（机械电子工程专业论文）异型齿廓形状的计算机视觉检测技术.pdf

摘要 摘要 基于机器视觉的检测技术以其快速 精确 柔性高等特点在国外得到了深入 研究和广泛应用 在国内也越来越受到重视 随着生产的发展和科技的进步 要 求齿轮传动的性能不断提高 齿廓形状也在不断地研究设计中 并作了大量的工 作 但是对于齿廓形状方面的检测问题仍然存在着许多问题 如测量精度和效率 方面 本文研究基于c c d 的图像测量技术 实现对异型齿轮齿廓形状的非接触自 动测量 本文用六章的篇幅层层展开 详细地介绍了面向齿廓形状的计算机视觉技术 第一章对国内外齿轮的发展 机器视觉的发展 近期的制造业应用及其视觉在齿 轮方面的进行了综述 并介绍了本文的主要内容 第二章分析了机器视觉系统的组成 研究了各个硬件的性能参数和选择方 法 根据课题的需要选择了合适的硬件 搭建了机器视觉系统并给出了系统软件 的模块结构及其工作流程 设计了在v i s u a lc 6 o 平台下界面友好的视觉处理分 析实验软件 用消息映射的形式对应了图像处理的各种算法 因此第三章主要介 绍了图像处理 本文建立了由c c d 摄像机 图像采集卡和p c 机组成的视觉系统 系 统通过c c d 摄像机和图像采集卡获取被检零件的不反光二维图像数据 将其送入计 算机进行粗判 然后噪声滤除 图像增强 二值化 边缘检测等处理 第四章通 过研究相机小孔成像模型和相机标定方法 利用i n t e lo p e n c v 库函数对相机进行 了标定 使用标定得到的相机内参数对图像的畸变进行了校正 效果显著 第五 章最后融合特征数据建立匹配判别函数 实现了零件图像的匹配检测 第六章综 述了全文的工作要点 指出了本系统的主要优点与不足 并对今后的发展作了进 一步展望 为了验证各种算法的性能和效果 本文对系统进行了实验 分析了实验图像 实验结果表明 视觉测量系统对外廓形状精度的检测达到了预期目标 从而实现 了判断产品合格与否 本文的理论研究工作对图像测量技术的研究和应用具有理论参考价值 开发 山东大学硕士学位论文 的基于c c d 图像测量技术的非接触测量系统具有实际应用价值 关键词机器视觉 异型齿轮 图像处理 边缘检测 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e a s u r e m e mb a s e do nm a c h i n ev i s i o ni sc h a r a c t e r i s t i c 析t hr a p i d h i 曲 p r e c i s i o na n df l e x i b i l i t y i th a sb e e ns t u d i e da n da p p l i e dw i d e l ya th o m ea n da b r o a d w i mt h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o na n dt h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h e g e a rd r i v ep e r f o r m a n c ed e m a n d sc e a s e l e s si m p r o v e m e n t t h ep r o f i l ea l s oi nd e s i g na n d s t u d ya n dp e o p l eh a v eb e e nd o n eal o to fw o r k b u tt h e r ea r eal o to fp r o b l e m si nt h e m e a s u r e m e n ta b o u tt h ep r o f i l e s u c ha sp r e c i o na n de f f f i c i e n c y t h et h i s i sa c h i e v e dt h e n o n c o n t a c k t e dm e a s u r e m e n tf o rs p e c i a ls p u r g e a rb y t h e i m a g e m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yb a s e dc c d t h ep a p e rt a k e ss i xc h a p t e r st od i s c u s si nd e t a i l st h ei m p l e m e n t a t i o nt h o u g h t sa n d m e t h o d so ft h ev i s i o nd e t e c t i o ns y s t e mo fp e c u l i a rp r o f i l eo fg e a r t h ed o m e s t i ca n d o v e r s e a sd e v e l o p m e n to ft h ed e v e l o p m e n to fg e a ra n dm a c h i n ev i s i o n m a n u f a c