（精密仪器及机械专业论文）虚拟仪器的应用与开发——工件表面质量评定与鉴别.pdf

中国科学技术人学硕卜学位论文 摘要 虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，具有虚拟面板、并且测试功 能由软件实现的一种计算机仪器系统，是计算机技术与仪器技术相结合的产物，其 大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，是一个测试和 自动化系统的高性能、低成本平台。 本文介绍了一种利用数字图像处理技术进行工件表面质量评定的非接触式光学 测量方法。该方法基于工件表面不同质量等级和缺陷在数字图像上所反映的灰度等 级的不同，以及不同加工等级在垂直方向上与水平方向上评定指标的关联性，利用 虚拟仪器软件平台，提出了利用数字图像处理方法快速、简便地评定工件表面质量 等级，识别缺陷。 在对虚拟仪器技术和粗糙度理论模型进行必要的介绍与回顾后，本文阐述了该 方法的理论原理，以及根据这原理搭建的系统软硬件结构，并着重介绍了图像的 物理和数字去噪方法、图像阈值分割、图像灰度处理、灰度评定指标和间距评定指 标的实现、表面缺陷的鉴别等内容。文中最后分析了系统精度、误差，指出了方法 实现进一步改进的方向。 关键词：虚拟仪器表面粗糙度数字图像处理 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n ti sac o m p u t e rb a s e di n s t r u m e n ts y s t e mw h i c hh a sav i r t u a lp a n e l a n di t sf u n c t i o ni sr e a l i z e db ys o f t w a r e i ti st h ep r o d u c t i o no ft h ea s s o c i m i o nb e t w e e n c o m p u t e rt e c h n i q u ea n di n s t r u m e n t a t i o nt e c h n i q u e v i m m li n s t r u m e n tb r e a k st h r o u g ht h e l i m i t a t i o no ft h ec a p a b i l i t yo ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n ti nt h ea r e a so fd a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n g ，d a t as t o r a g ea n dg r a p h i cd i s p l a y i ti sap l a t f o r mo ft h em e a s u r e m e n ta n d a u t o m a t i z a t i o ns y s t e mw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t t h ep a p e rp r e s e n t su san e wn o n c o n t a c t i n go p t i c a lm e a s u r e m e n ta p p r o a c hw h i c h e v a l u a t e st h es u r f a c eq u a l i t yo fw o r k p i e c eb yu s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t h i s m e t h o dc a l lb o t hr a n kt h eq u a l i t yg r a d es i m p l ya n dq u i c k l ya n dj u d g et h ef l a wo ft h e m a n u f a c t u r i n gs u r f a c e ，b yv i r t u a li n s t r u m e n t sp l a t f o r ma n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m e a n s ，b a s e do nt h et h e o r yt h a tw o r k p i e c e sw i t hd i f f e r e n tq u a l i t yg r a d e so rf l a wh a v e d i f f e r e n tb r i g h t n e s so nd i g i t a li m a g e ，a n dt h ei n d e x e sh a v ei n t e m a lr e l e v a n c yb e t w e e n h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lo r i e n t a t i o n a f t e ran e c e s s a r yo v e r v i e wa n di n t r o d u c t i o no nv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g ya n d r o u g h n e s st h e o r ym o d e l ，p a p e rn o to n l ye x p