陳 柱，吳定祥，唐立軍

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114；3.長(zhǎng)沙億旭智能科技有限公司，長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

常用的陶瓷溫控器由特種陶瓷殼體和金屬動(dòng)觸件構(gòu)成。溫控器要求陶瓷殼體安裝后，能精確支撐其內(nèi)部金屬觸件在合適的位置，且有良好的密封性。陶瓷殼體外壁成圓柱狀，中空由兩個(gè)平面階層組成，設(shè)有兩個(gè)安裝孔，使陶瓷殼內(nèi)槽深度在線(xiàn)測(cè)量較為困難。

常見(jiàn)的測(cè)量方法可分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式測(cè)量方法[1]有：游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、探針式和關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。其特點(diǎn)是測(cè)量的可靠性高、測(cè)量精度高，但接觸式測(cè)量的接觸力可能會(huì)對(duì)測(cè)量器具和零件表面造成變形，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度，且測(cè)量速度較慢效率不高[2]。常見(jiàn)的非接觸測(cè)量方法有：激光法[3]、電渦流法、超聲測(cè)量法、機(jī)器視覺(jué)測(cè)量。非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量傳感器不與被測(cè)物體接觸，不會(huì)對(duì)被測(cè)零件表面造成損傷，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲面和軟性物體的測(cè)量有較大優(yōu)勢(shì)[4-5]。前者測(cè)量過(guò)程步驟繁多效率太低，后者檢測(cè)速度快效率高。

因此本文對(duì)形狀較為復(fù)雜的陶瓷殼內(nèi)槽深度測(cè)量方法進(jìn)行研究，探討激光輔助拍照加機(jī)器視覺(jué)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控器陶瓷殼體的內(nèi)槽深度的在線(xiàn)檢測(cè)。

1 溫控器陶瓷殼體結(jié)構(gòu)介紹

本文所檢測(cè)的溫控陶瓷繼電器殼體是一個(gè)外圓中空的圓柱形物體，且內(nèi)部含有高低不同的兩個(gè)平面階層，兩個(gè)階層上都有安裝孔。陶瓷殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體要檢測(cè)陶瓷殼體槽內(nèi)底層、中間層和頂層各個(gè)層面之間的深度差H1、H2、H3。

圖1 陶瓷殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 測(cè)量原理與方案

本設(shè)計(jì)要求測(cè)量陶瓷殼體內(nèi)槽中，兩個(gè)不同階層的深度。如果不加選擇直接投射激光，當(dāng)激光照射到內(nèi)部安裝孔上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光斑成像不規(guī)則難以識(shí)別?；虍?dāng)光斑的角度與兩平面交界線(xiàn)的角度相近時(shí)，光斑只能覆蓋其中的一個(gè)平面，無(wú)法反映兩平面之間的高度差。只有當(dāng)激光同時(shí)照射在不同高度的兩個(gè)平面上，才能形成帶有間距且相互平行的光斑。通過(guò)光斑之間的距離差，采用激光三角法可以將距離差轉(zhuǎn)換為高度差，從而求取內(nèi)槽中不同階層的深度信息。因此選取激光的照射方向是相當(dāng)關(guān)鍵的，由此通過(guò)機(jī)器視覺(jué)的方法識(shí)別陶瓷殼擺放角度，并設(shè)計(jì)多激光環(huán)形光路自適應(yīng)的輔助相機(jī)拍照。

2.1 多激光環(huán)形光路的設(shè)計(jì)

該光路結(jié)構(gòu)要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上，要求能夠快速對(duì)溫控器陶瓷殼內(nèi)槽深度進(jìn)行測(cè)量。由于溫控器陶瓷殼體為上端開(kāi)口的圓柱形結(jié)構(gòu)，因此采用環(huán)形光路投射激光。同時(shí)陶瓷殼體內(nèi)槽的結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱(chēng)，所以只需在環(huán)形支架的180°半圓內(nèi)，等間距安裝8個(gè)一字激光器，即可全面覆蓋陶瓷殼正放變化的角度。各個(gè)相鄰激光位置相差的角度為22.5°，8個(gè)激光所處的角度分別為0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°。環(huán)形支架位于零件檢測(cè)位置的正上方，每個(gè)激光都以45°角向下照射。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其中r為環(huán)形支架的半徑，d為激光焦距，θ為激光向下投射的角度。

