面曝光快速成型制件幾何尺寸的視覺測量方法

巨孔亮，張 鵬，劉新穎

（西安工程大學，陜西 西安 710048）

0 引 言

面曝光快速成型技術是新型光固化快速成型技術，具有成型快、成本低等優(yōu)點。面曝光成型制件的尺寸精度受工藝參數(shù)的影響，傳統(tǒng)的卡尺測量、工具顯微鏡測量由于存在人為誤差，不能客觀反映制件的測量結果，且效率低。隨著機器視覺技術的快速發(fā)展，在各領域中得到廣泛的應用。文獻[6]對工件的熔融沉積成型過程進行圖像采集，提取工件輪廓圖像，實現(xiàn)了對熔融沉積成型工件的幾何尺寸測量。文獻[7]提出一種利用機器視覺分類測量孔組幾何參數(shù)的方法，實現(xiàn)了對鉚接薄板孔組的幾何參數(shù)測量。文獻[8]利用Canny算子融合雙線性插值方法對閥芯提取其亞像素邊緣特征，采用最小二乘法擬合閥芯邊緣，計算閥芯尺寸。文獻[9]利用最大類間方差法分割柴油機缸套，Canny算子提取柴油機缸套邊緣像素坐標，雙線性插值算法進一步提取亞像素級坐標，通過隨機抽樣一致性的擬合算法去除偽邊緣坐標，實現(xiàn)了對缸套的內(nèi)外徑尺寸測量。文獻[10]采用Matlab軟件開發(fā)軸類零件定位算法，實現(xiàn)了對軸類零件的尺寸測量。文獻[11]通過建立基于機器視覺的回轉類零件軸截面圖像測量系統(tǒng)，使用Zernike矩與大津算法相結合，提高亞像素邊緣點的定位精度，實現(xiàn)了回轉類零件直徑與圓度的測量。文獻[12]通過Ramer算法對機油泵轉子輪廓的亞像素邊界進行幾何分段，以最小二乘法擬合出零件輪廓，完成對轉子中心距和圓度的測量。文獻[13]設計的ROI提取算法，提取直線與半圓弧相切的幾何特征，利用最小二乘法和最小平方中值法對輪廓進行擬合，實現(xiàn)對沖壓件的尺寸測量。

為了客觀測量面曝光快速成型制件的幾何尺寸，本文提出基于機器視覺的幾何尺寸測量方法，構建背光成像測量系統(tǒng)獲取制件圖像信息，通過圖像分割算法提取制件中被測輪廓區(qū)域特征，在圖像域中建立圓孔和非圓孔的幾何尺寸的數(shù)學模型，利用標定系數(shù)實現(xiàn)制件幾何尺寸的客觀測量。

1 面曝光快速成型制件的視覺測量系統(tǒng)

1.1 面曝光快速成型制件

面曝光快速成型技術將待成型制件的CAD模型經(jīng)切層軟件分層處理后，生成制件二維截面輪廓信息，驅(qū)動視圖發(fā)生器，逐層固化光敏樹脂形成截面輪廓薄片，堆積成三維坯件后進行固化處理，得到三維實體制件如圖1所示。制件中包括圓孔和非圓孔等不同形狀的結構，孔的幾何尺寸可通過優(yōu)化工藝參數(shù)提高其精度。

圖1 面曝光快速成型制件

1.2 基于機器視覺的制件幾何尺寸測量系統(tǒng)

由圖1可知，制件材料為aidi-UV2230型光敏樹脂，多孔結構，表面光滑且紋理較多。為了獲取制件上各孔的幾何尺寸，本文構建了如圖2所示的基于機器視覺的測量系統(tǒng)。JHSM300f的CCD相機的分辨率為2 048×1 536，配有16 mm光學鏡頭，光源為LED白色陣列面光源，光源照度為40 000 Lux，以背光成像方式有效獲取制件圖像信息，減少表面紋理的影響。

圖2 視覺測量系統(tǒng)

2 制件的輪廓特征提取

2.1 制件的圖像分割

在制件成像過程中受到光源照度、噪聲等的干擾，獲取的制件圖像存在對比度低、噪聲等問題影響成像質(zhì)量，本文采用高斯濾波器進行降噪處理，以光照歸一化算法消除光照不均，提高圖像的對比度。在此基礎上，根據(jù)制件圖像灰度直方圖特征，采用最大類間方差法對制件圖像進行分割，如圖3a）所示。由圖3a）可知，分割后制件實體部分還存在一些細小的孔洞，且制件的圓孔和非圓孔的邊緣輪廓不光滑。針對此問題，本文基于形態(tài)學構建了圓形結構元素和線性結構元素對圖3a）的二值圖像進行填充及平滑等形態(tài)學運算，處理后的制件圖像如圖3b）所示。

圖3 圖像分割

2.2 制件各孔區(qū)域及質(zhì)心的提取

由圖3可知，各孔區(qū)域均為獨立存在，互不影響，因此，本文通過在制件圖像中尋找連通域，并對每個連通域賦予唯一的標識，進而提取各孔區(qū)域，采用式（1）提取各區(qū)域的質(zhì)心坐標(,)，結果如圖4a）所示（“O”形為質(zhì)心點）。

圖4 輪廓區(qū)域提取

3 孔形識別與幾何尺寸的計算

3.1 孔形識別

制件中的圓孔和非圓孔的幾何尺寸是衡量面曝光快速成型制件的主要參數(shù)，為了計算制件中各孔的幾何尺寸，本文通過每個連通區(qū)域的面積與周長的比值作為判別孔形的依據(jù)，其表達式為：

