基于机器视觉的螺钉在线检测.pdf

1、输 入 个 别 参 数 即 可 进 行 在 线 测 量 。 该 方 法 有 效 利 用了 三 坐 标 机 精 度 高 的 特 点 ,实 现 起 来 简 单 、 高 效 。参 考 文 献1 渐 开 线 圆 柱 齿 轮 精 度 ,GB/ T10095 - 20012 圆 柱 齿 轮 检 验 实 施 规 范 ,GB/ Z18620 - 20023 标 准 齿 轮 ,JJ G1008 - 20064 刘 巽 尔 ,渐 开 线 圆 柱 齿 轮 . 中 国 计 划 出 版 社 ,20045 廖 世 鹏 ,廖 俊 必 等 . 直 齿 渐 开 线 小 模 数 齿 轮 (m 1. 0) 齿 形误 差 的 三 坐

2、 标 图 象 测 量 法 . 四 川 大 学 学 报 ,2007 ,39 (4) :164 1686 潘 血 涛 ,费 贤 举 . 基 于 VB 的 齿 距 偏 差 及 其 累 积 误 差 的 数据 处 理 . 精 密 制 造 与 自 动 化 ,2005 , (4) :54 59第 一 作 者 :任 丽 芬 ,四 川 大 学 制 造 学 院 测 试 技 术 与 控 制工 程 系 ,610065 成 都 市收 稿 日 期 :2007 年 8 月基 于 机 器 视 觉 的 螺 钉 在 线 检 测林 长 青 1 庄 石 2 廖 俊 必 11 四 川 大 学 2 深 圳 市 普 尔 测 量 系 统 有

3、 限 公 司摘 要 :介 绍 了 一 种 基 于 机 器 视 觉 技 术 的 非 接 触 式 螺 钉 在 线 检 测 系 统 。 该 系 统 利 用 CCD 相 机 采 集 图 像 ,经 过拉 普 拉 斯 锐 化 算 子 、 中 值 滤 波 等 图 像 处 理 ,可 获 得 清 晰 的 螺 钉 轮 廓 图 像 ,再 利 用 机 器 视 觉 的 相 关 几 何 运 算 测 量 出 各个 螺 钉 几 何 参 数 ,实 现 螺 钉 的 在 线 检 测 。 实 验 表 明 ,该 系 统 检 测 速 度 快 、 精 度 高 ,具 有 很 好 的 推 广 应 用 价 值 。关 键 词 :图 像 处 理 ,

4、 机 器 视 觉 , 螺 钉 , 在 线 检 测On2line Detection of Scre ws Based on Machine Vision TechnologyLin Changqing Zhuang Shi Liao JunbiAbstract : A kind of non2contacted on2line detection system for screws based on machine vision technology was introduced.The screw s image was acquired with CCD camera , and thro

5、ugh image processing using the Laplacian kernel and the median filterand so on , the clear edge contour of screw can be obtained , then geometric parameters of screw were measured by using the geo2metrical algorithm of the machine vision. The test results indicate that the detection system has faste

6、r inspection speed and highercalculation accuracy , so that has a good spreading application value.Keywords :image processing , machine vision , screw , on2line detection1 引 言目 前 ,国 内 大 多 数 螺 钉 生 产 企 业 还 只 能 采 用 抽检 方 式 对 螺 钉 进 行 尺 寸 检 测 ,即 抽 取 部 分 螺 钉 用 卡尺 或 光 学 放 大 仪 测 量 其 尺 寸 。 对 于 有 全 检 要 求 的 螺钉

7、,企 业 不 得 不 使 用 大 量 人 力 进 行 手 工 筛 选 。 对 于大 批 量 生 产 、 尺 寸 较 小 的 螺 钉 ,人 工 检 测 相 当 困 难 和繁 琐 ,耗 时 费 力 ,且 存 在 许 多 技 术 漏 洞 ,检 测 精 度 不高 ,难 以 保 证 螺 纹 质 量 。针 对 螺 钉 尺 寸 检 测 现 状 ,我 们 开 发 了 基 于 机 器视 觉 的 非 接 触 式 螺 钉 在 线 检 测 系 统 。 该 系 统 将 机 器视 觉 和 数 字 图 像 处 理 技 术 应 用 于 螺 钉 的 大 批 量 检测 ,对 螺 钉 的 各 个 尺 寸 参 数 进 行 自 动 在

