（机械工程专业论文）产品装配间隙及姿态在线测量系统的研究.pdf

四川大学工程硕士学位论文 6 5 4 5 4 3 产品装配间隙及姿态在线测量系统的研究 机械工程领域 研究生伏德责指导教师廖俊必、汪法根 为了提高产品装配质量和效率，我所提出了研制一套机电一体化的装配装 置，借助智能机械手，辅助人工进行装配，为了保证机械手能进行正确的操作 就必须为其提供正确的指令数据，而这些数据部分来源于对产品的姿态、间隙 等信息的正确测量，为此提出了对装配间隙及产品姿态进行在线测量的研究。 由于我院产品的特殊性及高度保密性，国外有关这方面的产品装配测试的报 道未曾见到，但是该项目涉及的图像测量技术已经获得了成功应用，国外最明 显的应用产品例子就是非接触三坐标测量机，如德国m a r r 公司的非接触三坐标 测量机c o m p a c t4 0 0 及美国o g p 公司的非接触三坐标测量机，国内也有很多单 位开展了图像测量技术的应用研究，例如西安的爱德华测量设备有限公司也开 发出了非接触三坐标测量机u c m s 8 6 6 及其他产品等，但是能满足我院产品的材 四川大学工程硕仁学位论文 料、形状及测量参数如组合间隙等开发的专用图像测量系统未曾见到。总之无 论是国内还是国外的图像测量技术的产品正逐步替代原来的传统的光学成像测 量设备，正朝着多功能化、智能化的方向发展。 本文简要介绍了目前该测量系统所涉及的图像处理技术国内外的发展状态 详细说明了研制的测量系统的总体思路、硬件设计和软件设计。其中二维运动 机械结构主要实现c c d 传感器在水平方向和垂直方向的运动，传感器的设计主 要包括照明光源、成像光学系统的设计及c c d 摄象机的选型，运动控制电路设 计等；软件设计主要是根据测量系统的功能确定测量软件的结构设计，涉及到 的主要算法研究：如光学系统的自动对焦算法，测量系统与控制系统之间通讯 的数据结构，图像边缘识别及测量参数的提取等 最后给出了整个测量系统的调试、测量结果，特别是给出了测量姿态的数 据及最后的校正结果，分析了影响图像测量不确定度的影响因素。该套测量系 统实现了产品姿态及装配间隙的非接触测量，对一些关键技术如用于工件照明 的光源设计、光学系统的自动对焦、图像边缘识别与参数测量等进行了深入研 究并取得了突破，该套测量装置已经成功应用于我院产品的自动化装配中。 关键词：产品装配姿态间隙在线测量 i i 巴型盔兰三堡堡主堂竺堡苎 r e s e a r c ho nt h eo n li n em e a s u r e m e n ts y s t e mo f p r o d u c tg e s t u r ea n da a s s e m b l yi n t e r v a l m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：f ud e g u l s u p e r v is o t ：lia oj u n bi w a n gf a g e n g i no r d e rt or a i s et h ep r o d u c ta s s e m b l yq u a l i t ya n de f f i c i e n c y ，w e h a v ep u tf o r w a r d d e v e l o p i n g as e to fe l e c t r o m e c h a n i c a l i n t e g r a t i o n a s s e m b l yd e v i c e ，w i t ht h e a i do ft h e i n t e l l i g e n tm a n i p u l a t o ra n d a s s i s t i n gm a n m a d e ，a n dt h ec o r r e c ti n s t r u c t i o nd a t af o ra s s e m b l i n gm u s t b ep r o v i d e d ，i no r d e rt h a t t h em a n i p u l a t o rc a r l c a r r yo nt h ec o r r e c t o p e r a t io n ，a n dt h e s ed a t ap a r tiyc o m ef r o mt h ec o r r e c tm e a s u r e m e n t t o t h eg e s t u r ea n di n t e r v a li n f o r m a t i o no f p r o d u c t ，s oi t i s p u tf o r w a r d t o c a r r yo nt h er e s e a r c ho fo n li n em e a s u r e m e n tt oa s s e m b l i n gi n t e r v a l h l 四川大学工程硕士学位论文 a n dp r o d u c tg e s t u r e o w i n gt oh i g h l ys e c r e to fo u ra c a d e m ep r o d u