林軍帆 蘇彩紅 詹寧宙 林梅金

多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法*

林軍帆1蘇彩紅1詹寧宙2林梅金1

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動化學(xué)院，廣東 佛山 528000 2.佛山精視自動化科技有限公司，廣東 佛山 528000）

多層階梯的陶瓷蓋表面具有多層階梯和安裝孔，表面平整度測量困難。以此，研究一種多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法。采用三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集技術(shù)，獲取陶瓷蓋三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對點(diǎn)云模型進(jìn)行--坐標(biāo)圖像擬合，利用方向深度圖像選擇待測陶瓷蓋外階層的ROI區(qū)域，并計(jì)算其平整度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，測量誤差在0.04 mm內(nèi)，測量準(zhǔn)確率達(dá)到90%。

激光采集；點(diǎn)云分割；3D仿射變換；多階梯平整度測量

0 引言

溫控器絕緣開關(guān)由特種陶瓷殼體和陶瓷蓋作為主體，殼內(nèi)陶瓷蓋配合動作桿形成動觸體結(jié)構(gòu)。為保證溫控器絕緣開關(guān)具有良好的氣密性及動作桿觸發(fā)靈敏、穩(wěn)定，陶瓷殼體的密封蓋及支撐動作桿的陶瓷蓋需有平整的表面。陶瓷蓋一般由多個階梯組成，并有突起的動作桿安裝孔，外層接觸面僅有幾平方毫米，難以快速測量其表面變形情況。

現(xiàn)有常見的測量方法有接觸式和非接觸式2種[1]。接觸式測量方法一般采用游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、關(guān)節(jié)臂式千分表和二維粗糙度儀等[2]，測量可靠性高、精度穩(wěn)定，但需要與被測物體接觸，容易造成儀器或物體表面的磨損、變形，且測量效率低、步驟繁瑣；非接觸式測量方法包括激光法[3]、超聲波測量法和機(jī)器視覺測量法[4]等，其測量過程不接觸物體，不存在二次破壞的可能，對于一些接觸面小的待測物體，測量過程易實(shí)現(xiàn)。

本文對多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法進(jìn)行研究，探究通過相機(jī)與激光器構(gòu)成的激光采集裝置對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集處理，實(shí)現(xiàn)多層階梯的陶瓷蓋表面平整度的快速測量。

1 陶瓷蓋結(jié)構(gòu)

本文測量的陶瓷蓋有2個階層，中心通孔為動作桿的安裝位，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。有缺陷的陶瓷蓋（外階層表面不平整）的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 陶瓷蓋結(jié)構(gòu)圖

圖2 有缺陷的陶瓷蓋結(jié)構(gòu)圖

2 測量方法

若采用單個相機(jī)采集陶瓷蓋外階層的表面圖像，只有-方向的平面信息，未包含深度信息，導(dǎo)致表面不平整部分難以識別；利用雙目相機(jī)進(jìn)行物體三維重建，某一特征區(qū)域的恢復(fù)和還原可能存在較大誤差；而利用RGB-D相機(jī)可獲取有深度信息的圖像，但相機(jī)價格較昂貴，難以在工業(yè)應(yīng)用中普及。為此，本文通過測量多層階梯陶瓷蓋表面的平整度來判斷其表面是否存在缺陷，實(shí)現(xiàn)對陶瓷蓋的快速測量。

首先，利用激光采集裝置對陶瓷蓋進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，分割處理；然后，將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成具有深度信息的圖像；最后，選擇測量區(qū)域并利用像素值成比例轉(zhuǎn)換的深度值求取陶瓷蓋表面平整度。

2.1 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.1.1 激光采集裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)激光采集裝置對陶瓷蓋進(jìn)行激光掃描，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該裝置由相機(jī)、激光器和固定支架組成，如圖3所示。陶瓷蓋為2階層圓形結(jié)構(gòu)，激光器與陶瓷蓋之間不能存在偏角，否則可能導(dǎo)致不同高度的階層對后面產(chǎn)生遮擋而無法掃描，使采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺損。本文將線激光發(fā)射器安裝在待測陶瓷蓋正上方，相機(jī)與線激光發(fā)射器成45°且處于同一水平面[5]。

圖3 激光采集裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 激光采集裝置坐標(biāo)系

相機(jī)采集線激光發(fā)射器掃描陶瓷蓋的線激光信息，并利用該信息形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，需構(gòu)建相應(yīng)的位置坐標(biāo)關(guān)系。構(gòu)建的圖像坐標(biāo)系-、世界坐標(biāo)系-、相機(jī)坐標(biāo)系-，如圖4所示。世界坐標(biāo)系中的軸分別對應(yīng)圖像坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系中的軸和軸，軸分別對應(yīng)圖像坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系中的軸和軸。

圖4 激光采集裝置坐標(biāo)系

2.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割

相機(jī)在采集陶瓷蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時也采集了搭載平臺的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]。為將陶瓷蓋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分離出來[7]需進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割。將采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)集進(jìn)行排序，并將數(shù)據(jù)點(diǎn)集中坐標(biāo)大于設(shè)定值的點(diǎn)排除，剩下的點(diǎn)保存，點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割效果圖如圖5所示。

圖5 陶瓷蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

2.2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成深度信息圖像

利用相機(jī)采集的陶瓷蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，超過4萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)。求表示深度信息的軸坐標(biāo)并計(jì)算相鄰兩點(diǎn)坐標(biāo)之差，需耗費(fèi)大量時間，且相減求均值會累計(jì)更大誤差。為此，本文將陶瓷蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維平面點(diǎn)。