o u n d st h ep r i n c i p l ea n dt h ec o r r e s p o n d i n g s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e ，b u ta l s oe x p l a i n sm a n yo p e r a t i o n so ni m a g e s s u c ha sn o i s ed e c r e a s eb yp h y s i c a la n dd i g i t a lt o o l s ，i m a g et h r e s h o l dp a r t i t i o n ，i m a g e b r i g h t n e s sp r o c e s s i n g ，a c t u a l i z i n go fb r i g h t n e s sa n ds p a c ej u d g i n gi n d e x e s ，d i s t i n g u i s h i n g o fs u r f a c ef l a wa n ds oo n f i n a l l y , p a p e ra n a l y s e st h es y s t e mp r e c i s i o na n de r r o ra n d p o i n t so u tt h ed i r e c t i o nt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s s u r f a c er o u g h n e s s d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g i t 中国科学技术火学坝士学位论文 第1 章概述 1 1 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术 随着集成电路、微型计算机、通讯技术和软件处理技术的发展进步，微型计算 机、工作站速度与性能大幅提高，同时价格不断降低。这在各个层面上影响、引导 着各行各业的技术革新，为各个领域带来了新的机遇和活力，在仪器仪表测试领域 也不例外。将计算机技术与电子仪器技术在新层次上的有效结合，就产生了一种的 新的仪器模式虚拟仪器( v i ，v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。 2 0 世纪8 0 年代中期，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，简称n i ) 首 先提出了“软件就是仪器”( t h es o f t w a r eist h ei n s t r u m e n t ) 这一虚拟仪器概念， 这也是虚拟仪器的核心所在。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完 美的解决途径。 目前虚拟仪器并没有一个统一的标准定义，其中使用最广泛、最为大家所接受 的定义是： 所谓虚拟仪器，即是将现有的计算机主流技术与革新的灵活易用的软件和高性 能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与 控制系统来替代传统仪器( 价格昂贵，功能单一) 的功能。 与此同时，也存在以下其他几种具有代表性的定义： 一所谓虚拟仪器，就是以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义具有虚 拟面板、其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。 _ 虚拟仪器技术就是用户自定义的基于p c 技术的测试和测量解决方案，其4 大优势在于：性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成功能。 所谓虚拟仪器，就是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输 入、输出的接口，完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的种计 算机化仪器系统。 一虚拟仪器是通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而 把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起的系统，它 大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析 处理。 - 虚拟仪器是一种软、硬件的组合，它由硬件部分完成被测数据的采集和测试 中囡科学挫术人学坝i j 学位论文 工作，而把数据的分析和处理、数据的传输与显示交计算机来完成，通过软件编程 实现不同的仪器功能。 虽然各种定义的表述不相同，但是这些定义都具有两个本质的共同点： ( 1 ) 面板是虚拟的 面板上的各种控件、按钮与传统仪器面板上的仪器在功能上完全相同，比如旋 钮、放大倍数、通道选择等等。传统的是通过“实物”操作，可触摸、手动：虚拟 仪器的面板外形与传统实物仪器相同、但是通过键盘、鼠标操控的。 ( 2 ) 测量功能是虚拟的 系统的各种功能通过软件编程来实现，而不是通过硬件电路设计来实现，并且 可以通过组合不同的测试功能软件模块来实现所需的不同测试功能。 1 2 虚拟仪器特点与发展历程 概括地说，虚拟仪器主要具有以下特点： 1 软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件 来实现的，软件在虚拟仪器中具有重要的地位。 