计算机视觉的同心度实验平台设计

陈永清， 蒋惠芬， 范水明， 陈廉清， 程晓民

(1. 宁波工程学院 材料与化学工程学院， 浙江 宁波 315016； 2. 杭州雷恩液压设备制造有限公司， 浙江 杭州 311100； 3. 衢州杭甬变压器有限公司， 浙江 衢州 324000)



计算机视觉的同心度实验平台设计

陈永清1， 蒋惠芬2， 范水明3， 陈廉清1， 程晓民1

(1. 宁波工程学院 材料与化学工程学院， 浙江 宁波 315016； 2. 杭州雷恩液压设备制造有限公司， 浙江 杭州 311100； 3. 衢州杭甬变压器有限公司， 浙江 衢州 324000)

设计了基于计算机视觉技术与LabVIEW的零件同心度公差测量实验平台。通过二值化图像处理消除零件倒角的干扰，采用先腐蚀后作差的形态学边缘提取方法，得到单一像素的连续的内外圆边缘特征；应用最小二乘拟合圆方法得到精确的圆心坐标，由欧几里德公式计算圆心距离，通过标定转换为长度尺寸，开发测量程序系统，实现同心度公差测量的准确判断。结果表明，该实验平台检测正确率高，速度快，界面友好，适合学生实验，还能满足生产实际要求。

形态学； 同心度； 测量； 计算机视觉

0 引 言

同心度是轴、套、环形类零件最重要的形位公差之一，如常见的有阀芯，轴承内、外圈等；特别是高速旋转的零件，其同心度公差要求则更高。国内的工科高校均开设了“公差与检测技术”课程及相关实验，但大部分高校都忽略了同心度测量这一形位公差的实验操作。原因有：① 精度高的同心度测量仪器价格较昂贵，如影像仪、圆度测量仪等；② 测量时间长，课时安排受限，如三坐标测量机等；③ 虽然测量工具简单便宜，但是误差大，实验意义不大，如卡尺等。学生没有经过实验的体会，对同心度认识就不够深刻，在日后工作中遇到同心度问题时，通常都会手足无措。在制造需检测同心度零件的诸多企业中，通常只有产量大的企业会购买专用的同心度测量仪器检测产品；而一般的企业仅要求员工在加工过程中使用简单便宜的测量工具做检测，这样的后果是检测结果误差大，不合格品流到下一工序时有发生，造成不必要的浪费。因此，本文开发的基于计算机视觉技术开发的同心度测量实验平台，具有便捷、高效、性价比高、体积小、易操作、精度高等特点，既是对高校实验设备的补充完善，也可满足企业生产的实际使用。

1 实验平台硬件构成

同心度测量实验平台的图像采集系统硬件结构如图 1 所示，主要包括北京大恒公司生产的DH-HV3110FC摄像机(像素尺寸3.2 μm×3.2 μm)、COMPUTAR0814镜头、1394图像采集卡、LED平行背光源、研华工控机、V形工作台等。平台硬件设计摄像机轴心、LED平行背光源法线在V形工作台对称面内。本平台采集的外圆直径φ8.5阀芯图像，如图2所示。

图1 实验平台硬件系统

图2 阀芯

2 同心度测量程序系统算法设计

2.1 图像预处理

(1) 去噪处理。图像采集时总会受到各类噪声干扰，采用没有振铃效应，且图像模糊程度减少的巴特沃斯低通滤波器消除源图像噪声[1]。

(2) 抑制伪边缘。相邻像素间灰度值急剧变化即为边缘。回转类零件基本都带有倒角，零件的倒角边是伪边缘，影响测量的精准度。所以，图像要进行二值化处理，消除倒角边缘特征，并减少后续图像处理的计算量。

(3) 边缘提取。同心度测量的实质是计算内外圆圆心的距离，欲求圆心位置，则必须先求出圆特征。形态学的边缘提取处理要比基于微分运算的边缘提取算法有优势，它不像微分算法对噪声那样敏感，同时，提取的边缘也比较光滑，而且满足实时性要求[2-3]。

设集合A，B⊂Z2。其中，A为源图像;B为结构元素，则基本定义:

B对A腐蚀

(1)

B对A膨胀

(2)

腐蚀的作用是减弱图像中较亮的细节，并消除小且无意义的噪声;而膨胀的作用是使图像的亮度增强的同时还可以填充边缘微小的空洞，从而增加边缘的连续性[4]。

对于提取的内外圆边缘特征，应该是连续的单一像素。因此，先作腐蚀处理消除边缘处小且无意义的噪声，然后与源图像作差的运算，

(3)