8、 线 测 量 ,并 根据 预 先 设 定 的 各 参 数 检 验 合 格 标 准 ,自 动 完 成 对 螺钉 的 在 线 筛 选 ,并 统 计 出 检 测 数 量 、 不 合 格 数 、 合 格率 等 检 测 数 据 。 该 检 测 技 术 不 仅 可 实 现 螺 钉 的 在 线检 测 ,而 且 测 量 速 度 快 、 精 度 高 ,代 表 了 螺 纹 检 测 的发 展 方 向 ,具 有 广 阔 的 发 展 和 应 用 空 间 。2 系 统 结 构 与 工 作 原 理非 接 触 式 螺 钉 在 线 检 测 系 统 的 构 成 如 图 1 所示 。 首 先 ,由 震 动 顺 料 装 置 将 待

9、检 测 螺 钉 输 送 到 排队 等 候 区 ,由 上 料 装 置 将 待 检 测 螺 钉 输 送 至 特 定 的像 场 位 置 并 定 位 ,位 置 传 感 器 检 测 到 待 检 螺 钉 已 经就 绪 后 ,发 送 信 号 指 示 主 控 计 算 机 启 动 CCD 摄 像 机采 集 螺 钉 头 部 的 俯 视 图 像 和 侧 面 图 像 ,并 通 过 图 像采 集 卡 输 入 计 算 机 ,然 后 由 计 算 机 按 预 先 设 定 的 图图 1 螺 钉 检 测 系 统 示 意 图29 工 具 技 术像 识 别 检 测 方 法 ,经 过 图 像 处 理 获 得 对 图 像 特 征 的数

10、字 评 估 ,得 出 最 终 检 测 结 论 ,最 后 发 送 分 选 指 令 至自 动 分 选 装 置 ,进 行 螺 钉 分 选 。根 据 检 测 要 求 ,需 要 测 量 的 螺 钉 尺 寸 参 数 (见 图2)包 括 :螺 钉 头 部 直 径 D1 ,头 部 厚 度 L1 ,螺 纹 长 度L2 ,螺 纹 外 径 D ,螺 纹 内 径 d ;同 时 ,还 需 要 测 量 螺 钉头 部 槽 与 头 部 的 同 心 度 ,螺 纹 外 径 与 头 部 的 同 心 度 。(a)顶 部 图 像 (b)侧 面 图 像图 2 采 集 图 像 及 测 量 参 数3 图 像 处 理采 用 LabVIEW 和

11、 IMAQ2Vision 软 件 开 发 了 螺 钉检 测 系 统 的 测 量 软 件 。 系 统 的 主 要 检 测 流 程 为 :图像 滤 波 锐 化 边 缘 轮 廓 中 值 滤 波 螺 纹 参 数 测 量 判 断 合 格 情 况 显 示 和 输 出 。(1)图 像 滤 波在 螺 钉 检 测 系 统 中 ,螺 纹 视 频 图 像 信 息 的 边 缘检 测 是 测 量 的 基 础 和 关 键 。 由 于 螺 钉 图 像 在 采 集 、传 输 、 接 收 等 过 程 中 引 入 了 噪 声 ,使 图 像 质 量 恶 化 ,造 成 图 像 模 糊 、 特 征 淹 没 ,给 处 理 和 分 析 带

12、 来 困 难 ,并 使 测 量 精 度 降 低 。 因 此 ,在 参 数 测 量 前 应 去 除 图像 噪 声 ,尽 可 能 使 图 像 边 缘 轮 廓 清 晰 ,以 提 高 测 量 精度 ,达 到 实 际 检 测 要 求 。常 见 的 图 像 噪 声 有 椒 盐 噪 声 、 脉 冲 噪 声 、 高 斯 噪声 等 ,在 空 间 域 对 图 像 进 行 滤 波 除 噪 主 要 采 用 均 值滤 波 和 中 值 滤 波 两 种 方 法 。 由 于 图 像 的 边 缘 包 括 了图 像 细 节 和 高 频 信 息 ,在 采 用 均 值 滤 波 法 进 行 图 像除 噪 时 ,会 使 图 像 边 缘

