計(jì)算機(jī)視覺的同心度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳永清， 蔣惠芬， 范水明， 陳廉清， 程曉民

(1. 寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 浙江 寧波 315016； 2. 杭州雷恩液壓設(shè)備制造有限公司， 浙江 杭州 311100； 3. 衢州杭甬變壓器有限公司， 浙江 衢州 324000)

?

計(jì)算機(jī)視覺的同心度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳永清1， 蔣惠芬2， 范水明3， 陳廉清1， 程曉民1

(1. 寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 浙江 寧波 315016； 2. 杭州雷恩液壓設(shè)備制造有限公司， 浙江 杭州 311100； 3. 衢州杭甬變壓器有限公司， 浙江 衢州 324000)

設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與LabVIEW的零件同心度公差測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過二值化圖像處理消除零件倒角的干擾，采用先腐蝕后作差的形態(tài)學(xué)邊緣提取方法，得到單一像素的連續(xù)的內(nèi)外圓邊緣特征；應(yīng)用最小二乘擬合圓方法得到精確的圓心坐標(biāo)，由歐幾里德公式計(jì)算圓心距離，通過標(biāo)定轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度尺寸，開發(fā)測(cè)量程序系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同心度公差測(cè)量的準(zhǔn)確判斷。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)檢測(cè)正確率高，速度快，界面友好，適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)，還能滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。

形態(tài)學(xué)； 同心度； 測(cè)量； 計(jì)算機(jī)視覺

0 引 言

同心度是軸、套、環(huán)形類零件最重要的形位公差之一，如常見的有閥芯，軸承內(nèi)、外圈等；特別是高速旋轉(zhuǎn)的零件，其同心度公差要求則更高。國內(nèi)的工科高校均開設(shè)了“公差與檢測(cè)技術(shù)”課程及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，但大部分高校都忽略了同心度測(cè)量這一形位公差的實(shí)驗(yàn)操作。原因有：① 精度高的同心度測(cè)量?jī)x器價(jià)格較昂貴，如影像儀、圓度測(cè)量?jī)x等；② 測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，課時(shí)安排受限，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等；③ 雖然測(cè)量工具簡(jiǎn)單便宜，但是誤差大，實(shí)驗(yàn)意義不大，如卡尺等。學(xué)生沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的體會(huì)，對(duì)同心度認(rèn)識(shí)就不夠深刻，在日后工作中遇到同心度問題時(shí)，通常都會(huì)手足無措。在制造需檢測(cè)同心度零件的諸多企業(yè)中，通常只有產(chǎn)量大的企業(yè)會(huì)購買專用的同心度測(cè)量?jī)x器檢測(cè)產(chǎn)品；而一般的企業(yè)僅要求員工在加工過程中使用簡(jiǎn)單便宜的測(cè)量工具做檢測(cè)，這樣的后果是檢測(cè)結(jié)果誤差大，不合格品流到下一工序時(shí)有發(fā)生，造成不必要的浪費(fèi)。因此，本文開發(fā)的基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)的同心度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有便捷、高效、性價(jià)比高、體積小、易操作、精度高等特點(diǎn)，既是對(duì)高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的補(bǔ)充完善，也可滿足企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際使用。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)成

同心度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的圖像采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要包括北京大恒公司生產(chǎn)的DH-HV3110FC攝像機(jī)(像素尺寸3.2 μm×3.2 μm)、COMPUTAR0814鏡頭、1394圖像采集卡、LED平行背光源、研華工控機(jī)、V形工作臺(tái)等。平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)攝像機(jī)軸心、LED平行背光源法線在V形工作臺(tái)對(duì)稱面內(nèi)。本平臺(tái)采集的外圓直徑φ8.5閥芯圖像，如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)

圖2 閥芯

2 同心度測(cè)量程序系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

2.1 圖像預(yù)處理

(1) 去噪處理。圖像采集時(shí)總會(huì)受到各類噪聲干擾，采用沒有振鈴效應(yīng)，且圖像模糊程度減少的巴特沃斯低通濾波器消除源圖像噪聲[1]。

(2) 抑制偽邊緣。相鄰像素間灰度值急劇變化即為邊緣?；剞D(zhuǎn)類零件基本都帶有倒角，零件的倒角邊是偽邊緣，影響測(cè)量的精準(zhǔn)度。所以，圖像要進(jìn)行二值化處理，消除倒角邊緣特征，并減少后續(xù)圖像處理的計(jì)算量。

