機(jī)器視覺球面孔位快速精密測量系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的各種加工測量新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，精密量具、量儀等測量裝置正朝著數(shù)字化、信息化的高新技術(shù)方向發(fā)展。 數(shù)字化測量技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。高速、高效、高精度、高可靠性、多功能的先進(jìn)數(shù)字化測量技術(shù)和儀器裝備、服務(wù)，推動(dòng)著數(shù)字化制造技術(shù)和裝備的發(fā)展。兩者之間互為依托的關(guān)系決定了發(fā)展精密測量技術(shù)的必要性和迫切性。因此，加強(qiáng)精密測量基礎(chǔ)理論的研究，采用數(shù)字化測量技

2、術(shù)及產(chǎn)品來迅速提升機(jī)械制造業(yè)的水平，代表著當(dāng)今科技發(fā)展的方向和要求。 球面孔系位置精密測量一直是測量領(lǐng)域的一個(gè)難題，隨著航空、航天以及國防工業(yè)的發(fā)展，這類測量任務(wù)日益增多，且精度和效率要求也越來越高。三坐標(biāo)測量機(jī)雖可實(shí)現(xiàn)球面及更復(fù)雜表面的精密測量，但效率較低，難以滿足自動(dòng)化測量的要求。更先進(jìn)的三坐標(biāo)測量機(jī)能夠同時(shí)滿足精度和速度的要求，但動(dòng)輒數(shù)百萬美元的價(jià)格，也非一般用戶所能接受。雖然萬能工具顯微鏡也能進(jìn)行類似測量，但需由人工操作

3、完成，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量。如果被測件材料具有特殊性(如放射性等)，則工作人員更難實(shí)現(xiàn)測量。因而研究基于機(jī)器視覺的檢測技術(shù)，以非接觸方式實(shí)現(xiàn)球面微/小孔系位置測量具有重要意義。 本文以四川大學(xué)激光應(yīng)用技術(shù)研究所承擔(dān)的軍工配套項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)為背景，結(jié)合省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“機(jī)器視覺測量與圖像處理技術(shù)研究”的研究內(nèi)容，對球面孔位快速精密測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。從理論和實(shí)踐上解決了用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)球面孔系位置測量的技術(shù)難題。

4、該課題的研究彌補(bǔ)了現(xiàn)有測量手段在球面或類球面小孔及孔系位置測量方面的不足，測試結(jié)果達(dá)到了項(xiàng)目的技術(shù)要求，即測量時(shí)間≤40秒/孔位；測量不確定度≤30角秒。項(xiàng)目通過了四川省科技廳的鑒定，其技術(shù)屬國內(nèi)領(lǐng)先水平。本文的主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)可以歸納為： 1．全面介紹了國內(nèi)外機(jī)器視覺技術(shù)研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀，在充分比較現(xiàn)有測量方法的基礎(chǔ)上，建立了球面孔系坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型；進(jìn)而提出了通過球體轉(zhuǎn)位控制，將三維孔系坐標(biāo)測量轉(zhuǎn)化為二維圖像識別，再經(jīng)幾何

5、計(jì)算求得球面孔位坐標(biāo)的測量方法。該方法較好地解決了球面或類球面小孔及孔系位置測量的技術(shù)難題。 2．由于被測件孔型不同(通孔和盲孔)，孔徑不等，因而圖像差別大，后續(xù)處理算法不一樣，為此本文創(chuàng)新性地根據(jù)灰度直方圖實(shí)現(xiàn)了孔型的自動(dòng)識別，提高了系統(tǒng)的智能化程度和對測量任務(wù)的廣泛適應(yīng)性。 3．通過分析球面孔系坐標(biāo)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測量任務(wù)要求，創(chuàng)新性地提出了用準(zhǔn)直激光束引導(dǎo)機(jī)器視覺系統(tǒng)的精確定位方法，解決了曲面工件因?yàn)榧夹g(shù)原因不

6、易直接定位的技術(shù)難題。通過實(shí)驗(yàn)證明該方法校準(zhǔn)速度快、精度高。 4．根據(jù)定位系統(tǒng)的要求，提出了自聚焦光纖準(zhǔn)直的方法；所設(shè)計(jì)的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，其準(zhǔn)直后激光束發(fā)散角(0.5<'0>，滿足本課題機(jī)器視覺系統(tǒng)定位的要求。 5．在分析傳統(tǒng)Hough變換檢測法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了基于目標(biāo)區(qū)自適應(yīng)搜索的快速檢測法。該算法的特點(diǎn)是通過目標(biāo)區(qū)自適應(yīng)搜索，確定目標(biāo)近似中心點(diǎn)(x。，y。)，從而將圓心累加范圍限制在近似中心點(diǎn)(x。，y。)附近

7、，大大地減少了無效累積，使檢測誤差和執(zhí)行時(shí)間分別小于1個(gè)像素和50ms，實(shí)現(xiàn)Hough變換快速檢測。 6．在系統(tǒng)總體控制模式方面，采用了PC機(jī)與DSP+FPGA數(shù)字電路組成的主從式操作模式：以計(jì)算機(jī)作上位主機(jī)，完成對DSP的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示及人機(jī)對話(包括小孔模擬圖像的顯示、中心坐標(biāo)的顯示等)，而大量的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算交給DSP去完成。這種方式彌補(bǔ)了DSP在事件處理方面所表現(xiàn)的I/O口較少及人機(jī)界面不友好等不足，充分發(fā)揮了

8、DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；尤其是DSP+FPGA的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方案將CCD圖像采集與處理和球體轉(zhuǎn)位裝置的運(yùn)動(dòng)控制融為一體，從而保證了測量的高精度和高效率。 7．對基于模糊控制理論的步進(jìn)電機(jī)控制算法進(jìn)行了研究?？刂葡到y(tǒng)采用DSP作為處理器，同時(shí)還選用了FB920P高精度觸角編碼器作為電機(jī)位置反饋元件，并配之以FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)控制電路，構(gòu)成了一個(gè)實(shí)時(shí)、靈活的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)位裝置的高精度、高速度控制。本課題是一