王夢斐，余厚云

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

游標卡尺是用于測量長度、內徑、外徑和深度等尺寸的計量器具，其操作簡單、精度高，在機械行業(yè)應用極為廣泛。示值誤差是游標卡尺最重要的計量特性之一，在游標卡尺使用前和使用過程中都需要定期對其進行檢定，以確保測量結果的準確性。傳統(tǒng)的人工目視檢定方法暴露出明顯的缺點，包括檢定精度和效率低、工作量大、可靠性差以及檢定過程自動化程度低且檢定結果缺乏數據化管理等。

目前，國內外關于帶表卡尺和數顯卡尺的自動讀數研究較多，但在游標卡尺示值讀數方面的研究卻十分匱乏。重慶大學郭永彩等[1]設計了一種雙刻線儀表自動讀數系統(tǒng)，采用移位寄存式線性逼近法和特征窗平移法分別識別對準刻線和字符，降低了人眼讀數的主觀誤差。中國計量大學鮑承德等[2]設計了一種用于檢定游標卡尺示值的裝置，測量標準采用高精度光柵尺代替檢定用標準量塊，利用步進電機驅動方式代替人工移動游標卡尺，提高了檢定效率。

為了解決人工目視檢定存在的弊端，本文提出一種基于機器視覺檢測和誤差補償技術的游標卡尺示值誤差自動檢定方法，極大地降低了人工檢定的工作量，提高了檢定精度和效率，增強了檢定數據管理的有效性和實時性。

1 系統(tǒng)總體結構

游標卡尺示值誤差檢定系統(tǒng)由工作臺基座、安裝夾持機構、直線運動模組、量塊抓取機構、機器視覺模塊、信號采集模塊、運動控制模塊、計算機和顯示記錄模塊等組成。系統(tǒng)功能組成如圖1所示。

圖1 游標卡尺示值誤差自動檢定系統(tǒng)組成示意圖

首先將被檢卡尺定位裝夾好，然后夾持拖動機構拖動卡尺尺身將量爪拉開，量塊抓取機構根據卡尺受檢點要求抓取指定規(guī)格的量塊放置于兩量爪之間，作為示值誤差檢定的尺寸標準。接下來，夾持拖動機構推動量爪夾緊量塊，機器視覺模塊在直線運動模組的驅動下運動到檢測位置并采集卡尺特征圖像。最后，計算機通過圖像處理與識別得到卡尺讀數，并與尺寸標準比較計算出示值誤差。

2 機器視覺讀數

首先根據與游標尺0刻線所對應主尺上的位置確定示值的整數部分，再找到主尺與游標尺上對齊的刻線，讀取示值的小數部分，將這兩部分相加得到最終的讀數結果。為了滿足檢定規(guī)程[3]提出的精度要求，本系統(tǒng)的機器視覺模塊采用分辨率為2448×2048的CMOS黑白工業(yè)相機和放大倍率為0.3x的鏡頭，視場范圍覆蓋游標尺的1/2區(qū)域(約30 mm×22 mm)。檢定時每個受檢點采集兩幅圖像，分別進行整數和小數部分的自動讀數。

2.1 整數部分讀數

示值整數部分讀數圖像如圖2所示。首先在圖像中確定游標尺0刻線的位置，然后定位主尺上與游標尺0刻線距離最近的長刻線的相對位置，即可得到整數部分的個位讀數。十位和百位讀數則通過識別主尺長刻線對應的數字來確定。整數部分讀數的算法流程如圖3所示。

圖2 游標卡尺示值整數部分讀數圖像

圖3 示值整數部分讀數的算法流程圖

首先對圖2所示的圖像進行閾值分割以更加清楚地凸顯出被測對象的特征輪廓[4]。由于圖像中主尺和游標尺區(qū)域的灰度差異明顯，因此采用最大類間方差閾值分割方法(大津法)[5]進行二值化，得到圖4所示的分割結果。然后對二值圖像沿垂直方向進行灰度投影得到圖5。

圖4 二值化圖像

圖5 垂直投影圖

在圖5中可以很容易定位到主尺數字所對應的長刻線位置，從而進一步精確框定圖6所示的感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)[6]。接下來，對新的ROI區(qū)域內的圖像沿水平方向進行灰度投影得到圖7。在圖7中，水平方向灰度和最小的位置即為主尺和游標尺的分界線。

