國(guó)文韜,王玉亮,廉兆鑫,張 強(qiáng),李 利,王夢(mèng)茵

(1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 機(jī)器人研究所,北京 100191;2.北京控制工程研究所,北京 100094)

1 引 言

精密裝配位置檢測(cè)內(nèi)容主要包括形位誤差中的定向誤差和定位誤差。位置精度不但決定了零件之間的裝配精度,還影響著零件之間的運(yùn)行可靠性、零件的使用壽命,進(jìn)而影響到產(chǎn)品整機(jī)的工作性能[1]。因此,精密裝配的位置精度在檢測(cè)環(huán)節(jié)需要嚴(yán)格保障。目前國(guó)內(nèi)機(jī)械制造生產(chǎn)中,高精度位置檢測(cè)方法主要針對(duì)具體的產(chǎn)品對(duì)象設(shè)計(jì),且檢測(cè)項(xiàng)目單一,適用范圍很窄[2-4]；對(duì)于具有多項(xiàng)位置誤差指標(biāo)的傳統(tǒng)零件和精密裝配體,傳統(tǒng)檢測(cè)手段主要有卡尺、量規(guī)、萬(wàn)能工具顯微鏡、輪廓儀等。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,無(wú)論是直接觀察還是輔以顯微鏡等工具,綜合誤差來(lái)源的各方面原因[5],都存在準(zhǔn)確性差、易疲勞、效率低下等問(wèn)題,很難完全滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需求[4]。三坐標(biāo)測(cè)量法適用性廣泛,三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以完成零件各種尺寸和形位公差的計(jì)算與評(píng)價(jià),但其造價(jià)比較昂貴,經(jīng)濟(jì)性較差[6]?；谌S掃描技術(shù)的零件虛擬裝配檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了非接觸的零件數(shù)字化裝配檢測(cè),但其受環(huán)境光干擾大,噪聲較高,精度一般[7]。機(jī)器視覺(jué)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)研究物體的幾何尺寸及物體的位置測(cè)量,它以光學(xué)為基礎(chǔ),融光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體,組成光、機(jī)、電、算綜合的測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng),具有非接觸、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[8-9]。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在測(cè)量、檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛,大量研究實(shí)現(xiàn)了基于顏色空間的高精度位置檢測(cè),比如江鵬[10]、董芳凱[11]等人利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電滑環(huán)環(huán)槽的高精度位置檢測(cè),以及針對(duì)多種零件的裝配、測(cè)量和磨損檢查[12-16]等。但是對(duì)于測(cè)量背景復(fù)雜、內(nèi)部干擾較多的精密裝配體,上述方法仍難以克服前景分離的問(wèn)題,無(wú)法實(shí)現(xiàn)針對(duì)顏色及材質(zhì)一致的配合位置的精密檢測(cè),易受到環(huán)境和自身系統(tǒng)制造誤差的影響[17]。結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是利用激光可見(jiàn)光與物體表面發(fā)生相互作用來(lái)獲取物體表面特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息,比如陳思豪[18]等人研發(fā)基于線結(jié)構(gòu)光的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了角焊縫三維定位。根據(jù)此信息就可以實(shí)現(xiàn)前景和背景的分離[19]。由此針對(duì)上述方法中普遍存在效率低下、精度難以保證的問(wèn)題,提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的高精度位置檢測(cè)方法,使用光機(jī)電一體化技術(shù)和視覺(jué)測(cè)試技術(shù),引入線結(jié)構(gòu)光和被測(cè)目標(biāo)的空間幾何位置關(guān)系輔助獲取深度信息[20],實(shí)現(xiàn)裝配體的超精密高效全自動(dòng)檢測(cè)。

本文選取導(dǎo)電滑環(huán)刷絲對(duì)中檢測(cè)作為研究對(duì)象,其幾何外觀如圖1(a)所示,具體包括導(dǎo)電滑環(huán)刷絲與金屬滑環(huán)卡槽的平行度和位置度檢測(cè),其對(duì)中效果直接決定了接觸電阻等各物理學(xué)參數(shù)及滑環(huán)工作效果[21]。通常精密金屬滑環(huán)卡槽寬度在0.5～5 mm[22],刷絲直徑約為0.2 mm,對(duì)中檢測(cè)要求測(cè)量方法具有10 μm以上的檢測(cè)分辨率,是一項(xiàng)典型的高精度位置檢測(cè)。