13、模 糊 化 ,而 中 值 滤 波 法 则 能 够较 好 地 弥 补 均 值 滤 波 法 不 足 。中 值 滤 波 器 是 基 于 次 序 统 计 完 成 信 号 恢 复 的 一种 典 型 的 非 线 性 滤 波 器 ,其 基 本 原 理 是 对 一 个 窗 口内 所 有 像 素 的 灰 度 进 行 排 序 ,取 排 序 结 果 的 中 间 值作 为 原 窗 口 中 心 点 处 像 素 的 灰 度 值 。 中 值 滤 波 对 于消 除 图 像 中 的 随 机 噪 声 和 脉 冲 噪 声 (也 称 椒 盐 噪 声 )非 常 有 效 ,其 主 要 优 点 是 运 算 简 单 ,算 法 速 度 较 快

14、 ,在 滤 除 噪 声 的 同 时 能 很 好 保 护 信 号 的 细 节 信 息 (如边 缘 和 锐 角 ) ,对 后 续 的 参 数 测 量 有 很 大 帮 助 ;此 外 ,中 值 滤 波 器 容 易 自 适 应 化 ,从 而 可 进 一 步 提 高 其 滤波 特 性 。(2)锐 化 图 像 边 缘 轮 廓螺 纹 尺 寸 测 量 的 关 键 在 于 边 缘 轮 廓 的 提 取 。 根据 检 测 要 求 ,只 要 图 像 边 缘 轮 廓 清 晰 ,可 满 足 测 量 要求 ,同 时 又 能 实 现 在 线 检 测 的 速 度 要 求 即 可 。 因 此 ,只 需 将 边 缘 锐 化 ,而 无

15、 需 提 取 出 边 缘 ,这 样 既 可 达 到检 测 要 求 ,又 可 提 高 软 件 运 行 速 度 。图 像 锐 化 是 一 种 突 出 和 加 强 图 像 中 物 体 边 缘 和轮 廓 的 技 术 ,由 于 图 像 的 边 缘 和 轮 廓 一 般 都 位 于 图像 中 灰 度 突 变 之 处 ,因 此 通 常 采 用 空 间 微 分 方 法 来实 现 锐 化 处 理 ,常 用 方 法 有 梯 度 法 、 拉 普 拉 斯 锐 化 算子 、 Sobel 锐 化 算 子 等 。 经 分 析 比 较 ,本 系 统 选 用 了合 成 拉 普 拉 斯 锐 化 算 子 。设 f ( x , y)

16、为 连 续 图 像 函 数 ,其 在 点 ( x , y) 处 的拉 普 拉 斯 算 子 是 一 个 二 阶 微 分 算 子 ,并 定 义 为currency12 f = 92 f9x2 +92 f9y2拉 普 拉 斯 锐 化 算 子 是 一 种 空 间 滤 波 形 式 的 高 通滤 波 算 子 ,具 有 各 向 同 性 和 位 移 不 变 性 ,可 以 满 足 图像 中 不 同 走 向 边 缘 的 锐 化 要 求 。 拉 普 拉 斯 锐 化 方 法与 大 多 数 其 它 算 子 一 样 ,也 是 一 种 基 于 方 向 导 数 模板 求 卷 积 的 方 法 。 采 用 合 成 拉 普 拉 斯

17、 模 板0 - 1 0- 1 5 - 10 - 1 0得 到 的 增 强 图 像 是 将 原 图 像 与 拉 普 拉 斯 锐 化 图像 叠 加 在 一 起 的 结 果 图 像 ,可 在 增 强 图 像 边 缘 的 基础 上 更 好 地 保 持 原 图 像 的 信 息 。 锐 化 处 理 前 、 后 的螺 钉 图 像 如 图 3 所 示 。由 图 3 可 以 看 出 ,锐 化 处 理 后 的 图 像 边 缘 轮 廓明 显 变 得 更 清 晰 ,但 同 时 也 增 加 了 原 图 像 的 高 频 噪声 ,因 此 需 再 利 用 中 值 滤 波 除 去 高 频 噪 声 ,最 后 得 到的 图 像 即