該值越接近1，則連通區(qū)域越接近圓形。通過大量實驗分析，本文采用閾值0.96作為評判標準，當≥0.96時，該區(qū)域為圓孔；當＜0.96時則為非圓孔。對圖4a）識別的結果如圖4b）所示。

3.2 圓孔的直徑

在標記為圓孔的連通區(qū)域中，基于像素信息，將圓形區(qū)域中的所有像素點求和，作為該區(qū)域面積，則該圓孔直徑為：

3.3 非圓孔的邊長

制件的非圓孔為三角形或四邊形等多邊形，其幾何尺寸是多邊形的邊長，在Hough變換檢測多邊形邊長的基礎上，本文結合每個多邊形的形狀特點，采用最小二乘擬合算法對多邊形的各邊進行擬合，則擬合后的邊長直線方程為：

式中：為多邊形的邊數(shù)（≥3）；，為直線方程的系數(shù)。

式中：為采樣點數(shù)；x為采樣點軸坐標；y為采樣點軸坐標。

制件的多邊形通過成像投影在同一個平面上，同一個連通區(qū)域的多邊形相鄰兩條邊必然相交于一點，如圖5可知，相鄰兩條邊的直線方程為：

圖5 直線的交點

則兩條邊的交點坐標(x ,y )為：

以此類推得到其他各交點的坐標，將，兩交點坐標代入式（8）得到之間的長度為：

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 視覺測量系統(tǒng)的標定

面曝光快速成型制件上的圓孔和非圓孔的幾何尺寸為世界坐標系的二維信息（單位為mm），制件圖像在圖像算法處理后的幾何尺寸為像素坐標系的像素點的信息（單位為pixel）。為了得到制件像素坐標系與世界坐標系的關系，本文以多組不同尺寸的1級標準量塊為標定物，得到像素坐標系與世界坐標系的轉換關系為=0.036 mm/pixel。

4.2 制件的設計尺寸

本文測量的制件為西安工程大學自主開發(fā)的面曝光快速成型系統(tǒng)，通過視圖發(fā)生器、光學系統(tǒng)、升降工作臺及控制系統(tǒng)，根據(jù)設計制件圖形，選擇性地固化一層層的光敏樹脂形成截面輪廓，逐層堆積成三維制件。本文設計的制件如圖6所示。

圖6 制件設計圖

圖中：1～4為邊長相同的方孔；5～12為形狀相同的等腰三角形孔；13，14為直徑相同的圓孔；15，16為直徑相同的圓孔。

設計精度如表1所示。

表1 制件的設計精度

4.3 數(shù)據(jù)分析

實驗時采用本文視覺測量系統(tǒng)，在相同參數(shù)設置和實驗環(huán)境條件下，對同一制件進行10次測量，計算各幾何尺寸的標準差。表2為1～4正方形邊長的標準差，其標準差最大值小于0.015 mm；表3中，5～12的三角形底邊長度的標準差最大值小于0.02 mm，三角形腰長的標準差最大值小于0.025 mm；表4為13～16圓的直徑的標準差，其標準差最大值小于0.017 mm。

表2 正方形邊長標準差 mm

表3 三角形尺寸標準差 mm

表4 圓直徑標準差 mm

由各尺寸的標準差可知，本文測量系統(tǒng)能夠滿足對尺寸測量的要求。

視覺測量系統(tǒng)得到的幾何尺寸的重復精度如圖7所示。

圖7 幾何尺寸的分布

正方形1～4的邊長最大變動量為0.38 mm，小于設計公差0.4 mm；三角形5～16的底邊長最大變動量為0.45 mm，小于設計公差0.5 mm；三角形5～16的腰邊長最大變動量為0.37 mm，小于設計公差0.4 mm；圓形13～16的直徑最大變動量0.29 mm，小于設計公差0.3 mm。視覺測量系統(tǒng)的多次重復精度測量中，幾何尺寸的實際值均小于設計公差，表明本文方法具有較好的重復精度。

但是由圖7可知，實際尺寸在公差范圍內(nèi)有一定的變動量，存在測量誤差，誤差的來源主要由于視覺測量系統(tǒng)受到外界光照的干擾導致成像的灰度誤差，此外系統(tǒng)標定中存在誤差，可通過穩(wěn)定光源照度，同時通過多次標定測量系統(tǒng)取其均值來降低誤差。

5 結 論

本文采用機器視覺技術建立面曝光快速成型制件的幾何尺寸視覺測量系統(tǒng)，背光成像方式消除了表面紋理的影響，以標準量塊作為標定物得到了視覺測量系統(tǒng)的圖像坐標與世界坐標的轉換系數(shù)，通過圖像處理方法獲取制件各孔的幾何尺寸，標準差小于0.025 mm，測量尺寸小于設計公差，滿足設計要求。

采用最大類間方差法分割面曝光快速成型制件圖像，對連通區(qū)域中不同形狀的孔，以面積周長比在閾值0.96時有效識別圓孔與非圓孔，建立基于區(qū)域像素點的圓形直徑測量模型。

制件中三角形或四邊形等多邊形構成的非圓孔的邊長，采用Hough變換提取邊長信息，以最小二乘擬合算法得到多邊形各邊的直線方程，通過相鄰邊交點建立非圓孔邊長的測量模型，得到各邊尺寸。