（机械制造及其自动化专业论文）机器视觉球面孔位快速精密测量系统的研究.pdf

v q 1 1 人学博f 。学位论文 机器视觉球面孔位快速精密测量系统的研究 机械制造及其自动化 研究生徐晓秋指导教师周肇飞教授 随着计算机技术、通信技术及超大规模集成电路技术的发展，世界范围内 的各种加工测量新技术和新产品不断涌现，精密量具、量仪等测量装置正朝着 数字化、信息化的高新技术方向发展。 数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术。高速、高效、高精度、 高可靠性、多功能的先进数字化测量技术和仪器装备、服务，推动着数字化制 造技术和装备的发展门1 。两者之间互为依托的关系决定了发展精密测量技术的 必要性和迫切性。因此，加强精密测量基础理论的研究，采用数字化测量技术 及产品来迅速提升机械制造业的水平，代表着当今科技发展的方向和要求。 球面孔系位置精密测量一赢是测量领域的一个难题，随着航空、航天以及 国防工业的发展，这类测量任务日益增多，且精度和效率要求也越来越高。三 坐标测量机虽可实现球面及更复杂表面的精密测量，但效率较低，难以满足自 动化测量的要求。更先进的三坐标测量机能够同时满足精度和速度的要求，但 动辄数百万美元的价格，也非一般用户所能接受。虽然万能工具显微镜也能进 行类似测量，但需由人工操作完成，难以实现自动化测量。如果被测件材料具 有特殊性( 如放射性等) ，则工作人员更难实现测量。因而研究基于机器视觉的 检测技术，以非接触方式实现球面微小孔系位置测量具有重要意义。 本文以四川大学激光应用技术研究所承担的军工配套项目的相关技术为 背景，结合省应用基础研究项目“机器视觉测量与图像处理技术研究”的研究 内容，对球面孔位快速精密测量系统进行了深入的研究。从理论和实践上解决 了用机器视觉技术实现球面孑l 系位置测量的技术难题。 该课题的研究弥补了现有测量手段在球面或类球面小孔及孔系位置测量 方面的不足，测试结果达到了项目的技术要求，即测量时问4 0 秒孔位； 四川大学博l 。学位论文 d s p 作为处理器，同时还选用了f b 9 2 0 p 高精度触角编码器作为电机位置反馈 元件，并配之以f p g a ( 现场可编程门阵列) 控制电路，构成了一个实时、灵 活的步进电机控制系统，实现了转位装置的高精度、高速度控制。 本课题是一个典型的光、机、电、算一体化课题。基于本文所述的把球面 孔系坐标的三维测量通过球体转位控制，转换为球面上圆孔的二维测量，即使 用面阵c c d 采集圆孔图像，通过图像处理识别圆孔中心坐标，再经计算确定 圆孔的空间位置的测量模式，只需改变工件转位或移动方式，就可实现其它型 面的非接触测量。本课题的研究为机器视觉系统的完全数字化、智能化和小型 化进行了有益的探索，其成果具有较广泛的适用范围和较重要的参考价值。 关键词：球面孔系位置测量；机器视觉；面阵c c d ；d s p ；图像识别 i i i 四川大学博士学位论文 s t u d yo nt h ef a s ta n dp r e c i s em a c h i n ev i s i o ns y s t e mf o rt h e h o l e - p o s i t i o n so ns p h e r es u r f a c e a b s t r a c t m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n d o c t o r a t es t u d e n t ：x ux i a o q i u s u p e r v i s o r ：z h o uz h a o f e i i ns p a c et h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u m c a ：t i o nt e c h n o l o g y a n dl a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc f f c m tt e c h n o l o g y , v a r i o u sn e wt e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t s o fm e a s u r i n gi n s t n u n e n t a t i o n si nt h ew o r l d w i d ed e v e l o pt o w a r d sd i g i t i z e da n d i n f o r m a t i o n t h ed i g i t a lm e a s u r e m e n ti st h ek e yt e c h n o l o g yf o rt h em o d e mm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y t h ed i g i t a lm e a s u r i n gt e c h n o l o g yo ft h eh i 曲s p e e d ，h i 曲e f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o