圖1 導(dǎo)電滑環(huán)外觀

2 光條特征提取

2.1 線結(jié)構(gòu)光圖像的獲取

人工目檢裝配位置相較于傳感器檢測(cè)更加普遍的一個(gè)重要原因是,人類視覺(jué)可以快速、有效地識(shí)別檢測(cè)對(duì)象,快速定位感興趣目標(biāo)的位置。如圖1(b)所示,相較于機(jī)器視覺(jué),人眼不僅可以分離背景和前景,還可以分辨出感興趣區(qū)域的從屬關(guān)系；而由于目前對(duì)于人的視覺(jué)生理機(jī)制還缺少足夠的了解,在一定程度上限制了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展[23]。單目、雙目乃至多目視覺(jué)系統(tǒng)與人眼的性能相比相差甚遠(yuǎn),實(shí)現(xiàn)的功能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及人眼,在工業(yè)應(yīng)用中受到相當(dāng)大的局限[24],都很難從這樣的圖像中完成刷絲識(shí)別這一基礎(chǔ)任務(wù)。對(duì)于基于面結(jié)構(gòu)光、散點(diǎn)結(jié)構(gòu)光的測(cè)量?jī)x器[25],其本質(zhì)是獲得被測(cè)表面的輪廓信息,依然難以提取感興趣區(qū)域,目前在較大零件尺寸測(cè)量方面已經(jīng)獲得了較為廣泛的應(yīng)用[26-28]。本文引入單線結(jié)構(gòu)光旨在利用其兩個(gè)特性:只使用線激光照明以減少環(huán)境光干擾；零件深度信息將以線激光彎折體現(xiàn)在攝像機(jī)成像上,便于區(qū)分零件并提取幾何信息。為了避免多線結(jié)構(gòu)光因表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜而引入的間斷點(diǎn)匹配問(wèn)題[20],結(jié)合精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多線掃描。由于導(dǎo)電滑環(huán)位置檢測(cè)被限定在基準(zhǔn)平面內(nèi),故使用單目視覺(jué)系統(tǒng)并不需要對(duì)投射在滑環(huán)表面的光條點(diǎn)進(jìn)行三維重建。

為了減少相機(jī)透視成像對(duì)特征提取所帶來(lái)的影響,相機(jī)光軸與導(dǎo)電滑環(huán)基準(zhǔn)平面垂直,如圖2(a)所示；基準(zhǔn)平面即通過(guò)所有刷絲軸線的理想平面,可近似認(rèn)為是刷絲的外殼平面,刷絲對(duì)中檢測(cè)將圍繞該基準(zhǔn)平面進(jìn)行。線激光發(fā)生器軸線與相機(jī)光軸在同一平面內(nèi),光平面與相機(jī)成像平面呈一定角度,防止全發(fā)射造成相機(jī)局部過(guò)曝光。視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)張正友標(biāo)定法[29]完成單目相機(jī)標(biāo)定。理論上導(dǎo)電滑環(huán)卡槽與刷絲的深度變化特征將體現(xiàn)在相機(jī)采集圖像上,且呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,如圖2(b)所示。當(dāng)對(duì)應(yīng)關(guān)系不清晰時(shí),調(diào)整相機(jī)光軸與導(dǎo)電滑環(huán)的相對(duì)位置,并使相機(jī)距離基準(zhǔn)平面的距離接近其焦距。

圖2 線結(jié)構(gòu)光成像過(guò)程

通常工業(yè)相機(jī)的像素尺寸在2～10 μm,當(dāng)卡槽寬度在1 mm附近時(shí),相機(jī)采集到的刷絲邊緣已不足以支持人工直接目檢；由于工業(yè)相機(jī)定焦成像以保持穩(wěn)定性,此時(shí)需要引入顯微成像系統(tǒng)。顯微成像系統(tǒng)不影響其余檢測(cè)環(huán)節(jié),只需要注意在相機(jī)標(biāo)定環(huán)節(jié)中,連同物鏡放大倍數(shù)一同進(jìn)行內(nèi)參標(biāo)定。