2 虚拟仪器的性价比高。统计资料表面，用户进行测量开发时，其五种成本中 应用软件的开发时间、软硬件产品费用、系统搭建和配置的时间为主。而这几项都 是虚拟仪器技术的优势所在，从而可以大大省却额外的重复开支。一方面，虚拟仪 器能同时对多个参数进行实时高效的测量，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器 的功能，大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器 还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此使用 虚拟仪器比传统仪器更经济。 3 多功能自定义。传统的仪器，其使用功能是由制造厂商在生产过程中加以固 定，使用者对这些功能只能加以接受。 虚拟仪器的出现，缩小了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够 根据自己的需要定义仪器的功能，组建更好的测试系统。虚拟仪器的硬、软件都具 有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此用户可以根据自己的需要灵 活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。 由于p c 机能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此借助于一台通用数据采集系 统( 或板卡) ，用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。 中圈乖 学技术人学坝i ：学位论文 图1l 虚拟仪器的多功能集成， 4 虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过由软件在计 算机屏幕上生成的、与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来实现的。因此用户 可根据自己的爱好，通过编制软件来定义面板形式。 5 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力。如和v x i 总线或现场总线等的接口能 力。此外还可以将虚拟仪器接入网络如i n t r a n e t 等，以实现对现场生产的监控和管 理。 虚拟仪器与传统仪器的在一些方面的比较有： 表1 1 虚拟仪器与传统仪器对比 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术是更新周期短( 0 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键硬件是关键 价格低 价格昂贵 开放灵活与计算机同步，可重复配置使用固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的设各 自动、智能化、远距离传输 功能单一，操作不便 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是 同步进行的。 第一阶段是利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确立，计算 机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过g p i b 和r s 一2 3 2 同计算机连接起来， 用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机 控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段是开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式 中国科学技术大学硕士学位论文 计算机数据处理板卡( p l u g i np c d a q ) ：二是v i i 仪器总线标准的确立。这些新 的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪 器功能的区别。 第三阶段是虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任 何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以 产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展 到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现 自动化的关键。 在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是v x l 总线标准的建立和推广： 二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分 析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而 非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。 