n h i g hd e p e n d a b i l i t y , a n dm u l t i - p u r p o s ep r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to f t h ed i g i t a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h er e l i a n c eo nt h er e l a t i o n s h i pb e “v e e nt h e m d e c i d e st h ee s s e n t i a l i t ya n du r g e n c yo ft h ed e v e l o p m e n to fp r e c i s em e a s o r e m e n t t e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，t or e s e a r c ht h eb a s i ct h c o r i e so f p r e c i s em e a s u r e m e n ta n dt o a d o p tt h ed i g i t a lt e c h n o l o g ya r ei m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g l e v e l t h ep r e c i s em e a s u r e m e n ti nt h ew o r k s i t ei sd i f f i c u l t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ea v i a t i o n ，s p a c ea n dd e f e n s ei n d u s t r i e s ，s u c hm e a s u r e m e n t sa r eg r o w i n g t h e a c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ft h e ma r ei n c r e a s i n g ，t h e3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n ec a l la c h i e v et h ep r e c i s em e a s u r e m e n t so ft h es p h e r eo ro t h e rc o m p l e x s u r f a c e s ，b u tt h ee f f i c i e n c yi sv e r yl o wa n dd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t a d v a n c e d3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n ec 觚 s i m u l t a n e o u s l ym e e tt h er e q u i r e m e n t sa b o u ts p e e da n da c c u r a c y , b u ti ti sa tt h e p r i c eo f m i l l i o nd o l l a r st h a ti sd i f f i c u l tt oa c c e p tf o rt h en o r m a lu s e r s a l t h o u g ht h e a l m i g h t yt o o l sm i c r o s c o p e sc a nr e a l i z es i m i l a rm e a s u r i n g ，i tr e q u i r e sm a n u a l i v 四川大学博j ：学位论文 o p e r a t i o nt oc o m p l e t ea n di ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h ea u t o m a t i cm e a s u r i n g i ft h e m e a s u r e dm a t e r i a lh a sa p a r t i c u l a r i t y ( s u c hi l l sr a d i o a c t i v i t y , e t e ) ，t h em e a s u r i n gi s m o r ed i f f i c u l tt ob ea c h i e v e db yt h eo p e r a t i n gf o r c e t h u st h er e s e a r c ho ft h e t e s t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h em