基于機(jī)器視覺(jué)的孔軸不完全互換的自學(xué)習(xí)分組系統(tǒng)

李天宇，劉雪，周杰

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基于機(jī)器視覺(jué)的孔軸不完全互換的自學(xué)習(xí)分組系統(tǒng)

李天宇，劉雪，周杰

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

為了實(shí)現(xiàn)采用分組裝配法時(shí)孔軸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分組的功能，擴(kuò)大組成環(huán)公差，使得零件可以按經(jīng)濟(jì)精度加工，減少人工檢測(cè)的復(fù)雜性以及重復(fù)疲勞工作帶來(lái)的誤差，并降低人工檢測(cè)的成本。以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字圖像處理、互換性與技術(shù)測(cè)量、選配裝配法理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出孔軸不完全互換分組系統(tǒng)，對(duì)于零件尺寸的測(cè)量，采用非接觸式的機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)方式，根據(jù)測(cè)得概率模型確定的分組標(biāo)準(zhǔn)，將孔軸分為數(shù)量基本相同的組別。

機(jī)器視覺(jué)；不完全互換；分組裝配法；孔軸

1 背景及研究意義

1.1 背景

在實(shí)現(xiàn)孔軸的互換裝配時(shí)，可分為完全互換和不完全互換兩種方法。完全互換在機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛。但是，在單件生產(chǎn)的機(jī)器中，往往采用不完全互換法，在成批次的加工中也往往使用不完全互換來(lái)降低加工精度減少加工成本。在孔軸的特定生產(chǎn)中，往往把孔軸的精度適當(dāng)降低，以便于制造，然后再根據(jù)實(shí)測(cè)尺寸的大小，將制成的孔軸分成尺寸差別較小的幾組進(jìn)行裝配。這樣既解決了孔軸的加工困難問(wèn)題，降低了加工成本，又保證了裝配的精度要求。

在現(xiàn)有的檢測(cè)手段中，由于利用機(jī)械及簡(jiǎn)單光學(xué)的人工檢測(cè)存在檢測(cè)效率低、經(jīng)濟(jì)效益低及準(zhǔn)確性低等問(wèn)題，分組裝配法受到了一定程度的限制。在孔軸的尺寸公差配合問(wèn)題中，使用不完全互換法可以使有些難以加工的零件加工難度降低，也可以在生產(chǎn)中使用分組的方式降低孔軸的公差等級(jí)，相對(duì)于完全互換法有較好的經(jīng)濟(jì)效益。使用高精度的工業(yè)攝像頭對(duì)孔軸的尺寸信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際偏差自動(dòng)分組，減少了步驟煩瑣且存在誤差的人工檢測(cè)過(guò)程。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)使檢測(cè)的過(guò)程中系統(tǒng)自學(xué)習(xí)，避免環(huán)境等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行自我診斷，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，調(diào)整檢測(cè)參數(shù)，使檢測(cè)結(jié)果保持準(zhǔn)確性。

1.2 研究意義

分組裝配法由于其煩瑣的前期分組而受到了限制，與傳統(tǒng)的手工測(cè)量分組和現(xiàn)有的非接觸式測(cè)量分組相比，本項(xiàng)目的研究意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量并分組，節(jié)省了傳統(tǒng)測(cè)量分組中的人力成本，并且提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，保證工業(yè)環(huán)境下生產(chǎn)可靠性的同時(shí)，具有較高的成本優(yōu)勢(shì)；②在系統(tǒng)中融合機(jī)器學(xué)習(xí)的內(nèi)容，使系統(tǒng)具有自我診斷和調(diào)整的能力，根據(jù)環(huán)境因素的不同調(diào)整測(cè)量結(jié)果的參數(shù)，保證測(cè)量結(jié)果的高精確性；③根據(jù)樣本所得概率模型確定分組標(biāo)準(zhǔn)，使實(shí)際分組零件公差范圍合適，不同組別數(shù)量基本相等，提高零件的使用率。

2 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

為了對(duì)采用分組裝配法的孔軸的零件尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)孔軸的自動(dòng)分組，擴(kuò)大組成環(huán)公差，使零件可以按經(jīng)濟(jì)精度加工，設(shè)計(jì)出孔軸不完全互換分組系統(tǒng)，對(duì)孔軸的實(shí)際尺寸進(jìn)行分析。根據(jù)初始樣本測(cè)得的同正態(tài)分布或同方向偏態(tài)分布基定分組標(biāo)準(zhǔn)，將孔軸分成符合分組裝配法規(guī)則的組別。主要的研究?jī)?nèi)容為：①孔軸尺寸精度檢測(cè)。利用工業(yè)級(jí)攝像頭獲取零件信息，采取機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)識(shí)別的方式獲取孔軸準(zhǔn)確的尺寸信息。②確定分組標(biāo)準(zhǔn)。相配件的尺寸分布狀態(tài)應(yīng)基本相同，或同為正態(tài)分布，或同為方向偏態(tài)分布，分組之前在相應(yīng)的孔軸之中分別隨機(jī)選取部分樣本進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)獲得的尺寸分布狀態(tài)以及預(yù)先設(shè)定的組別數(shù)目確定分組標(biāo)準(zhǔn)。③自學(xué)習(xí)與自診斷。由于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量的結(jié)果會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的不同而有所差異，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，初始對(duì)一組標(biāo)準(zhǔn)尺寸零件完成測(cè)量，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量參數(shù)的調(diào)整，在測(cè)量的過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行自我診斷。