c t ，t h er e p o r ta b o u tt h i s p r o d u c ta s s e m b l e sh a v e n o tt e s t e dt oh a v eb e e n s e e n ，b u tt h ei m a g e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi n v o l v e dh a dg a i n e ds u c c e s s f u la p p l i c a t i o n t h e c l e a r e s ta p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft h ep r o d u c ta b r o a di st h en o n c o n t a c t t h r e ec o o r d i n a t e sm e a s u r e m e n t s y s t e m ，s u c ha st h en o n c o n t a c tt h r e e c o o r d i n a t e sm e a s u r es y s t e mo fg e r m a nb l a r r c o m p a n ya n dt h ea m e r i c a no g p c o m p a n y i no u rc o u n t r y ，a l s ot h e r ea r eal o to fa c a d e m e sw h i c ha r e d e v e l o p i n ga p p l i c a t i o no ft h ei m a g em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y ，s u c ha s a i d e h u a m e a s u r i n ge q u i p m e n tl i m i t e d c o m p a n y i nx i a n c i t y a l s oh a s d e v e l o p e dt h en o n c o n t a c tt h r e ec o o r d i n a t em e a s u r e dm a c h i n eu c m s 8 6 6a n d o t h e rp r o d u c t se t c b u tt h e i m a g em e a s u r e m e n ts y s t e m s a t i s f y i n gt h e m a t e r i a la n dc o n f i g u r a t i o no fo u rp r o d u c tf o ras p e c i a lp u r p o s es u e ha s m e a s u r i n gi n t e r v a lh a sn o tb e e ns e e n i naw o r dt h e o p t i c a li m a g i n g m e a s u r i n ge q u i p m e n t i s b e i n gd e v e l o p e df o r r e p l a c i n g t h e o r i g i n a l t r a d i t i o n a l i m a g em e a s u r e m e n t p r o d u c t s t e pb ys t e pa th o m ea n d a b o a r d ，a n d t h e i m a g em e a s u r e m e n t s y s t e m i s d e v e l o p i n gt o w a r d s m u l t i f u n c t i o n a l i z a t i o na n d i n t e l l i g e n t i z a t i o n t h ei m a g ep r o c e s s i n gd e v e l o p m e n ts t a t ea th o m ea n d a b r o a dt h a tt h i s m e a s u r e m e n ts y s t e mi n v o l v e sa t p r e s e n tw a si n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e 四川大学工程硕士学位论文 i td e f i n e dt h eo v e r a l lt h o u g h to fm e a s u r e m e n ts y s t e ma n di t sh a r d w a r e d e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n a m o n gt h e mt w o d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a