a c h i n ev i s i o na n da c h i e v i n gt h es p h e r e m i c r o s m a l lh o l el o c a t i o nm e a s u r i n gu s i n gt h en o n - c o n t a c tw a yh a v es i g n i f i c a n t r k q e t h i sp a p e ri sb a s e do nad e f e n s ei n d u s t r ys u i t a b l ep r o j e c t ，u n d e r t a k e nb yt h e a p p l i e do fl a s e r sr e s e a r c hi n s t i t u t e ，s i c h u a nu n i v e r s i t y i ti sa l s oa s s o c i a t e dw i t h t h es u b j e c to f r e s e a r c ho nm a c h i n ev i s i o ns y s t e ma n di m a g ep r o c e s s i n g o ft h e a p p l i e db a s i cr e s e a r c hp r o j e c t si ns i c h u a np r o v i n c e t h et e c h n i c a lp r o b l e ma n dt h e r e l a t i v et h e o r yo f t h em e a s u r e m e n th a v e b e e ns o l v e d t h er e s e a r c ho f t h i ss u b j e c th a sm a d eg o o df o rt h es c a r c i t yo nt h em e a s u r e m e n t o ft h eh o l e - p o s i t i o n so ns p h e r eo rs i m i l a rs p h e r es u r f a c e s u s i n gt h ee x i s t i n g m e a s u r e m e n tm e t h o d s a n dt h et e s tr e s u l t sa r ea c h i e v e d o nt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t t h et e s t i n gt i m es h o u l dl e s st h a n4 0 s p e rh o l e sp o s i t i o n a n dt h em e a s u r e m e n ti n a c c u r a c yi sn o tl a r g e rt h a n3 0 ”t h ep r o j e c th a sb e e n i d e n t i f i e db yt h es c i e n c ed e p a r t m e n to fs i c h u a np r o v i n c e ，a n dt h et e c h n i c a ll e v e li s i nl e a di nc h i n a 1 1 ”m a i nr e s e a r c hw o r ka n di n n o v a t i o np o i n t si nt h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o ft h em a c h i n ev i s i o n s y s t e mw c r e c o m p r e h e n s i v e l yi n t r o d u c e d t h ea d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fv a r i o u s m e t h o d sa n d a p p l i c a t i o n s w e r ea n a l y z e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e h o l e - c o o r d i n a t e so ns p h e r es u r f a c ew e t ss e tu p m o r e o v e r , a ns y s t e mo fi m a g e s i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gb a s e do nd s p + f p g aa r c h i t e c t u r ea n dc c d a a n l e l aw i t hh i g hp i x e l sw a sp r o p o s e d 1 h es y s t e mp r o v