機(jī)器視覺技術(shù)在粗糙度檢測中的應(yīng)用及發(fā)展

摘 要 表面粗糙度是最常用來衡量工件加工表面質(zhì)量的指標(biāo)，與工件的各種性能密切相關(guān)，并且直接影響著儀器的使用壽命，因此表面粗糙度檢測在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在精密儀器的加工中。對表面粗糙度檢測的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，根據(jù)其檢測原理，總結(jié)了幾種主要的檢測方法，并對這幾種方法的基本原理、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了總結(jié)，為表面粗糙度檢測的研究提供有益的借鑒，其中基于機(jī)器視覺的粗糙度檢測方法具有比較明顯的優(yōu)勢，值得進(jìn)行更為深入的研究。

關(guān)鍵詞 表面粗糙度 機(jī)器視覺 接觸式檢測 非接觸式檢測 精密儀器

中圖分類號(hào) TH82 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號(hào) 1000-3932（2024）04-0565-06

在工件的加工過程中，由于刀具和工件表面產(chǎn)生了物理接觸，故工件表面會(huì)留下一些微小的谷峰，其表面具體形狀通常用表面形狀誤差、波紋度和粗糙度來表示，三者常用波距進(jìn)行區(qū)分，波距是指相鄰兩個(gè)波峰或者兩個(gè)波谷之間的距離，波距大于10 mm即為表面形狀誤差，波距在1～10 mm之間為表面波紋度，而波距小于1 mm則屬于表面粗糙度［1］。在制造業(yè)中，表面粗糙度對產(chǎn)品的高質(zhì)量制造起著至關(guān)重要的作用［2］，它影響著產(chǎn)品的密封性、耐磨性、抗疲勞性、抗腐蝕性，甚至影響到整個(gè)儀器中機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用壽命和質(zhì)量［3］。

目前表面粗糙度的檢測方法可分為兩大類，即接觸式檢測和非接觸式檢測［4］。其中接觸式檢測方法需要直接與待測工件表面進(jìn)行接觸，可能會(huì)損壞工件表面，而且接觸式檢測的精度很難提高，測量速度較慢，無法滿足日益增高的表面粗糙度測量要求?，F(xiàn)如今，隨著工業(yè)相機(jī)［5］和計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)［6］的高速和持續(xù)發(fā)展，機(jī)器視覺檢測技術(shù)也不斷提高，基于機(jī)器視覺進(jìn)行非接觸式檢測成為了一種新興的粗糙度檢測方法，得到了廣泛的關(guān)注。下文分別介紹接觸式和非接觸式檢測方法中的一些代表性檢測方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行對比。

1 接觸式檢測方法

接觸式檢測方法有比較法、印模法及觸針法等。

1.1 比較法

比較法常用于車間現(xiàn)場里工件表面粗糙度的檢測，該方法通過比較待測工件表面和標(biāo)準(zhǔn)粗糙度樣板［7］之間的差異來確定工件表面粗糙度值。使用該方法進(jìn)行檢測時(shí)，可以用手觸摸被測工件和標(biāo)準(zhǔn)樣板表面，或者使用顯微鏡觀察兩個(gè)表面是否相同。比較法有很多限制，比如標(biāo)準(zhǔn)樣塊和待測工件必須是同一種材料，而且兩者的加工方法和紋理也必須相同。這種方法操作簡單，但是只適用于物體表面較為粗糙且允許測量誤差范圍較大的情況。

1.2 印模法

印模法的基本原理是把一些塑性材料做成塊狀印模，然后把印模和被測物體表面緊緊貼合在一起，之后印模上便會(huì)留下被測物體的表面形狀，再用雙管顯微鏡等工具對印模表面進(jìn)行粗糙度檢測，就能得到被測物體的表面粗糙度值。有一些需要進(jìn)行粗糙度檢測的零件，因?yàn)闄C(jī)體體型大等問題，不方便用儀器直接進(jìn)行測量時(shí)，就可以用印模法進(jìn)行檢測，例如儀器的內(nèi)表面、凹槽、內(nèi)螺紋及深孔等［8］。這種方法操作比較麻煩，步驟繁瑣，而且精度很難提高。