(3) 邊緣提取。同心度測(cè)量的實(shí)質(zhì)是計(jì)算內(nèi)外圓圓心的距離，欲求圓心位置，則必須先求出圓特征。形態(tài)學(xué)的邊緣提取處理要比基于微分運(yùn)算的邊緣提取算法有優(yōu)勢(shì)，它不像微分算法對(duì)噪聲那樣敏感，同時(shí)，提取的邊緣也比較光滑，而且滿足實(shí)時(shí)性要求[2-3]。

設(shè)集合A，B?Z2。其中，A為源圖像;B為結(jié)構(gòu)元素，則基本定義:

B對(duì)A腐蝕

(1)

B對(duì)A膨脹

(2)

腐蝕的作用是減弱圖像中較亮的細(xì)節(jié)，并消除小且無意義的噪聲;而膨脹的作用是使圖像的亮度增強(qiáng)的同時(shí)還可以填充邊緣微小的空洞，從而增加邊緣的連續(xù)性[4]。

對(duì)于提取的內(nèi)外圓邊緣特征，應(yīng)該是連續(xù)的單一像素。因此，先作腐蝕處理消除邊緣處小且無意義的噪聲，然后與源圖像作差的運(yùn)算，

(3)

結(jié)構(gòu)元素B= [111，111，111]，提取內(nèi)外圓的邊緣特征，如圖3所示。

圖3 內(nèi)外圓特征

2.2 內(nèi)外圓特征擬合求圓心

擬合圓的方法很多，不同方法各有優(yōu)劣。開發(fā)程序系統(tǒng)時(shí)，既要考慮測(cè)量精度，還要兼顧運(yùn)算速度。而最小二乘法是通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，可以很好地滿足測(cè)量精度及運(yùn)算速度的要求，因此采用最小二乘擬合圓方法[5～7]求閥芯內(nèi)、外圓的圓心坐標(biāo)。

設(shè)圓半徑R，圓心為(xo,yo)，曲線方程為

(4)

得:

(5)

(6)

(7)

令面積誤差平方和函數(shù)為

(8)

由函數(shù)極值方法知，使N取得極小值的參數(shù)α、β和N應(yīng)滿足：

(9)

即:

(10)

解式(10)可求得參數(shù)α、β和J。有:

(11)

通過對(duì)輪廓的定位及計(jì)算，求得內(nèi)圓圓心為A(xin,yin)，外圓圓心為B(xout,yout)，如圖4所示。

圖4 內(nèi)外圓圓心

2.3 同心度測(cè)量及判別

兩圓心分別為A(xin,yin)，B(xout,yout)，由歐幾里德距離公式，可得內(nèi)外圓圓心距離：

(12)

圖5 測(cè)量程序流程圖

3 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

LabVIEW軟件是一個(gè)高效的圖形化設(shè)計(jì)軟件，具有強(qiáng)大的圖形顯示能力、完備的高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫、便捷快速的程序設(shè)計(jì)過程，為實(shí)驗(yàn)室研究和自動(dòng)化應(yīng)用提供了一個(gè)直接高效的設(shè)計(jì)環(huán)境；LabVIEW在實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)中的應(yīng)用也日趨廣泛和多樣[8-12]?；谠撥浖_發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)界面如圖6所示。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示實(shí)測(cè)同心度值及結(jié)果合格與否，并統(tǒng)計(jì)測(cè)量總數(shù)、合格數(shù)、不合格數(shù)。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)界面

系統(tǒng)默認(rèn)同心度公差φ=0.02，標(biāo)定值0.008 7。如果同心度公差不同，可自行設(shè)定所需值；如果物距改變，標(biāo)定值相應(yīng)改變，系統(tǒng)需重新設(shè)定標(biāo)定值。公差與標(biāo)定值確定后，點(diǎn)擊界面左上角的運(yùn)行箭頭，系統(tǒng)開始運(yùn)行。測(cè)量程序系統(tǒng)從采集到測(cè)量完畢一個(gè)閥芯圖像的時(shí)間不到0.3 s，可見測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較好。隨機(jī)抽取10件閥芯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，與影像儀測(cè)量結(jié)果比較，如表1所示。測(cè)量程序人機(jī)系統(tǒng)人體界面友好、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量迅捷、維護(hù)方便[13-14]。

表1 同心度測(cè)量結(jié)果 mm

兩種方法的測(cè)量結(jié)果均全部合格。由于兩者測(cè)量時(shí)定位基準(zhǔn)不同，影像儀以端面為基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以外圓柱面為基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)結(jié)果作為參考，只須判斷結(jié)果保持一致。因此，自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以填補(bǔ)學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的空白。