l s t r u c t u r a ld e s i g no fm o t i o ni sc h i e f l yu s e dt or e a l i z ec c ds e n s o rm o t i o n a th o r i z o n t a ld i r e c t i o na n dv e r t i c a ld i r e c t i o n t h e d e s i g no fs e n s o r c h i e f l yi n c l u d e st h ei l l u m i n a t i o n1 i g h ts o u r c e ，d e s i g no fi m a g eo p t i c a l s y s t e ma n dt y p ec h o i e eo fc c dp i c k u pc a m e r aa n dm o t i o nc o n t r o lc h a n n e l d e s i g ne t c t h es o f t w a r ed e s i g nc h i e f l yi sd e f i n i n gt h es t r u c t u r a ld e s i g n t om e a s u r ea c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fm e a s u r e m e n t s y s t e m t h em a j o r a l g o r i t h m t h a t i n v o l v e si s s t u d i e d ：o p t i c a ls y s t e m c h e c k sf o c u se a l g o r i t h mv o l u n t a r i l y ，a n dt h ed a t a o r g a n i z a t i o n o fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm e a s u r e m e n t s y s t e ma n dt h ec e n t e rc o n t r o l c o m p u t e rs y s t e m ， p i c t u r ee d g er e c o g n i t i o na n dm e a s u r e m e n tp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n f i n a l l y g i v eo u tt h ed e b u g g i n go fw h o l em e a s u r e m e n ts y s t e ma n dt h em e a s u r e m e n t r e s u l t - t h em e a s u r ed a t aa n dr e s u l to fc o r r e c t i o n g e s t u r eh a v eb e e ng i v e n a n dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c em e a s u r e u n c e r t a i n t ya r ea n a l y z e d t h i so n l i n em e a s u r e m e n ts y s t e mr e a li z e dn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to f t h ep r o d u c tg e s t u r ea n d a s s e m b l yi n t e r v a l b ei np r o g r e s sg o i n gd e e pi n t o s t u d y i n ga n dg a i n i n gt h eb r e a k t h r o u g ht os o m ek e y t e c h n i q u e ：s u c ha s l i g h td e s i g nf o rp a r t s i l l u m i n a t i o n ，t h eo p t i c a l s y s t e mf o c u s i n g p i c t u r ee d g er e c o g n i t i o na n dp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t t h i ss e tm e a s u r e m e n t v 四川大学工程硕士学位论文 d e v i c eh a sb e e na p p l i e di na u t o m a t i o na s s e m b l yo fo u ra c a d e m ep r o d u c t s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：p