1.3 觸針法

觸針法原理如圖1所示，該方法使用觸針等工具直接接觸被測物體表面，然后使其沿著物體表面進(jìn)行移動(dòng)，被測表面是凹凸不平的，所以觸針的移動(dòng)軌跡有微小的上下起伏，最后使用傳感器將微小的移動(dòng)軌跡信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并同時(shí)進(jìn)行處理和放大，可由此計(jì)算得出評定參數(shù)值，傳送給顯示器，也可以直接輸出物體表面微觀輪廓曲線。一般來說，僅顯示表面粗糙度參數(shù)值而不顯示物體表面輪廓的測量儀器屬于表面粗糙度測量儀，既顯示粗糙度參數(shù)值又能輸出物體表面微觀輪廓圖形的測量儀器屬于表面粗糙度輪廓儀［9］。觸針法檢測所使用的設(shè)備通常都是表面粗糙度輪廓儀，該方法也是目前制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的表面粗糙度測量方法之一［10］。

目前觸針法依然是較為常用的粗糙度檢測方法，因?yàn)樵摲椒ú僮鞣浅：唵?，而且所獲取的信息直觀可靠、通用性很強(qiáng)［11］。檢測鋼粗糙度最常用的方法還是接觸式檢測，常用儀器為觸針式粗糙度檢測器［12］。不過這種方法也有一些限制條件，它只適用于觸針方便直接接觸被測物體的情況，不適合用于檢測精密零件，因?yàn)橛|針很可能會(huì)對被測零件表面造成損壞，從而影響零件性能［13］。TIAN Y等提出了一種考慮赫茲接觸剛度和阻尼效應(yīng)的觸筆測量方法的振動(dòng)模型，用以提高表面測量信號(hào)的保真度［14］。

2 非接觸式檢測方法

非接觸檢測方法主要有光切法、光散射法、散斑法及機(jī)器視覺等。

2.1 光切法

光切法適合用于檢測物體表面輪廓的最大高度在0.5～50 μm范圍內(nèi)的物體［15］，其測量原理如圖2所示。首先光源向被測物體表面照射出一束平行光帶，這束光帶和被測物體表面相交之后會(huì)形成一條與被測物體表面微觀幾何形狀相關(guān)的曲線，根據(jù)這條曲線，可以得出物體表面粗糙度參數(shù)值。這種方法是一種非接觸式檢測方法，避免了直接與被測物體表面接觸，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對物體表面微小谷峰深度的測量。該方法常使用光切顯微鏡進(jìn)行測量，使用成本相對較低、操作比較簡單，檢測精度會(huì)受到物鏡的限制，適合用于檢測車削和銑削工件等平面，不適用于檢測磨削工件。

2.2 光散射法

在粗糙度檢測方法中，光散射法抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，在粗糙度檢測領(lǐng)域也有不少應(yīng)用案

例［16］。這種方法的原理是用一束平行光入射到被測物體表面，然后通過對散射光束的特征進(jìn)行測量，進(jìn)而計(jì)算出其表面粗糙度參數(shù)。該方法需要統(tǒng)計(jì)散射場的特征，包括散射光角度分布、反射光光強(qiáng)等，根據(jù)這些信息得到表面粗糙度。

光散射法應(yīng)用于粗糙度測量時(shí)，對于檢測精細(xì)表面具有更好的效果，其檢測速度較快，抗干擾能力強(qiáng)，測量范圍一般在0.2～2.2 μm。YOSHITARO S等提出了應(yīng)力誘導(dǎo)光散射方法［17］，成功地讓一些潛在缺陷可視化，也使得來自其他光散射體的光散射效果變得明顯。

2.3 散斑法

如果物體表面粗糙度數(shù)值等于或是大于激光波長值，使用激光對該物體進(jìn)行照射時(shí)，物體表面上每一處均會(huì)產(chǎn)生散射光，而且這些散射光頻率相同，但相位和振幅各不相同，是相干光，它們經(jīng)疊加以后，經(jīng)物體表面反射會(huì)在觀察屏上形成明暗相間顆粒狀結(jié)構(gòu)，這些顆粒狀結(jié)構(gòu)就是散斑［18］。