圖6 精確ROI圖像

圖7 水平灰度投影圖

分割主尺和游標尺后，首先識別游標尺上的數字“0”，并記錄下該數字中心點橫坐標x，接下來分別對主尺和游標尺刻線進行直線檢測處理。由于主尺部分的目標刻線與背景灰度對比較大，屬于灰度方差單峰圖像，而游標尺則存在較多的背景噪聲，因此對主尺和游標尺分別采用大津法和灰度均值迭代法兩種不同的閾值分割方法。二值化結果如圖8所示，取得了較為理想的分割效果。

圖8 主尺與游標卡尺二值化分割圖像

通過直線檢測可以提取游標卡尺的刻線，從二值圖中看出其目標刻線很清晰，因此可以采用Hough變換[7]進行直線段的檢測。游標尺最左端且距離數字“0”最近的刻線即為0刻線，從主尺中找到距離0刻線最近的長刻線，并計算游標尺0刻線與主尺長刻線之間的刻線數量n。若長刻線位于0刻線左側，則個位數讀數為n，否則為9-n。十位數和百位數的讀數通過識別長刻線上方對應的數字得到。

2.2 小數部分讀數

示值小數部分讀數圖像如圖9所示，首先定位到對齊刻線的位置，然后通過字符識別找到對齊刻線與游標尺數字的相對位置，即可通過計算得到示值小數部分的讀數值，具體的算法流程如圖10所示。

圖9 游標卡尺示值小數部分讀數圖像

圖10 示值小數部分自動讀數的算法流程圖

與整數部分讀數相似，首先進行閾值分割等圖像預處理操作，然后通過水平方向灰度統(tǒng)計的方法確定主尺刻線、游標尺刻線和游標尺數字3部分的ROI區(qū)域，再分別進行二值化、濾波、直線檢測和字符識別等處理。主尺刻線和游標尺刻線的二值化分別采用最大類間方差法和灰度均值迭代法。濾波均采用面積去噪法進行去噪處理，此方法不會破壞區(qū)域間的連續(xù)性。由于刻線清晰規(guī)整，采用最小二乘法進行直線擬合，得到直線方程，并對其從左到右進行排序，便于后續(xù)對齊刻線的定位。

人工檢定游標卡尺示值誤差時，從左向右搜索刻線區(qū)域中主尺刻線和游標尺刻線水平間距最小的刻線。間距先是呈遞減趨勢，直到間距為0，即到達對齊刻線，之后間距呈遞增趨勢。根據這個規(guī)律，首先找到間距最小的刻線，再判斷其兩邊的刻線水平間距是否遵循遞減和遞增，以此來進一步確認對齊刻線定位的正確性。

識別到對齊刻線后，接下來需要對游標尺上的數字進行識別，以確定示值小數的十分位讀數值。游標卡尺上的數字較為規(guī)整統(tǒng)一，可以采用特征匹配的方法進行字符識別[8]。只需識別距離對齊刻線最近的數字即可，從而可以確定對齊刻線與該數字對應長刻線的相對位置，即可通過計算得到示值小數讀數值。

3 實驗結果

以分度值為0.02 mm、量程為150 mm且經檢定各受檢點示值誤差均為0.00 mm的游標卡尺為被檢對象，通過對示值誤差做人工檢定和自動檢定的對比實驗。檢定結果如表1所示。

表1 游標卡尺示值誤差人工與系統(tǒng)自動檢定對比實驗結果

從表1的檢定結果可以看出，通過本系統(tǒng)自動檢定比人工檢定具有更高的精度和更好的可靠性。

4 結語

本文研究了基于機器視覺的游標卡尺示值誤差自動檢定方法，并設計了游標卡尺自動檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據對0～300 mm量程范圍內不同廠家各種類型卡尺產品的分析，設計了專用的裝夾定位和夾持拖動機構，實現了游標卡尺的快速裝夾和尺身的移動，且卡尺合并和推緊量塊的力由直線電機反饋電壓精確控制，提高了檢定精度。本文還提出了整數、小數分離的示值自動讀數方法，在滿足檢定規(guī)程精度要求的情況下，進一步提高了示值誤差檢定的準確性。實驗結果表明，與人工目視檢定相比，本文提出的檢定方法解決了人工檢定的工作量大、可靠性差、自動化程度低的弊端。