结构元素B= [111，111，111]，提取内外圆的边缘特征，如图3所示。

图3 内外圆特征

2.2 内外圆特征拟合求圆心

拟合圆的方法很多，不同方法各有优劣。开发程序系统时，既要考虑测量精度，还要兼顾运算速度。而最小二乘法是通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配，可以很好地满足测量精度及运算速度的要求，因此采用最小二乘拟合圆方法[5～7]求阀芯内、外圆的圆心坐标。

设圆半径R，圆心为(xo,yo)，曲线方程为

(4)

得:

(5)

(6)

(7)

令面积误差平方和函数为

(8)

由函数极值方法知，使N取得极小值的参数α、β和N应满足：

(9)

即:

(10)

解式(10)可求得参数α、β和J。有:

(11)

通过对轮廓的定位及计算，求得内圆圆心为A(xin,yin)，外圆圆心为B(xout,yout)，如图4所示。

图4 内外圆圆心

2.3 同心度测量及判别

两圆心分别为A(xin,yin)，B(xout,yout)，由欧几里德距离公式，可得内外圆圆心距离：

(12)

图5 测量程序流程图

3 平台实验及结果

LabVIEW软件是一个高效的图形化设计软件，具有强大的图形显示能力、完备的高级数学分析库、便捷快速的程序设计过程，为实验室研究和自动化应用提供了一个直接高效的设计环境；LabVIEW在实验或实践教学中的应用也日趋广泛和多样[8-12]。基于该软件开发的测量系统界面如图6所示。系统能够实时显示实测同心度值及结果合格与否，并统计测量总数、合格数、不合格数。

图6 测量系统界面

系统默认同心度公差φ=0.02，标定值0.008 7。如果同心度公差不同，可自行设定所需值；如果物距改变，标定值相应改变，系统需重新设定标定值。公差与标定值确定后，点击界面左上角的运行箭头，系统开始运行。测量程序系统从采集到测量完毕一个阀芯图像的时间不到0.3 s，可见测量系统的实时性较好。随机抽取10件阀芯为实验对象，与影像仪测量结果比较，如表1所示。测量程序人机系统人体界面友好、操作简单、测量迅捷、维护方便[13-14]。

表1 同心度测量结果 mm

两种方法的测量结果均全部合格。由于两者测量时定位基准不同，影像仪以端面为基准，实验平台以外圆柱面为基准，数据结果作为参考，只须判断结果保持一致。因此，自制实验平台可以填补学校实验设备的空白。

4 结 语

本文基于计算机视觉技术与LabVIEW软件，结合生产实际需求，选择合适的硬件设备，设计了同心度实验平台。实验结果表明，平台能实现零件同心度的测量，满足了教学实验需求，为学生提供了实践、实验机会，加深了对概念的理解，同时又锻炼了学生实际动手能力，能够激发学生对本专业以外知识领域的探索欲望；也是教师提高自身科研能力、促进科教融合的机会。测量程序系统人机界面友好、操作简单、测量迅捷、维护方便[13]。实验平台更为实验室增添了新设备、新技术，是高校自制实验设备的有益补充[14]。平台满足检测的实时性与准确性要求，还可用于实际生产中，大大提高生产效率，降低人力成本。

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Design of Concentricity Experiment Platform Based on Computer Vision

CHENYong-qing1，JIANGHui-fen2，FANShui-ming3，CHENLian-qing1，CHENGXiao-min1

(1. School of Mechanical and Chemical Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016, China; 2. Hangzhou Wren Hydraulic Equipment Manufacturing Co. Ltd, Hangzhou 311100, China; 3. Quzhou Hangyong Transformer Co., Ltd, quzhou 324000, China)

Due to the lack of experiment equipment in universities nowadays, for example, concentricity geometry tolerance instrument being not enough to set up the experiment for measuring concentricity error, an experiment platform for measuring the concentricity error of mechanical elements has been developed based on computer vision and LabVIEW. At first, the chamfer disturbance is removed using binaryzation image processing. Next, the consecutive internal and external edge features for any individual element are obtained through morphology edge extraction approach. Least square fitting approach of circle gives the accurate center, followed by the calculation of distance between centers using Euclidean formula. Calibration transforms the distance to the dimension for developing measurement procedure system and consequently accurately judging the concentricity error measurement. Experimental results show that the proposed experiment platform has advantages of high accuracy rate, fast checking process, friendly interface, fitting for students’ experiment, and being capable to meet the manufacturing requirement.

morphology; concentricity; measure; computer vision

2015-12-20

国家自然科学基金资助(51275251); 浙江省自然科学基金(Y14E050021); 宁波工程学院2015年度自制教学仪器设备项目

陈永清(1975-)，男，广东阳春人，硕士，讲师，现主要从事计算机视觉技术、机电一体化研究。

Tel.:15967803420； E-mail:arching@163.com

G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0059-04