i d e dh i g h e rs p e e da n d p r e c i s i o n 2 ai n n o v a t i o ni d e aw h i c hi d e n t i f i e sh o l et y p ca u t o m a t i c a l l y ( t h r o u 曲h o l e a n db l i n dh o l e ) a c c o r d i n gt og r a y - l e v e lh i s t o g r a mw a sg i v e n t h em e t h o di m p r o v e d t h ei n t e l l i g e n c el e v e lo f t h es y s t e ma n dt h ew i d ca d a p t a b i l i t yo f m e a s u r e m e n t v 四川大学博士学位论文 3 b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e ma n dm e a s u r e m e m r e q u i r e m e n t s ，ap i n p o i n tm e t h o du s i n gar e f l e c t i o nt y p eo fc o l l i m a t i n gl a s e rb e a m g u i d e dp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nm a c h i n ev i s i o nw a sp r o p o s e d a n dt h e c a l i b r a t i o n e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h em e t h o dp r o v i d e dh i g h e rs p e e da n d p r e c i s i o n 4 a c c o r d i n gt ot h er e q m r e m e n to f t h ep i n p o i n tm e t h o d ，af i b e rs e m i c o n d u c t o r l a s e rc o l l i m a t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d , w h i c hd i v e r g e n c ea n g l eo f t h el a s e rb e a mi s l e s st h a n0 5 。i tc a l lm e e tt h ed e m a n d so ft h ep o s i t i o ns y s t e mb a s e do nm a c h i n e v i s i o n 5 b a s e do nt h et r a d i t i o n a lh o u g ht r a n s f o r mm e t h o d , aa d a p t i v es e a r c h i n g m e t h o di nt a r g e ta r e aw a sp r o p o s e d i nt h i sw a y , t h ea c c u m u l a t i o nr a n g eo ft h e c i r c l ec e n t e rc a nb er e s t r i c t e dn e a rt h ec e n t e rp o i n t ( x 。，y o ) ，a n dn o n e f f e c t i v e a c c u m u l a t i o nc a l lb eg r e a t l yr e d u c e d t h e t e s t i n g e r r o ra n dt h et i m ea r e r e s p e c t i v e l yl e s st h a ni p i x e la n d5 0m s 6 t h em a s t e r - s l a v eo p e r a t i o nm o d ec o n s t i t u t e db yt h ep ca n dd s p + f p g a d i g i t a lc i r c u i t sw a sa d o p t e d t h ep cc o m p l e t e dt h ec o n t r o l l i n go fd s pa n dd i s p l a y o f 也cd a t ap r o c e s s i n gr e s u l t sa n dm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n a n da g r e a td e a lo f d a t a p r o c e s s i n gc a l c u l a t i o nc o m p l e t