2.2 圖像預(yù)處理

相機(jī)采集到的導(dǎo)電滑環(huán)圖像包含多對(duì)刷絲及卡槽,由于卡槽附近存在塑料固定環(huán),明亮光暈會(huì)周期性出現(xiàn)在線結(jié)構(gòu)光圖像上,可依據(jù)此特性將每對(duì)刷絲及卡槽裁剪出來(lái),如圖3(a)所示。理想狀態(tài)下,線激光發(fā)生器投射在導(dǎo)電滑環(huán)卡槽以內(nèi)的部分,其圖像應(yīng)該是只包含光強(qiáng)呈高斯分布的光條信息,相機(jī)采集到的其余部分均為黑色,但是受被測(cè)物體材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)光光源等因素的影響,圖像中往往會(huì)包含一些噪聲和冗余信息,這些干擾信息會(huì)影響光條的提取效果。其中,金屬材質(zhì)表面的漫反射以及刷絲附近曲率變化都對(duì)光強(qiáng)分布有較大影響,如圖3(a)所示。為了抑制噪聲、減少漫反射等因素帶來(lái)的干擾,提取圖像中所蘊(yùn)含的有效位置信息,圖像處理步驟如下:

a)中值濾波。考慮到圖像中有較多孤立的噪點(diǎn),且刷絲兩側(cè)有多道強(qiáng)度不一的光條,故選取較大的領(lǐng)域窗口,將所有像素灰度值設(shè)置為其鄰域窗口內(nèi)灰度值的中值,可以簡(jiǎn)單有效地消除孤立噪點(diǎn),并使刷絲兩側(cè)光強(qiáng)梯度更加明顯,濾波效果如圖3(b)所示。

b)感興趣光條區(qū)域提取。包含位置信息的圖像區(qū)域在卡槽邊界以內(nèi),卡槽邊界以外因材質(zhì)、深度不同而亮度較高,依據(jù)光強(qiáng)特點(diǎn)將圖像兩側(cè)光暈剔除掉以便圖像區(qū)域分割。由于刷絲附近光線經(jīng)多次反射后呈現(xiàn)出一片較大的光亮區(qū)域,光條軸線上下均有不同形狀的光斑,故需要將光條主體識(shí)別出來(lái)以作后續(xù)處理。對(duì)卡槽以內(nèi)圖像進(jìn)行閾值分割,再對(duì)得到的二值化圖像進(jìn)行腐蝕膨脹操作,如圖3(c)所示。此時(shí)光條主體可以通過(guò)識(shí)別面積最大的連通區(qū)域提取出來(lái),如圖3(d)所示。

圖3 圖像處理主要操作

2.3 邊界點(diǎn)提取

要完成刷絲的平行度檢測(cè),需從光條主體中提取出卡槽兩側(cè)邊界點(diǎn)、刷絲兩側(cè)邊界點(diǎn),表征刷絲測(cè)量軸線和卡槽測(cè)量軸線之間的偏差；而要檢測(cè)刷絲的位置度,需要從輔助光條中提取出邊界線,用于表征刷絲相對(duì)于自身理論軸線是否有偏差。對(duì)于光條主體的第i點(diǎn)測(cè)量,兩類邊界點(diǎn)的提取基于以下圖像特征提取:

a)卡槽邊界提取?？ú圻吔鐑蓚?cè)是同種金屬材質(zhì),但是有明顯的斜率變化,因而導(dǎo)致激光光條在此處發(fā)生偏折,且偏折后光條變粗。利用這一特點(diǎn),利用能量中心法對(duì)光條主體進(jìn)行光條中心提?。蝗」饬羺^(qū)域光強(qiáng)的加權(quán)平均值為光條中心,則該中心線在卡槽邊界點(diǎn)處有明顯間斷。由此可以得到在圖像坐標(biāo)系下卡槽左、右兩個(gè)邊界位置為VL,i、VR,i,如圖3(e)所示。