t u r i n g a p p l i c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o ni ng e a rm e a s u r e m e n ta b o u tm a c h i n ev i s i o n t o g e t h e r 析mt h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r i sp r e s e n t e di nt h ec h a p t e ro n e c h a p t e rt w oi n t r o d u e st h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fh a r d w a r ep a r t 灿lt h ep a r t s o ft h em a c h i n ev i s i o ns y s t e m i n c l u d i n gt h ec a m e r a t h el e n s t h ei l l u m i n a t i o na n dt h e f r a m eg r a b b e r a r ec h o s ea n da s s e m b l e d t h ef l o wc h a r to ft h es o f t w a r ef o rt h em a c h i n e v i s i o ns y s t e mi sg i v e n d e s i g n e da na n a l y t i c a ls o f t w a r et h a th a sf r i e n d l yi n t e r f a c eu n d e r t h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc 6 0 w h i c hu s e sm e s s a g em a p p i n gm e t h o dt oc o r r e s p o n d d i f f e r e n ti m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s oc h a p t e rt h r e em o s t l yi n t r o u d u c e si m a g e p r o c e s s i n g t h ev i s i o ns y s t e mc o m p o s e do fac c dc a m e r a a ni m a g ec o l l e c t i n gc a r da n d ap e r s o n a lc o m p u t e r t h es y s t e ma c q u i r e dt h en or e f l e c t i n gi m a g ec a p t u r e s e n d si tt o t h ec o m p u t e rt op r o c e s s t h ep r o c e s s i n gc o n s i s t so fn o i s ef i l t e r i n g i m a g ee n h a n c e m e n t e d g ed e t e c t i o n i nc h a p t e rf o u r c a m e r ac a l i b r a t i o nb a s e do nt h ep i n h o l ec a m e r am o d e l i sc o m p l e t e d 谢t l lt h eh e l po ft h eo p e nc v l i b r a r y u s i n gt h ec a m e r ai n t r i n s i cp a r a m e t e r t h ei m a g er e c t i f i c a t i o nt r a n s f o r m st h ei m a g et oc o m p e n s a t el e n sd i s t o r t i o n i nc h a p t e r f i v e w ee s t a b l i s h e dt h ep a r tr e c o n g t i o nf u n c t i o nt oa c c o m p l i s hi m a g em a t c h i n g c h a p t e r 山东大学硕士学位论文 s i xm a k e sas u m m a r yo ft h e m a j o rr e s e a r c hw o r ka n da n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h i ss y s t e m i no r d e rt ov a l i d a t ea l la l g o r i t h m sa b o v e t h ee x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es