e db yt h ed s ee s p e c i a l l yt h ea d v a n c e dd i g i t a lc i r c u i t d e s i g no ft h ed s p + f p g aw a si n t e g r a t e dt h ec c di m a g ea c q u i r e m e n ta n d p r o c e s s i n ga n dt h em o v e m e n tc o n 灯o l l i n go ft h es p h e r e s h i f t i n gd e v i c ea sa w h o l e ， a n di nt h i sw a y , h i g l lp r e c i s i o na n dh i g h e f f i c i e n c yo f t h em e a s u r i n gc a nr e a l i t y 7 t h er e s e a r c ho nt h ec o n t r o la l g o r i t h mo ft h es t e p p i n gm o t o rb a s e do nt h e f u z z yc o n t r o lt h e o r yw a sp r o p o s e d aa d v a n c e df e e d b a c kc o n t r o l l i n gs y s t e mw a s d e v e l o p e d i t sp r a c t i c a la n da p p l i c a t i o n sp r o v e dt h a ti tc 锄m e e td e m a n d s b a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g ，r e c o g n i t i o n a l g o r i t h ma n dc o n t r o l l i n gm o d e c o n v e r t s3 dm e a s u r e m e n ti n t o2 di m a g er e c o g n i t i o no n l yc h a n g e st h el o c o m o t i o n o rm o v e m e n tm o d e ，t h en o n - c o n t a c t e dm e a s u r e m e n tf o ro t h e rs u r f a c e t y p ei s r e a l i z e d t h er e s e a r c ho nt h i sp a p e rc a l lb ea p p l i e dw i d e l y p r o v i d e sar e s o l u t i o nf o r v i 四川大学博士学位论文 t h ec o m p l e t e l yd i g i t a l ，i n t e l l i g e n ta n dm i n i a t u r i z a t i o no ft h em a c h i n ev i s i o ns y s t e m i ti s i m p o r t a n tc o n s u l t i n g v a l u ea n dt h e o r ys e n s et ot h e d e v e l o p m e n t o f n o n - c o n t a c t e dp r e c i s i o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：p o s i t i o nm g a s n r c n l e n to fh o l e so ns p h e r es u r f a c e ；m a c h i n ev i s i o n ； a r r a yc c d ；d s p ；i m a g er e c o g n i t i o n v l i 四川i 大学博士学位论文 声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四j i i ；t c 学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 作者签名 同期：迎么年厶月笙日 翮繇廊嘿盟年月丑f i 叫j 1 1 人学博i 。学位论史 机器视觉球面孔位快速精密测量系统的研究 1绪论 1 1引言 当前，世界范围内的产业结构调整正在加速，世界制造业向我国转移的步 伐明显加快。我国制造业诉面临全球化发展难得的机遇。要使信念和机遇变为 现实，完成从制造大国向制造强国迈进的历史跨越，关键是要制定出明确的发 展战略，提高行业整体技术创新能力。制造技术和制造业发展的历史证明，关 键技术的突破往往导致制造技术和制造产业的重大进步，甚至是革命性的变 革，成为实现跨跃式发展丌创技术新纪元必不可少的前提”3 。