18、 可 用 于 后 续 的 参 数 测 量 。4 螺 钉 参 数 测 量(1)用 标 准 块 标 定 长 度利 用 硬 件 系 统 采 集 几 幅 标 准 块 图 像 ,经 过 滤 波 、二 值 化 、 边 缘 提 取 等 图 像 处 理 后 ,在 LabVIEW 和 I2MAQ2Vision 软 件 系 统 下 ,利 用 机 器 视 觉 功 能 块 下 的几 何 参 数 测 量 功 能 测 量 标 准 块 长 度 (像 素 长 度 ) ,再与 标 准 块 的 实 际 长 度 进 行 比 较 ,并 连 续 对 几 幅 图 像进 行 相 同 的 标 定 处 理 ,最 后 取 几 幅 图 像 的 测

19、 量 平 均值 作 为 结 果 ,即 可 确 定 软 件 系 统 下 的 像 素 长 度 对 应的 实 际 长 度 。392008 年 第 42 卷 4图 3 图 像 锐 化 处 理 前 后 的 对 比(2)几 何 参 数 的 测 量首 先 ,确 定 采 集 图 像 的 坐 标 系 。 由 于 该 检 测 系统 是 在 在 线 运 行 中 进 行 实 时 图 像 采 集 ,虽 然 相 机 位置 固 定 不 变 ,但 在 螺 钉 不 断 运 行 的 过 程 中 ,采 集 的 图像 可 能 并 非 位 于 像 场 的 同 一 位 置 ,而 后 续 的 参 数 测量 需 要 给 定 一 个 固 定

20、区 域 搜 索 图 像 的 各 个 边 缘 轮廓 ,因 此 ,确 定 坐 标 系 可 使 每 个 螺 钉 图 像 在 该 坐 标 系中 都 相 对 处 于 一 个 固 定 位 置 ,以 保 证 参 数 测 量 的 准确 性 和 精 确 性 。 然 后 ,主 要 利 用 测 量 软 件 系 统 中 的机 器 视 觉 功 能 模 块 ,分 别 对 螺 钉 头 部 和 侧 面 图 像 的相 应 几 何 参 数 进 行 测 量 。对 于 头 部 直 径 D1、 头 部 厚 度 L1、 螺 纹 长 度 L2、螺 纹 外 径 D、 螺 纹 内 径 d 等 参 数 的 测 量 ,首 先 应 确定 适 当 的

21、 边 缘 搜 索 范 围 (如 该 范 围 选 择 过 大 ,会 增 加检 测 时 间 ;如 该 范 围 选 择 过 小 ,会 影 响 边 缘 检 测 精度 ) ,然 后 利 用 相 应 的 数 学 函 数 (包 括 测 量 内 、 外 边 缘和 上 、 下 边 缘 的 距 离 函 数 )完 成 参 数 测 量 。对 于 螺 纹 外 径 与 螺 钉 头 部 的 同 心 度 测 量 ,需 要求 出 外 径 的 中 轴 线 和 头 部 宽 度 的 中 轴 线 ,然 后 确 定两 条 直 线 的 同 轴 度 ,即 为 所 求 的 螺 纹 外 径 与 头 部 的同 心 度 。 螺 钉 头 部 槽 与

22、头 部 的 同 心 度 测 量 主 要 采 用拟 合 圆 求 圆 心 的 办 法 ,即 首 先 在 相 应 的 搜 索 范 围 内拟 合 出 头 部 最 外 面 轮 廓 所 在 的 圆 ,求 出 圆 心 的 位 置坐 标 。 对 于 大 多 数 圆 型 槽 ,可 采 用 同 样 的 方 法 拟 合出 圆 和 找 出 圆 心 ;对 于 十 字 型 或 其 它 型 式 的 槽 ,可 求出 各 个 槽 对 边 的 中 轴 线 ,再 求 出 中 轴 线 的 交 点 以 确定 中 心 位 置 ,知 道 了 螺 钉 头 部 的 圆 心 和 槽 的 中 心 ,即可 求 出 头 部 槽 与 头 部 的 同 心