圖2 多激光環(huán)形光路

2.2 激光投射的方法

要判定哪個(gè)激光照射的方向合適，就需要拍攝溫控器陶瓷殼的內(nèi)槽結(jié)構(gòu)。采用機(jī)器視覺(jué)的方式識(shí)別陶瓷殼內(nèi)槽結(jié)構(gòu)特征，確定零件的放置角度。以陶瓷殼的擺放角度為依據(jù)，選擇合適方的激光。

2.2.1 激光投射坐標(biāo)構(gòu)建

要通過(guò)識(shí)別陶瓷殼的擺放角度判斷照射激光的方向，必須構(gòu)建相應(yīng)的位置坐標(biāo)系。首先在圖像中構(gòu)建圖像坐標(biāo)系O-UV和世界坐標(biāo)系O-XaYaZa，以及根據(jù)激光器的實(shí)際擺放位置構(gòu)建激光坐標(biāo)系O-xy。如圖3所示，世界坐標(biāo)系中的Xa軸對(duì)應(yīng)圖像和激光坐標(biāo)系中的U軸和X軸，Ya軸對(duì)應(yīng)圖像和激光坐標(biāo)系中的V軸和Y軸.8個(gè)激光的編號(hào)分別為1、2、3、4、5、6、7、8號(hào)。

圖3 坐標(biāo)系圖

2.2.2 零件旋轉(zhuǎn)角度的識(shí)別

實(shí)時(shí)的拍攝零件的圖像，通過(guò)圖像處理的方法識(shí)別零件內(nèi)槽結(jié)構(gòu)，確定零件擺放的旋轉(zhuǎn)角度。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1)圖像預(yù)處理：

工業(yè)相機(jī)拍攝的零件的平面圖像，不可避免會(huì)含有噪聲。在對(duì)圖像進(jìn)行特征識(shí)別前，需要對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，改善圖像的可識(shí)別度。通過(guò)中值濾波[6-7]可以較好的除去圖像中的斑點(diǎn)噪聲和椒鹽噪聲。采用閾值分割的方法將圖像中的物體和背景分開(kāi)，可以避免在邊緣檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)邊界重影的現(xiàn)象。原圖和預(yù)處理后的圖像如圖4所示。

圖4 圖像預(yù)處理

(2)邊緣提?。?/p>

陶瓷殼的不同結(jié)構(gòu)之間有著明顯的分界線(xiàn)，邊緣信息的查找對(duì)其結(jié)構(gòu)特征的提取非常重要。因此采用Canny邊緣檢測(cè)算法[8]對(duì)陶瓷殼的邊緣進(jìn)行查找，在Canny邊緣檢測(cè)中采用高斯濾波去除噪聲。經(jīng)典Canny算法有4個(gè)梯度算子來(lái)分別計(jì)算水平、垂直、對(duì)角線(xiàn)方向的梯度。在本文的檢測(cè)過(guò)程中只采用了水平和垂直方向的差分算子Gx和Gy。計(jì)算梯度模和方向的公式如下：

(1)

(2)

其中:G為梯度強(qiáng)度，θ表示梯度方向arctan為反正切函數(shù)。其中的卷積陣列為:

(3)

Canny邊緣檢測(cè)中還采用了非極大值抑制[9]的方法，對(duì)非邊緣像素進(jìn)行排除。但對(duì)于細(xì)節(jié)信息較為豐富的圖像，非極大值抑制只能細(xì)化線(xiàn)條，卻不能消除不需要的線(xiàn)條。因此后續(xù)還需要通過(guò)雙閥值法對(duì)邊緣進(jìn)行強(qiáng)、弱邊緣的區(qū)分。Canny邊緣檢測(cè)的效果是顯著的，相比普通的梯度算法其不僅抑制了噪聲引起的偽邊緣，而且對(duì)邊緣進(jìn)行了細(xì)化操作。即使用于對(duì)比度較低的圖像，Canny算法也能較好的實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)。陶瓷殼體邊緣檢測(cè)圖如圖5所示。