y s t e mm e e t st h en e e d so ft h i st h e s i s t h et h e o r yr e s e a r c hi nt h i sp a p e rp r o v i d e st h er e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ni ni m a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yf i e l d t h e n o n c o n t a c t e d m e a s u r i n g s y s t e mb a s e dc c d h a sc e r t a i nv a l u ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d sm a c h i n ev i s i o n s p e c i a ls p u rg e a r i m a g ep r o c e s s i n g e d g ed e t e c t i o n 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立 进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责 任由本人承担 论文作者签名 溢垫 日期 砷矽 多二呸 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被 查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 连妥导师签名 艺鱼堑日 期 翌 呈 墨巧 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及所研究的意义 作为一种广泛应用的机械零件 齿轮在工业发展的历程中发挥了重要的作用 并随着全球工业化和信息化时代的发展 齿轮以其独特的地位继续发挥着不可替 代的作用 随着生产的发展和科技的进步 要求齿轮传动的性能不断提高 特别 在高速重载和小型化两个方面尤为突出 这两方面的研究涉及的内容很多 就齿 廓的设计而言 人们也做了大量工作 例如圆弧和双圆弧齿轮 双向圆弧齿轮 曲线齿廓齿轮 其它异型渐开线齿轮 双鼓形齿轮 非圆齿轮 任意齿形齿轮及 滚动接触齿轮等 新型齿轮可以替代大部分齿轮产品 在玩具用齿轮及其系列产 品 家电 仪器仪表的传动齿轮 汽车用齿轮及其变速箱 减速装置 微型及小 型机电装置等方面广泛的应用着 齿轮及相关技术是世界各国学术界和企业界高 度重视和致力研究的热点课题之一 提高齿轮检测技术是提高齿轮产品质量的必 要条件 齿轮测量技术随着科学技术的发展而不断前进 先进的计算机技术 激 光技术 精密仪器技术 数字信号技术 图像处理技术等不断地应用到齿轮测量 中来 取得飞速的发展 起源于图像处理技术的计算机视觉技术是一门新兴的发展极为迅猛的科学 八十年代以来 这一领域的研究已从实验室走向实际应用 从简单的二值图像处 理到高分辨率多灰度的图像处理 从一般的二维信息处理到三维视觉机理以及模 型和算法 研究不断取得了新的进展 而计算机视觉技术的飞速提高以及人工智 能 并行处理和神经网络等学科的发展 更是推动了计算机视觉系统的实用化以 及许多涉及复杂视觉过程研究的深入化 目前 计算机视觉系统正在广泛地应用 于视觉检测 机器人的自动化装配领域中 各种先进的测量技术不断地涌现 极大地推动了齿轮测量水平的提高 齿轮 测量涉及的项目比较多 其间的关系比较复杂 给齿轮测量带来了很大的不便 测量精度和效率方面存在诸多的困难 而计算机视觉测量技术则具有测量精度高 山东大学硕士学何论文 实现速度快 非接触测量的特点 具有在齿轮测量中进行应用的巨大潜力 对于 异形齿轮而言 一般的测量仪器不能适用 需要专门的测量仪器来进行测量 而 这方面的测试仪器和设备十分缺少 为彻底改变我国齿轮行业零部件内在质量的 落后状况 必须重视和加强测试仪器和设备的发展 因此 根据我国齿轮行业的 现状与发展要求 运用计算机视觉技术 研究了计算机视觉测量技术在齿轮测量 中的应用 通过本研究 把计算机视觉技术和齿轮测量技术结合起来 充分利用 计算机视觉技术的巨大优势 为齿轮测量技术引入了一种新的具有较高测量精度 的非接触综合测量方法 进而期望能够极大地提高齿轮测量水平 促进齿轮工业 的发展和进步 1 2 国内外研究现状 1 2 1 齿轮测量的发展 由于加工制造与安装等方面的原因 实际齿轮总是存在着各种各样的误差 这 种误差直接影响传动系统的精度与动态特性 特别是振动与噪声 这也促使科研 人员不断对于表征 测量 分析 利用和控制齿轮误差的探索 齿轮测量技术及其仪器的研究已有近1 0 0 年的历史 1 1 具体历程如图1 1 表 示 量具机械展成法坐标法 电子展成法 渐开线展成法螺旋展成法光学全息法 1 叩9iiii 0 01 9 2 31 9 5 01 9 6 5 9 7 01 9 8 0 1 9 9 02 0 0 0 运动几何法 整体误砉 2 注 1 9 5 9 年三坐标测量机问世 图1 1 齿轮测量技术发展示意图 从整体上考察2 0 世纪里齿轮测量技术的发展 