1 3 虚拟仪器的分类 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： 第一类：p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如l a b v l e w ( l a b v l e w 是美国n i 公司的图形化编程工具，它可以通过各种控件组建各种仪器) 、 l a b v l e w c v i ( 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具) 相结合，通过三种编 程语言+ ，如v i s u a lc h ，v i s u a lb a s i c 等，构成测试系统。它充分利用计算机的总 线、机箱、电源及软件的便利。但是受p c 机机箱和总线限制，且有电源功率不足， 机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺 点。 第二类：并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在 一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能， 可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、 数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。它们的最大好处 是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 机相连，实现台式和便 携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教 学实验室应用。 第三类：g b i b 总线方式的虚拟仪器 中国科学技术大学硕士学位论文 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独 立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的6 p i b 系统由一台p c 机、一 块g p i b 接口卡和若干台b p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下， 一块g p i b 接口可带多达1 4 台仪器，电缆长度可达4 0 米。g p i b 技术可用计算机实 现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组 合起来，形成自动测量系统。g p i b 测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪 器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 第四类：v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，它具有稳定的电源， 强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞 吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得 到广泛的应用。经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组 建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟 的优势。然而，组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较 高。 第五类：p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加 了多板卡同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板卡总线，以使用于相 邻模块的高速通讯的局总线。p x i 的高度可扩展性。p x i 具有8 个扩展槽，而台式 p c i 系统只有3 。4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽， 台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的 虚拟仪器平台。 1 4v i 体系结构 从构成要素上讲，虚拟仪器系统由计算机、应用软件和仪器硬件组成，从构成 方式上说，则有以d a q 板和信号条理为仪器硬件而组成的p c d a q 测试系统，以 g p i b 、s e r i a l 、f i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系统、串口 系统和现场总线系统多种形式。 虚拟仪器系统通过采用搭配不同的数据采集设备与处理平台，形成了门类齐全的 体系结构，如图1 2 ，可以满足不同任务场合、不同条件的测试要求。 中国科学技术大学硕士学位论文 图l _ 2 虚拟仪器体系结构 1 5 图形化编程语言l a b e w l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n o h ) 的简称，是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简 称n i ) 的创新软件产品，也是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境 之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用于多种 不同的操作系统平台。