基于圖像分析檢測產品裝配精度方法研究

劉文博 楊光利 肖遠 吳勇

摘要：飛行器舵裝配精度是確保飛行器精確控制的關鍵因素之一。傳統的測量方法測量精度低，耗時費力，難以滿足大批量生產需求。圖像分析方法采用圖像處理技術，識別圖像中不同刻線進行對比分析，在較大程度上提高測量精度。測量過程圖像數據的采集、處理、零位偏差和擺動量的計算自動生產報表，實現數據的保存，方便數據的查閱以及裝配質量的分析與監管。圖像法刻線自動化測量系統的研制既符合檢測測量工作向自動化方向轉變的總趨勢，又可以解決在刻線測量過程中的實際問題，具有很好的應用價值及經濟效益。

關鍵詞：裝配;圖像分析;刻線測量;自動化

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）08-0089-02

1 研究現狀

含有舵系統的飛行器一般將舵裝配在艙體外側的四個象限位置，衡量空氣舵裝配質量的主要技術參數包括零位偏差和擺動量。具體的含義如下：

（1）零位偏差：在伺服作動器機械鎖定時，空氣舵刻線與殼體刻線之間的偏差值。由于空氣舵刻線與艙體刻線不平行，所以實際應用中定義為艙體刻線端點C與艙體刻線AB之間的距離。

（2）擺動量：以艙體刻線為基準，沿順時針方向和逆時針方向空氣舵刻線偏移的范圍。其數學表達式通常定義為空氣舵刻線端點相對于艙體刻線左右偏移量的和。

1.1 傳統測量方法

由于空氣舵、艙體刻線細短且不共面，傳統的接觸式測量方法很難完成檢測任務。一般都是借助于經緯儀來完成測量，主要包括光學經緯儀、平臺、伺服艙翻轉吊掛、橫梁吊掛、三腳架、伺服艙吊具等，并需要對四個象限的零位偏差、擺動量進行測量。以其中一個象限為例，經緯儀放置在距離被測艙體2～4m的位置。借助于伺服艙翻轉吊掛、橫梁吊掛，將被測體轉載到可調平臺，被側體大頭朝上并確保其處于水平狀態。用光學經緯儀望遠鏡的豎絲分別精確瞄準艙體刻線、空氣舵刻線，其對應的水平角度分別為、。用軟尺測量經緯儀中心到伺服艙刻線點之間的水平距離為L，則零位偏差為：

人工分別順時針、逆時針方向擺動空氣舵組件的前端，用望遠鏡的豎絲對準空氣舵刻線，其對應的水平角為、，則擺動量為：

在整個測量過程中，需要至少三名人員之間的相互配合，才能完成經緯儀刻線的對準、被測艙體狀態的轉換。雖然該方法可以滿足測量任務要求，但是還存在測量效率低、精度差，且不能保證測量結果的一致性等幾點不足。為了盡量減少對總裝進度的影響，滿足總裝測試要求，必須改進或者改變現有的空氣舵刻線測量方法。

1.2 圖像測量技術現狀

圖像處理技術由于具有再現性好、處理精度高、適用面寬以及靈活性高等特點，而被廣泛的應用于各個領域，例如航空航天、工業生產、醫療診斷、資源環境、氣象及交通監測、文化教育等。數字圖像處理借助計算機實現對圖像增強、復原、分割和輪廓線條特征提取等功能，這一功能與工業中涉及到幾何尺寸測量對實時性、快捷性和高精確度等要求實現了技術結合。目前，結合圖像采集處理技術和計算機技術完成刻線測量的技術已經日趨成熟[1]。

在國內，中核燃料元件有限公司利用圖像法設計了一種游標對齊刻度測量裝置，簡化了游標卡尺的檢測過程，并有效地減少了誤差。大連市計量檢定測試所研制了一種影像法鋼卷尺檢定裝置，該裝置采用多個光學成像鏡頭，提高了檢定效率。廣東省計量科學研究院基于激光干涉測長和圖像處理技術對線紋間隔進行測量的原理，研制開發出了多功能線紋尺自動測量裝置，可以對標準鋼卷尺、銦瓦水準標尺和條碼尺進行有效檢測量，也可測量數字水準儀配合條碼尺的綜合測量誤差，自動化處理數據，工作效率高[2]。

2 圖像分析方法

圖像分析方法結合計算機技術、傳感器技術以及圖像處理技術，配合機械工裝和照明方式的保障，設計了一種空氣舵刻線自動化測量系統，實現了刻線的智能化、精密、高效測量。其大體測量過程為通過工業攝像頭來獲取被測刻線所在區域的二維圖像信息，并對圖像中每個像素代表的實際大小進行標定后來確定圖像中兩個被測刻線之間的實際距離，從而計算出空氣舵的零位偏差和擺動量。