b)刷絲位置提取?？ú郾砻婢鶠槠矫?而刷絲表面為圓柱面,理想情況下激光光條打在刷絲上的輪廓呈橢圓形狀。依據(jù)這一特點(diǎn),可以通過(guò)提取光條主體的骨架,對(duì)橢圓形狀進(jìn)行特征定位,從而獲取刷絲的邊界點(diǎn)。與能量中心法提取光條中心相對(duì)比,此時(shí)獲得的骨架是連續(xù)且包含分叉信息的。由此可以得到在圖像坐標(biāo)系下刷絲左、右兩個(gè)邊界位置為T(mén)L,i、TR,i,如圖3(f)所示。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,該圖像特征穩(wěn)定存在,能精確表征刷絲位置。

設(shè)Vi、Ti分別為卡槽、刷絲軸線水平位置,則有:

(1)

(2)

其中,Vi、Ti為后續(xù)直線擬合的關(guān)鍵依據(jù)。

3 多點(diǎn)掃描與位置檢測(cè)

對(duì)于人工目檢,通過(guò)單幅圖片便可完成邊界線分辨,進(jìn)而根據(jù)圖片像素坐標(biāo)可以獲取位置信息,如圖4(c)所示。公差分析方法有很多種,主要有極值法、統(tǒng)計(jì)分析法和蒙特卡羅法等,其中統(tǒng)計(jì)分析法適用于線性目標(biāo),且分析精度較高[30],適合于本文方法使用。對(duì)于線結(jié)構(gòu)光圖像,提取光條并確定邊界點(diǎn)獲得的是沿垂直刷絲軸線方向的一維信息,驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電滑環(huán)沿刷絲軸線方向步進(jìn)平移或沿導(dǎo)電滑環(huán)中心軸線步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng),取得一系列位置的邊界點(diǎn)信息,可以擬合出卡槽和刷絲的邊界線,進(jìn)而獲得單條刷絲在對(duì)應(yīng)卡槽內(nèi)的相對(duì)位置信息。

圖4 多點(diǎn)掃描測(cè)量

3.1 掃描點(diǎn)直線擬合

為了獲得單條刷絲在卡槽內(nèi)的相對(duì)位置信息,必須一并取得系列位置的多點(diǎn)信息,并加以擬合。

首先,要實(shí)現(xiàn)由圖像坐標(biāo)系到擬合坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。設(shè)滑環(huán)沿y軸方向步進(jìn)距離為Sy,總測(cè)量次數(shù)為n。取V1點(diǎn)作為擬合坐標(biāo)系的原點(diǎn),因此,有:

(3)

(4)

Yi=(i-1)Sy

(5)

其中,(XV,i,Yi),(XT,i,Yi)分別為卡槽、刷絲軸線在擬合坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

下面以卡槽軸線坐標(biāo)為例,介紹軸線擬合的方法。假設(shè)軸線方程為y=b0+b1x,利用最小二乘法原理可以獲得軸線方程參數(shù):

(6)

(7)

(8)

=(n-1)Sy(n-(2-n2)/2/

(9)

3.2 位置檢測(cè)

針對(duì)刷絲對(duì)中檢測(cè)的平行度和位置度兩個(gè)指標(biāo),其計(jì)算都被限定在相機(jī)成像平面內(nèi),即與基準(zhǔn)平面平行的平面內(nèi)。兩個(gè)指標(biāo)的理想要素為卡槽的中心軸線。

(a)計(jì)算平行度時(shí),需要擬合刷絲軸線和卡槽軸線兩條直線,計(jì)算二者之間的角度差。根據(jù)前一步獲得的直線方程,可以得到卡槽軸線的偏角,即:

=arctan(2-n2)(n-1)Sy/

(10)

式中,θV為卡槽軸線與擬合坐標(biāo)系y軸所成的夾角。同理可得θT,則有:

θ=|θV-θT|

(11)