為防止鏡頭變形帶來坐標(biāo)點(diǎn)偏移，利用鏡頭畸變系數(shù)對平面投影坐標(biāo)進(jìn)行校正[9]，校正公式為

通過式(2)將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、、坐標(biāo)投影在平面中，最終擬合成、、方向的圖像[10]，而方向圖像在原三維坐標(biāo)中代表高度信息，因此得到具有深度信息的圖像如圖6所示。

圖6 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為X-Y-Z圖像

2.3 深度圖像獲取ROI區(qū)域平整度

通過式(5)得到深度圖像內(nèi)選取的ROI區(qū)域的傾角，并根據(jù)選取ROI的像素均值與擬合一個基準(zhǔn)平面[11]。由于在采集過程中數(shù)據(jù)可能丟失，造成轉(zhuǎn)化的二維圖像出現(xiàn)空洞現(xiàn)象。通過生成一個基準(zhǔn)平面對外階層與內(nèi)階層間的空洞進(jìn)行填補(bǔ)，以避免出現(xiàn)過多的無效數(shù)據(jù)影響ROI區(qū)域劃分。

式中，20表示與行相關(guān)的二階矩；02表示與列相關(guān)的二階矩；11表示區(qū)域點(diǎn)的行和列坐標(biāo)之間的協(xié)方差。

利用式(6)對輸入的深度圖像ROI區(qū)域進(jìn)行矩陣區(qū)域劃分。

在深度圖像上選擇外階層ROI和內(nèi)階層ROI，分別得到ROI區(qū)域并獲取該區(qū)域的高度像素值。通過計(jì)算該區(qū)域像素點(diǎn)均值，求取兩階層間的像素值之差；通過差值與實(shí)際值的比例，得到像素值擬合高度值的校正系數(shù)；再利用外階層最大值與最小值間的偏差，得到陶瓷蓋表面的平整度數(shù)據(jù)。ROI區(qū)域圖像如圖7所示。

圖7 ROI區(qū)域圖像

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本文采用KSJ MU3S40M相機(jī)采集的陶瓷蓋圖像像素為800×600，線激光發(fā)射器UC3D40-40x25-B/R掃描速度可達(dá)1 335 ～ 6 786 Hz，藍(lán)色線激光波長為405 nm。本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)件間的偏差和本文方法對缺陷件檢測的準(zhǔn)確率。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)件偏差的驗(yàn)證

通過對一組標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行平整度測量，得到待檢測ROI區(qū)域的像素偏差，驗(yàn)證陶瓷蓋平整度檢測算法的穩(wěn)定性，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)件平整度測量數(shù)據(jù)

由表1可以看出：標(biāo)準(zhǔn)件平整度測量的像素均值誤差在0.05以內(nèi)、最大值誤差在0.06以內(nèi)、最小值誤差在0.07以內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)件測量平整度選取的ROI區(qū)域的像素值偏差在0.08 mm以內(nèi)；測量時間都在2 s以內(nèi)。

3.2 外階層平整度測量的驗(yàn)證

隨機(jī)選取一組零件進(jìn)行平整度測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測量數(shù)據(jù) 單位：mm

由表2測量數(shù)據(jù)可以看出：在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，測量誤差值可控制在0.1 mm以內(nèi)；但經(jīng)過人工重復(fù)測量后，發(fā)現(xiàn)零件7為誤檢，這樣在排除誤檢后的測量精度可控制在0.04 mm以內(nèi)；經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)，得到系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確率可達(dá)90%。

4 結(jié)語

針對多階梯的陶瓷蓋表面平整度測量復(fù)雜的問題，本文以2層階梯陶瓷蓋為例，提出一種多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法。通過將陶瓷蓋的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為--圖像，根據(jù)具有深度信息的圖像選取ROI區(qū)域計(jì)算陶瓷蓋外階層的平整度。通過測量得到如下結(jié)論：

1）利用多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法在對標(biāo)準(zhǔn)件測量時，選取的ROI區(qū)域像素值的偏差在0.08mm以內(nèi)，測量時間在2s內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速測量；

2）利用多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法對隨機(jī)零件測量時，測量誤差在0.04mm內(nèi)，測量準(zhǔn)確率可達(dá)90%。

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Measuring Method for Surface Flatness of Ceramic Cover with Multi-layer Steps

Lin Junfan1Su Caihong1Zhan Ningzhou2Lin Meijin1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528000, China2.Foshan Jingshi Automation Technology Co., Ltd. Foshan 528000, China)

The surface of the ceramic cover with multi-layer steps and mounting holes is difficult to measure the surface flatness. Based on this, a multi-layer step method for measuring the surface flatness of ceramic cover is studied. The 3D laser scanning point cloud data acquisition technology is used to obtain the 3D point cloud data of ceramic cover; The point cloud model is fitted with--coordinate image, the ROI area of the outer layer of the ceramic cover to be tested is selected by using the-direction depth image, and its flatness is calculated. The experimental results show that the measurement results of this method are accurate and reliable, the measurement error is within 0.04 mm, and the measurement accuracy is 90%.

laser acquisition; point cloud segmentation; 3D affine transformation; multi-step flatness measurement

林軍帆，男，1995年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器視覺處理方向。E-mail: 527054689@qq.com

蘇彩紅（通信作者），女，1963年生，博士，教授，主要研究方向：機(jī)器視覺與智能檢測。E-mail: 168152620@qq.com

基金項(xiàng)目：廣東省教育廳特色項(xiàng)目（2018KTSCX237）；廣東省教育廳重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)（2019KZDZX1034）。

TP391

A

1674-2605(2021)05-0008-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.05.008