r o d u c ta s s e m b l a g e g e s t u r e i n t e r v a l so n l i n em e a s u r e v l 1 概述 1 1 该课题的需求背景及意义： 由于各种原因，我院产品的装配“ 钡4 试技术停留在一个较低的水平，基本上 长期处在手i n 试阶段，特别是对一些特殊材料产品的装配间隙测量，严格按 照产品的安全操作规范要求，是不允许用塞尺来测量间隙的，但由于测量水平 的限制还不得不采用该方法：另外在装配过程中，需要调整产品的姿态，其测 量是通过百分表来测量工件的跳动来间接测量的，数据不直观、测量效率低， 使装配后工件姿态误差较大，导致最后的产品质量不是最好。 为了彻底改变该现状，本文提出了该项目的研究，通过c c d 成象摄像系统 非接触测量产品零件的姿态及装配间隙，其主要原理是通过产品零件回转一周， 产品的端面通过光学系统成像，通过图像处理就可以测量出工件在各个点的跳 动值或者间隙，然后计算出产品的端面在装配坐标系下的倾角，通过反馈校正 装罱及时校正产品的姿态和装配间隙，该测量方法具有测量精度高、自动化， 而且比人工校正更准确、快速，既提高了装配效率，又提高了装配质量，具有 十分重要的实际意义。 1 2 图象处理及测量技术的概述及最新研究发展动态 人类传递信息主要有三个渠道，即语言、文字和图象。从信息论的角度来 看，“图象”所包含的内容最大，不仅有灰度，还有色彩；不仅有平面，还有立 体，其内容极为广泛。人类所得到的外界信息7 0 以上是来自眼睛摄取到的图 象。在很多情况下，没有任何其他形式信息传递方式比图象所传递的方式更丰 富和真切。“图”是物体透射光和反射光的分布，“象”是人的视觉系统对图的 接受在大脑中形成的印象和认识。前者是客观存在的，而后者是人的感觉，图 象是两者的结合。图象不仅仅是二维平面或三维立体空间中具有暗亮或色彩变 化的光分布，而且还应包括人的心理因素，这一点是不应被忽视的。 图象处理就是对图象信息进行加工处理，以满足实际应用或人的视觉心理 的需要 2 】【3 1 。图象处理可以使用光学方法，也可以使用电子学方法。光学图象处 四川丈学工程硕士学位论义 理是平行处理，处理速度快，信息容量大，分辨率高，但处理精度不高、稳定 性差、设备笨重。随着计算机技术的发展，利用数字计算机或其它高速、大规 模集成数字硬件对由图象信息转换而来的数字电信号进行处理的数字图象处理 技术得到了飞跃的发展。数字图象处理技术始于2 0 世纪5 0 年代。1 9 6 4 年美国 喷射推进实验室( 3 p l ) 使用计算机对太空船送回的大批月球照片处理后得到了 清晰逼真的图象，这是数字图象处理技术发展的个里程碑此后，数字图象 处理技术在空间研究方面得到了广泛的应用。2 0 世纪7 0 年代后，由于大量的 研究和应用，数字图象处理技术已有了自己明显的特色，并形成了较完善的体 系。 早期的图象处理的目的是改善图象的质量，它以人眼为接收对象，以改善 人的视觉效果为目的，在这样的处理中，输入的是差质量的图象，输出的是改 善质量后的图象，常用的图象处理方法有图象增强、复原、编码、压缩等。随 着模式识别、人工智能、计算机图形学等学科的发展，图象处理技术开始研究 如何用计算机系统识别和解释图象，这种处理方式是以机器为接收对象，用机 器模拟实现类似于人类视觉系统对外部世界进行理解的功能，这也就是通常所 蜕的计算机视觉或机器视觉。美国麻省理工( m i t ) 的d a v i d l a r r 教授创立的视 觉计算理论，使计算机视觉的研究有了一个明确的体系，并大大推动了计算机 视觉研究的发展“1 。m a r r 认为视觉是一个信息处理系统，并应分三个层次进行 研究，即：计算理论层、表示与算法层、硬件实现层。而整个视觉过程可划分 为三个阶段，即：要素图、2 5 维图、3 维图。要素图反映了二维图象上明确的 重要特征；2 5 维图是在已观察点为中心的坐标系中，表示可见表面的外法线 方向、深度、不连续点的轮廓等；3 维图描述了三维物体的形状和他们在空间 的结构。最近，在图象处理领域又出现了一种“图象工程”的提法，它根据抽 象程度和研究方法等的不同将图象技术划分为由低到高的三个层次，即：图象 处理、图象分析、图象理解。图象处理强调在图象之间进行变换已改善图象的 视觉效果；图象分析主要是对图象中感兴趣的目标进行检测和测量已获得他们 的客观信息从而建立对图象的描述；图象理解是在图象分析的基础上，进步 研究图象中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对原始成象客观场景 的解释。图象工程和计算机视觉两个概念之间密切相关，在很多情况下二者的 内容交叉重合，在概念上和使用中没有绝对的不同，可理解为从不同的专业背 景对同一问题的考虑。 2 婴坐盔堂三堡堡主兰垡笙苎一一 数字图象处理有几个基本特点。数字图象处理所涉及的处理量很大，因此 对计算机的计算速度、存贮容量等要求较高。数字图象处理占用的频带较宽， 因此在成象、传输、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较大。数字图 象中各个象素是不独立的，其相关性较大，因此数字图象处理中信息压缩的潜 力很大。