陳永清,賈 虹,郭建亮,吳增文,陳廉清

(1.寧波工程學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310023)

“互換性與測量技術(shù)”是高等工科院校機(jī)械類、近機(jī)類各專業(yè)的專業(yè)必修課,其中“幾何公差及檢測”內(nèi)容抽象、生澀,是“教與學(xué)”的難點(diǎn)。幾何公差的項(xiàng)目理論教學(xué)若輔以相應(yīng)實(shí)驗(yàn),可使“教與學(xué)”由難轉(zhuǎn)易。然而,由于學(xué)時(shí)所限,不少高校針對幾何公差相關(guān)實(shí)驗(yàn)僅開展直線度、平行度與垂直度誤差測量實(shí)驗(yàn),學(xué)生較難理解,而必須掌握的徑向跳動(dòng)公差往往被忽略。生產(chǎn)中,各類軸、圓形法蘭、軸承內(nèi)外圈和閥芯等回轉(zhuǎn)體零件的設(shè)計(jì)和制造通常要求滿足徑向跳動(dòng)誤差。如果學(xué)生對徑向跳動(dòng)誤差不理解,在設(shè)計(jì)中標(biāo)注不當(dāng)或不懂標(biāo)注,輕則造成設(shè)計(jì)失敗、產(chǎn)品報(bào)廢,重則發(fā)生事故。常規(guī)的徑向跳動(dòng)誤差檢測方式是用偏擺儀兩頂尖定位回轉(zhuǎn)體零件,使百分表的觸頭與被測件外圓周徑向垂直輕觸,然后轉(zhuǎn)動(dòng)被測工件至少一周,讀出百分表的最大及最小值并作差,即為被測工件該橫截面的徑向圓跳動(dòng)誤差。該檢測方式效率低、操作繁瑣、搬移困難、結(jié)果展示不形象,在用于檢測徑向全跳動(dòng)、斜向圓跳動(dòng)誤差時(shí),學(xué)生更是難以理解。因此,開發(fā)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的便捷式徑向跳動(dòng)公差實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來輔助教學(xué),既可有力補(bǔ)充高校的理論教學(xué),又可啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及工作原理

徑向跳動(dòng)公差測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺(tái)主要包括大恒MER-1810-21U3C相機(jī)、COMPUTAR0814鏡頭、LED背光源、計(jì)算機(jī)、調(diào)速電機(jī)和頂針及支座等。相機(jī)鏡頭與光源分別置于工件兩側(cè),中心軸線水平垂直。相機(jī)、鏡頭和光源三者中心平面與水平放置的待檢件上邊緣等高,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。圖像采集工作過程:調(diào)速電機(jī)以預(yù)設(shè)速度帶動(dòng)待檢件勻速轉(zhuǎn)動(dòng),相機(jī)以設(shè)定頻率采集圖像,并將圖像信息傳送至計(jì)算機(jī),由公差檢測程序系統(tǒng)讀取。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周,相機(jī)即可采集圓周面均勻分布的素線圖像信息。平臺(tái)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、相機(jī)采集圖像頻率均可以按檢測實(shí)際要求設(shè)定。采集的待檢件(閥芯)源圖像如圖3所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of experimental platform

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental platform

圖3 源圖像Fig.3 Original image

2 徑向跳動(dòng)公差檢測程序算法設(shè)計(jì)

2.1 圖像去噪

受工況等客觀條件的影響,采集的源圖像存在噪聲信息,這些噪聲通常會(huì)對特征提取造成干擾,因此首先要進(jìn)行圖像去噪[1]。中值濾波是一種保邊緣的非線性圖像平滑方法,能快速、有效和簡單地抑制噪聲[2],筆者采用中值濾波對源圖像進(jìn)行去噪處理。

中值濾波的效果依賴于兩個(gè)要素:鄰域的空間范圍和中值計(jì)算中涉及的像素?cái)?shù)[3]。二維的中值濾波可以表示為

(1)

式中:Yij為輸出圖像;Xij為源圖像;A為窗口。

筆者選用窗口大小為3×3的中值濾波對待檢工件源圖像進(jìn)行處理,消除噪聲。

2.2 二值化處理

二值化處理是把完整的目標(biāo)特征從背景中分割出來[4]。圖像二值化處理既要保證質(zhì)量,又要兼顧運(yùn)算速度。圖像二值化處理的方法較多,當(dāng)圖像主要由兩個(gè)灰度值構(gòu)成，且灰度分布均勻時(shí),適合運(yùn)用最大類間方差閾值法作分割處理[5-7]。待檢件源圖像基本由亮(背景)、黑(待檢件)兩類特征組成,因此選擇最大類間方差法對中值處理后的圖像作二值化處理,將圖像分割為待檢件(黑區(qū)域)與背景(白區(qū)域)兩部分。二值化處理速度快、效果好,邊緣信息無丟失、冗余,處理結(jié)果如圖4所示。