可以说，l a b v i e w 是虚拟仪器领域中最具有代表性、应用最广、 发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境和图形化编程开发平台。 与传统程序语言不同，l a b v i e w 采用强大的图形化语言( g 语言) 编程，面向测试工 程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视 化分析和仪器控制能力等特点。通过图形化的编程环境和操作界面，能够轻松完成对 待测对象的信号调理，过程控制，数据采集、分析、显示和存储，故障诊断以及网络 通信等功能。通过使用l a b v i e w 在电脑屏幕上创建一个图形化的用户界面，即可设计 出完全符合自己要求的虚拟仪器。 在l a b v i e w 图形化编程中可以使用旋钮、开关、转盘、图表等白定义程序的前面 板，代替传统仪器的控制面板、创建自制测试面板或图形化表示控制和操作过程，用 于设置输入数值和观察输出量。每一个程序前面板都对应着一段框图程序，框图程序 相当于传统程序的源代码，框图程序由端口、节点、图框和连线构成。只需将各个图 标连在一起创建各种流程图表，即可完成虚拟仪器程序的开发，而这也符合工程师和 科学家们的原始设计理念。 中国科学技术大学硕士学位论文 图1 3l a b v i e w 程序前面板和框图代码 l a b v i e w 可以非常方便地连接各种各样的硬件产品和其它软件产品。l a b v i e w 带有 现成即用的函数库，可用于集成各种独立台式仪器、数据采集设各、运动控制和机器 视觉产品、g p i b i e e e4 8 8 和串口r s 一2 3 2 设备、p l c s 等，从而开发出一套完整的测 量和自动化解决方案。l a b v i e w 还包含了主要的仪器标准如v i s a g p i b 、串口和v x i 仪器可共用标准：p x i 和基于p x i 系统联盟c o m p a c t p c i 标准的软硬件：i v i 可互换 虚拟仪器驱动程序；v x ip l u g & p l a y ；v x i 仪器标准驱动程序。l a b v i e w 同样提供了广 泛的通讯及数据存储方式，如t c p i p ，o p c ，s q l 数据库连接，和x m l 数据存储格式。 l a b v l e w 还提供与a c t i v e x 软件、动态链接库( d l l s ) 及其它开发工具的共享库之间 的开放式连接。此外，还可以用d l l 、可执行文件的方式或使用a c t i v e x 控件调用 l a b v i e w 代码。 中国科学技术大学硕士学位论文 第2 章表面粗糙度理论与测量技术 2 1 概述 利用机械加工或者其他加工方法获得的零件表面，总是存在几何形状误差。目 前，这种表面几何形状误差按波距( 相邻两波峰或者波谷之间的距离) 大小划分为 三类：波距小于l m m 的称为表面粗糙度：波距l 哪i o r m l 的称为表面波纹度；波距 大于 o m m 的称为形状误差。 表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌最常用的参数。随着机械加工行业 的发展，表面粗糙度的理论和测量技术也得到长足进步，特别是在7 0 年代中后期计 算机的普及和现代光学技术、激光应用技术的发展，使粗糙度测量技术在机械加工、 光学加工、电子加工等精密加工行业中具有重要地位。 2 1 1 表面粗糙度定义 表面粗糙度( s u r f a c er o u g h n e s s ) ，旧称表面光洁度( s u r f a c ef i n i s h ) 。它是指 零件表面加工后形成的具有较小间距的峰谷的微观几何形状特征，它反应的是机械 零件的微观几何形状误差，所以又可称为微观不平度。 表面粗糙度的产生主要是由于切削加工过程中的刀痕、刀具和零件表面的摩擦、 切屑分离时工件表面金属的塑性变形，以及加工工艺系统的高频振动等多种因素造 成的。所以表面粗糙度时评定机器零件和产品质量的一个重要指标。 2 1 2 表面质量对产品性能的影响 表面粗糙度的大小对产品的使用性能和使用寿命有很大的影响，主要有： ( 1 ) 对摩擦和磨损的影响 表面粗糙度影响零件的耐磨性，表面越粗糙，摩擦系数就越大，零件的两个结 合表面的磨损就越快。因此，有相对运动的接触表面，应规定合理的表面粗糙度值。 ( 2 ) 对零件疲劳强度的影响 表面粗糙对零件疲劳强度的影响与零件的材料有关。粗糙的钢制零件表面，在 交交应力作用下，对应力集中很敏感，因而对其影响较大。而铸铁组织松散，因而 影响小。 ( 3 ) 对抗腐蚀性的影响 零件的表面越粗糙，腐蚀气体或液体就越容易通过其表面的微观凹谷渗入到零 件内层，造成表面锈蚀。 中国科学技术大学硕上学位论文 ( 4 ) 对配合性的影响 相互配合的零件表面越粗糙，不仅会增加装配的难度，而且在工作时容易磨损， 配合间隙增大，从而改变配合性质。 ( 5 ) 对结合密闭性的影响 粗糙表面结合时只在局部波峰上形成点接触，影响密闭性。因而表面粗糙度值 越低，零件密闭性在其他同等条件下会提高。 2 2 常用表面粗糙度检测方法 对表面粗糙度的评价可有定性和定量两种。 定性评定是将待测表面和已知表面粗糙度级别的标准样板相比较，通过直接目 测或借助于显微镜观察由人主观判别其级别，这叫粗糙度样板比较法。粗糙度标准 样板一般要求尽可能用与工件相同的材料、加工方法及制造工艺制造，这样才便于 比较以及减少误差。这一方法带有人的主观性，其判断的准确性较差，有争议时改 用定量评定方法。定量评定是应用仪器测量评定的方法，通过数据处理得出待测表 面的粗糙度参数值。目前，应用较广的表面粗糙度测量方法主要有光切法、干涉法 和触针法等。 