圖5 邊緣提取圖

(3)陶瓷殼結(jié)構(gòu)特征的檢測(cè)：

陶瓷殼體角度的識(shí)別是以?xún)?nèi)槽結(jié)構(gòu)特征的分布情況為依據(jù)，陶瓷殼結(jié)構(gòu)的特征主要有，殼體的平面中心、外壁輪廓、中間層邊沿線(xiàn)和零件底部的兩個(gè)安裝孔，如圖6所示。這些特征都屬于圓特征和線(xiàn)特征，因此本文采用霍夫變換對(duì)零件特征進(jìn)行提取。

圖6 待檢測(cè)的特征

霍夫變換檢測(cè)特征的原理[10-11]是將笛卡爾坐標(biāo)內(nèi)的直線(xiàn)映射到霍夫空間，在一個(gè)點(diǎn)上形成峰值，將形狀檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為峰值統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。在笛卡爾坐標(biāo)中直線(xiàn)方程都是由x、y加相應(yīng)的參數(shù)來(lái)表示，而在霍夫空間內(nèi)則使用極坐標(biāo)表示一條直線(xiàn)。其中為該直線(xiàn)到原點(diǎn)的距離，為該直線(xiàn)的垂線(xiàn)與x軸的夾角。一條線(xiàn)在霍夫空間內(nèi)，可表示成相交的曲線(xiàn)。笛卡爾坐標(biāo)和霍夫空間轉(zhuǎn)換圖如圖7所示。

圖7 空間轉(zhuǎn)換圖

霍夫變換具有旋轉(zhuǎn)不變性且對(duì)噪聲不敏感的優(yōu)點(diǎn)，其在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出圓和直線(xiàn)。但是標(biāo)準(zhǔn)的霍夫變換運(yùn)算量大且效率較低。因此采用標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換的改進(jìn)算法，累計(jì)概率霍夫變換來(lái)檢測(cè)陶瓷殼結(jié)構(gòu)中的直線(xiàn)特征。這種方法將標(biāo)準(zhǔn)的霍夫變換的計(jì)算范圍大大縮小，提高了算法的執(zhí)行效率。

(4)陶瓷殼角度的確定：

根據(jù)陶瓷殼在圖像坐標(biāo)系的位置，設(shè)定其角度判別標(biāo)準(zhǔn)圖如圖8中所示，陶瓷殼的旋轉(zhuǎn)角度分別為0°、90°、180°、270°。

圖8 角度設(shè)定示意圖

通過(guò)霍夫變換可以準(zhǔn)確的查找出零件上的兩個(gè)圓P1、P2，以及中間層的邊緣線(xiàn)L。由點(diǎn)與直線(xiàn)之間的距離公式(4)計(jì)算出圓P1、P2的圓心與直線(xiàn)L之間的距離d1、d2，d1減去d2得到Δd。

(4)

△d=d1-d2

(5)

以直線(xiàn)所處位置為基準(zhǔn)，設(shè)定離直線(xiàn)近的圓為圓P1，離直線(xiàn)遠(yuǎn)為圓P2。既時(shí)圓1為P1，時(shí)圓2為P1。

陶瓷殼旋轉(zhuǎn)角度的判斷方法，設(shè)邊緣線(xiàn)L與圖像坐標(biāo)系x軸的夾角為β，由對(duì)稱(chēng)性可知角度β的范圍為0°到180°。但是檢測(cè)的陶瓷殼并不是中心對(duì)稱(chēng)的，其旋轉(zhuǎn)角度的范圍為0°到360°。所以通過(guò)值的大小,與直線(xiàn)L的角度共同確定零件的旋轉(zhuǎn)角度。為圓P1圓心的y軸坐標(biāo)和陶瓷殼體幾何中心點(diǎn)O0的y軸坐標(biāo)的差值，如式(6)所示。

△y=yop1-yo

(6)

累計(jì)概率霍夫變換檢測(cè)直線(xiàn)L，輸出來(lái)的角度β的范圍在-90°到90°之間。直線(xiàn)L的角度與陶瓷殼旋轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，如式(7)所示:

(7)