主要表现在三个方面 1 原理方面 实现了由 比较测量 到 啮合运动测量 直至 模型化测量 第1 章绪论 的发展 2 在实现测量原理的技术手段上 历经了 以机械为主 到 机电结合 直 至当今的 光 机 电 与 信息技术 综合集成的演变 3 在测量结果的表述与利用方面 历经了 指示表加肉眼读取 到 纪录器 记录加人工研判 直至 计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统 的飞跃 与此同时 检测仪器也经历了从单品种参数仪器 典型仪器有单盘渐开线检 查仪 单品种多参数仪器 典型仪器有齿形齿向检查仪 到多品种多参数仪器 典型仪器有齿轮测量中心 的演变 2 0 世纪7 0 年代以前 齿轮测量原理主要以比较测量为主 其实质是相对测量 具体方式有两种 其一是将被测齿轮与一标准齿轮进行实物比较 从而得到各项 误差 其二是展成测量法 所谓展成法 就是将仪器的运动机构形成的标准特征 线与被测齿轮的实际特征线作比较 来确定相应误差 而精确的展成运动是借助 一些精密机构来实现的 不同的特征线需要不同的展成机构 同一展成运动可用 不同的机构来实现 7 0 年代以前的近5 0 年内 世界上已开发出测量齿廓 螺旋线 齿距等基本参数的各种类型 各种规格的机械展成式仪器 对齿廓误差测量而言 机械展成式测量技术仅限于渐开线齿廓误差测量上 机械展成式测量技术存在一 些不足之处 其测量精度仍依赖于展成机构的精度 结构复杂 柔性较差 且测量 一个齿轮需多台仪器 尽管如此 这类仪器现今仍是我国一些工厂检验齿轮的常 用工具 1 9 7 0 年是齿轮测量技术的转折点 齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机 中心 的出现解决了齿轮测量领域的一个难题 即在一台仪器上快速获取齿轮的全部误 差信息 这两项技术虽然都基于现代光 机 电 计算机等技术 但采用的是不 同的技术路线 齿轮整体测量误差测量技术是从齿轮综合测量中提取单项误差和 其他有用信息的 基本思想是 将被测对象作为一个刚性的功能元件与另一个标 准元件作啮合运动 通过测量啮合运动误差来反求被测量的误差 其鲜明特点是 形象地反映了齿轮啮合传动过程并精确地揭示了齿轮单项误差的变化规律以及误 差间的关系 特别适合齿轮工艺误差分析和动态性能预报 采用这种方法的仪器 测量效率高 适用于大批盘生产中的零件检测 齿轮测量中心采用坐标测量原理 山东大学硕十学位论文 实际上是圆柱 极 坐标测量机 坐标测量 实质是 模型化测量 对齿轮而言 模型化的坐标测量原理是将被测零件作为一个纯几何体 通过测量实际零件的坐 标值 直角坐标 柱坐标 极坐标等 并与理想形体的数学模型作比较 从而确 定被测盘的误差 坐标测量法的特点是通用性强 主机结构简单 测量精度很高 坐标法测量齿轮的思想早已有之 如用万能工具显微镜与分度头的组合也可用来 m 9 k 齿轮 但是 这种静态测量方式不仅效率低 且测量精度得不到保证 现代光 电技术 微电子技术 计算机技术 软件工程 精密机械等技术的发展才真正为 坐标测量法显示其优越性提供了坚实的技术基础 齿轮的c n c 坐标测量技术起源于2 0 世纪7 0 年代的电子展成测量技术 电子 展成法是相对机械展成法而言的 所谓 电子展成 即通过由计算机 控制器 伺服驱动装置及传动装置组成的展成系统 取代机械展成法中的展成装置 来形 成某种特定曲线轨迹 如螺旋线 齿廓线等 c n c 坐标测量技术在齿轮刀具 蜗 轮蜗杆 锥齿轮 小模数齿轮 大齿轮和齿轮在线测量中也得到了广泛应用 2 0 世纪7 0 年代以来 坐标测量法已经成为世界性齿轮测量技术的主要潮流 质的飞跃是为任意形状的齿廓测量提供了可能 而不仅仅局限于渐开线或直 线齿廓 c n c 齿轮测量中心为测控非线性螺旋曲面提供了工具 9 0 年以来 在世界范围内 齿轮测量技术领域出现了几种值得注意的现象 齿轮整体误差测量技术与齿轮坐标测量技术合二为一 i 齿轮测量中心与三坐标测 量机的合二为一 功能测试与分试测试的合二为一 简化齿轮测量的发展趋势 齿 轮整体误差测量仪因高效率地给出齿轮全信息而被世界接受和推广 齿轮量仪相 关的研发重点是 齿轮网络化测量技术 基于实测结果的齿轮性能虚拟分析技术 智能配对 动力学性能预报等 齿轮整体误差测量技术 指标量化 性能优化等 齿轮误差的智能分析技术 齿轮统计误差概念体系的建立及其相应的测量技术 生 产现场的齿轮快速测量与分析技术 精密机械 光电技术 微电子技术 软件工程 图像处理等技术在齿轮上的应用 1 2 2 机器视觉的发展 4 人类在征服自然 改造自然和推动社会进步的过程中 面临着自身能力 能 第1 章绪论 量的局限性 因而发明和创造了许多机器来辅助或代替人类完成任务 其中智能 机器 就是在模拟人类的功能 并且能感知外部世界并有效地解决人所能解决问 题 人类感知外部世界主要是通过视觉 触觉 听觉和嗅觉等感觉器官 其中约 8 0 的信息是由视觉获取的 2 1 因此 对于智能机器来说 赋予机器以人类视觉功能 对发展智能机器是及其重要的 也由此形成了一门新的学科一机器视觉 也称计算 机视觉或图像分析与理解等 机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术 并 一直向着机器视觉更加自然化 