基于計算機視覺的徑向跳動公差檢測實驗平臺開發

陳永清,賈 虹,郭建亮,吳增文,陳廉清

(1.寧波工程學院 機器人學院,浙江 寧波 315211;2.浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室,浙江 杭州 310023)

“互換性與測量技術”是高等工科院校機械類、近機類各專業的專業必修課,其中“幾何公差及檢測”內容抽象、生澀,是“教與學”的難點。幾何公差的項目理論教學若輔以相應實驗,可使“教與學”由難轉易。然而,由于學時所限,不少高校針對幾何公差相關實驗僅開展直線度、平行度與垂直度誤差測量實驗,學生較難理解,而必須掌握的徑向跳動公差往往被忽略。生產中,各類軸、圓形法蘭、軸承內外圈和閥芯等回轉體零件的設計和制造通常要求滿足徑向跳動誤差。如果學生對徑向跳動誤差不理解,在設計中標注不當或不懂標注,輕則造成設計失敗、產品報廢,重則發生事故。常規的徑向跳動誤差檢測方式是用偏擺儀兩頂尖定位回轉體零件,使百分表的觸頭與被測件外圓周徑向垂直輕觸,然后轉動被測工件至少一周,讀出百分表的最大及最小值并作差,即為被測工件該橫截面的徑向圓跳動誤差。該檢測方式效率低、操作繁瑣、搬移困難、結果展示不形象,在用于檢測徑向全跳動、斜向圓跳動誤差時,學生更是難以理解。因此,開發基于計算機視覺技術的便捷式徑向跳動公差實驗平臺來輔助教學,既可有力補充高校的理論教學,又可啟發學生的創新意識。

1 實驗平臺設計及工作原理

徑向跳動公差測量實驗平臺結構如圖1所示。平臺主要包括大恒MER-1810-21U3C相機、COMPUTAR0814鏡頭、LED背光源、計算機、調速電機和頂針及支座等。相機鏡頭與光源分別置于工件兩側,中心軸線水平垂直。相機、鏡頭和光源三者中心平面與水平放置的待檢件上邊緣等高,實驗平臺如圖2所示。圖像采集工作過程:調速電機以預設速度帶動待檢件勻速轉動,相機以設定頻率采集圖像,并將圖像信息傳送至計算機,由公差檢測程序系統讀取。電機旋轉一周,相機即可采集圓周面均勻分布的素線圖像信息。平臺的電機轉速、相機采集圖像頻率均可以按檢測實際要求設定。采集的待檢件(閥芯)源圖像如圖3所示。

圖1 實驗平臺結構圖Fig.1 Structure drawing of experimental platform

圖2 實驗平臺Fig.2 Experimental platform

圖3 源圖像Fig.3 Original image

2 徑向跳動公差檢測程序算法設計

2.1 圖像去噪

受工況等客觀條件的影響,采集的源圖像存在噪聲信息,這些噪聲通常會對特征提取造成干擾,因此首先要進行圖像去噪[1]。中值濾波是一種保邊緣的非線性圖像平滑方法,能快速、有效和簡單地抑制噪聲[2],筆者采用中值濾波對源圖像進行去噪處理。

中值濾波的效果依賴于兩個要素:鄰域的空間范圍和中值計算中涉及的像素數[3]。二維的中值濾波可以表示為

(1)

式中:Yij為輸出圖像;Xij為源圖像;A為窗口。

筆者選用窗口大小為3×3的中值濾波對待檢工件源圖像進行處理,消除噪聲。

2.2 二值化處理

二值化處理是把完整的目標特征從背景中分割出來[4]。圖像二值化處理既要保證質量,又要兼顧運算速度。圖像二值化處理的方法較多,當圖像主要由兩個灰度值構成，且灰度分布均勻時,適合運用最大類間方差閾值法作分割處理[5-7]。待檢件源圖像基本由亮(背景)、黑(待檢件)兩類特征組成,因此選擇最大類間方差法對中值處理后的圖像作二值化處理,將圖像分割為待檢件(黑區域)與背景(白區域)兩部分。二值化處理速度快、效果好,邊緣信息無丟失、冗余,處理結果如圖4所示。