2 2 1 光切法检测原理 光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法。它是将一束平行光带以一定 角度投射到被测表面上，光带与表面轮廓相交的曲线影像即是被测表面截面轮廓曲 线的反映。其原理如图2 1 所示。 a ) 图2l 光切法原理 由光源发出的光线经狭缝后形成一束光带，此光带以4 5 。方向射向被测表面， 与被测表面相交。若零件表面轮廓如图2 1 a ) 所示的阶梯面，则在反射方向上，通 中国科学技术大学硕士学位论文 过显微镜就可以看到如图2 1 b ) 所示的图像。只要用测微读数装置测出h ”和s 的刻 度值，就可以根据下列公式算出表面不平的实际高度h 和实际横向距离s 的实际值。 ：h c o s 4 5 。：竺c o s 4 5 。 s ：旦 p 式中h “、s 为读数值；卢为仪器所选物镜的放大倍数。 2 2 2 干涉法检测原理 干涉法是指利用光学干涉原理来测量表面粗糙度的一种方法。 垂骏 图2 2 干涉条纹 根据光学中光程差每增加半个波长，即形成一条干涉带的干涉原理，制作成千 涉显徽镜。当被测表面粗糙不平时，即在干涉显微镜的目镜分划板上产生明暗相间 的干涉条纹，如图2 2 所示。由测微目镜读出相邻两干涉带距离a 和干涉带弯曲高 度b ，并计算出被测表面微观不平度的实际高度为： h ：鱼。兰 a2 式中，兄为光波波长。 在取样长度内，测算5 个最大的h 并加以平均即得出比值，也可以测量评定月。 值。干涉显徽镜一般用于铡量表面粗糙度参数较小的光亮表面，即微观不平度十点高 度尼值在0 0 2 5 0 8 , u m 的表面。 2 2 3 针描法的测量原理 针描法又称触针法，它是一种接触式测量方法，是利用仪器的测针与被测表面 相接触，并使测针沿其表面轻轻划过，感触到表面的实际形貌，通过数据采集处理 得到测量表面粗糙度参数的一种测量法。 0 中国科学技术入学碗十学位论文 ：逍34 庳5 6 商7 l 母。 图23 针描法测量原理 卜被洲i ? 件；2 - 触针；3 - 传感器；4 一驱动箱；5 一测微放大器； 6 信号分离及运算：7 一指示表：8 一记录器 图2 3 所示是针描法的测量原理图，它是将一个很尖的触针( 半径可以做到微 米量级的金刚石针尖) 垂直安置在被测表面上作横向移动，由于工作表面粗糙不平， 因而触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。将这种微小位移通过电路转换 成电信号并加以放大和运算处理，即可得到工件表面粗糙度参数值。也可通过记录 器描绘出表面轮廓图形，再进行数据处理，进而得出表面粗糙度参数值。这类仪器 垂直方向的分辨率最高可达到几纳米。 这种测量方法是否能测到表面轮廓的微细的变化、所测出的表面轮廓是否有失 真，与触针的曲率半径有关，也与测量力有关。触针的曲率半径直接限制了仪器所 能检测的表面粗糙度的最小参数。 2 2 4 其他粗糙度测量方法 1 ，印模法 对于一些零件的内表面难以使用仪器直接进行测量，此时可用印模法来间接测 量。印模法的做法是，利用某些塑性材料作印模，适当用力把它贴合在被测表面上， 然后小心取下，在印模上留下了被测表面的轮廓形状，最后对印模的表面进行测量， 得出原来零件的表面粗糙度。 2 表面轮廓的非接触测量方法 用针尖去接触并扫描工件的实际表面，有可能会划伤被测表面，特别是对一些 质地较软的表面更不可采用触针式的测量方法，例如光盘、硅片等的。因此，非接 触式表面轮廓探测技术受到重视并得到发展。 现在已有光学探针可取代机械触针，它是采用透镜聚焦的微小光点取代金刚石 针尖，表面轮廓高度的变化通过检测焦点误差来发现。只要能感触到被测表面的实 际变化，并得到相应的电信号，就可以用它来像机械触针一样扫描被测表面，但与 被测表面不存在刚性的接触，不会划伤被测表面。数据的采集、处理以及结果的显 中国科学技术大学硕士学位论文 示都可以像前面介绍的触针式测量仪器一样的形式得到实现。 2 3 表面粗糙度理论与测量技术进展 2 3 1 世界表面粗糙度理论与标准 表面粗糙度标准的提出和发展，与工业生产技术的发展有密切关系。它经历了 由定性评定到定量评定的两个阶段。 俄国教授切比雪夫( q e 6 b l l l l e b ) 堪称世界上首先对零件表面光洁度进行系统、 深入研究的学者。1 8 7 4 年，他在系统研究的基础上开创性地提出了在圆柱铣中计算 表面光洁度的最大高度公式。 1 9 3 1 年1 0 月，德国颁布了世界上第一个表面光洁度标准d i n 4 0 。该标准首先规 定一为不加工的表面符号，v 、叮v 、v v v 为加工表面的光洁度符号。但该标准 没有规定相应的参数和数值。因此，不同等级的光洁度所代表的光滑程度只能靠目 测来判断。 1 9 4 0 年，美国发表a s a b 4 6 1 国家标准，后经过几次修订，成为现行标准 a b s i a s m eb 4 6 1 1 9 8 8 表面结构、表面粗糙度、表面波纹度和加工纹理。1 9 4 5 年，前苏联发布了f o c f 2 7 8 9 1 9 4 5 表面光洁度、表面微观几何形状、分级和表示 法，该标准也采用中线制，并规定了包括轮廓均方根偏差( 即现在的r ) 在内的6 个评定参数及其相应的参数值。随后，英国、联邦德国、日本相继指定了自己的表 面粗糙度标准。 1 9 6 6 年2 月，i s o 正式提出i s 0 r 4 6 8 1 9 6 6 表面粗糙度国际推荐标准。该 标准颁布后，一方面有很多国家据此修改或制定了本国标准，如美国、前苏联、日 本、英国、联邦德国、法国等，且均采用了“表面粗糙度”这一术语。从而使各国 标准基本上趋于一致。另一方面，1 8 0 t c 5 7 又制定了一系列有关表面粗糙度的测量 仪器及比较样块等标准。 