更加接近生物视觉方向发展 通俗的讲就是利用 机器代替人眼来作测量和判吲3 1 它的工作过程大致为 图像由机器视觉产品 图 像摄取装置 分c m o s 和c c d 两种 将被摄取目标形成并感知 图像信号从摄像机 传输到专用的图像处理系统 根据像素分布和亮度 颜色等信息 转化为数字化 信号 图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征 进而根据判断的结 果来控制现场的设备动作 机器视觉的主要特点就是自动化 客观 非接触性和 高精度 强调精度和速度 另外机器视觉具有一些独特的优点 使其能够产生巨 大的效益 不需特殊帮助就能在可见光光谱外工作的能力就是其中之一 机器视 觉系统可以工作在红外 紫外 x 一射线当然还有可见光光谱段 机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域 并成为计算机科学的重 要研究领域之一 显示了其强大的生命力 从5 0 年代集中在二维图像分析和识别 上统计模式识别 如光学字符识别 工件表面 显微图片和航空图片的分析和 解释等 到6 0 年代 r o b e r t s 1 9 6 5 开创的以理解三维场景为目的的三维机器视 觉的研究 研究的范围从边缘 角点等特征提取 到线条 平面 曲面等几何要 素分析 一直到图像明暗 纹理 运动以及成像几何等 7 0 年代 已经出现了一 些视觉应用系统 g u z m a n1 9 6 9 m a c k w o r t h1 9 7 3 中期麻省理工学院 m i t 人工 智能 a i 实验室正式开设 机器视觉 m a c h i n ev i s i o n 课程 一直到了8 0 年代 之后机器视觉蓬勃发展 新概念 新理论不断涌现 上世纪八十年代 机器视觉系统开始迅猛发展 用来读取和验证字母 符号 和数字的光学字符识别 o c r 系统被首先应用到了工业自动化生产领域 如今 5 山东大学硕士学位论文 具有越来越高的图像质量和图像采集能力的机器视觉系统与采用先进传感器的智 能相机正在被广泛关注 2 0 0 2 年全球机器视觉系统的市场规模达到1 1 3 亿美元 预计到0 9 年可以达 到2 6 2 亿美元 复合增长率可达1 2 8 4 自2 0 0 3 年年中以后 随着欧洲经济逐 渐复苏 欧洲机器视觉系统市场开始呈现较快的增长速度 预计到2 0 1 1 年欧洲机 器视觉系统市场将达到约9 5 亿美元 复合增长率可到9 6 北美一直以来都是 机器视觉最大的市场 不过近年来随着制造业向亚洲转移 欧洲市场的份额稳中 有降 而日本最为亚洲最大的机器视觉市场 有渐渐超过欧洲的趋势 亚洲其他 国家和地区也呈现稳中有升的趋势 中国和印度现在虽然仍是市场需求很小的国 家 但从未来长期来看 其市场规模将会有大的增长 机器视觉技术正广泛地应用于各个方面 从医学图象到遥感图像 从工业检 测到文件处理 从毫微米技术到多媒体数据库 不一而足 可以说 需要人类视 觉的场合几乎都需要机器视觉 应该指出的是 许多人类视觉无法感知的场合 如精确定量感知 危险场景感知 不可见物体感知等 机器视觉更突显其优越性 如 一些典型的应用 零件识别与定位 产品检验 移动机器人导航 遥感图像分析 医学图像分析 安全鉴别 监视与跟踪 国防系统 机器视觉已经用于各种球类 运动分析 人体测量 食品 农业 心理学 电视电影制作 美术模型 远程教 育 多媒体教学等场合 1 2 3 机器视觉在制造业的应用 源于其有限的处理能力 与人类不同 机器视觉系统不会受到厌倦 疲劳 分心事物的影响 在相同的条件下 人类检查员只能以百分之八十的效率工作 而机器视觉系统的工作效率几乎能够达到百分之百 检测结果也就更加准备可靠 并且随着制造业的发展 先进的制造技术要求先进的检测技术的需求 机器视觉 技术被越来越多的应用在制造业的检测和定位领域中 将机器视觉应用到制造业的检测领域中 用机器视觉系统确定产品相对于一 组标准要求的偏差的过程通常称为机器视觉检测 5 1 它特别指机器视觉在工业检 测方面的应用 是机器视觉应用和研究领域中的一个重要分支 6 第1 章绪论 在国外机器视觉检测从上世纪八十年代初开始已经得到了广泛的研究 国内 的机器视觉检测研究从上世纪九十年代才逐步开始 当前 随着机器视觉检测系 统应用的增加 对机器视觉的研究也越来越多 一些研究机构或企业开发了机器 视觉系统软件的开发平台或者函数库 提供一些常用的算法和工具 但是 机器 视觉是一门交叉性强的学科 因此在研究和应用中一套视觉系统一般只针对某一 种检测任务来进行研究和开发 没有一套机器视觉系统是对任何检测工程来说是 通用的 根据机器视觉的应用领域不同 对机器视觉检测的研究可以分为不同的种类 不同的学者对分类也有不同的见解 文献 6 将工业中应用的机器视觉质量控制系 统分为四个类别 尺寸质量 表面质量 装配结构和操作质量 文献 7 将制造业 领域中的机器视觉检测大体分为三种情况 基于产品特征的检查 基于产品表面 品质特征的检查 基于产品结构特征的检查 本文可分为零件检验与尺寸测量 零件的缺陷检查 机器人的引导和零件的识别等 1 零件检验与尺寸测量 机器视觉在制造业中 能快速 准确 高效地检测产品的尺寸是否在容许的 范围内或产品是否有正确形状 这类检查方法主要涉及到被检查产品二维或三维 的几何特性 如形状 位置 