散斑產(chǎn)生原理如圖3所示，散斑法就是使用CCD傳感器來接收散斑信號(hào)，根據(jù)散斑圖像的不同得到對應(yīng)的粗糙度值。使用散斑法時(shí)，被測物體表面粗糙度值應(yīng)該比激光波長值大，這樣才能得到均勻的散射光，并形成散斑，而且光源需要具有較好的相干性［19］。由于激光具有良好的相干性，因此幾乎所有的散斑應(yīng)用都用激光作為光源。LI C等將一種新設(shè)計(jì)的時(shí)間散斑方法引入到非接觸式雙目三維測量系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)可以在1 s內(nèi)完成單次測量，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于73.44 μm［20］。

2.4 機(jī)器視覺

制造業(yè)需要新的檢測技術(shù)和方法，機(jī)器視覺是以合理的精度檢測粗糙度的最佳替代方法之一［21］。近幾十年來，機(jī)電一體化和機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步提高了控制系統(tǒng)的智能性，為系統(tǒng)提供了視覺能力，即機(jī)器視覺［22］。機(jī)器視覺是一種較新的技術(shù)，它用于在工業(yè)相機(jī)和圖像處理技術(shù)的幫助下測量產(chǎn)品，如圖像采集、濾波去噪、真實(shí)圖像和實(shí)際圖像的比較、圖像映射和圖像處理算法。

很多工業(yè)生產(chǎn)過程都是重復(fù)性的工作，這時(shí)使用機(jī)器視覺檢測就能很大程度上提高效率。該方法測量表面粗糙度是通過圖像采集設(shè)備獲取不同水平粗糙度試樣的表面圖像，然后對圖像進(jìn)行預(yù)處理，之后應(yīng)用算法進(jìn)行檢測，進(jìn)而輸出與粗糙度參數(shù)相關(guān)性強(qiáng)的圖像特征，構(gòu)建相應(yīng)的粗糙度評價(jià)指標(biāo)，然后建立粗糙度預(yù)測模型，并用其預(yù)測未知試樣表面粗糙度。目前主要的算法有以下幾種。

邊緣擬合。邊緣擬合是使用邊緣像素的坐標(biāo)來擬合圖像坐標(biāo)系中的參考線。先確定輪廓基線、最小二乘中線和算術(shù)平均中線，其中最小二乘中線是指采樣范圍內(nèi)輪廓線上各點(diǎn)輪廓偏移量平方和最小的直線，是最理想的。采用最小二乘法建立單變量線性回歸方程y=kx+b，其輪廓偏移量可表示為：

分形維數(shù)。分形是一種幾何或分解模式，為了保持自相似性，其單個(gè)分解部分與原始部分相似。分形維數(shù)一般用D表示，常用的算法有箱計(jì)數(shù)維數(shù)（BC）、差箱計(jì)數(shù)法（DBC）及改進(jìn)的差箱計(jì)數(shù)法等。所有算法都基于盒子維度，使用減少因子為r的盒子來覆蓋對象。覆蓋被測體所需的盒子總數(shù)為N，通過盒子數(shù)量與各減少因子之間的回歸圖得到分形維數(shù)D。分形維數(shù)的計(jì)算公式為：

機(jī)器學(xué)習(xí)。在對圖像進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)分類或回歸預(yù)測之前，需要提取與待測曲面相關(guān)的特征參數(shù)。常用的特征提取方法有灰度共生矩陣（GLCM）法和Gabor小波法。

灰度共生矩陣是一個(gè)二維矩陣，其中每個(gè)元素均為灰度i和灰度j在特定距離d和特定角度θ共同出現(xiàn)的概率P（i，j|d，θ），其表達(dá)為：

其中，l為向量H的維數(shù)。KNN算法簡單、高效、實(shí)用，對實(shí)際圖像中的噪聲有很好的魯棒性。當(dāng)需要分類的數(shù)據(jù)類別較少時(shí)，檢測效果更為理想。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最有利的基于誤差反向傳播的前向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，前向傳播過程是將特征參數(shù)輸入到輸入層，隱藏層通過權(quán)重和閾值計(jì)算得到真實(shí)輸出值。如果真實(shí)輸出值與期望值之間的差距在一定范圍內(nèi)，則學(xué)習(xí)結(jié)束，獲得預(yù)期結(jié)果；如果超出了誤差范圍，則繼續(xù)學(xué)習(xí)。