23、 度 。要 求 在 线 检 测 的 螺 钉 约 有 20 种 不 同 的 型 式 ,对于 不 同 型 号 的 螺 钉 ,需 要 确 定 的 搜 索 范 围 也 不 相 同 。该 检 测 系 统 首 先 对 不 同 种 类 的 螺 钉 图 像 进 行 识 别 ,然 后 调 用 相 应 的 参 数 测 量 程 序 ,完 成 几 何 参 数 的 测量 。 测 量 结 果 如 图 4 所 示 。图 4 测 量 界 面 与 测 量 结 果(3)合 格 判 断根 据 各 种 型 号 螺 钉 参 数 的 标 准 规 定 ,将 测 得 的螺 钉 参 数 与 其 标 准 参 数 进 行 比 较 ,以 判 断 螺

24、 钉 参 数是 否 满 足 标 准 规 定 。 如 果 测 得 的 参 数 在 允 许 的 误 差范 围 之 内 ,则 判 断 螺 钉 合 格 ;反 之 为 不 合 格 ,该 检 测系 统 除 可 输 出 螺 钉 合 格 与 否 的 判 断 外 ,还 能 统 计 出检 测 数 量 、 不 合 格 数 、 合 格 率 等 ,并 完 成 对 螺 钉 的 在线 筛 选 等 工 作 。5 结 语实 验 结 果 表 明 ,该 螺 钉 在 线 检 测 系 统 采 集 的 图像 尺 寸 为 576 768 ,该 像 素 下 的 检 测 精 度 为 0105mm(不 同 的 像 场 和 像 素 对 检 测 精

25、 度 有 一 定 影 响 ) 。 检 测系 统 由 处 理 、 测 量 一 对 图 片 到 最 后 输 出 判 断 结 果 及49 工 具 技 术各 个 参 数 ,所 需 时 间 约 为 60 毫 秒 (采 用 不 同 的 计 算机 配 置 ,测 量 时 间 会 有 差 异 ) ,能 够 满 足 在 线 检 测 要求 ,且 检 测 精 度 较 人 工 筛 选 显 著 提 高 ,并 可 检 测 各 种不 同 规 格 尺 寸 的 螺 钉 。 根 据 不 同 的 检 测 要 求 ,该 系统 还 可 以 完 成 螺 钉 头 部 是 否 有 裂 纹 和 皱 头 、 螺 纹 是否 有 斜 纹 等 相 关

26、检 测 。基 于 机 器 视 觉 的 非 接 触 式 螺 钉 在 线 检 测 系 统 具有 检 测 速 度 快 、 效 率 高 、 测 量 精 度 和 可 靠 性 高 等 优 点 ,对 于 大 批 量 螺 钉 的 在 线 检 测 具 有 很 好 的 推 广 价 值 。参 考 文 献1 美 Robert H Bishop. LabVIEW 实 用 教 程 . 北 京 : 电 子 工业 出 版 社 , 20032 李 俊 山 , 李 旭 辉 . 数 字 图 像 处 理 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版社 , 2007 : 68 1023 左 建 中 . 螺 纹 检 测 的 机 器 视 觉 方

27、 法 研 究 . 天 津 : 天 津 大学 机 械 工 程 学 院 , 20064 刘 智 , 张 世 荣 , 刘 江 . 基 于 数 字 图 像 处 理 技 术 的 螺纹 检 测 . 机 械 工 程 与 自 动 化 , 2006 (5) : 67 695 刘 华 东 , 朱 目 成 . 数 字 图 像 处 理 技 术 在 螺 纹 检 测 中 的 应用 . 现 代 机 械 , 2007 (2) : 34 356 宋 志 刚 , 王 龙 山 , 陈 向 伟 . 利 用 数 字 图 像 处 理 技 术 检 测锥 螺 纹 . 吉 林 大 学 学 报 , 2004 , 34 (2) : 248 251