1 9 8 2 年，i s o 组织颁布了最新标准i s 0 4 6 8 1 9 8 2 ( e ) 表面粗糙度，从而取代 了使用已久的推荐标准( o 0 0 8 - - 0 0 2 o 0 2 5 o 1 0o 0 80 4 o 0 2 0 1 o 1 0 - - 0 5 0o 2 5 19 与 0 i 2 0 0 5 0 1 0 0o 84 0 2 o 1 0 0 1 0 o 5 0 o 2 51 2 5 l o o 8 0 o 5 0 3 2 08 o4 0 0 一般情况下应该按照国家标准g b t 1 0 3 1 1 9 9 5 表面粗糙度参数及其数值 中国科学技术大学硕士学位论文 规定的取样长度进行选取，见表2 1 。当有特殊要求时，应该给出相应的取样长度， 并在图样或者技术文件上注明。 2 评定长度f 。( e v a l u a t i o nl e n g t h ) 评定长度f 。是指评定表面粗糙度所需要的一段长度。它可以包括一个或者几个 取样长度，如图2 ，5 。规定评定长度是因为零件表面各部分的表面粗糙度不一定均 匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映被测表面的粗糙度，所以需要在几个取 样长度上分别测量，取其平均值作为测量结果。我国国标推荐，一般取5 个，即，。= 5 ， 对均匀性好的表面可少于5 个，反之可多余5 个。 3 中线( m e a nl e n g t h ) 基准线是评定表面粗糙度参数值大小的一条参考线。基准线有下列两种： a 、轮廓的最小二乘中线 轮廓的最小二乘中线是指在取样长度范围内，划分轮廓使被测轮廓线上的各点 到该线的距离平方和为最小( y z ? = m i n ) 的具有几何轮廓的基准中线。如下图所 一 i 二1 刀i 。 a ) 最小二乘中线轮廓总的走向 b ) 算术平均中线轮廓总的走向 图2 6 轮廓的基准中线 b 、轮廓的算术平均中线 算术平均中线是指在取样长度范围内与轮廓走向一致并划分被测轮廓为上下两 部分，且使所形成的上下部分的面积相等( 鼻= f ) 的具有几何轮廓的基准中 线。其通常用目测的方法确定。 国家规定以轮廓的最4 , - - 乘中线( 简称中线m ) 作为基准中线。 z 4 3 表面缺陷 表面粗糙度是用以评价表面微观几何不平度量值的，而且这种不平度是应该由 于加工痕迹造成的。因此在测量时，不应该包括气孔、砂眼、擦伤、刮伤等表面缺 中国科学技术大学硕，l 一学位论文 陷。对于这些表面缺陷所造成的影响不应该计入测量结果中，也不作为表面粗糙度 是否合格的指标。 2 5 表面粗糙度的评定参数 国家标准g b t 3 5 0 5 2 0 0 0 规定的评定表面粗糙度的参数有幅值参数、间距参 数、形状参数等三方面。 1 幅值参数 a 轮廓算术平均偏差r 指在取样长度范围内，被测轮廓线上各点到基准中线距离的绝对算术平均值。 尺。= 了1r i yp x 或近似为： 尺。= 川 门_ 式中，n 在取样长度范围内所测点的数目 y ，各点到基准中线距离。 b 轮廓微观不平度十点高度r ， 指在取样长度范围内，轮廓的5 个最大轮廓峰高的平均值和5 个最大轮廓谷深 的平均值之和，即： r ：导( 壹k 卜妻h 1 ) 式中：y 矿儿：分别为波峰、波谷至中线的距离。 图27 轮廓微观不平度十点高度 c 轮廓均方根偏差r 。 轮廓均方根偏差r 。即为取样长度内轮廓偏距的均方根值，公式为 中国科学技术大学硕士学位论文 其也可用下式进行近似计算： 尺q 鼯丽 ：再 该参数表示轮廓偏离中线的程度，是数理统计中常用的一个特征参数。近几年 来对该参数的研究也有所增加。 d 轮廓最大高度尺。 轮廓最大高度r 。为取样长度内轮廓最大峰顶线与轮廓最大谷底线之间的垂直 距离。 图28 轮廓最大高度 2 间距参数 a 轮廓微观不平度的平均间距瓯 是指在取样长度范围内，轮廓微观不平度的平均间距为 丢毫s i n , 式中，s 。是轮廓与中线相交点的第i 个微观不平度间距。 图2 9 轮廓微观不平度的平均间距 b 轮廓的单峰平均间距s 中国科学披术大学顺匕学位论文 轮廓的单峰平均间距s 为取样长度内轮廓的单峰间距( 两相邻单峰最高点之间 的距离在中线方向的投影长度) 的平均值，如下图所示： 匏蠢蚋t 蟪蕾 幽2 1 0 轮廓的单峰平均间距 3 形状参数 用轮廓的支撑长度率t 。来表示。其含义是指：在给定水平位置上轮廓的支撑 长度刁。与取样长度f 的比率： r ，= 孚 式中，玎。指在取样长度内水平截距为c 的一条平行于中线的线与轮廓峰相截 所得的各段截线长度之和，即： 7 7 。= b 1 + b2 + 。b ：+ + b 。 fp 是对应于不同水平截距c 而给出的。tp 值对应不同水平截距c 所画成的 曲线称为支撑长度率曲线f 。( c ) ，通常也称为艾福特一福斯特曲线 ( a b b o t t - f i r e s t o n e ) 。 图2 1 1 轮廓的支撑长度 2 6 本课题的主要思路及工作 由前期的内容介绍中，我们可以了解到，在现有对表面粗糙度的各种检测方法 中，不同的方法有不同的特点和优点，但是同时也都具有各自的缺点。如在针描法 9 中国科学技术大学硕士学位论文 中，虽然该方法简便易行，仪器容易实现小型化与自动化，但是其检测精度容易受 到针尖的磨损程度影响，而且在检测高精度表面时，容易对被测表面造成划伤，破 坏被测表面质量；在干涉法中，虽然其检测精度高，但是所需的设备复杂昂贵，不 利于普及，而且有些参数值随取样长度和测量仪器分辨率变化而变化，很难进行表 面削的比较。 在工件表面，由于表面的微观结构存在凹凸不平的部分，当光线照射到被测工 件表面时，其反射光的强度也不相同，在数字图像上所得到的灰度等级曲线也不相 同。