处理三维景物的二维投影时，图象不具备复现三维景物的全部信息， 因此在理解三维景物时需要知识引导。数字图象处理的方法选取和结果的评价 受人的视觉模型影响大，因此视觉理论是图象处理的基础，所以该学科还与心 理学、神经心理学等有密切关系。 图象处理技术空前的发展形势可谓方兴未艾。展望在该领域中需进一步研 究的问题，图象处理技术未来发展大致可归纳为如下四点5 1 ： 1 ) 图象处理的发展将向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和 标准化方向发展。 2 ) 图象、图形相结合朝着三维成象或多维成象的方向发展。 3 ) 硬件芯片研究。 4 ) 新理论与新算法研究。 图象处理特别是数字图象处理科学经初创期、发展期、普及期及广泛应用 几个阶段，如今已是各个学科竞相研究并在各个领域广泛应用的一门科学。今 天，随着科技事业的进步以及人类需求的多样化发展，多学科的交叉、融合已 是现代科学发展的突出特色和必然途径，面图象处理科学又是- - l 与国计民生 紧密相连的一门应用科学，它的发展与应用与我国的现代化建设联系之密切、 影响之深远是不可估量的。图象处理科学无论是在理论上还是实践上都存在着 巨大的潜力。 利用光学系统获取的图象及后续的处理对目标的位置、尺寸、形状、方位 和目标间相互关系等参数进行测量是图象处理分析的重要研究和应用领域“1 。 图象测量技术是近年来测量领域中形成并发展起来的新型技术，它是以现代光 学为基础，融光电子学、激光技术、计算机图象学、信息处理、计算机视觉、 机械、自动化控制等科学技术为一体的现代测量技术，组成了光、机、电、算 综合的测量系统。它广泛应用于几何量的尺寸测量、航空等遥感测量，精密复 杂零件的微尺寸测量和外观检测以及光波干涉图，应力应变场状态分布图等和 图象有关的技术领域中。高精度图象测量系统主要由照明系统、光学系统、c c d 摄像机、图象处理系统、计算机及其外设五大部分组成。它主要应用图象测量 四川大学工程硕士学位论文 技术和计算机技术，把被测工件的图象当作检测和传递信息的载体。e h 光学测 量系统、图象输入设备和计算机，在线非接触式地获取大量的被测工件的原始 图象”1 ，再对获取的图象进行处理，从而获取待测量。基于数字图象的测量技 术具有很多优点n m ，： 1 ) 非接触测量使得对被测物不用加以任何干扰限制，因此可以独立地、客 观地对被测对象进行静态或动态的测量。这使得许多不能在被测物上附加传感 器的测量成为可能，且更客观和直观。对许多动态测量，人们最关心的是失效 破坏过程，但如果传感器随测量对象的失效其本身也发生破坏的话，就会导致 动态测量的失败。 2 ) 全场测量。全场测量的特点使得可对整个视场中目标的特性进行测量， 例如全视场中每个点的位置、位移场、速度场等。 3 ) 提高测量的精度。利用提高摄象机、数码相机等图象采集设备的硬件的 分辨率、调整光学镜头放大倍数等方法，同时利用各种目标模式定位方法，特 别是亚象素定位技术，可以明显的提高测量精度。 4 ) 自动化程度高。随着计算机技术的不断发展，各类图象采集、处理新硬 件的出现为图象测量技术提供了新的方法和手段，再加上处理算法自动化程度 和效率的提高，极大地减少了处理的工作量和时间。 由于以上的优点，图象测量得到了越来越多的应用。 1 3 产品姿态及装配间隙的测量要求 测量产品姿态的跳动范围：0 5 m m ，测量不确定度为0 o l m m 。 测量间隙范围0 0 8 m m ，测量不确定度为0 0 2 r a m 。 1 4 论文完成的主要工作 根据测量任务的要求，设计了一套在线测量装置。该装置的硬件主要由一 个二维运动机构及传感器座、驱动机构及其驱动电路、光学成像及照明摄像系 统、工控机及液晶显示器、电源系统等组成；测量系统的软件是基于w i n d o w s9 8 操作系统和v c + + 6 0 环境下开发的多文档应用程序，其主要完成的功能就是 实现光源强度的调节、摄像传感器的测量过程的运动控制、数据采集、分析处 d 四川大学工程硕士学位论文 理，计算出工件在装配坐标系下的空间姿态及间隙，最后计算出姿态的反馈调 整量和间隙的反馈量，通过r s 2 3 2 c 通讯传送给控制系统西门子8 4 0 d 控制的校 正执行机构去进行校正工件的姿态及间隙，直到工件的姿态或者间隙达到规定 值才结束。 四川大学工程硬士学位论文 2 测量系统的测量原理和硬件方案设计 2 1 测量系统的测量工件姿态及间隙原理 在测量坐标系下“，利用极坐标测量原理，在工件圆周方向等间隔4 点或若 干点处采集工件端面的图像或者工件组合间隙的图像，然后通过图像处理，测 量出每个点的跳动值z ，通过将( r ，0 ；，z 。) 转换为直角坐标值 ( x 。，y 。z ，) ，i = l ，2 ，n 。 x 。= r ；x c o s ( 0 ，) y j = r ；x s i n ( 0 。)( 2 - 1 ) 通过数据拟合，计算出工件端面的最小二乘平面z = a x + b y + c ，其中参数： n = x ，：， x ，2 b = ，= ，3 ( 2 2 ) c = ：j 月 假设被测量工件的端面与调整机构所在的平面近似平行的前提下，根据调 整机构的结构参数，即两个调整点a 、b 和固定点c 距离工件回转中心的半径r 及其在测量坐标系下的角度0 【、p 和y ，如图2 1 所示，建立测量坐标系，计算出 各个调整点a 和b 、固定点c 在z 方向的坐标值w 。