众所周知，机床 的发明使制造业进入了机械化时代；程序控制和自动控制技术的突破使制造业 进入了电气自动化时代；新材料、新工艺的出现往往给制造技术带来根本性变 革：而激光技术、光刻技术的发明使大规模集成电路等微电子与精密制造成为 可能，促进了计算机和信息技术的发展，进而又使机械制造业进入了数字化制 造的新时代f 5 ) 。 数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术。高速、高效、高精度、 高可靠性、多功能的先进数字化测量技术和仪器装备、服务，推动着数字化制 造技术和装备的发展。因此，采用数字化测量技术及产品来迅速提升机械制 造业的水平，代表着当今科技发展的方向和要求。 近年来，一方面数字化高精测量技术发展迅速，其服务的领域和使用的范 围同益扩大，另一方面机械工业产品的复杂性及所涉及到的技术难度也在增 大，对装备的精度、动态性能、工作环境、可靠性等方面的要求随之增高。特 别是在航空、航天及汽车工业等领域罩，由于复杂形面零件、微小尺度零件愈 来愈多，如航空发动机的微喷嘴和静电陀螺仪内球腔电极等，其内尺度约为几 百微米至几毫米量级，且大多为深盲孔、半球碗或过半球碗，因此，对复杂型 面孔位坐标和微小内尺度的精密测量已成为测量界的新问题，其关键技术难题 在于解决在一定精度范围内的可测性问题及可测深度问题。传统的机械接触式 传感器测头尽管也可以做到直径较小，但由宏观测量力引起的接触点弹性变形 和测杆弹性变形所引起的误差却非常严重【4 】。以至于在精度、效率及自动化程 i ，【l 川人学博十学位论文 度等方面无法完全满足测量要求，甚至根本无法实现测量。 非接触光电测量技术具有不接触、没有测量力、精度高、光斑可以做得很 小、提供的信息丰富等优点，将其与先进的数字化测量技术结合在一起，可以 满足不同用途高精度测量的要求。它在大尺寸、中小尺寸及微、纳米领域都有 非常广泛的应用幢。因此，开发和研制高精度、高速、高效率的数字化非接触 测量装置具有十分重要的意义。 1 2 国内外数字化精密测量技术的现状和发展 随着计算机技术、通信技术及超大规模集成电路技术的发展，世界范围内 的各种加工测量新技术和新产品不断涌现，精密量具、量仪等测量装置正朝着 数字化、信息化的高新技术方向发展。 传统的数显卡尺采用容珊位移传感器束实现测量，尽管具有分辨率高、重 复性好、耗电低等优点，但因为容珊位移传感器易受介质影响，在冷却液、水 及油污的工况下，不能币常工作。因而，其生产现场的使用会受到很大限制。 为此，同本三丰公司、瑞士t e s a 公司及德国m a h r 公司相继研制出了基于 磁阻式传感器及感应同步器等新型测量原理的高性能防水型数显卡尺、千分 尺，其防护等级都达到了当今世界最高水平的i p 6 7 规定。 对于工业产品尺寸的精密测量，传统的三坐标测量机是一个不可或缺的工 具。近年来，随着产品器件趋向于微细化，当器件尺寸缩d , n 微米量级且公差 要求在亚微米以下时，传统的三坐标测量机己不能满足要求。随着超精密光学 技术、空间探测技术和精密模具技术等薪技术的迅速发展，三维轮廓和三维坐 标测量取得了新的突破，用于中小尺寸精密零件的二维、三维非接触测量，带 c c d 数字摄像头、激光测头及触发测头的多传感测头的光学测量仪器的发展非 常引人注目。 在该领域中成果突出、技术发展迅猛的国家当属德国。著名的m a h r 公司 推出的m u l t i s c o p e 系列三坐标测量机，具有多功能测量技术，尤其适合测量不 同材料的超微小或超精密工件，如半导体、钟表齿轴及柴油喷嘴等。其m a h r l a s e r 系统与c c d 光学系统采用同轴结构，如图1 1 所示，保证了用两种传 感器同时测量时，不存在偏移误差。m a r p o s s 公司的非接触式工具测量系统 岫川人学博i ：学位论文 m i d a l a s e r 是采用激光测头的新型测量机，该机可在c n c 机床运转时，自动对 所有工具进行非接触测量，并可根据测量所得数值，对工具进行自动定位。 阁圈 嘞咖 g o m 公司则将其拥有的数字化图像处理和3 d 数据处理分析等核心技术应用 于三维扫描、坐标测量和变形测量中。公司推出的a t o s 精密光学扫描仪具有 “流动坐标”特点，不需要任何平台( 固定坐标系) 的支持，可随意移动测头到 任意位置对复杂型面进行高速测量，所测数据能自动拼接。测量时系统投影一 束光带于预先贴有参考点的被测工件上，用高分辨率数码相机摄取影像，经处 理后可计算出工件轮廓三维坐标，简便易行。 瑞典著名的三坐标机制造商h e x a g o n 公司的p r i m ac 1 系列水平臂测 量机，可在其c w 4 3 l 型连续伺服关节测座上，配备触发式测头、连续扫描测 头、光学或激光扫描测头等多种测头，能适应不同测量环境和任务的要求。 触发式测头制造商一著名的英国k e n i s h a w 公司，最新研制出了采用 跳频技术( f h s s ) 的r m p 6 0 无线电测头。信号跳频传输系统通过不同频率分配 信号通道，无线电发射器和接收器通过匹配码识别进行信号传输，抗干扰能力 大大提高，测量信号通讯更加稳定可靠，满足工业环境中使用的要求o 。 同本三丰公司据称拥有同类仪器世界最高测量精度等级的h y p e rm f 型测 量显微镜，其x y 轴的测量精度超过r 本标准规定的0 级。