28、第 一 作 者 :林 长 青 ,硕 士 研 究 生 ,四 川 大 学 制 造 科 学 与 工程 学 院 ,610065 成 都 市收 稿 日 期 :2007 年 8 月一 种 基 于 MATLAB的 形 位 误 差 评 定 方 法田 树 耀 黄 富 贵 田 辉 侯 学 峰华 侨 大 学摘 要 :提 出 一 种 基 于 MATLAB 的 形 位 误 差 评 定 新 方 法 最 优 函 数 法 ,并 分 别 对 直 线 度 、 平 面 度 和 圆 度 误 差进 行 了 分 析 评 定 。 结 果 表 明 ,最 优 函 数 法 的 评 定 精 度 可 比 最 小 二 乘 法 的 评 定 精 度 提

29、高 2 % 16 % ,且 符 合 最 小 条件 。关 键 词 :形 位 误 差 , 直 线 度 , 平 面 度 , 圆 度 , 最 小 二 乘 法 , MATLABA kind of Evaluation Method for Shape & Position Errors Based on MATLABTian Shuyao Huang Fugui Tian Hui et alAbstract : A new evaluation method for shape &position errors2the optimal function method2was put forward ba

30、sed on MAT2LAB , the straightness error , flatness error and roundness error were analyzed and evaluated with this method. The results indicatethat the evaluating accuracy of the optimal function method can be improved by 2 to 16 percent approximately , compared with thatof the least squares method

31、, and the smallest condition can be conformed.Keywords :shape &position errors , straightness , flatness , roundness , least squares method , MATLAB1 形 位 误 差 评 定 现 状在 国 外 ,英 、 美 、 德 、 日 等 工 业 发 达 国 家 对 形 位 误差 评 定 理 论 及 数 据 处 理 方 法 的 研 究 起 步 较 早 ,从 最初 研 究 直 线 度 误 差 入 手 ,到 现 在 对 平 面 度 、 圆 度 、 圆柱 度 误 差

32、 的 测 量 与 评 定 ,已 经 历 了 百 余 年 时 间 ,在 该领 域 的 研 究 已 达 到 较 高 水 平 。 从 发 达 国 家 开 发 出 的各 种 先 进 的 形 位 误 差 测 量 仪 器 中 ,即 可 看 出 其 形 位误 差 评 定 理 论 与 应 用 技 术 的 发 展 程 度 。在 我 国 ,自 形 状 和 位 置 公 差 国 家 标 准 颁 布 以 来 ,有 关 形 位 误 差 测 量 与 评 定 的 理 论 研 究 也 得 到 了 迅 猛发 展 ,研 究 范 围 已 由 最 初 的 直 线 度 、 平 面 度 和 圆 度 误差 评 定 逐 步 扩 大 到 圆 柱

33、 度 、 圆 锥 度 、 对 称 度 、 平 面 孔组 位 置 及 跳 动 等 位 置 误 差 项 目 的 评 定 ,特 别 是 关 于直 线 度 、 平 面 度 和 圆 度 的 误 差 评 定 已 取 得 了 一 定 成果 。 例 如 ,张 玉 等 人 研 究 了 直 线 度 和 平 面 度 误 差 的最 小 二 乘 评 定 法 ,通 过 “ 正 交 化 ” 处 理 ,简 化 了 计 算 公式 。 他 们 还 提 出 了 求 解 最 小 区 域 直 线 度 误 差 的 凸 多边 形 法 ,并 通 过 实 例 计 算 证 明 该 方 法 的 计 算 精 度 和速 度 优 于 黄 金 分 割 法

34、 等 直 线 搜 索 技 术 。 田 朝 平 等 人提 出 利 用 置 换 算 法 评 定 圆 度 误 差 ,该 方 法 利 用 置 换原 则 不 断 改 变 评 定 中 心 的 位 置 ,从 而 计 算 出 符 合 最小 条 件 的 圆 度 误 差 ,具 有 一 定 的 通 用 性 。 梁 荣 茗 介绍 了 最 小 区 域 法 、 最 小 二 乘 法 1、 最 小 二 乘 法 2、 最 小外 接 圆 柱 法 和 最 大 内 切 圆 柱 法 五 种 圆 柱 度 误 差 算法 ,并 采 用 方 向 加 速 法 和 步 长 加 速 法 进 行 计 算 。根 据 国 家 标 准 规 定 ,理 想 直 线 的 位 置 应 符 合 最小 条 件 ,而 理 想 平 面 和 理 想 圆 应 符 合 最 小 区 域 。 由592008 年 第 42 卷 4