方向 圆度等特征 y a h j i a j u n 将机器视觉技术运用到逆向工程中 这个研究展示了一种利用光学 方法检测二维物体边界的过程 整个过程分为预处理和测量两个阶段 其中预处理 采用了 图像需求信息最小化方法 i s 文献 9 研究电盘尺寸的检测 采用两个7 5 6 x5 8 1 象素的c c d 传感器分别采 集电盘两个侧面的图像 通过轮廓跟踪 直线分割 和亚象素定位获得工件的尺 寸 系统精度达到正负o 3 毫米 每个工件检测花费的时间约0 3 秒 文献 1 0 研究了基于计算机视觉的活塞环闭口间隙测量系统 采用7 9 5 x 5 9 5 象素数的c c d 传感器 根据活塞环本身几何参数的特点推导出了活塞环各个参数 之间的关系 使用了对图像边缘的亚像素定位技术对3 0 0 微米的开口进行测量 测量系统的测量精度为 4 7 微米 2 零件的缺陷检查 7 山东大学硕十学位论文 通过机器视觉对产品表面凹陷 划痕 裂纹以及磨损的检查或对表面精度 粗糙度和纹理的检测 从而对产品进行有效的评估或分级 d u m i n gt s a r 等将机器视觉和神经网络技术相结合 实现对机械零件表面粗 糙度的非接触测量 在这个系统中 表面粗糙度的定量测量是利用空间频域的一 个二维傅立叶变换实现的 l l 2 0 0 0 年 em e r i a u d e a u 将机器视觉系统应用在冶金 工业中金属焊接的质量检测与在线过程控制中 l2 1 2 0 0 1 年 c b r a d l e y 使用基于传 感器的机器视觉系统完成对刀具表面质量的分析 1 3 1 g u p t a m a n o 使用廉价机器视 觉系统对机械加工表面粗糙度的非接触性光学参数进行可行性计算 1 4 机器视觉检测技术已经广泛应用到工业产品的表面检测中 主要检测的内容 包括毛刺 划痕 磨损等 但对复杂曲面的视觉检测仍有一定的困难 一方面 工件表面的反射方向复杂 存在阴影等因素影响着图像的质量 另一方面相机的 镜头方向和距离工件的位置的控制也是影响检测精度的因素 文献 1 5 进行的基于点特征的混合三维配准及瓷砖表面质量分级技术研究 采用形态学图像处理技术与混合三维神经网络 研制出基于机器视觉的瓷砖缺陷 检测与质量分级系统 根据检测到的瓷砖的斑点 裂纹 尺寸等按照相关质量标 准对瓷砖进行分级 文献 1 6 设计了机器视觉刀具状态监测系统 在监测系统中使用一个c c d 相 机在刀具退刀的过程中摄取刀具图像 图像经过有效的预处理后转换为灰度图像 输入到神经网络中 然后由细胞神经网络对刀具图像进行相应的图像处理 并与 预先存储的刀具正常图像进行比较 判断是否产生磨损 实现刀具状态的监测 2 0 0 2 年 el a h a j n a r 利用机器视觉系统检测电路板 该系统应用两个长焦 相机 并利用亚边缘检测技术和对系统进行半自动校准 精确测量出电路板的几 个尺寸参数 并且能够很好的跟踪电路板生产过程 检测每一个电路板 分拣次 品 大量的试验表明 这个检测系统具有快速 精确和鲁棒性好的优点 1 7 1 同 年 e b o u r g e a r 用视觉方法检测金属管不同部位的缺科1 8 3 机器视觉用于机器人的研究 在制造业 机器视觉也已经应用于机器人 为机器人建立视觉系统 使得机 器人能更灵活 更自主地适应所处的环境 以满足在柔性生产中对自动定位 装 8 第1 章绪论 配 搬运和自动焊接的需要 1 9 9 8 年 jm e r l e t 等将机器视觉技术应用于部件装配 1 9 1 el a h a j n a r 将机器视 觉技术应用在装配柴油机柴油过滤器的过程中 对其进行识别定位 其识别定位 时间大约o 9 s 为能使该定位系统适用于不同的柴油机过滤器装配 采用了 k a r h u n e n l o e v e 展开法对图像进行特征提取 2 0 l 1 9 9 9 年 j e n n i n g sr b 等将机器 视觉技术应用于化工产品生产过程中 在这个系统中 机器视觉系统指导一个两 轴运动器的运动 以完成化工产品的混料工序f 2 1 1 2 0 0 5 年 o l e a f y 利用机器视觉 技术实现整个金属轧辊过程的监控 并通过数据高速传送网络实现整个系统的视觉 反馈控制瞄 虽然在应用领域大部分成果还没有转化为生产力 但已具备了开展视觉研究 的人才队伍和技术条件 如清华大学智能技术与系统国家重点实验室 安徽大学 人工智能研究所等单位在计算机视觉研究领域处于领先地位 同时各大院校也正 加大计算机视觉研究的力度 可以预计 我国飞速发展的经济势头将为计算机视 觉的发展提供更加广阔的应用需求 同时计算机视觉技术的发展又将更加促进我 国经济的发展和人民生活水平的提高 1 2 4 机器视觉在齿轮检测中的应用现状 计算机视觉技术的不断发展和完善 使其具备了在齿轮测量技术中获得具体 应用和研究的可能性和必要性 并且随着图像处理技术正日益广泛地应用在各个 技术领域 发挥着越来越重要的作用 齿轮测量作为一门复杂的测量技术 往往 涉及很多复杂的运算和处理 各种测量方法也层出不穷 但是 在各种要求精度 很高 实时性强的场合下 目前的测量仪器往往具有局限性 有的可以满足要求 但是成本高 投资大 在这种情况下 通过数字图像处理技术的应用 研究机器 视觉在该领域的应用 为齿轮测量探讨了一种新型的 高效地 实用性强的技术 