基于机器视觉的轴类零件几何尺寸测量

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轴类零件是 机械工业 中极为 常见 的零件 之- ，其几何尺寸与精度 不仅直接影响机械 的运 动性能、使用寿命，且对减少能源消耗和环境污染等有重要影响。在我 国大多数机械加 工企业 的加工现场 ，产品尺寸的测量仍 然采用 V型块加 百分表或千分表、千分尺等落后的传统量具。这种传统的手工测量方法对操作人员的依赖性强，操作者劳动强度大，效率低 ，产品质量得不到有效保 障，还可能产生很 多人为误差 ，这样就难 以满足大批量、高效 率、高精度 的产品检测要求 。因此 ，研 究低成本、高精度、高效率 的轴类零件尺寸 自动检测 系统，对提 高我 国机械装备制造业的技术 水平具有重大意义 。 目前 ，视觉检测技术是精密测试技术领域内最具有发展潜力的新技术 ，它综合运用 了电子学、光 电探测 、图像处理和计算机技术 ～机器视 觉引入工业检测 中，实现对物体(产 品或零件 )尺寸或相对位置 的快速测量 ，可以做到实时在线、非接触和高精度，省时省力并可以避免测量过程 中人为产生 的错误 ，同时也能实现生产的连续性和提高生产的 自动化程度 。本 文应用机器视觉技术开发 了-套完整的轴类零件测量 系统，重点介绍了系统的软硬件结构 ，结合改进 的 自适应中值滤波算法，对轴类零件的基本参数进行了快速准确地测量 。

1 系统总体设计本系统的组成 分为两部分 ：硬件 系统和软件 系统。硬件系统 主要完成图像采集 ，使用 CCD摄像头及配套的图像数据采集 系统 ，采集能够反映轴表 面特征 的图像。如图 1所示 ，由于轴类零件属于非透明体 ，采用背向照明方式 ，背 向照明是被测物放 在光源和摄像机之间，它的优点是能获得高对比度的图像 ，有利于后续图像处理。光源发出光波，经环形光收稿 日期 ：2012-06-11；修回 日期 ：2012-07-02基金项目：国家自然基金(11072099)；甘肃省高校基本科研业务费项 目的部分资助作者简介：祁晓玲(1987-)，女，山西人，兰州理工大学机电工程学院硕士研究生，主要研究方向是机器视觉与图像处理，(E-mail)zhulingkaixuan### 163.com。

2013年 1月 祁晓玲，等：基于机器视觉的轴类零件几何尺寸测量 ·67·图 4 阶 梯 轴 及 其 尺 寸 表 示换来检测直线。它的基本思想是 ：将直线上每-个数据点变换为参数平面中的-条直线或曲线，利用共线数据点对应的参数曲线相交于参数空间中-点的关系，使直线的提取问题转化为计数问题。Hough变换提取直线 的主要优点是受直线中的间隙和噪声影响较小 。从得 出的边缘 图像中，可以检测到六条直线段，依次求得各条直线的位置参数，即为三段轴的边缘线，从而可以计算得到图4所示阶梯轴的轴径。

3.2.2 角度的确定虽然边界处的坐标已经被求出来了，但是求出的坐标并不都是准确地落在直线上。那么使用哪些点来计算两条直线的角度呢在计算角度之前可以先对直线进行拟合。基于直线拟合的检测算法，根据最小二乘原理用直线来逼近直线轮廓 川 。直线的方程为：y( )aoal (2)取其残差为 ：s aoa1 -Y (3)式中i∈E，E表示所有边界的集合；( ，Y )为图像边界点坐标 。

残差平方和函数为 ：F(a0，n，)∑s ∑(。。。。 -Yi) (4)根据最小二乘原理，应取a。和a 使F(a。，a。)有极小值 ，故 a。和 a。应满足下列条件 ：f z ；c。。 -y 。 、l 2 yJ) 。

为两直线的斜率)，<，>”指点积，f I”指长度即模长。由反余弦函数 ayccos可以求出角度。以图4中所指的倒角为例具体步骤如下：找到左上方水平直线上的-点，求出其坐标，然后扫描行数比该点所在行小于 3的点 ，从而找到斜线上 的-个点。由这两点出发，使用函数bwtraceboundary跟踪目标边界，本文分别采用 向右和向北方 向的 8邻域 内找 100和 10个点，为了使求得的角度和两条直线的交点更加准确，找的点数越多越精确。把这些点分别拟合成两条直线。计算出两条直线的方向向量，由角度公式(7)得出两直线的夹角，为所求的倒角。