4 結(jié) 語

本文基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與LabVIEW軟件，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求，選擇合適的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)了同心度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)零件同心度的測(cè)量，滿足了教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，為學(xué)生提供了實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，加深了對(duì)概念的理解，同時(shí)又鍛煉了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)以外知識(shí)領(lǐng)域的探索欲望；也是教師提高自身科研能力、促進(jìn)科教融合的機(jī)會(huì)。測(cè)量程序系統(tǒng)人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量迅捷、維護(hù)方便[13]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更為實(shí)驗(yàn)室增添了新設(shè)備、新技術(shù)，是高校自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的有益補(bǔ)充[14]。平臺(tái)滿足檢測(cè)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性要求，還可用于實(shí)際生產(chǎn)中，大大提高生產(chǎn)效率，降低人力成本。

[1] 章毓晉. 圖像處理和分析基礎(chǔ)[M]. 北京:高等教育出版社，2002：103-118.

[2] 閆海霞. 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像邊緣檢測(cè)和增強(qiáng)算法的研究[D]. 吉林:吉林大學(xué), 2009.

[3] 同小玲. 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像邊緣檢測(cè)算法研究[D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2013.

[4] 岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理[M]. 2版. 北京:電子工業(yè)出版社,2005：423-452.

[5] 崔 明，顧啟民，黃 震. 基于機(jī)器視覺的軸承滾動(dòng)體缺陷檢測(cè)算法研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2015,31(11): 74-78.

[6] 王拯洲，許瑞華，胡炳樑. 基于圓擬合的非完整圓激光光斑中心檢測(cè)算法[J]. 激光與紅外, 2013,43(6): 708-711.

[7] 劉 斌，高雅妮. 小尺寸圓柱端面缺陷在線視覺檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015,36(6): 12-18.

[8] 許麗川，宋翔宇，唐凱飛，等. 基于LabVIEW的電機(jī)實(shí)驗(yàn)自助平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015,34(9): 79-135.

[9] 陳建林. 基于LabVIEW平臺(tái)的空壓機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2014,12(6): 54-56.

[10] 謝 斌，張 超，孫紅霞，等. 基于LabVIEW電動(dòng)車輛雙電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015,34(4): 78-82.

[11] 趙莉華，張亞超，金 陽，等. 基于LabVIEW和Matlab 虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014,33(4): 62-67.

[12] 朱 敏. 虛擬實(shí)驗(yàn)與教學(xué)應(yīng)用研究[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2006.

[13] 喬月鳳，范春鳳，劉瑞翔. 基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2015,13(4): 10-52.

[14] 汪雪琴，朱群雄. 開展實(shí)驗(yàn)設(shè)備自制 提高師生創(chuàng)新能力[J]. 高等理科教育, 2008,80(4): 117-119.

Design of Concentricity Experiment Platform Based on Computer Vision

CHENYong-qing1，JIANGHui-fen2，F(xiàn)ANShui-ming3，CHENLian-qing1，CHENGXiao-min1

(1. School of Mechanical and Chemical Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016, China; 2. Hangzhou Wren Hydraulic Equipment Manufacturing Co. Ltd, Hangzhou 311100, China; 3. Quzhou Hangyong Transformer Co., Ltd, quzhou 324000, China)

Due to the lack of experiment equipment in universities nowadays, for example, concentricity geometry tolerance instrument being not enough to set up the experiment for measuring concentricity error, an experiment platform for measuring the concentricity error of mechanical elements has been developed based on computer vision and LabVIEW. At first, the chamfer disturbance is removed using binaryzation image processing. Next, the consecutive internal and external edge features for any individual element are obtained through morphology edge extraction approach. Least square fitting approach of circle gives the accurate center, followed by the calculation of distance between centers using Euclidean formula. Calibration transforms the distance to the dimension for developing measurement procedure system and consequently accurately judging the concentricity error measurement. Experimental results show that the proposed experiment platform has advantages of high accuracy rate, fast checking process, friendly interface, fitting for students’ experiment, and being capable to meet the manufacturing requirement.

morphology; concentricity; measure; computer vision

2015-12-20

國家自然科學(xué)基金資助(51275251); 浙江省自然科學(xué)基金(Y14E050021); 寧波工程學(xué)院2015年度自制教學(xué)儀器設(shè)備項(xiàng)目

陳永清(1975-)，男，廣東陽春人，碩士，講師，現(xiàn)主要從事計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、機(jī)電一體化研究。

Tel.:15967803420； E-mail:arching@163.com

G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0059-04