目前，使用機(jī)器視覺檢測粗糙度的方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如性價(jià)比高、信息采集量大、檢測效率高、測量精度高等，許多學(xué)者都在圍繞這一技術(shù)進(jìn)行研究。YANG J Z等提出了一種基于圖像修復(fù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的抗干擾粗糙度檢測方法，建立了一個(gè)CNN分類模型來檢測工件表面的圖像，檢測成功率可達(dá)90.0%，檢測相對誤差可控制在6.8%以內(nèi)，單個(gè)圖像的平均檢測時(shí)間為0.79 s，具有較高的檢測精度和效率［23］。

2.5 現(xiàn)存問題與展望

雖然當(dāng)前粗糙度的機(jī)器視覺測量方法發(fā)展迅速，且相關(guān)的研究文獻(xiàn)也較多，但仍面臨一些問題待解決。首先，根據(jù)采用的光源類型，粗糙度檢測方法大多使用激光當(dāng)作光源，但激光類測量儀器成本相對較高，其光路的設(shè)計(jì)和調(diào)整也較為困難，因而選擇普通光源作為照明設(shè)備是機(jī)器視覺測量方法實(shí)現(xiàn)低成本和自動(dòng)化測量的有效途徑。其次，目前表面粗糙度檢測在加工過程中對物體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的方法僅局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，市場上的粗糙度檢測儀器基本都是用于離線測量，所以需要設(shè)計(jì)可用于加工現(xiàn)場的在線測量系統(tǒng)。

對于當(dāng)前科技的飛速發(fā)展，接觸式檢測方法很難滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)實(shí)踐要求，非接觸式粗糙度檢測方法有較大的研究前景，其中機(jī)器視覺檢測方法速度較快，獲取信息量大，而且便于信息集成和處理。所以使用機(jī)器視覺檢測粗糙度也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)，而且機(jī)器視覺可以實(shí)現(xiàn)粗糙度的在線檢測。隨著機(jī)器視覺技術(shù)不斷的發(fā)展和完善，它將是未來制造業(yè)和生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分。

3 結(jié)束語

綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來說，表面粗糙度檢測方法在不斷發(fā)展和進(jìn)步，從接觸式檢測到非接觸式檢測，從比較法到機(jī)器視覺，從離線測量不斷向在線測量發(fā)展，總的來說目前這些方法已經(jīng)可以滿足大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的表面粗糙度檢測需求。在目前的這些檢測方法中，機(jī)器視覺檢測方法憑借成本低、自動(dòng)化程度高及檢測精度高等優(yōu)勢脫穎而出，機(jī)器視覺檢測是實(shí)現(xiàn)表面粗糙度無損在線檢測的最優(yōu)方法，只是現(xiàn)在機(jī)器視覺在粗糙度檢測方面的應(yīng)用還應(yīng)針對上文所述缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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HE Teng-feia， KONG Fan-xingb， SHAO Yi-feia， CHEN Chenga， LI Sheng-nana

（a. College of Information and Control Engineering； b. College of Mechanical and

Electrical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology）

Abstract"" Surface roughness is the most commonly used to measure surface quality of the workpiece， and it’s closely related to properties of the workpiece and it influences" service life of the instrument. The surface roughness detection has wide application in the industrial production， especially in the processing of precision instruments. In this paper， both development history and research status of the surface roughness detection were analyzed， including having the detection principle based to summarize main detection methods and their basic principles， application scopes， advantages and disadvantages so as to provide reference for the research of surface roughness detection. This roughness detection method based on machine vision has obvious advantages and it’s worthy of further study.

Key words"" surface roughness， machine vision， contact detection， non-contact detection， precision instrument

作者簡介：何騰飛（1998-），碩士研究生，從事過程檢測技術(shù)及自動(dòng)化裝置的研究。

通訊作者：孔繁星（1975-），副教授，從事智能制造技術(shù)、超精密加工及檢測技術(shù)等的研究，fanxingks_2@163.com。

引用本文：何騰飛，孔繁星，邵逸飛，等.機(jī)器視覺技術(shù)在粗糙度檢測中的應(yīng)用及發(fā)展［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（4）：565-570.