式中,θ為刷絲相對(duì)于卡槽的偏角。

(b)位置度用于刻畫(huà)刷絲軸線相對(duì)卡槽軸線變動(dòng)的偏差,其公差帶是兩條以卡槽軸線為中心對(duì)稱的直線。根據(jù)多對(duì)輔助光條所提取出的邊界線,可以擬合出一條刷絲中心線,該中心線不一定是直線但需要滿足各點(diǎn)偏離卡槽軸線的距離不超過(guò)公差帶。位置度檢測(cè)包含對(duì)稱度檢測(cè),即滿足平行度要求前提下,其軸線位置是否偏離中心基準(zhǔn)。根據(jù)兩條擬合直線,可以獲得軸線方向任意一點(diǎn)處的刷絲軸線相對(duì)卡槽軸線的偏離距離Δy,即刷絲軸線任意一點(diǎn)處的位置度誤差。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

本文選取卡槽尺寸為0.5 mm的導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)行檢測(cè),用于采集圖像的工業(yè)相機(jī)(MC3010,Mikrotron,德國(guó))搭配放大系數(shù)為四倍的透鏡組,放大后的像素尺寸為2 μm×2 μm。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Dell,Dual-Xeon-E5處理器,16 GB內(nèi)存,軟件環(huán)境為MATLAB R2015a。獲取多點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)時(shí),采用平移、旋轉(zhuǎn)兩種不同的運(yùn)動(dòng)方案,分別由手調(diào)平移臺(tái)和自制刻度旋轉(zhuǎn)架手動(dòng)驅(qū)動(dòng)完成。圖5(a)、(b)為兩種掃描方案的平行度測(cè)量結(jié)果。圖5(c)為借助顯微鏡下人工目檢測(cè)量結(jié)果,其物鏡放大倍數(shù)為20×,可認(rèn)為其測(cè)量結(jié)果為真值。圖6為兩種掃描方案和人工目檢下的位置度檢測(cè)結(jié)果。

圖5 平行度檢測(cè)結(jié)果

圖6 位置度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)于該視覺(jué)系統(tǒng),其分辨率為3.2 μm/pixel,即x軸方向的最小分度值為3.2 μm。對(duì)于平移方案,y方向手調(diào)平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)中的最小分度值為20 μm；對(duì)于自制刻度旋轉(zhuǎn)架,沿刻度所在圓分度值為1 mm,則經(jīng)計(jì)算,y方向的分度值為312.5 μm。對(duì)于兩種方案,都有y方向分度值大于3倍x方向分度值,則對(duì)于直線擬合,可以適用:

(12)

(13)

其中,u(b1),u(b0)為擬合量b1,b0的不確定度;r2為相關(guān)系數(shù),由此可計(jì)算兩方案平行度誤差和最大位置度的不確定度。

表1統(tǒng)計(jì)了三種方案下,完整測(cè)量一對(duì)刷絲卡槽對(duì)中情況的耗時(shí)t、平行度誤差ΔP和最大位置度ΔQmax?？梢钥吹?平移、旋轉(zhuǎn)多點(diǎn)掃描方法與實(shí)際結(jié)果吻合性良好,效率高,能夠滿足檢測(cè)分辨率和精度要求。

表1 測(cè)量結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用線結(jié)構(gòu)光在曲率不同表面上的成像特點(diǎn),在圖像處理提取邊界點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的掃描運(yùn)動(dòng),通過(guò)直線擬合得到了待測(cè)裝配體的邊界線,實(shí)現(xiàn)了精密導(dǎo)電滑環(huán)的自動(dòng)位置檢測(cè)。本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效,不僅解決了人工費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題,還控制了成本、能保證微米級(jí)精度。實(shí)驗(yàn)表明,本文的位置檢測(cè)方法高效穩(wěn)定,可以適應(yīng)裝配中的多目標(biāo)提取,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)位置檢測(cè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)本文的位置特征提取算法也存在不足之處,為了提高效率而主要針對(duì)平面特征進(jìn)行檢測(cè),不能進(jìn)行三維位置檢測(cè)；單目相機(jī)面對(duì)存在半遮擋情況的待測(cè)零件,也不能保障位置特征的提取。但是通過(guò)加入雙目相機(jī)和光平面標(biāo)定,可以增加本文方法的適用性。