同时，在机械加工表面轮廓线上，当轮廓的最大高度较大时，轮廓的单峰间距 也较大，即在轮廓线上的水平方向的粗糙度指标和竖直方向的指标有一定的相关性。 通过利用数字图像处理的方法寻找这种相关性，提取信号中能够反映工件表面形貌 特征的有用信息，并用图像反映出来，对所得到的信息进行分析、比较与识别，从 而建立快速、简便的工件表面质量评价指标和方法。 因此，我们提出利用c c d 摄像机和光学方法，结合虚拟仪器搭建非接触式光学 图像采集平台，对高精度加工表面进行快速的信号采集、测量与评定，从而在探索 一种新的表面粗糙度光学检测方法和新的评定指标上面进行有益的理论与实践尝 试。 中国科学技术火学硼= l 学位论文 第3 章系统软硬件的实现 3 1 系统整体方案介绍 如图3 1 所示，被测高精度工件表面被放置到小型工具显微镜下进行观察，其 表面图像通过目镜、物镜放大后，其模拟图像信号被c c d 摄像机采集，经过图像采 集卡转换，得到可被电脑处理的数字信号。在后续处理中，利用l a b v i e w 软件和虚 拟仪器图像处理软件对每幅图像的狄度信号进行提耿、分析，作出相应的灰度等级 曲线，计算其拉伸长度与均方值、灰度的总光强，并利用数字图像处理方法对图片 进行滤波、平滑、增强、分割、直方图统计等处理，建立工件表面质量等级与灰度 图像之间的指标联系。 被测工件 蚓3 i 系统方案框图 3 2 系统硬件组成 3 2 1c c d 摄像机 电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) ，是7 0 年代发展起来的新型半导体 光电器件。它的内部由很多个光敏单元组成，每个光敏单元就是在硅单晶衬底上生 长一层绝缘的二氧化硅薄层，厚度约2 0 微米，然后在二氧化硅表面制成一层并列铝 电极，相互间隙小于3 微米。 一个完整的c c d 由光敏单元、转移栅、位移寄存器和一些辅助输入、输出电路 组成。c c d 光敏材料受入射光的激发后产生电荷，电荷包的大小与入射光的强度和 照射时间成正比关系，在一定的积分时间内对光敏单元中的电荷进行取样，取样结 束后，光敏单元中的电荷由转移栅转移到位移寄存器相应的单元中，位移寄存器在 驱动时钟的控制下依次将电荷转移到输出端。 彩色c c d 采用了一种类似“三明治”的三层结构，主要由网格、聚光镜和电子 中固科学技术人学坝i 。学位论文 线路矩阵组成。如图3 2 。为了帮助c c d 能够组合呈彩色影像，网格被发展成具有 规则排列的色彩矩阵，这些网格以红r 、绿g 和蓝b 滤镜片所组成( 三原色c c d ) ， 亦有补色c c d ( 为c m y g y 黄色) 。每一个c c d 元件由上百万个m o s 电容所构成 ( 光点的多寡看c c d 的象素而定) 。 a ) 彩色c c d 的三层结构b ) c c d 感光元件电子产生示意图 上：增光镜片中：色块网络下：感应线路 图32c c d 原理示意图 表3 1c c d 摄像机参数表 型号 e 一9 0 2 + 图像传感器 l 3 ”s h a r pc c d 水平清晰度 4 2 0t vl i n e 象素p a l ：5 0 0 ( h ) * 5 8 2 ( v )n t s c ：5 1 0 ( h ) * 5 9 2 ( v ) 扫描系统 p a l n t s c 同步系统 i n t e r n a ls y n c h r o n i z a t i o n 最低照度 0 1l u x ( i n f r a r e dl a m p st u r no n ) 信噪比m o r et h a n4 8d b y 特性 0 4 5 c c d 光圈1 5 0 ( 1 6 0 ) 一1 1 0 0 0 0 0 s e l 视频输出 1 o v p p7 5 0 h m s ，n e g a t i v e 1 2 vd c 1 2 0 m a ( w h e nt h ei n f r a r e dl a m p st u r no n 电源功耗 m a x i m u me l e c t r i c i t yi n4 0 0 m a ) 镜头4 m m 1 6 m m f 1 5 颜色 b 1 a c k 中固科学技术人学坝l 学位论文 本系统采用s t a r b a k 电子产品公司生产e 一9 0 2 + 型m h 牌针孔式微型c c d 摄像 机，该产品采用具有高解析度的t 3 微型彩色日本s h a r p ( 夏普) c c d 传感器，用 d c + l o 1 3 v 供电，视频输出为1 v p p ( 7 5 0 h m s ) ，并具有防水功能。产品参数如表 3 1 。 3 2 2 视频图像采集卡 p c 上通过视频卡可以接收来自视频输入端的模拟视频信号，对该信号进行采 集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频序列。大多数视频卡都具备硬件压 缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩，然后才通过p c i 接 口把压缩的视频数据传送到主机上。一般的p c 视频采集卡采用帧内压缩的算法把数 字化的视频存储成a v i 文件，高档一些的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频 数据实时压缩成m p e o 一1 格式的文件。 系统采用天敏科技有限公司生产的i o m o o n ss d k - - 2 0 0 0 视频采集卡，该卡具有 三路视频输入，是一款专门针对系统开发而生产的高品质视频采集卡，具备高速p c i 总线，兼容即插即用( p n p ) ，支持一机多卡。该卡并针对系