仪器在x y 轴上的 测量精度为( o 9 + 3 l 1 0 0 0 ) u m ( l 单位为m m ) ，仪器数显分辨率为0 0 1 u r n ， 是用于精密模具、精密切削刀具以及超小半导体电子元件( 如芯片和集成电路等1 隧 【r i i 川人学博i 学位论文 检测的最好选择。 除此之外，作为h e x a g u n 计量集团新成员的美国c i m c o r e 公司也研 制出了配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机。该仪器可完成三坐标测 量、三维造型、产品测绘、逆向工程、现场测量以及磨具设计制造等测量工作， 其任务涉及到产品设计、制造、过程检测、在线检测以及最终检测等全部内容。 表面粗糙度测量仪和轮廓测量仪合二为一已成定势。近年来其发展成果主 要是测量传感器的合二为一，已成功开发出具有高分辨率、高精度、大量程、 小测力的传感器。 英国t a l a y h o b s o n 公司的f o r m t a l y s u r f p g i 系列激光相位干涉粗糙度 轮廓仪，最大测量范围可达1 2 5 m m ，分辨率高达0 8 n m 。德国m a h r 公司的 m a r s u r f l d l 2 0 粗糙度轮廓测量仪，其传感器集成了特殊的激光干涉测量系统， 使测量分辨率达到2 n m ，测量范围达1 0 m m0 1 。 以上实例不难看出，世界各大著名公司的最新产品都是在传统测量原理、 传统测量设备的基础上，融合了光学测量技术、激光技术、计算机智能控制技 术及网络通信技术等当今先进技术，代表着数字化、信息化测量技术的发展方 向，能够满足不同用途高精度测量的要求。 由于全球化技术交流和产品配套的加强，工业生产用精密量具量仪处于相 对均衡、平等的发展阶段，国内量具量仪制造行业，经过近几年的复苏、振兴， 已逐步走上发展之路，在高新技术领域内的研究也取得了丰硕的成果。 国内最大的数显卡尺生产出口企业桂林广陆数字测控公司和上海交通大 学联合，于2 0 0 4 年底丌发成功一种基于电涡流位移传感器的新型防水数显卡 尺，防护等级也达到i p 6 7 ，其核心技术具有自主知识产权，达到了国际先进水 平。 北京标普公司拥有自主知识产权的纳米计量光栅制造成套技术，其光栅刻 线条纹数已高达2 0 0 0 条啪。近期丌发的s g g 0 1 型纳米测长仪分辨率达 0 1 n m ，最大测量范围达5 0 0 u m 。该公司可提供上百种规格品种的轴向、侧向微 纳米传感器和量具，包括量块检测仪、半导体晶片检测仪等t 3 ) 。 国内最大的三坐标水平臂测量划线机制造企业一四川中测量仪公司近 年也成功开发出可对大型覆盖件进行非接触测量的测量机，该测量机采用了北 4 叫川人学博i j 学位论文 京博维恒信科技公司生产的c f 系列光学三维扫描系统。此外，北京南航立科 公司也推出了类似产品。 长期困扰我国齿轮界的弧锥齿轮测量技术最近得到突破。哈尔滨量具刃具 集团公司和重庆工学院合作，成功丌发了弧锥齿轮测量软件，可在哈量齿轮测 量中心系列3 9 0 3 a ，3 9 0 6 上运行，掘称不久即可推出更高水平的弧锥齿轮测量 软件，以实现“弧锥齿轮设计( c a d ) 一加工( c a m ) 一检测( c a i ) 一调整再加工 ( c a m ) 合格弧锥齿轮产品”的先进制造全过程。 同时，哈量还推出了2 3 0 2 型表面轮廓测量仪，包括粗糙度测量系统、轮廓 测量系统和形状测量系统，但需配备有不同测量范围和分辨率的传感器，以适 应不同的测量要求。它们的设计理念紧跟国际潮流，体现了将表面粗糙度测量 仪和轮廓仪合二为一的发展趋势。 纵观国内外数字化精密测量技术及仪器的发展，尽管我国科技界、工程界 近年来在此领域投入了大量人力和物力，在高新技术领域内的研究投入开始有 所收获，创新成果只见丰硕。特别是数字化量仪的中低端产品在国内市场已占 有一定份额。但是在高精技术端的数字化测量仪器方面，国外产品依然占据绝 对优势”。我国的差距仍然很大，有待国内业界的共同努力。 数字化精密测量仪器的发展j 下走向均衡、平等的发展方向，为国内企业追 赶世界先进水平提供了有利契机。同时，国内同行应该注意到测量技术已经从 对单个工件的质量检测，发展到对整个产品系列、乃至整个工厂企业的质量检 测、监控等成套方案的系统筹划。企业内部局域网质量检测系统的建立受到 广泛关注，为企业提供成套质量监控和测量技术以及数字化测量仪器装备，已 成为我们努力的方向。 1 3 机器视觉理论的建立及其在精密测量领域的应用 1 3 1 机器视觉理论的建立及研究范畴 1 3 i 1 机器视觉理论的建立 机器视觉研究始于2 0 世纪6 0 年代初期，但由于当时技术条件的限制进展 缓慢，直到2 0 世纪7 0 年代中后期，电视摄像技术的成熟与计算机技术的发展 为研究机器视觉提供了先进的技术手段h 扪。在这一时期，英国的m a r r 教授在 川川人学博i ：学位论文 美国麻省理工学院的人工智能实验室创建了机器视觉研究小组，从事视觉理论 方面的研究，逐步形成关于视觉的计算理论。m a r r 认为，视觉可分为三个阶段 ( 图l 一1 ) 4 9 】。