圖4 二值化處理Fig.4 Binary process

2.3 Roberts邊緣檢測

要測量回轉(zhuǎn)零件的徑向跳動(dòng),即測量回轉(zhuǎn)零件截面圓的半徑值,需要先選取有效的方法提取待檢件素線邊緣特征。Roberts算子是一種利用局部差分算子搜索邊緣的交叉微分算子,邊緣檢測定位精度高、運(yùn)算速度快,適合用來提取待檢件邊緣特征[8-9]。Roberts算子表達(dá)式為

(2)

式中:g(i,j)為輸出圖像;f(i,j)為具有整數(shù)像素坐標(biāo)的輸入圖像。

采用Roberts算子提取待檢件邊緣特征,邊緣清晰、連續(xù),結(jié)果如圖5所示,適合測量邊緣上各點(diǎn)位置信息。

圖5 邊緣檢測Fig.5 Edge detection

2.4 徑向跳動(dòng)誤差檢測

徑向圓跳動(dòng)公差是指在被測圓柱面的某一固定參考點(diǎn)上,在垂直于基準(zhǔn)軸線的方向上,繞基準(zhǔn)軸線旋轉(zhuǎn)一周時(shí)允許指示器跳動(dòng)的最大讀數(shù)的差值[10-12]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)檢測程序系統(tǒng)工作過程:公差檢測程序系統(tǒng)讀取源圖像,對圖像作去噪處理、二值化處理和邊緣特征提取;在邊緣上定位某一固定參考點(diǎn),測量該點(diǎn)Y坐標(biāo)像素?cái)?shù)值,Y與標(biāo)定值的乘積即為長度單位的半徑R,將第i幅圖像參考點(diǎn)半徑值記作Ri(i=1,2,…,n。n為待檢件旋轉(zhuǎn)一周,相機(jī)采集圖像的幅數(shù),n越大,檢測結(jié)果越準(zhǔn)確);比較Ri大小,得到半徑最大值Rmax與最小值Rmin,Rmax與Rmin差值即為徑向跳動(dòng)誤差W。系統(tǒng)將實(shí)測值W與徑向跳動(dòng)公差值T進(jìn)行比較,判斷產(chǎn)品的徑向跳動(dòng)誤差是否合格。在程序檢測前2幅圖像時(shí),先將第1幅圖像R1設(shè)為Rmax,將第2幅圖像的R2與R1進(jìn)行比較,兩者中大的記為Rmax,小的記為Rmin。檢測、判斷系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

圖6 檢測流程圖Fig.6 Detection flow chart

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

LabVIEW軟件是一款高效的圖形化設(shè)計(jì)軟件,具有強(qiáng)大的圖形顯示能力,在實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)中的應(yīng)用日趨廣泛和多樣。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)檢測程序系統(tǒng)基于LabVIEW軟件開發(fā)完成,徑向圓跳動(dòng)誤差檢測及結(jié)果如圖7所示。在界面“公差值”里輸入公差值(如0.1,實(shí)驗(yàn)零件粗車制作完成),點(diǎn)擊左上角的運(yùn)行箭頭,系統(tǒng)開始檢測。圖7中豎直線為檢測圓截面位置,可根據(jù)檢測要求確定。界面同時(shí)顯示提取的工件邊緣曲線、檢測點(diǎn)圓周徑向跳動(dòng)曲線以及圓周展開圖,在圓周展開圖中給出檢測到的誤差最大值。為了兼顧效率與準(zhǔn)確性,待檢回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)過約0.2 mm弧長,相機(jī)即采集一幅圖像。檢測直徑為4 mm的閥芯,系統(tǒng)采集頻率為60幅/周,整個(gè)檢測過程用時(shí)少于2 min。實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短,圖像展示結(jié)果形象,有助于學(xué)生對知識點(diǎn)的理解,課堂教學(xué)效果好。此外,適當(dāng)增加截面圓數(shù)量還可檢測徑向全跳動(dòng)誤差,選取圓錐體截面圓也可檢測斜向圓跳動(dòng)誤差。

圖7 徑向圓跳動(dòng)誤差檢測及結(jié)果Fig.7 Error detection and result for radial run-out

4 結(jié) 論

從課程教學(xué)的難點(diǎn)出發(fā),設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置,結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與LabVIEW軟件,開發(fā)了便捷式徑向跳動(dòng)公差實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件徑向跳動(dòng)誤差的檢測,使徑向跳動(dòng)公差的“教與學(xué)”由難變易,滿足了教學(xué)與實(shí)驗(yàn)需求,使學(xué)生加深對概念的理解、提高學(xué)習(xí)興趣。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尤其適合徑向圓跳動(dòng)、斜向圓跳動(dòng)與徑向全跳動(dòng)公差實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步開發(fā)還可用于圓度、圓柱度、素線、直線度及同軸度誤差等實(shí)驗(yàn)。徑向跳動(dòng)公差檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是創(chuàng)新自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備,是學(xué)以致用的實(shí)踐,對實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到積極作用。