手段 则就为了一种必要的 紧迫的研究方向 对于这方面的测量也会提到相应 的日程上 文献2 3 2 8 是近几年不少高校 科研院所逐步开展了相关的理论研究 取得了一定的进展和应用 为将计算机视觉技术更好地应用于齿轮测量打下了良 好的基础 9 山东大学硕十学位论文 目前在齿轮方面的检测主要是 雷良玉 冽等提出了对于齿轮外表视觉检测系统 其在线工作于生产流水线中 被测齿轮按照一定的节拍在输送带上运动 图像的获取与齿轮的运动同步进行 被测得齿轮的各项检测项目信息 齿形误差 齿面质量 齿向误差等 处于特定 的背景中 通过图像预处理将其从中提取出来 与设置的标准模板匹配 即对已 有的模板与被检测物体进行分析 对两个图形之间的相似度值 通过相似度值来 判断模板与被检测物体之间是否相同或相似 同时将检测结果及时报告或通讯给 其他执行系统 从而实现对齿轮加工质量的正确分类 一定要求的正品和废品 陈向伟 3 0 等人提出了图像测量技术在微型齿轮测量中的应用 照明系统发出 的平行光线使齿轮产生阴影轮廓 经透镜系统放大后成像于c c d 面阵上 c c d 将图 像信号变为电荷信号 通过数字接口卡存入计算机内存 然后由软件对所采集的 图像进行处理 存储 并计算出物体的尺寸 杨淑莹 3 1 等提出的基于机器视觉的产品外观缺陷检测 首先对齿轮产品实物 图像进行预处理 提取齿轮边缘图像 对其实物图像和设计图像进行分割和缩放 处理 得到相同大小的实物 其次 采用互信息方法对两幅图像进行配准 通过 不断旋转实物图像 计算它与设计图像的互信息 找到实物图像的最佳旋转配准 角度 在此基础上将两幅图像进行小波融合 即自动对齐叠加在一起 根据重合 效果 检测人员可以判断生产出的齿轮产品是否合格 通过实例验证了该方法的 可行性和有效性 检测效果直观 但是 计算机视觉技术在齿轮测量中的应用目前来看还是处于一个比较低的 水平 还不十分完善 需要进行更深入的研究和提高 从而使得其得以完善和充 实 进而在实际的齿轮测量中得到良好的应用 1 3 课题的提出与主要研究内容 我们主要研究的内容是异形齿廓形状的计算机视觉检测系统 利用c c d 作为 光电转换传感器完成图像的采集 实行齿轮的的非接触测量 作为测量速度快 精度高 而且是无损测量的一种系统 可以实现完成产品合格与否的检测以及在 加工过程中出现的质量问题进行监控 分析和统计 从而对整个系统进行更为便 1 0 第1 苹绪论 捷的控制 在查阅大量国内外文献的基础上设计并搭建了一套基于机器视觉的齿 轮测量系统 从理论上对机器视觉检测进行研究 设计适合本课题要求 与硬件 设备配套使用的视觉检测程序 本文根据齿轮测量的原理和特点 进行了计算机视觉技术在齿轮测量中的应 用性研究 探讨了计算机视觉测量技术用于齿轮测量的可行性和必要性 分析了 齿轮测量的计算机视觉系统 为提高齿轮测量水平 拓宽计算机视觉技术应用领 域作了大量艰苦细致的工作 具体而言 本文研究的主要工作集中在以下几个方 面 1 分析系统的硬件系统的参数及性能包括镜头 光源 相机 图像采集卡等 2 对图像处理进行研究 对常用的图像增强 图像分割 组合及其边缘检测 方法等进行研究 比较找到合适的机械加工零件图像的预处理方法 3 研究相机的模型和相机标定算法 根据带畸变的针孔相机模型 对本文搭 建的机器视觉的相机进行标定 利用标定获得的内参数校正采集到的图像的畸变 提高测量效果 4 对于异型齿廓的提取 并可以利用标准元件来进行匹配对比确定其相似程 度 从而得出是否合格 5 编制软件程序实现图像的采集 图像处理 特征提取等功能并对其系统进 行试验 利用本文系统对零件进行测量 对系统的性能进行分析 第2 章异犁齿廓形状的视觉榆测系统 2 1 前言 第2 章异型齿廓形状的视觉检测系统 视觉系统可以快速 准确和高可重复性地完成诸如部件测量和检查的工作 这样就可以帮助制造商提高产品质量和生产力 视觉系统在制造过程中的每一步 都可以生成有价值的检测数据 这同时也可以帮助控制工程师扩展过程诊断的功 能 5 由于视觉系统测量部件特有的可以达到千分之一英寸的精度 使得它可以适 用于很多从前需要采用接触式测量方法的应用场合 系统的性能在选型之前 首先要确定此系统的应用范围 以保证此视觉系统 在速度 精度和采集要求上留有足够的性能余量 原因是用户既然已经熟悉了机 器视觉的能力 他们便尽可能多地完成有关视觉的作业 而且还要考虑到未来对 大吞吐量 生产新产品 生产现有产品的改装产品的需求 从机器视觉的发展来看 经历了从最初的光电传感器到基于计算机的图像采 集和分析系统 p c b a s e d 再到现在嵌入式系统 从产品本身来看 机器视觉会越 来越趋于依靠p c 技术 并且与数据采集等其他控制和测量的集成会更紧密 掌握 p c b a s e d 的板卡系统需要更高的技术水平与实力 可以带动整个行业的技术水平 的发展 本课题所探讨的就是基于p c 式的机器视觉检测系统 2 2 系统的总体方案设计 典型的p c 式机器视觉检测系统结构可分为硬件部分和软件部分 如图2 1 所 示 机器视觉检测系统由图像采集 图像分析处理 输出检测等几个部分 其中 图像采集部分一般包括光源 镜头 c c d 摄像机 图像采集卡 系统流程如图2 2 所示 1 3 山东大学硕士学位论文 图2 1 系统结构 图2 2 机器视觉检测系统简单流程 工作原理如下 被测齿轮处于特定的背景中 