、w ? 和w o 。 w = a x r x c o s ( 。【) + b x r x s i n ( 旺) + c 样。= a x r c o s ( p ) + b r s i n ( p ) + c ( 2 3 ) w o = a x r x c o s ( y ) + b x r x s i n ( y ) + c 然后根据测量坐标系于机床坐标系之间的转换关系，便可以求出发送 给控制系统调整机构的反馈调整量w ，、w 。同样原理可以测量工件在各个位 置的间隙值。只不过每个点的测量值是间隙值而已。 a w t = w o w 。 a w z = w o w 。( 2 - 4 ) 四川大学工程颂士学位论义 图2 - 1 测量工件姿态调整点的位置示意图 2 2 测量系统的硬件结构设计 测量系统【1 i j 主要由二维运动机构、照明系统、光学成像摄像系统、运动控 制器及驱动电路、工控机、电源系统等组成，其硬件系统的逻辑结构框图如图 2 - 2 所示。 图2 2 产品装配用在线测量系统的逻辑结构框图 2 1 1 测量系统的机械机构设计： 为了实现对工件的端部、装配缝隙进行测量，必须调整光学成像系统的高 度使被测部位进入成像视场内，为达到此目的，必须实现两个方向的运动调整， 一是沿高度方向即z 方向的运动，使测量传感器能够上下移动，但由于成象视 7 四川大学工程硕士学位论文 场较小，为使被测缝隙进入视场中央，必须能实现高度微调，另一方向是实现 沿水平方向的运动，以调整光学系统的成像工作距，使成像清晰。该机构既可 以设计成即可以手动调整，也可以通过程序自动调整。在考虑设计运动机构两 个方向的行程时还必须考虑能适应不同工件大小尺寸的变化，同时还必须考虑 精度要求，由于y 方向要进行光学系统的自动对焦，而且其位置读数可能影响 传感器的测量值，z 方向的精度要求相对较低，因此y 方向的定位精度要求 0 o l m m ，z 向的定位精度要求0 0 2 r a m 。 水平驱动机构：主要由滚珠丝杠和滑动平台组成，是光学镜头和c c d 摄像 机的安装平台，其用于拖动光学镜头沿丝杠轴线往复作直线运动。滚珠丝杠的 螺距为5 0 m m 。驱动器每发出一个脉冲，滑动平台移动0 5 9 m 。 垂直驱动机构：也是垂直电机通过皮带驱动单螺母的滚珠丝杠副，用于驱动 水平驱动机构做上下运动，实现传感器测量工件不同高度的位置，测量系统运 动机构的三维造型图如图2 3 所示。 图2 - s 测量系统运动机构的三维造型图 22 2 测量系统的运动及控制电路设计 测量系统的运动控制主要是实现二维运动机构的升降及水平驱动，为了保 证在任何情况下都能实现上述目标，在程序控制状态或者是非工作状态，因此 设计了两路控制驱动信号通过一个信号切换板实现对运动机构的控制，一路由 触摸屏及p l c 组成，实现在手动状态下对运动机构进行控制，另一路采用基于 8 婴纠查兰王矍堡兰兰笪堡苎 i s a 总线的d m c 3 0 0 型运动控制卡来实现，d m c 3 0 0 运动控制卡是成都步进电机有 限公司生产的基于p c 机i s a 总线的步迸电机或数字式伺服电机的上位控制单 元，它与p c 机构成主从式控制结构：p c 机负责人机交互界面的管理和控制系 统的实时监控等方面的工作；d m c 3 0 0 运动控制卡完成运动控制的所有细节。 d m c 3 0 0 运动控制卡具有s 形升降速曲线，最高输出频率可达2 4 m h z ，带有编码 器反馈端口，用于数字式交流伺服系统或闭环的步进电机控制系统。d m c 3 0 0 “2 1 运动控制卡配备了许多功能强大、内容丰富的运动函数库，如单轴运动、多轴 独立运动、多轴插补运动等，以及一些辅助函数：中断处理、编码器反馈、间 隙补偿等。 步进伺服电机及其驱动控制器：驱动器用于控制伺服电机运动，而伺服电 机作为动力源，用于驱动直线平移机构。伺服电机采用松下公司的m s m a 0 1 2 a 型， 用以驱动机构运动。其脉冲速率为i r 6 0 0 0 p ，即控制卡连续发出6 0 0 0 个正脉 冲或负脉冲，电机就正转或反转1 转。驱动器采用松下公司的m s d a o l 3 a i a 型“， 用于控制伺服电机运动。 2 2 3 光学放大成像及摄像系统设计 显微摄像光学系统主要作用是将被测量对象通过放大，提高系统的分辨率， 对被测量部位进行放大，然后成象在c c d 摄像机的感光面上。由于要求在整个 视场内成像清晰，因此除了校正轴上点像差外，即球差、色差、正弦差外，还 应校正轴外象差，如：象散、场曲、畸变等，因此设计成平象场物镜。初步确 定采用3 倍物镜，由于要求整个视场成像清晰，因此要求采用平像场物镜，为 了和面阵c c d 摄像机的分辨率相匹配，要求物镜分辨率大于3 脚。 摄像系统的主要作用是将把一幅光学图象变成一幅与光强成正比的灰度图 象，采集到计算机里，对该幅图像进行处理。图象处理系统的硬件部分由c c d 摄像机、图象采集卡及计算机三部分组成。初步选用1 2 英寸黑白c c d 摄像机、 大恒黑白彩色采集卡c g 2 1 0 w 。