基于機(jī)器視覺的零件尺寸測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

潘云峰　楊帆　楊斌

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量管理中，測量非常重要，可以從技術(shù)上保證生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量。而加工產(chǎn)品中最重要的環(huán)節(jié)之一就是檢測機(jī)械零件的尺寸，其檢測結(jié)果對產(chǎn)品的質(zhì)量以及零件的裝配與加工都非常重要。當(dāng)前測量常規(guī)零件尺寸的主要手段是利用輪廓儀、激光測量儀或者游標(biāo)卡尺等測量工具，不但成本非常昂貴，還存在操作復(fù)雜、精度低等缺陷，本文中，筆者就站在機(jī)器視覺的角度，設(shè)計(jì)研究了一套測量零件尺寸的自動(dòng)化測量系統(tǒng)，以供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；零件；尺寸；測量系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.119

工業(yè)生產(chǎn)中測量常規(guī)零件尺寸的傳統(tǒng)方法主要是依靠輪廓儀、激光測量儀或者游標(biāo)卡尺等測量工具，這些方法不但操作復(fù)雜、精確度較低，而且儀器成本相對較高。近幾年，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)檢測中對于該技術(shù)的應(yīng)用愈加深入，通過設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的零件尺寸測量系統(tǒng)，可以在保證精確度的基礎(chǔ)上，盡量避免人為因素的影響。

1 系統(tǒng)整體概述

在設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的零件尺寸測量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和完整性的原則，該系統(tǒng)的組成部分主要包括圖像的攝取、處理、特征提取、特征分析、圖像常規(guī)尺寸測量以及結(jié)果輸出等。

2 硬件的設(shè)計(jì)

以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的零件常規(guī)尺寸測量系統(tǒng)的硬件組成部分及各部件主要功能具體如下：

一是照相裝置。該裝置的功能主要是為采集零件圖像提供適宜的光照條件和環(huán)境；二是攝像機(jī)。該裝置的功能主要是對零件的數(shù)字圖像進(jìn)行采集，并及時(shí)傳至計(jì)算機(jī)，同時(shí)以相應(yīng)圖片的格式進(jìn)行保存；三是計(jì)算機(jī)。該裝置主要是利用系統(tǒng)軟件來預(yù)處理零件圖像，同時(shí)完成特征和邊界提取、計(jì)算常規(guī)尺寸以及相機(jī)標(biāo)定等工作；四是透明工作臺。該裝置主要用來為待測零件提供承載平臺。

3 算法的設(shè)計(jì)

在機(jī)器視覺測量系統(tǒng)中，圖像處理算法發(fā)揮著決定性作用。必須根據(jù)測量零件尺寸的要求以及零件產(chǎn)品的具體圖像特點(diǎn)，來設(shè)計(jì)并應(yīng)用一套科學(xué)合理的圖像處理算法。簡單而言，第一步應(yīng)當(dāng)是預(yù)處理獲取的零件圖像，主要是對圖像進(jìn)行灰度化、去燥、分割以及邊界提取等處理；第二步是對零件的具體幾何特征加以提取；第三步是標(biāo)定系統(tǒng)，一方面完成測量零件圖像的常規(guī)尺寸，另一方面完成結(jié)果的顯示。

（1）圖像的預(yù)處理。具體而言，圖像的預(yù)處理包括以下幾步：

一是圖像灰度化。通常情況下，攝像機(jī)采集的零件圖像屬于24位真彩色RGB圖像，圖像中R、G、B三個(gè)分量決定了圖像中的各個(gè)像素，同時(shí)灰度圖像中的一個(gè)值確定了每個(gè)像素。通過灰度化處理采集的零件圖像，有助于在后續(xù)操作中減少計(jì)算量。二是圖像去噪。待檢零件圖像在采集系統(tǒng)獲取之后，會(huì)受到很多隨機(jī)因素的干擾，如震動(dòng)、電磁輻射、電源變化、照明程度以及環(huán)境溫度等因素，導(dǎo)致大量噪聲包含于圖像之中，主要表現(xiàn)為大量斑點(diǎn)、圖像失真或者圖像模糊等。必須濾波處理采集的圖像，才能避免噪聲影響零件圖像的后續(xù)處理。本系統(tǒng)檢測主要選擇了中值濾波，因?yàn)樗軌蛟诒３謭D像細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上有效消除噪聲。三是圖像分別。我們所采集的零件圖像是相對比較完整的畫面，而圖像中除了零件區(qū)域本身之外，其他部分對于我們的檢測都沒有意義，因此，應(yīng)當(dāng)通過圖像分割來把圖像分成不同的區(qū)域，并將符合需求的目標(biāo)提取出來。本系統(tǒng)主要運(yùn)用了迭代閾值分割法，其效果比較明顯。四是邊界提取。輪廓能夠有效描述物體的形狀，也有助于識別和分析圖像，通常情況下，對于物體邊界輪廓的獲取，主要是通過邊界提取算法。提取目標(biāo)圖像邊界的方法主要有多邊形近似法、標(biāo)記圖法以及鏈碼表示法等。本系統(tǒng)主要使用了8連通鏈碼法來提取待測零件的邊界，從而為檢測零件尺寸打好基礎(chǔ)。