第一阶段是早期视觉( e a r l yv i s i o n ) ，其目的是抽取观察者周 围景物表面的物理特性，如距离、表面方向、材料特性( 反射、颜色、纹理) 要素幽2 5 维i 璺i 图i 一2 视觉阶段 等，具体来说包括边缘检测、双目立体匹配、由阴影确定形状、出纹理确定形 状、光流计算等；第二阶段是两维半简图( 2 5 ds k e t c h ) 或本征图像( i n t r i n s i c i m a g e ) ，它是在以观察者为中心的坐标系中描述表面的各种特性，根据这些描 述，可以重建物体边晃、按表面和体积分割景物，但在以观察者为中心的坐标 系中只能得到可见表面的描述，得不到遮挡表面的描述，故称二维半简图；第 三阶段是三维模型( 视觉信息处理的最后一个层次) ，是用二维半简图中得到 的表面信息建立适用于视觉识别的三维形状描述，这个描述应该与观察者的视 角无关，也就是在以物体为中心的坐标系中，以各种符号和几何结构描述物体 的三维结构和空间关系。 广义的机器视觉的概念与计算机视觉没有多大区别，泛指使用计算机和数 字图像处理技术达到对客观事物图像的识别、理解和控制川。而工业应用中 的机器视觉概念与普通计算机视觉、模式识别、数字图像处理有明显区别【s o j ， 其特点是： 1 ) 机器视觉是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、机械工程技 术、控制技术、电光源照明技术，光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视 频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等。这些技术在机器视觉中是并列 关系，相互协调应用才能构成一个成功的工业机器视觉应用系统。 6 旧川人学博i j 学位论文 2 1 机器视觉更强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，要有 合理的性价比，要有通用的工业接口，能够由普通工人柬操作，有较高的容错 能力和安全性，不会破坏工业产品，必须有较强的通用性和可移植性。 3 ) 对机器视觉工程师来说，不仅要具有研究数学理论和编制计算机软件 的能力，更需要的是光、机，电一体化的综合能力。 4 1 机器视觉更强调实时性，要求高速度和高精度，因而计算机视觉和数 字图像处理中的许多技术目静还难以应用于机器视觉，工业生产中的实际应用 速度远远滞后于它们的发展速度。 i 3 1 2 机器视觉的研究范畴 机器视觉是研究使机器具有类似于人类视觉部分功能的一门新兴学科“”。 它的研究范畴包括物体识别、景物分析、立体重构、运动检测与跟踪、自主导 航等方面”。 从应用的层面看，机器视觉研究包括工件的自动检测与识别、产品质量的 自动检验、食品的自动分类、智能车的自主导航与辅助驾驶、签字的自动验证、 目标跟踪与制导、交通流的监测、关键地域的保安监视等等。一个典型的工业 机器视觉应用系统包括光源、光学系统、图像捕捉系统、图像数字化模块、数 字图像处理模块、智能判断决策模块和机械控制执行模块，如图i - 2 所示。首 先采用c c d 摄像机或其它图像拍摄装置将目标转换成图像信号，然后转变成数 字化信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进 行各种运算来抽取目标的特征，根据预设的容许度和其他条件输出判断结果。 图卜3 典型工业机器视觉系统结构 7 叫川人学博l 。学位论文 从处理过程看，机器视觉分为低层视觉和高层视觉两个阶段。低层视觉包 括边缘检测、特征提取、图像分割等；高层视觉包括特征匹配、三维建模、形 状分析与识别、景物分析与理解等。 从方法层面看，有被动视觉与主动视觉之分，又有基于特征的方法与基于 模型的方法之分。 从总体上来看，机器视觉也称作计算机视觉。可以说计算机视觉侧 重于学术研究方面，而机器视觉则侧重于应用方面。机器视觉是与模式识别紧 密相关的。 1 3 2 国外机器视觉技术的研究现状 尽管机器视觉研究出现于6 0 年代初期，但直到8 0 年代初，d m a r r 提出了 计算视觉理论后，机器视觉4 得到迅速发展，并成为现代高科技研究的一个热 点“”。 上世纪8 0 年代初，国外已将机器视觉技术应用于钢板表面缺陷的在线无 损检测，到上世纪9 0 年代后，对基于线阵c c d 的机器视觉非接触测量技术的 研究工作非常活跃，并成为钢板表面缺陷在线检测的主流技术。同本y k t 公 司销售的非接触三坐标测量系统z i p 2 5 0 是一种高刚性、高速、高精密的新型 测量机。该机载物台的承载量为2 5 千克，刻度尺的分辨率( x 、y 、z 轴) 均 为o 2 5 微米。机上装配了带数码法兰盘的c c d 摄像机和最新d s p 处理器0 1 ， 因此，可进行高速图像处理测量，同时，也可与接触式测头并用进行相关测量。 德国z e i s s 公司利用视觉检测技术研制的p r o ”p r e m i u m 坐标机，配备 e a g l e e y e 导航系统，能够在汽车车身大型覆盖件、尤其是车身总成质量的过程 控制中，对工件的几何参数、表面和边缘的特征点、间隙和贴合性等实施高速 精密测量“。 英国e u r o p e a ne l e c t r o ns y a 唧公司在提高系统的实用性