摄像头安装在零件的上方 照 明系统发出平行光束使齿轮产生阴影轮廓成像于c c d 像敏面阵上 并充满整个像 敏单元阵列 c c d 将光信号转换为电信号传递给计算机的数据采集卡 然后通过 基于个人计算机平台上的图像预处理将其齿轮的边缘从中提取出来并进行相应的 图像处理分析 与设置的标准模板匹配 判断零件的精度是否在公差允许范围之 内 确定其各项齿形参数的检测结果并输出 系统硬件部分如图2 3 所示 1 4 第2 章异型齿廓形状的视觉检测系统 2 3 系统硬件设计 图2 3 硬件部分结构图 2 3 1 图像采集系统配置 图像采集是一个重要的环节 它将对象的可视化图像和特征转化为能被计算 机处理的一系列数据 由于机器视觉系统强调精度和速度 所以要及时 准确地 提供清晰的图像 否则图像质量直接影响到检测系统的检测精度和速度 图像质 量过低甚至会导致检测失败 在图像采集部分 要考虑多方面的问题 主要是关于c c d 摄像头 光源和图 像采集卡几个方面的技术 这几个部分要根据被检测工件的尺寸和表面状态以及 检测现场的工作环境进行合理选择与搭配 2 3 2 视觉传感器c c d 的选择 检测技术在工业上的应用中 c c d 技术以其独特的特点成为现代光电子学和 测试技术中最活跃 最富有成果的研究领域之一口2 电荷藕合器件 c h a r g ec o u p l ed e v i c e c c d 是一种以电荷为信号载体的微型 图像传感器 具有光电转换和信号电荷存储 转移及读出的功能 其输出信号通 山东大学硕士学位论文 常是符合电视标准视频信号 可存储于适当的介质或输入计算机 便于进行图像 存储 增强 识别等处理 自c c d 于1 9 7 0 年在贝尔实验室诞生以来 c c d 技术随着半导体微电子技术 的发展而迅速发展 在各个高科技领域得以迅速应用 3 3 1 c c d 本身有自扫描 高分辨 率 高灵敏度 结构紧凑等特点 由于c c d 具有非接触性测量 分辨率高等方面 的特点 因此c c d 器件在物体外型测量 表面检测 图像传真 智能传感等方面 得到了广泛的应用 另外 c c d 测量速度快 所以不仅可用于静态测量 还可用于 动态在线检测或识别零件 因此c c d 技术在高精度的在线检测系统中应用也越来 越多 在我国 从8 0 年代中期便开始逐渐应用c c d 检测技术 并已部分运用到了 各种自动化检测领域 基于c c d 的图像测量技术是以c c d 摄像机为图像传感器 综合图像处理 模 式识别等技术进行非接触测量 在工业界 图像测量技术广泛应用 在那些重复 性检测相同部件或产品的场合 图像测量系统主要分为两类 一类是在线检测系 统 另一类是离线检测系统 主要特点是高效率 高精度 工作范围大 柔性好 和抗干扰能力强等 基于c c d 的图像测量技术具有以下优势 1 提高图像质量 利用数字图像处理技术可以对图像进行各种处理 如图像 增强 图像复原等 2 提高测量精度 提高摄像机等图像采集设备的分辨率 或调整光学镜头的 放大倍数 可以使获得的图像信息更多 更精确 3 可以测量传统方法不易测量的几何量 4 对成像系统的高精度标定和误差修正 国外在这方面研究较为先进 具有代表性的是日本k e y e n c e 公司的产品 其 l s 7 0 0 0 系列高精度c c d 测微计 测量精度可以达到1 2p m 在测量零件的外径 薄膜厚度等方面有广泛应用 单个c c d 传感器的测量范围0 3 3 0 m m 采用两路 c c d 传感器可以测量大尺寸 如活塞的外径等等 天津大学精密仪器系是国内比较早的研究应用c c d 的单位 他们研制的玻管 测径仪 细丝直径测量仪等测量设备是国内比较先进的非接触测量仪器 在c c d 测量方面的研究大多都局限于小尺寸测量 对于测量范围超过6 0 m m 的研究相对比 1 6 第2 章异型齿廓形状的视觉检测系统 曼曼皇曼皇曼量曼皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼 量曼皇曼皇曼皇曼皇曼i lini i t 皇曼皇曼曼曼量 较少 用于大中尺寸测量时 主要是用于专机用量或定长的相对测量 2 3 3 摄像机和镜头的选择 摄像机和镜头在机器视觉系统中相当于人的眼睛 负责拍摄对象的图像 3 4 机器视觉系统中一般采用数字摄像机 或者称为工业相机 通过镜头将被摄物体 的图像聚焦在光电传感器上 使图像信号转变为光电信号 以有利于计算机处理 选择时需要注意 1 首先要确定摄像机的类型 摄像机类型的选择由需要处理的对象决定 从摄像机输出的颜色来分 有彩 色摄像机和黑白摄像机 彩色摄像机提供了更多的目标信息 也正因为如此 在 处理时需要更大的空间和更多的时间 所以在选择时应主要考虑对目标处理是否 需要色彩信息 彩色相机适用于需要提取场景中的颜色信息进行检测和识别的场 合 黑白相机只能生成灰度图像 相对于相同精度的彩色相机来讲黑白相机价格 低 数据量小 速度快 也能够体现场景中的亮度信息 从扫描的类型来分 有面扫描和线扫描摄像机 处于下列情况时 应该考虑 使用线扫描摄像机 a 对固定的物体做一维的测量 b 对象物体处于运动状态 c 需处理可旋转圆柱体的边缘图像 d 需要对象物体的高分辨率图像 而又要考虑价格因素等 其它情况可考虑使用面扫描摄像机 线扫描摄像机又可分为隔行扫描和逐行 扫描 当目标