陶瓷殼檢測(cè)效果圖，如圖9所示。其中分別檢測(cè)出了3個(gè)圓和其圓心坐標(biāo)，以及中間層的邊沿線(xiàn)。根據(jù)設(shè)定的零件旋轉(zhuǎn)角度判別規(guī)則和直線(xiàn)的傾斜角β(38.35°)，通過(guò)式(7) 中的180-β得到零件的旋轉(zhuǎn)角度為141.65°。

圖9 零件角度檢測(cè)效果圖

2.2.3 投射激光的判斷

通過(guò)之前構(gòu)建好位置坐標(biāo)，根據(jù)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，可以選擇出合適角度的激光。激光器所在位置的角度與其投射出來(lái)線(xiàn)光斑的角度相差90°，所以當(dāng)激光器位于激光坐標(biāo)系的ω度位置時(shí)，形成線(xiàn)光斑的角度為ω+90度。根據(jù)激光架的實(shí)際高度，和各個(gè)激光器向下投射的角度。結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)線(xiàn)光斑與陶瓷殼的旋轉(zhuǎn)角度相差在75°到90°時(shí)。照射在內(nèi)槽上的光斑，可以較好的覆蓋陶瓷殼內(nèi)槽中各個(gè)高度不同的平面，且不會(huì)照射在安裝孔上。當(dāng)光斑的角度與陶瓷殼的角度差值越接近90°，光斑受到陶瓷殼內(nèi)壁的干擾越小，且呈現(xiàn)的寬度大小越均勻，光斑邊緣越光滑。所測(cè)量出來(lái)的光斑間距值的穩(wěn)定性和精確性越好。要檢測(cè)的陶瓷殼是非對(duì)稱(chēng)的，但其局部結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)陶瓷殼體位于10°或190°時(shí)，直線(xiàn)L與x軸的夾角β1、β2都是10°，如圖10所示。

圖10 角度簡(jiǎn)化

在這種情況下使用，其最佳投射激光都是1號(hào)激光。因此當(dāng)零件旋轉(zhuǎn)的角度為時(shí)，被選擇的激光所在角度ω的關(guān)系式如式(8)所示：

(8)

該公式可以將ω的范圍從0°到360°，減小到原來(lái)的一半0°到180°。在環(huán)形光路中的8個(gè)激光，可將180°的范圍分為8個(gè)等間距區(qū)間。每個(gè)激光的有效覆蓋范圍，為其所在位置的前后11.25°。通過(guò)二分法可找出ω所在的最小區(qū)間。當(dāng)成立，則說(shuō)明第a號(hào)激光為最佳角度激光。否則成立，第b號(hào)激光為最佳角度激光。

2.2.4 內(nèi)槽深度的測(cè)量

拍攝光斑在陶瓷殼內(nèi)槽中成像的圖，并通過(guò)圖像處理的方法對(duì)光斑之間的間距進(jìn)行檢測(cè)。然后采用激光三角法將光斑之間的間距值，轉(zhuǎn)換為內(nèi)槽的深度值。

(1)光斑間距的求取提?。?/p>

激光形成的光斑有一定的寬度，要求各個(gè)線(xiàn)光斑之間的距離，就必須找出光斑的中線(xiàn)。光斑中間的亮度最亮，向外兩邊光斑亮度逐漸變暗，且變化趨勢(shì)不完全一致。因此光斑邊緣具有毛刺，為避免毛刺干擾中線(xiàn)的求取，采用高斯濾波可以較好的去除毛刺，使邊緣會(huì)變得光滑。濾除毛刺后的光斑邊緣表現(xiàn)為凹凸不平的光滑曲線(xiàn)。

由于光斑邊緣凹凸不平，使求出的中線(xiàn)不是完美的直線(xiàn)，不利于光斑間距的求解。因此采用光斑最小外接矩形的中線(xiàn)，來(lái)近似作為光斑的中線(xiàn)。這樣求取出來(lái)的中線(xiàn)為一條直線(xiàn)，具有較好的穩(wěn)定性和一致性。同時(shí)考慮到利用頂層、中間層、底層3個(gè)面上的光斑，分別求出的中線(xiàn)斜率難以保證完全一樣。所以只求取其中成線(xiàn)最長(zhǎng)光斑的中線(xiàn)，其他光斑只求取中心點(diǎn)，最后通過(guò)點(diǎn)與線(xiàn)距離來(lái)求光斑間的間距。光斑間距檢測(cè)效果如圖11所示。