（2）圖像分析。圖像分析主要包括特征檢測和系統(tǒng)標(biāo)定兩大部分：

第一部分是特征檢測。在對零件尺寸進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先對零件包含的圓、直線等基本幾何特征進(jìn)行檢測，目前，模板匹配法、擬合法以及Hough變換法等方法是常見的幾何特征檢測方法。本系統(tǒng)中，筆者選擇采用了最小二乘法，有助于擬合圓和直線。第二部分是系統(tǒng)標(biāo)定，通過相機(jī)拍攝獲取的圖像單位均為像素，如果想獲取待檢零件的真實(shí)尺寸，就必須進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，也就是通過轉(zhuǎn)換，將原來的像素尺寸變換為長度尺寸。本系統(tǒng)中，精度量塊使用的0級，而對系統(tǒng)的標(biāo)定方法主要采用了二次表定法。一般情況下，被測零件的實(shí)際尺寸=標(biāo)定系數(shù)*像素尺寸+系統(tǒng)誤差。

4 軟件的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)選用了Matlab程序語言，設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)是Matlab GUI，保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、簡潔性、合理性、高效性以及便于操作性。本系統(tǒng)的軟件模塊主要包括用戶登錄、文件管理、參數(shù)設(shè)置、圖像處理、數(shù)據(jù)瀏覽以及幫助等幾大模塊，其中，用戶登錄模塊的主要功能是完成用戶注冊、登錄、賬號管理以及密碼修改等工作；文件管理模塊的主要功能是打開、保存以及關(guān)閉待測零件圖像；圖像處理模塊的主要功能是算法功能；參數(shù)設(shè)置模塊的主要功能是設(shè)置零件、攝像機(jī)以及圖像的參數(shù)；數(shù)據(jù)瀏覽模塊的主要功能是查看歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及操作記錄等內(nèi)容；軟件幫助模塊主要是對系統(tǒng)更新和軟件使用等重要問題做出說明。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為對本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，筆者使用1.49毫米工作面距離的0級量塊和2.03毫米直徑的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)測試了系統(tǒng)的可靠性，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率的方法處理了測量結(jié)果，通過處理結(jié)果可以得出，使用本系統(tǒng)，測量精度可以精至微米級，符合在線實(shí)時(shí)測量的各項(xiàng)需求。

6 結(jié)語

綜上所述，通過設(shè)計(jì)以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的零件尺寸測量系統(tǒng)的硬件、軟件和算法，并經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，可以得出，基于機(jī)器視覺的零件尺寸測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行的，它一方面能夠有效克服人工檢測方法的諸多不足，提升產(chǎn)品檢測精度，另一方面也能極大地節(jié)省成本和節(jié)約時(shí)間，應(yīng)用前景非常光明。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳新杰，王苗苗，黃國興等.基于粒子濾波和機(jī)器視覺的圓形零件尺寸測量[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（11）：49-51.

[2]祁曉玲，趙霞霞，靳伍銀等.基于機(jī)器視覺的軸類零件幾何尺寸測量[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013（01）：65-67，73.

[3]肖雄，王俊元，曾志強(qiáng)等.基于CMOS機(jī)器視覺的尺寸測量系統(tǒng)性能研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，32（12）：1789-1791.

廣東省教育廳教學(xué)改革項(xiàng)目：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，課題編號：171endprint