由于图像卡是影响图像质量的重要硬件之一， 因此我们对该卡的基本结构及工作原理及主要技术性能及指标介绍如下： d h v r t c g 2 1 0 图像采集卡工作在彩色方式时：六路复合视频输入或3 路y c 输入或者是两者组合经多路开关，软件选择其中一路或一组眦作为当前输入， 送入数字解码器。数字解码器将输入的彩色信号变成亮度信号y 和色差信号u v ， 9 四川大学工程硕士学位论文 输出到a d 进行模数变换。数字化后的信号格式为y u v4 ：2 ：2 。数字化的图像 信号经各种图像处理，如色空变换、比例缩放、裁剪、位屏蔽后，利用p c i 总 线，传到v g a 卡显示或计算机内存存储。 d h v r t c g 2 1 0 图像采集卡工作在黑白方式时：六路复合视频输入经多路开关， 软件选择其中一路作为当前输入，送入a d 进行模数变换。数字化后的信号格 式为8 b i t 灰度数据。数字化的图像信号经各种图像处理，如l u t 、比例缩放、 裁剪、位屏蔽后，利用p c i 总线，传到v g a 卡显示或计算机内存存储。 图2 - 4 图像卡的工作原理示意图 支持标准p a l 、n t s c 制彩色、黑白视频信号输入，软件选择六路c v b s 输入， 或三路y c 输入，亮度、色度、对比度等软件可调，硬件完成输入图像的比例 缩放( s c a l e ) 和裁剪( c l i p ) ，采集图像的大小、位置可灵活设置，图像采集 最大分辨率：p a l 一7 6 8 x 5 7 6 2 4b i t ；n t s c 一6 4 0 4 8 0 2 4b i t ，彩色工作方 式时硬件完成输入图像的色度空间变换，( c o l o rs p a c ec o n v e r t i o n ) ，支持 y u v 4 ：2 ：2 ，r g b 2 4 ，r g b l 5 ，r o b l 6 等多种图像格式的显示和存储，图形覆盖 ( o v e r l a y ) 功能。通过填写屏蔽( m a s k ) 模板，可实时显示和存储任意形状的 输入图像。可按单场( 奇场或偶场) 、单帧、连续场、连续帧、间隔几场或几帧 等多种方式灵活地采集图像，可稳定地接收录相机输出的视频信号，采集的图 像在计算机显示器上显示，实现图像和图形同屏显示的工作方式。 测量系统的计算机是采用台湾研华公司生产的工业控制计算机，c p u 采用 p 7 5 5 ，无源板采用6 个i s a 和7 个p c i 插槽。 22 4 照明系统的设计 照明系统主要作用是增大被测量对象与其背景的对比度，尽量提高图象的 o 四川大学工程硕士学位论文 信躁比，由于只能从单边对产品进行测量，因此只能采用反射方式照明，而且 需要照明均匀，同时由于照明系统的结构设计直接影响传感器的尺寸，为了减 小仪器的尺寸，宣采用环行光纤照明或者四象限l e d 环形l e d 照明方式，同时 由于对不同的材料及不同的表面状态所要求的光强不一样，因此光源必须设计 成其亮度可调节，因此需要一个光源亮度控制板，其功能就是完成对光源的控 制电压进行调节，该功能是由一块四通道的模拟电压输出控制卡来完成，其具 体型号是研华p c i 一1 7 2 0 “，计算机通过该卡的输出电压对四象限l e d 的工作电 压进行控制，从而实现光源亮度的调节。 四川大学工程硕士学位论文 3 测量系统的软件方案设计 3 。1 测量系统的软件功能设计 作为一个实用化的测量系统，该系统首先具有完成对产品的有关参数如产 品的姿态、产品的装配间隙的测量。 其次可以对测量系统的硬件进行调试或者对其使用参数进行调整，如对数 控光源的发光强度进行控制，通过编制相应的软件，对控制光源强度的四个通 道的输出电压进行控制；又例如需要对运动控制卡进行调试，便于确定该运动 控制卡的各项功能是否正常等。 其次该测量系统必须具有故障诊断功能，可以对组成测量系统的各硬件的 工作状态进行监控，如对测量系统的运动驱动器的工作状态进行监控，也可以 对测量系统的供电系统的工作状态进行监控等。 该系统必须具有与控制系统进行双向通讯的功能，测量系统负责测量出工 件的有关参数，如工件的姿态及工件的装配间隙等，然后计算出调整机构的反 馈调整量，这些值通过通讯将结果传送给控制系统去执行。 该测量系统具有保存一些重要测量数据及对其迸一步处理的功能，即要求 测量系统具有一定的数据库功能。 最后该测量系统具有测量工艺参数自学习功能，该功能使测量系统具有在 脱机工作状态保存与测量过程有关的工艺参数，例如测量工件姿态的高度、光 源的电压参数，而在联机工作状态自动调用这种参数进行工作。 3 2 软件的结构设计 整个程序设计按照程序完成所需功能的原则，设计成多文档应用程序，软件 开发平台采用在w i n d o w s9 8 下的v c h6 0 ，程序设计成单进程、多线程的程 序【】，其大致框架任务如下： 一个线程：对通讯口的监视线程，用于测量系统与控制系统的任务及信息 的交互。 一个线程：用户工作界面线程，用于完成控制系统交付给测量系统的测量 2 四川大学工程硕士学位论文 任务及测量过程中的人机交互。在状态条中显示坐标轴( y ，z ，机床c l ， z 轴) 的位置。 其中用户工作界面线程担负着完成整个测量系统的大部分功能，其中 最主要的功能就是完成测量工件的姿态和装配间隙，图3 1 就是测量半球形 工件姿态的测量流程图，图3 2 是测量工件装配间隙的测量流程图。 