多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法*

林軍帆 蘇彩紅 詹寧宙 林梅金

多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法*

林軍帆1蘇彩紅1詹寧宙2林梅金1

（1.佛山科學技術學院機電工程與自動化學院，廣東 佛山 528000 2.佛山精視自動化科技有限公司，廣東 佛山 528000）

多層階梯的陶瓷蓋表面具有多層階梯和安裝孔，表面平整度測量困難。以此，研究一種多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法。采用三維激光掃描點云數據采集技術，獲取陶瓷蓋三維點云數據；對點云模型進行--坐標圖像擬合，利用方向深度圖像選擇待測陶瓷蓋外階層的ROI區域，并計算其平整度。實驗結果表明，該方法測量結果準確可靠，測量誤差在0.04 mm內，測量準確率達到90%。

激光采集；點云分割；3D仿射變換；多階梯平整度測量

0 引言

溫控器絕緣開關由特種陶瓷殼體和陶瓷蓋作為主體，殼內陶瓷蓋配合動作桿形成動觸體結構。為保證溫控器絕緣開關具有良好的氣密性及動作桿觸發靈敏、穩定，陶瓷殼體的密封蓋及支撐動作桿的陶瓷蓋需有平整的表面。陶瓷蓋一般由多個階梯組成，并有突起的動作桿安裝孔，外層接觸面僅有幾平方毫米，難以快速測量其表面變形情況。

現有常見的測量方法有接觸式和非接觸式2種[1]。接觸式測量方法一般采用游標卡尺、螺旋測微器、關節臂式千分表和二維粗糙度儀等[2]，測量可靠性高、精度穩定，但需要與被測物體接觸，容易造成儀器或物體表面的磨損、變形，且測量效率低、步驟繁瑣；非接觸式測量方法包括激光法[3]、超聲波測量法和機器視覺測量法[4]等，其測量過程不接觸物體，不存在二次破壞的可能，對于一些接觸面小的待測物體，測量過程易實現。

本文對多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法進行研究，探究通過相機與激光器構成的激光采集裝置對三維點云數據的采集處理，實現多層階梯的陶瓷蓋表面平整度的快速測量。

1 陶瓷蓋結構

本文測量的陶瓷蓋有2個階層，中心通孔為動作桿的安裝位，結構圖如圖1所示。有缺陷的陶瓷蓋（外階層表面不平整）的結構如圖2所示。

圖1 陶瓷蓋結構圖

圖2 有缺陷的陶瓷蓋結構圖

2 測量方法

若采用單個相機采集陶瓷蓋外階層的表面圖像，只有-方向的平面信息，未包含深度信息，導致表面不平整部分難以識別；利用雙目相機進行物體三維重建，某一特征區域的恢復和還原可能存在較大誤差；而利用RGB-D相機可獲取有深度信息的圖像，但相機價格較昂貴，難以在工業應用中普及。為此，本文通過測量多層階梯陶瓷蓋表面的平整度來判斷其表面是否存在缺陷，實現對陶瓷蓋的快速測量。

首先，利用激光采集裝置對陶瓷蓋進行三維點云數據采集，分割處理；然后，將三維點云數據轉化成具有深度信息的圖像；最后，選擇測量區域并利用像素值成比例轉換的深度值求取陶瓷蓋表面平整度。

2.1 三維點云數據采集

2.1.1 激光采集裝置設計

設計激光采集裝置對陶瓷蓋進行激光掃描，生成點云數據。該裝置由相機、激光器和固定支架組成，如圖3所示。陶瓷蓋為2階層圓形結構，激光器與陶瓷蓋之間不能存在偏角，否則可能導致不同高度的階層對后面產生遮擋而無法掃描，使采集的三維點云數據缺損。本文將線激光發射器安裝在待測陶瓷蓋正上方，相機與線激光發射器成45°且處于同一水平面[5]。

圖3 激光采集裝置結構圖

2.1.2 激光采集裝置坐標系

相機采集線激光發射器掃描陶瓷蓋的線激光信息，并利用該信息形成三維點云數據時，需構建相應的位置坐標關系。構建的圖像坐標系-、世界坐標系-、相機坐標系-，如圖4所示。世界坐標系中的軸分別對應圖像坐標系和相機坐標系中的軸和軸，軸分別對應圖像坐標系和相機坐標系中的軸和軸。

圖4 激光采集裝置坐標系

2.1.3 點云數據分割

相機在采集陶瓷蓋點云數據的同時也采集了搭載平臺的點云數據[6]。為將陶瓷蓋的點云數據分離出來[7]需進行點云數據分割。將采集的數據點集進行排序，并將數據點集中坐標大于設定值的點排除，剩下的點保存，點云數據分割效果圖如圖5所示。

圖5 陶瓷蓋點云數據圖

2.2 三維點云數據轉化成深度信息圖像

利用相機采集的陶瓷蓋點云數據量較大，超過4萬個數據點。求表示深度信息的軸坐標并計算相鄰兩點坐標之差，需耗費大量時間，且相減求均值會累計更大誤差。為此，本文將陶瓷蓋點云數據轉化為二維平面點。