圖11 光斑間距檢測(cè)圖

(2)激光三角法轉(zhuǎn)換深度：

激光三角法示意圖如12圖所示。求得光斑間的距離后，根據(jù)激光向下投射的角度，通過(guò)式(9)可以確定光斑間距與內(nèi)槽深度的轉(zhuǎn)換參數(shù)tanβ。

(9)

圖12 激光三角法示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，采用Basler相機(jī)拍攝圖像，像素為2 596×1 944。采用LED光源漫射正向照明，所用激光為650 nm、5 mW的線(xiàn)激光器。采用自主設(shè)計(jì)的環(huán)形多激光光路結(jié)構(gòu)，即8個(gè)一字激光器以零件檢測(cè)的位置為中心等間距的圍成一個(gè)180°的半圓結(jié)構(gòu)置于傳送圓盤(pán)的上方，每個(gè)激光器都以45°角向下投射到零件內(nèi)槽中。驗(yàn)證內(nèi)容分為兩部分，第一部分驗(yàn)證零件旋轉(zhuǎn)角度識(shí)別和投射激光選擇的準(zhǔn)確性。第二部分驗(yàn)證該方法對(duì)零件內(nèi)槽深度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.1 角度識(shí)別和投射激光選擇的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證角度識(shí)別和投射激光的選取，首先手動(dòng)將零件擺放到檢測(cè)位置并確定其旋轉(zhuǎn)角度。然后用角度檢測(cè)程序檢測(cè)其旋轉(zhuǎn)角度，使其與手動(dòng)測(cè)量的角度進(jìn)行比較。同時(shí)也記錄其點(diǎn)亮激光的編號(hào)看是否符合預(yù)設(shè)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 角度識(shí)別數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，零件的旋轉(zhuǎn)角度識(shí)別精度在1°以?xún)?nèi)。通過(guò)識(shí)別到的角度選擇的激光均符合輔助檢測(cè)要求。

3.2 內(nèi)槽深度檢測(cè)的驗(yàn)證

隨機(jī)選取零件進(jìn)行深度檢測(cè)，將測(cè)量出來(lái)的深度與千分尺測(cè)量的實(shí)際深度進(jìn)行對(duì)比求其絕對(duì)誤差。其中H1表示內(nèi)槽底部到零件頂部的深度，H2代表內(nèi)槽中間層到零件頂部的深度。深度測(cè)量數(shù)據(jù)和絕對(duì)誤差分別如表2和圖13所示。

圖13 深度檢測(cè)絕對(duì)誤差

從測(cè)量結(jié)果的對(duì)比情況可以看出，深度測(cè)量的絕對(duì)誤差小于10 μm。系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性和精度達(dá)到了預(yù)計(jì)要求。跟據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行誤差補(bǔ)償后可進(jìn)一步穩(wěn)定誤差波動(dòng)范圍，滿(mǎn)足快速在線(xiàn)檢測(cè)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)溫控器陶瓷殼內(nèi)槽深度在線(xiàn)檢測(cè)，需要人工調(diào)整零件的問(wèn)題，本文提出了一種基于零件角度預(yù)識(shí)別的多角度激光自適應(yīng)測(cè)量?jī)?nèi)槽深度的方法。通過(guò)圖像識(shí)別的方式檢測(cè)零件正放的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)陶瓷殼的旋轉(zhuǎn)角度自動(dòng)選擇投射激光，采用激光三角法求取零件的內(nèi)槽深度。通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到如下結(jié)論：

(1)應(yīng)用多激光環(huán)形光路結(jié)構(gòu)結(jié)合零件角度預(yù)識(shí)別的方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需人工干預(yù)，自動(dòng)選擇光路結(jié)構(gòu)中合適的激光進(jìn)行照射。零件角度的識(shí)別精度在1°以?xún)?nèi)。

(2)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)的方法，求取內(nèi)槽中不同平面上線(xiàn)光斑的間距，并由激光三角法將間距值轉(zhuǎn)換為內(nèi)槽的深度值。實(shí)現(xiàn)對(duì)零件內(nèi)槽深度的在線(xiàn)測(cè)量，測(cè)量的絕對(duì)誤差小于10 μm。