3.2.3 轴长的确定左端的轴长 ：求角度时拟合出两条直线 ，且两直线的交点 已知 ，即为左边部分的边界终点 ，该点坐标为(rl，c2)，依次向左扫描 ，检测出 r1行的最小列，记作c1，则左端的轴长 L1c2-cl；中间段轴长 ：找到图像的中间段部分，记下该段所有边界点所在的行和列。找出最大的列数记作 c3，其行数记作 r2，即中间段的长度L2c3-c2；右端的轴长：在整个图像中找到最大列值c4的点，则可判断出，该点为工件该段轮廓 的结尾点，并把该点记为 (r3，c4)，则右端的轴长 L3c4-c3。

4 测量结果与误差分析根据测量结果 ，生成的二维图如图 5所示。表 1所示为零件 实际尺寸与测量结果对 比，及其相对误差分析。视觉检测 中的误差值是由多方面的因素造成的，其中包含光源偏移及角度变化，摄像机的透视误差，图像处理算法的影响，尺寸测量中检测参数的选取等。

表 1 实验结果 与标 准值 比较图 5 重绘 零件 图及 尺寸标注左边段轴径 中间段轴径 右边段轴径 左边段轴长 中间段轴长 右边段轴长 倒角 1(。) 倒角2(。)(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)标准值 15.5 18.0 23.O 2O.0 51.O l6.O 37.5 50.0实验值 l5.6867 18.5542 23.1084 20 2410 51.2771 l6.0241 37.3930 50.5280相对误差 (% ) 1.20 3.07 0.47 1.2O 0.54 O.15 O.29 0.55即得如下正规方程组 ：∑ 。。∑Xi∑Y (6)。。∑ ao∑ ∑求出 a。，a。，可以求出组成倒角的两条直线。

角度计算可以使用公式 ( ) (7)其中，vecl和vec2分别是两条直线方向的向量，方向向量 vecl(1，k1)，vec2(1，k2)(kl，k2分别5 结论计算机视觉测量系统在工业生产过程 中应用越来越广泛，由于图像采集系统、传输媒介以及成像系统的不完善，图像信号在生成、传输过程中，很容易受到脉冲噪声的干扰，因而图像增强通常是-个必要的环节。选认适的滤波算法对保证测量精度无疑是非常重要的。本文基于 MATLAB平台，采用改进的自适应中值滤波可以有效地滤除椒盐噪声，并很好的保持图像的细节信息，滤波性 (下转第73页)2013年 1月 孙红涛，等：基于 自适应滑模变结构控制的多轴同步协调控制系统建模 ·73·表 2直线型同步协调控制系统仿真结果Controler Mean[ilm] sD[um] RMS[um] AIAE[um] Imaxl[tim]ASMC FFD 0 2213 10.9816 10.8609 8.7401 32 1057PID FFD -0.1963 1 3.368 l3.1457 10.5247 39.6448ASMC FFDO.0914 7.1253 7.0872 5.6984 21.0914SYNCPID FFD- 0.0783 9.1921 9.0824 7.3324 27.338SYNC 从 图 14可知 ：图 14b和 dASMCFFDSYNC同步误差范 围约 为 -20～20um，PIDFFDSYNC同步误差范围约为 -30-30urn，ASMCFFD同步误差范围约为 -35～35um，PIDFFD同步误差范围约为 -40～40urn。因此采用 ASMCFFDSYNC对同步误差范围控制效果最好。

表 2中各种控制方法组合仿真结果可知 ：ASMCFFDSYNC与 ASMCFFD相 比同步误差 RMS和 AIAE分别 降低 34.75%和 34.80% ；PIDFFDSYNC与 PIDFFD相 比同步误差 RMS和 AIAE分别降低 30.91%和 30.33%；PIDFFD 同步误差RMS和 AIAE分别为 ASMCFFD的 1.21倍和 1.20倍 ；PIDFFDSYNC同步误差 RMS和 AIAE分别为 ASMCFFDSYNC的 1.28倍和 1.29倍。因此无论采用 PIDFFD位 置控制器 还是 ASMCFFD位置控制 器 ，加入 同步控 制器 后 ，均能减 小 同步误差，而无论有无同步控制器，采用 ASMC同步误差RMS和 AIAE均 比 PID控制方法要小 。

5 结束语针对直线型 双轴同步控制平 台，进行 同步协调控制算法与自适应滑模变结构控制算法研究。采用Matlab完成该 同步协调控 制系统建模 和仿真 实验。

实验结果表 明，该直线型双轴 同步控制平台加入 同步控制器后，可以降低多轴同步运动过程中所产生的同步误差(RMS值)30%左右，并且在该平台上再加入 自适应滑模变结构控制与前镭制复合位置控制器能更好地控制同步误差。以上所做的理论仿真研究为多轴同步协调控制提供-定的理论价值，表明白适应滑模 变结构控制 (ASMC)在多轴 同步协调控制 中具有较好的应用前景。