計算機視覺的同心度實驗平臺設計

陳永清， 蔣惠芬， 范水明， 陳廉清， 程曉民

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

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計算機視覺的同心度實驗平臺設計

陳永清1， 蔣惠芬2， 范水明3， 陳廉清1， 程曉民1

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

設計了基于計算機視覺技術與LabVIEW的零件同心度公差測量實驗平臺。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學邊緣提取方法，得到單一像素的連續的內外圓邊緣特征；應用最小二乘擬合圓方法得到精確的圓心坐標，由歐幾里德公式計算圓心距離，通過標定轉換為長度尺寸，開發測量程序系統，實現同心度公差測量的準確判斷。結果表明，該實驗平臺檢測正確率高，速度快，界面友好，適合學生實驗，還能滿足生產實際要求。

形態學； 同心度； 測量； 計算機視覺

0 引 言

同心度是軸、套、環形類零件最重要的形位公差之一，如常見的有閥芯，軸承內、外圈等；特別是高速旋轉的零件，其同心度公差要求則更高。國內的工科高校均開設了“公差與檢測技術”課程及相關實驗，但大部分高校都忽略了同心度測量這一形位公差的實驗操作。原因有：① 精度高的同心度測量儀器價格較昂貴，如影像儀、圓度測量儀等；② 測量時間長，課時安排受限，如三坐標測量機等；③ 雖然測量工具簡單便宜，但是誤差大，實驗意義不大，如卡尺等。學生沒有經過實驗的體會，對同心度認識就不夠深刻，在日后工作中遇到同心度問題時，通常都會手足無措。在制造需檢測同心度零件的諸多企業中，通常只有產量大的企業會購買專用的同心度測量儀器檢測產品；而一般的企業僅要求員工在加工過程中使用簡單便宜的測量工具做檢測，這樣的后果是檢測結果誤差大，不合格品流到下一工序時有發生，造成不必要的浪費。因此，本文開發的基于計算機視覺技術開發的同心度測量實驗平臺，具有便捷、高效、性價比高、體積小、易操作、精度高等特點，既是對高校實驗設備的補充完善，也可滿足企業生產的實際使用。

1 實驗平臺硬件構成

同心度測量實驗平臺的圖像采集系統硬件結構如圖 1 所示，主要包括北京大恒公司生產的DH-HV3110FC攝像機(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、V形工作臺等。平臺硬件設計攝像機軸心、LED平行背光源法線在V形工作臺對稱面內。本平臺采集的外圓直徑φ8.5閥芯圖像，如圖2所示。

圖1 實驗平臺硬件系統

圖2 閥芯

2 同心度測量程序系統算法設計

2.1 圖像預處理

(1) 去噪處理。圖像采集時總會受到各類噪聲干擾，采用沒有振鈴效應，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。回轉類零件基本都帶有倒角，零件的倒角邊是偽邊緣，影響測量的精準度。所以，圖像要進行二值化處理，消除倒角邊緣特征，并減少后續圖像處理的計算量。

(3) 邊緣提取。同心度測量的實質是計算內外圓圓心的距離，欲求圓心位置，則必須先求出圓特征。形態學的邊緣提取處理要比基于微分運算的邊緣提取算法有優勢，它不像微分算法對噪聲那樣敏感，同時，提取的邊緣也比較光滑，而且滿足實時性要求[2-3]。

設集合A，B?Z2。其中，A為源圖像;B為結構元素，則基本定義:

B對A腐蝕

(1)

B對A膨脹

(2)

腐蝕的作用是減弱圖像中較亮的細節，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的同時還可以填充邊緣微小的空洞，從而增加邊緣的連續性[4]。

對于提取的內外圓邊緣特征，應該是連續的單一像素。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算，

(3)

結構元素B= [111，111，111]，提取內外圓的邊緣特征，如圖3所示。

圖3 內外圓特征

2.2 內外圓特征擬合求圓心

擬合圓的方法很多，不同方法各有優劣。開發程序系統時，既要考慮測量精度，還要兼顧運算速度。而最小二乘法是通過最小化誤差的平方和找到一組數據的最佳函數匹配，可以很好地滿足測量精度及運算速度的要求，因此采用最小二乘擬合圓方法[5～7]求閥芯內、外圓的圓心坐標。

設圓半徑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為

(8)

由函數極值方法知，使N取得極小值的參數α、β和N應滿足：

(9)

即:

(10)

解式(10)可求得參數α、β和J。有:

(11)

通過對輪廓的定位及計算，求得內圓圓心為A(xin,yin)，外圓圓心為B(xout,yout)，如圖4所示。

圖4 內外圓圓心

2.3 同心度測量及判別

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

(12)

圖5 測量程序流程圖

3 平臺實驗及結果

LabVIEW軟件是一個高效的圖形化設計軟件，具有強大的圖形顯示能力、完備的高級數學分析庫、便捷快速的程序設計過程，為實驗室研究和自動化應用提供了一個直接高效的設計環境；LabVIEW在實驗或實踐教學中的應用也日趨廣泛和多樣[8-12]。基于該軟件開發的測量系統界面如圖6所示。系統能夠實時顯示實測同心度值及結果合格與否，并統計測量總數、合格數、不合格數。

圖6 測量系統界面

系統默認同心度公差φ=0.02，標定值0.008 7。如果同心度公差不同，可自行設定所需值；如果物距改變，標定值相應改變，系統需重新設定標定值。公差與標定值確定后，點擊界面左上角的運行箭頭，系統開始運行。測量程序系統從采集到測量完畢一個閥芯圖像的時間不到0.3 s，可見測量系統的實時性較好。隨機抽取10件閥芯為實驗對象，與影像儀測量結果比較，如表1所示。測量程序人機系統人體界面友好、操作簡單、測量迅捷、維護方便[13-14]。

表1 同心度測量結果 mm

兩種方法的測量結果均全部合格。由于兩者測量時定位基準不同，影像儀以端面為基準，實驗平臺以外圓柱面為基準，數據結果作為參考，只須判斷結果保持一致。因此，自制實驗平臺可以填補學校實驗設備的空白。

4 結 語

本文基于計算機視覺技術與LabVIEW軟件，結合生產實際需求，選擇合適的硬件設備，設計了同心度實驗平臺。實驗結果表明，平臺能實現零件同心度的測量，滿足了教學實驗需求，為學生提供了實踐、實驗機會，加深了對概念的理解，同時又鍛煉了學生實際動手能力，能夠激發學生對本專業以外知識領域的探索欲望；也是教師提高自身科研能力、促進科教融合的機會。測量程序系統人機界面友好、操作簡單、測量迅捷、維護方便[13]。實驗平臺更為實驗室增添了新設備、新技術，是高校自制實驗設備的有益補充[14]。平臺滿足檢測的實時性與準確性要求，還可用于實際生產中，大大提高生產效率，降低人力成本。

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Design of Concentricity Experiment Platform Based on Computer Vision

CHENYong-qing1，JIANGHui-fen2，FANShui-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

國家自然科學基金資助(51275251); 浙江省自然科學基金(Y14E050021); 寧波工程學院2015年度自制教學儀器設備項目

陳永清(1975-)，男，廣東陽春人，碩士，講師，現主要從事計算機視覺技術、機電一體化研究。

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

G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0059-04