2.1 系統組成

圖像法空氣舵刻線自動化測量系統由圖像采集系統、輔助測量部件、刻線標定部件、微型計算機系統及其他附屬部件組成。其中圖像采集系統由數碼攝像機、光學成像鏡頭和照明設備組成;輔助測量部件由連接部件、固定部件以及定位部件組成;刻線標定部件主要由標準刻線尺和工裝夾具組成;微型計算機系統則由計算機（筆記本電腦），相應的外部接口設備和功能強大的軟件系統組成。

2.2 測量過程

測量過程主要包括參數標定和刻線測量兩部分。參數標定是指圖像數據采集系統通過測量標定裝置內部的標準刻線尺，對測量裝置的像素格值（攝像頭傳感器上每個像素代表的實際距離）進行標定，使測量結果準確度得以保證。

2.3 測量原理

利用圖像采集系統獲得的圖片的大小為a×b，單位為像素×像素。以圖片的兩個相鄰邊界建立照片坐標系XOY，可以獲得艙體刻線的和空氣舵端點的坐標。通過計算刻線間像素點數量，對比標準尺單位距離對應的像素點，即可獲得刻線間距離。

3 產品設計

3.1 硬件構成

根據被測產品的尺寸，需要設計三種類似的輔助測量部件，在測量部件上對應于艙體和空氣舵的刻線部位開一個孔，作為視場孔。兩個定位孔起定位作用，使測量工裝圓弧的圓心與艙體的圓心同心，進而使視場內被測刻線和瞄準刻線水平。通過螺紋固定艙體和圖像采集系統，實現連接艙體和圖像采集系統的連接，并保證光學鏡頭與被測艙體所在平面平行。

作為空氣舵刻線測量裝置的核心部件，圖像采集系統由數碼攝像機、光學成像鏡頭和照明設備組成。

刻線標定部件，在刻線標定部件內部嵌入一個刻線標準尺，并保證標準尺平面與刻線標定部件的上部平面的距離等于輔助測量部件的總高度，即標準刻線尺和艙體刻線到光學成像鏡頭的距離相等。

3.2 軟件功能

軟件系統應便于操作者快速準確的掌握。能夠實現自動的采集、存貯、處理、離線測量、顯示和打印。

將數碼攝像頭通過USB線連接到筆記本之后，打開軟件界面。設定CCD參數、瞄準方式之后，便可以進行相應的測量，軟件默認的瞄準方式為手動瞄準。

手動瞄準模式，采用“三線對準”方式。其中的右邊瞄準線對準所測刻線圖像特征的右邊界，左邊瞄準線對準所測刻線圖像特征的左邊界，中間的一條瞄準線對準被測刻線的中心位置。根據所測刻線的寬度，左右兩條瞄準線的間距分0mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm五種。利用鼠標或鍵盤“↑”、“↓”移動對準刻線，使其基本包括被測刻線的輪廓，單擊“取值”完成對準。每一條刻線可重復多次測量，取平均值作為測量結果，對于明顯測量錯誤的測量數據可雙擊清除后重新測量。最終，可以獲得被測刻線在圖片坐標系中的像素位置。

自動測量模式線無須操作人員對準瞄準可和被測刻線，只需利用選框分別標出“艙上刻線”、“舵上刻線”后，單擊“邊緣檢測”。軟件會自動檢測被測艙體刻線和舵上刻線在圖片坐標系中的像素位置。經過直線擬合，便可以獲得兩條刻線之間的相對像素位置。軟件會自動將其與標定所保存的放大倍數相乘，并最終獲得兩條被測刻線之間的真實位置。

4 結語

光學測量技術可以應用在空氣舵裝配過程中，實現空氣舵刻線與艙體刻線的在線測量，為導彈、飛行器等型號的空氣舵裝配提供技術保障。該測量裝置基于圖像處理技術，配合測量工裝的保障，實現了空氣舵刻線的自動化精密高效測量。測量效率相對于經緯儀測量法將得到極大提高，測量過程更加簡單靈活，測量準確度和安全性得到保障，對于提高型號的研制和生產裝配水平，有著非常重要的意義。

參考文獻

[1] 何照才.光學測量系統[M].北京：國防工業出版社，2002.

[2] 孫晨光.數字相移相位測量技術及其應用[D].天津：天津大學，2004.