為防止鏡頭變形帶來坐標點偏移，利用鏡頭畸變系數對平面投影坐標進行校正[9]，校正公式為

通過式(2)將三維點云數據、、坐標投影在平面中，最終擬合成、、方向的圖像[10]，而方向圖像在原三維坐標中代表高度信息，因此得到具有深度信息的圖像如圖6所示。

圖6 三維點云數據轉換為X-Y-Z圖像

2.3 深度圖像獲取ROI區域平整度

通過式(5)得到深度圖像內選取的ROI區域的傾角，并根據選取ROI的像素均值與擬合一個基準平面[11]。由于在采集過程中數據可能丟失，造成轉化的二維圖像出現空洞現象。通過生成一個基準平面對外階層與內階層間的空洞進行填補，以避免出現過多的無效數據影響ROI區域劃分。

式中，20表示與行相關的二階矩；02表示與列相關的二階矩；11表示區域點的行和列坐標之間的協方差。

利用式(6)對輸入的深度圖像ROI區域進行矩陣區域劃分。

在深度圖像上選擇外階層ROI和內階層ROI，分別得到ROI區域并獲取該區域的高度像素值。通過計算該區域像素點均值，求取兩階層間的像素值之差；通過差值與實際值的比例，得到像素值擬合高度值的校正系數；再利用外階層最大值與最小值間的偏差，得到陶瓷蓋表面的平整度數據。ROI區域圖像如圖7所示。

圖7 ROI區域圖像

3 實驗驗證與分析

本文采用KSJ MU3S40M相機采集的陶瓷蓋圖像像素為800×600，線激光發射器UC3D40-40x25-B/R掃描速度可達1 335 ～ 6 786 Hz，藍色線激光波長為405 nm。本實驗主要驗證標準件間的偏差和本文方法對缺陷件檢測的準確率。

3.1 標準件偏差的驗證

通過對一組標準件進行平整度測量，得到待檢測ROI區域的像素偏差，驗證陶瓷蓋平整度檢測算法的穩定性，測量數據如表1所示。

表1 標準件平整度測量數據

由表1可以看出：標準件平整度測量的像素均值誤差在0.05以內、最大值誤差在0.06以內、最小值誤差在0.07以內；標準件測量平整度選取的ROI區域的像素值偏差在0.08 mm以內；測量時間都在2 s以內。

3.2 外階層平整度測量的驗證

隨機選取一組零件進行平整度測量，測量數據如表2所示。

表2 測量數據 單位：mm

由表2測量數據可以看出：在系統正常運行過程中，測量誤差值可控制在0.1 mm以內；但經過人工重復測量后，發現零件7為誤檢，這樣在排除誤檢后的測量精度可控制在0.04 mm以內；經多次重復試驗，得到系統的測量準確率可達90%。

4 結語

針對多階梯的陶瓷蓋表面平整度測量復雜的問題，本文以2層階梯陶瓷蓋為例，提出一種多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法。通過將陶瓷蓋的三維點云數據轉化為--圖像，根據具有深度信息的圖像選取ROI區域計算陶瓷蓋外階層的平整度。通過測量得到如下結論：

1）利用多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法在對標準件測量時，選取的ROI區域像素值的偏差在0.08mm以內，測量時間在2s內，實現快速測量；

2）利用多層階梯的陶瓷蓋表面平整度測量方法對隨機零件測量時，測量誤差在0.04mm內，測量準確率可達90%。

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Measuring Method for Surface Flatness of Ceramic Cover with Multi-layer Steps

Lin Junfan1Su Caihong1Zhan Ningzhou2Lin Meijin1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528000, China2.Foshan Jingshi Automation Technology Co., Ltd. Foshan 528000, China)

The surface of the ceramic cover with multi-layer steps and mounting holes is difficult to measure the surface flatness. Based on this, a multi-layer step method for measuring the surface flatness of ceramic cover is studied. The 3D laser scanning point cloud data acquisition technology is used to obtain the 3D point cloud data of ceramic cover; The point cloud model is fitted with--coordinate image, the ROI area of the outer layer of the ceramic cover to be tested is selected by using the-direction depth image, and its flatness is calculated. The experimental results show that the measurement results of this method are accurate and reliable, the measurement error is within 0.04 mm, and the measurement accuracy is 90%.

laser acquisition; point cloud segmentation; 3D affine transformation; multi-step flatness measurement

林軍帆，男，1995年生，碩士研究生，主要研究方向：機器視覺處理方向。E-mail: 527054689@qq.com

蘇彩紅（通信作者），女，1963年生，博士，教授，主要研究方向：機器視覺與智能檢測。E-mail: 168152620@qq.com

基金項目：廣東省教育廳特色項目（2018KTSCX237）；廣東省教育廳重點領域專項（2019KZDZX1034）。

TP391

A

1674-2605(2021)05-0008-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.05.008