圖4 二值化處理Fig.4 Binary process

2.3 Roberts邊緣檢測

要測量回轉零件的徑向跳動,即測量回轉零件截面圓的半徑值,需要先選取有效的方法提取待檢件素線邊緣特征。Roberts算子是一種利用局部差分算子搜索邊緣的交叉微分算子,邊緣檢測定位精度高、運算速度快,適合用來提取待檢件邊緣特征[8-9]。Roberts算子表達式為

(2)

式中:g(i,j)為輸出圖像;f(i,j)為具有整數像素坐標的輸入圖像。

采用Roberts算子提取待檢件邊緣特征,邊緣清晰、連續,結果如圖5所示,適合測量邊緣上各點位置信息。

圖5 邊緣檢測Fig.5 Edge detection

2.4 徑向跳動誤差檢測

徑向圓跳動公差是指在被測圓柱面的某一固定參考點上,在垂直于基準軸線的方向上,繞基準軸線旋轉一周時允許指示器跳動的最大讀數的差值[10-12]。實驗平臺檢測程序系統工作過程:公差檢測程序系統讀取源圖像,對圖像作去噪處理、二值化處理和邊緣特征提取;在邊緣上定位某一固定參考點,測量該點Y坐標像素數值,Y與標定值的乘積即為長度單位的半徑R,將第i幅圖像參考點半徑值記作Ri(i=1,2,…,n。n為待檢件旋轉一周,相機采集圖像的幅數,n越大,檢測結果越準確);比較Ri大小,得到半徑最大值Rmax與最小值Rmin,Rmax與Rmin差值即為徑向跳動誤差W。系統將實測值W與徑向跳動公差值T進行比較,判斷產品的徑向跳動誤差是否合格。在程序檢測前2幅圖像時,先將第1幅圖像R1設為Rmax,將第2幅圖像的R2與R1進行比較,兩者中大的記為Rmax,小的記為Rmin。檢測、判斷系統程序流程如圖6所示。

圖6 檢測流程圖Fig.6 Detection flow chart

3 實驗及結果

LabVIEW軟件是一款高效的圖形化設計軟件,具有強大的圖形顯示能力,在實驗或實踐教學中的應用日趨廣泛和多樣。實驗平臺檢測程序系統基于LabVIEW軟件開發完成,徑向圓跳動誤差檢測及結果如圖7所示。在界面“公差值”里輸入公差值(如0.1,實驗零件粗車制作完成),點擊左上角的運行箭頭,系統開始檢測。圖7中豎直線為檢測圓截面位置,可根據檢測要求確定。界面同時顯示提取的工件邊緣曲線、檢測點圓周徑向跳動曲線以及圓周展開圖,在圓周展開圖中給出檢測到的誤差最大值。為了兼顧效率與準確性,待檢回轉體轉過約0.2 mm弧長,相機即采集一幅圖像。檢測直徑為4 mm的閥芯,系統采集頻率為60幅/周,整個檢測過程用時少于2 min。實驗耗時短,圖像展示結果形象,有助于學生對知識點的理解,課堂教學效果好。此外,適當增加截面圓數量還可檢測徑向全跳動誤差,選取圓錐體截面圓也可檢測斜向圓跳動誤差。

圖7 徑向圓跳動誤差檢測及結果Fig.7 Error detection and result for radial run-out

4 結 論

從課程教學的難點出發,設計了實驗裝置,結合計算機視覺技術與LabVIEW軟件,開發了便捷式徑向跳動公差實驗平臺。平臺能實現回轉體零件徑向跳動誤差的檢測,使徑向跳動公差的“教與學”由難變易,滿足了教學與實驗需求,使學生加深對概念的理解、提高學習興趣。該實驗平臺尤其適合徑向圓跳動、斜向圓跳動與徑向全跳動公差實驗,進一步開發還可用于圓度、圓柱度、素線、直線度及同軸度誤差等實驗。徑向跳動公差檢測實驗平臺是創新自制實驗設備,是學以致用的實踐,對實驗教學改革、大學生創新能力的培養起到積極作用。