圈3 1 测量半球霉件姿态、计算校正量流程图 四川大学工程硕士学位论文 图3 1 2 测量工件装配间隙流程图 4 4 测量系统的关键技术及难点技术 4 1 光学系统的自动对焦技术 自动聚焦是机器人视觉、自动化图像测量系统中的关键技术。视频涉及可 视化信息，不论是静态或动态图像，获取图像是第一步：先由光学系统将物体 成像，然后通过光电转换器件将光信息转换为电信息，再做进一步的处理。 自动聚焦方式主要有三种方式：一种是通过激光等对被测目标进行测距，然 后根据距离进行聚焦，这种方式称为主动式聚焦方式，二是根据图像处理方法获 取相应的信息去控制镜头进行聚焦：三是通过图像处理估计点扩散函数p s f ，并 根据得到的p s f 进行图像恢复，第一种方法体积大，成本高，第二和第三种方式 只能在比较小的离焦范围内起作用“”。自动聚焦技术发展到现在己得到了很大 的发展，特别是对于照相机来说已经是成熟的技术了“，但在测量仪器中还远 没有实现，在工业生产、装配中的在线测量中应用则更少o 。为了满足工业上 在线、非接触、显微精确测量的需要，采用普通光学成像系统和c c d 相结合来 实现自动聚焦变得十分重要“”o ”。 本文提出了一种基于c c d 图像采集和图像处理技术的图像式自动聚焦系 统，它利用图像处理方法获取相应的信息去控制电机调节镜头至聚焦位置，该 系统具有速度快、精度高等优点，解决了普通光学系统和现代数字化仪器相结 合的快速、准确、自动的调焦问题，解决了这类仪器自动化程度低、调焦精度 受人为主观影响大、劳动强度大、以及不易微机化等问题。 4 1 1 焦距评价函数的选取 要解决自动调焦问题，很重要的一点是如何选取一个合适的焦距评价函数。 理想的焦距评价函数应该具有以下几个特性：无偏性，即只有物平面与焦平 面重合时，评价函数才取极值；单峰性，即评价函数有且只有一个极值： 较高的信噪比，即在一定噪声干扰下，能够保证系统正确地检测到离焦信号； 计算量小，这是快速聚焦的一个先决条件。灵敏度高，即能够正确区分聚 焦和轻微离焦，这是精确聚焦的内在要求。 焦距评价函数的构造可以有以下几条思路：频域函数：高清晰度的特征是 j5 塑型奎兰王堡堡圭堂堡笙_ 文 具有清晰的边缘和图像细节的复现性。它对应于图像傅立叶变换后的高频分量， 而离焦退化造成的图像模糊在频域上体现为高频分量的衰减。灰度函数：利用 对图像灰度的各种处理来表征图像的清晰度。信息学函数：聚焦图像与离焦图 像相比，图像的灰度值多样性不一样，即它们的信息含量或熵是不一样的。 统计学函数：聚焦图像与离焦图像相比，图象的直方图会有所不同，即图象的灰 度统计特性会发生变化。 以下是按这些思路构造出的几种典型的焦距评价函数：高频分量法1 高 频分量法是一种频域评价函数，如果用，( x ) 来表示一幅图像的光强分布函数， 则可以用i ( x ) 的傅立叶变换式表示这幅图像的频率分量的构成 g ( 甜) = f ，( x ) e - i 2 , r , “d x ( 4 - i ) 一幅图像中的频率为u 的频率分量的含量可以用下式表示： j ( x ) e - j 2 z = d x f ( “) = 3 了= j i ( x ) a 擎婪( 4 - 2 ) g ( 0 ) 。 对于有个像元的图像，根据离散傅立时变换，图像的归一化傅立叶频谱为： f ( u ) = 傺如s c 和+ c 扣n c 等牙 i e j = i ( 4 3 ) 式中： n 表示像元的数目，只表示像元灰度值。 高频分量法对焦距的评价是只需计算高频分量即可判定图像的清晰度，由 采样定理可知，对于由 ，个象元组成的图像所能表示的最高空间频率为物， 设采样范围为单位长度，则可以用f ( n 2 ) 作为焦距评价函数： nf2n 2n 2 f ( 2 ) = ( p ：，一p ：川) p ， ( 4 4 ) 四川大学工程硕士学位论文 平滑法3 这种方法是c c d 器件接收到信号后，计算图像上相邻象素的平滑度，再对 整个像面求和，离焦判据为： m 一l s = 胁- 1 ，m ) + 工( n + l ，m ) 一2 x ( n ，刮 ( 4 5 ) m 2 1 目。2 式中x ( n ，m ) 表示第n 行脚列象素的模拟电信号输出量，当图像聚焦时，s 取最 大值。 闽值积分法 阈值积分法是采用c c d 扫描方法来获取图像信号，经电路处理后得到不同 的灰度分布，其原理如图4 - l 所示，曲线分别为两幅聚焦质量不同的图像灰度 分布，曲线i 的清晰度优于曲线i i 。 - - 6 4- - 2024 6 图4 1 阈值积分法原理圈 由图可见，离焦退化造成的灰度平均化倾向减少了闽值上的灰度和，即 o r o i i ，阈值积分法将该灰度和作为焦距评价函数： 0 2 盯( f ，) 一y ) f ( i ，j ) 矿( 4 - 6 ) f ， 式中f ( i ，) 为图像在( f ) 象素点的灰度。当图像聚焦时，中取最大值。 方差函数 这是一个形式简单但很有效的焦距评价函数，它是利用图像数据的标准偏 差作为焦距的评价函数： 1 7 四川大学工程硕士学位论文 f ( 1 ) = ( g 舡，y ) 一。) 2 ( 4 7 ) j ， 式中“，= g ，x ，y