研究目標(biāo)確定：構(gòu)建硬件平臺(tái)，包括照明、攝像頭、鏡頭、圖像采集卡計(jì)算機(jī)，在測(cè)量精度、檢測(cè)速度方面可靠性方面滿(mǎn)足要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)孔軸分組，開(kāi)發(fā)如圖1所示的硬件系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)攝像頭；采用圖像采集卡進(jìn)行信息數(shù)字化，采用STM32嵌入式系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制定位夾套在，，三個(gè)方向的移動(dòng)。

以HALCON作為尺寸檢測(cè)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，深入研究HALCON函數(shù)庫(kù)的功能及作用，設(shè)計(jì)圖像采集模塊、圖像處理模塊、尺寸檢測(cè)模塊，檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行速度快、性能穩(wěn)定。

1—攝像頭；2—被測(cè)工件；3—定位夾套；4—步進(jìn)電機(jī)。

由于檢測(cè)精度會(huì)受到光照等條件的影響，在環(huán)境等條件的影響下圖像有可能會(huì)出現(xiàn)噪聲或畸變。通過(guò)對(duì)圖像增強(qiáng)、圖像濾波、邊緣檢測(cè)方法研究，并在試驗(yàn)的驗(yàn)證下找到適合孔軸檢測(cè)的圖像處理和檢測(cè)方法。

對(duì)孔軸視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的誤差來(lái)源進(jìn)行分析研究，并提出降低誤差的方法。進(jìn)一步提高視覺(jué)系統(tǒng)尺寸檢測(cè)精度，根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定理論與方法，完成系統(tǒng)標(biāo)定，并將零件實(shí)際尺寸與視覺(jué)檢測(cè)并標(biāo)定后得到的尺寸進(jìn)行比較，驗(yàn)證尺寸檢測(cè)精度。

以HALCON為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)孔軸尺寸加工精度分析系統(tǒng)，系統(tǒng)以此為依據(jù)進(jìn)行判識(shí)，為分組結(jié)果提供依據(jù)。

根據(jù)選配裝配法中對(duì)分組互換的要求，結(jié)合孔軸零件實(shí)際狀況，利用機(jī)器視覺(jué)根據(jù)樣本建立正態(tài)分布或偏態(tài)分布曲線，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，確保各分組內(nèi)零件數(shù)目基本一致，研究確定合適的分組標(biāo)準(zhǔn)的方法。

根據(jù)確定的分組標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)定的組別數(shù)目劃分零件數(shù)目，例如分為A、B、C、D四組，定位夾套加持零件在，，方向自由移動(dòng)，將零件送至不同組別收集箱箱口，將零件置于設(shè)緩沖墊的進(jìn)口斜坡，將零件劃入收集箱完成分組。

在分組過(guò)程中，對(duì)檢測(cè)信息和分組信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分組結(jié)束后顯示本次分組信息匯總，例如分組數(shù)目、分組公差標(biāo)準(zhǔn)、各組別零件數(shù)目、存在較大加工誤差的零件數(shù)目和孔軸檢測(cè)的零件尺寸邊界值等。

3 實(shí)施方案及研究方法和技術(shù)路線

本項(xiàng)目以孔軸為檢測(cè)對(duì)象，利用機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)一個(gè)孔軸尺寸加工精度檢測(cè)系統(tǒng)以及不完全互換的自學(xué)習(xí)分組系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)采用分組裝配法的孔軸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分組的功能，對(duì)于孔軸尺寸的識(shí)別使用機(jī)器視覺(jué)的方式，要求系統(tǒng)能夠在不同環(huán)境下保證足夠的準(zhǔn)確性，并有一定的自我診斷的能力，為此，本項(xiàng)目擬采取以下技術(shù)路線。

研究機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，根據(jù)孔軸檢測(cè)分組要實(shí)現(xiàn)分組、連續(xù)檢測(cè)等特點(diǎn)，并根據(jù)孔軸的零件特點(diǎn)和尺寸要求，設(shè)計(jì)適合的測(cè)量硬件平臺(tái)。測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作過(guò)程為先進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定和參數(shù)調(diào)整，獲取相機(jī)拍攝的實(shí)時(shí)圖像之后，進(jìn)行圖像增強(qiáng)、濾波處理、二值化和邊緣檢測(cè)等一系列圖像處理過(guò)程，后根據(jù)像素點(diǎn)得到尺寸的測(cè)量結(jié)果。

在進(jìn)行孔軸尺寸測(cè)量時(shí)，小波變換主要應(yīng)用在圖像數(shù)據(jù)壓縮、去除噪聲和圖像增強(qiáng)三個(gè)方面。根據(jù)HALCON集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中各種圖像處理函數(shù)的功能特點(diǎn)，與visual studio函數(shù)接口配合，合理設(shè)計(jì)程序，并通過(guò)對(duì)比函數(shù)圖像處理效果，選擇適合的圖像處理方法。

針對(duì)采取程序得到的圖像特點(diǎn)，合理選用閾值進(jìn)行圖像分割。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)所采用的高精度工業(yè)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，完成孔軸的精確測(cè)量。將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)入孔軸不完全互換分組系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合系統(tǒng)確定的分組依據(jù)，通過(guò)STM32嵌入式系統(tǒng)以及執(zhí)行構(gòu)件完成對(duì)孔軸的分組，并顯示實(shí)時(shí)的分組結(jié)果與統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

［1］秦鐘偉，陳捷，洪榮晶.基于機(jī)器視覺(jué)的滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體檢測(cè)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2019（01）：118-121.

［2］孫榮榮，宋健宇，張明，等.中國(guó)柑橘外部品質(zhì)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)分級(jí)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］.農(nóng)業(yè)工程，2019（01）：47-51.

2095－6835（2019）05－0086－02

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.086

〔編輯：王霞〕