diǎn)x?y?對系式。

其中：Δx為標(biāo)定平面的實(shí)際水平尺寸，為標(biāo)定平面成像后的水平像素個(gè)數(shù)；Δy為標(biāo)定平面的實(shí)際豎直尺寸，為標(biāo)定平面成像后的豎直像素個(gè)數(shù)。

2.3 圖像的采集及處理

2.3.1 圖像的采集

對于圓盤類鍛件的測量，得到有效、清晰的投影輪廓尺寸是事倍功半的一般，通過多次的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于CCD 相機(jī)曝光時(shí)間、焦距、物距的調(diào)整可以得到清晰的圖像。但受到環(huán)境的影響，原始圖像存在一定的干擾信號，會影響到邊緣檢測的效果和檢測精度。因此在邊緣提取之前要對圖像進(jìn)行一定的預(yù)處理。

2.3.2 基于中值濾波的圖像平滑

中值濾波是圖像平滑處理中最為常見的一種，采用 的算子窗口依次從上倒下，從左到右覆蓋原有的圖像，同時(shí)將覆蓋區(qū)域內(nèi)的像素重新排列并計(jì)算各中值，然后用計(jì)算后的中值覆蓋區(qū)域的中心像素。

2.3.3 基于灰度直方圖的二值化處理

拍攝中，底部加入背光燈，所以輪廓與背景之間有明顯的差異，可以通過調(diào)整直方圖參數(shù)，得到清晰的二值圖像。

2.3.4 邊界提取

2.3.5 最小二乘法確定圓的直徑和圓心

最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。最小二乘法是用最簡的方法求得一些絕對不可知的真值，而令誤差平方之和為最小。

可得圓曲線方程的另一個(gè)形式

樣本集（X?Y）?i∈(1,2,3.....N)中點(diǎn)到圓心的距離為di

點(diǎn) (X?,Y?)到圓邊緣的距離的平方與和半徑平方的差為：

令Q（a,b,c）為 δi的平方和

求參數(shù)a,b,c,使得Q(a,b,c)的值最小值。

解：

平方差Q(a,b,c)大于0，因此函數(shù)存在大于或等于0 的極小值，極大值為無窮大

F(a,b,c)對a,b,c 求偏導(dǎo)，令偏導(dǎo)等于0，得到極值點(diǎn)，比較所有極值點(diǎn)的函數(shù)值即可得到最小值。

解這個(gè)方程。

先消去c

令

可解得：

得A、B、C 的估計(jì)擬合值

在求解過程中，由于此例中有內(nèi)圓和外圓兩個(gè)要求得的參數(shù)，兩個(gè)圓在擬合之前應(yīng)粗略的設(shè)定范圍，此范圍的確定需要事先通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣件來完成。下圖4c 所示的為求外輪廓的結(jié)果。

2.3.6 測量結(jié)果比較（表1）

3 結(jié)論

圖4 圖像處理關(guān)鍵步驟

表1 圓環(huán)類鍛件尺寸測量

經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該CCD 的測量系統(tǒng)操作方便，可靠?？蓾M足多種盤類鍛件的的尺寸檢測, 檢測精度高達(dá)0.01mm,而且檢測性能穩(wěn)定。自動(dòng)數(shù)據(jù)分析, 并最后打印出測試結(jié)果清單, 大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高了檢測速度, 實(shí)現(xiàn)了圓盤類鍛件的在線測量。