基于機器視覺的雙金屬鑄件圓孔測量方法*

黨長營 賈立功 曾志強 杜文華

(①中北大學機械工程學院，山西 太原030051；②中北大學先進制造技術山西省重點實驗室，山西 太原 030051)

隨著科學技術的發展，孔類零件成為制造工業中的典型零件，它們與其他零件通過軸孔配合的形式聯接在一起，最終組成了具有各種復雜功能的產品[1-2]。同時，眾多行業對金屬材料綜合性能的要求越來越高。單一材料已達不到實際的使用要求。例如：采用銅/鋼雙金屬復合材料替代單一的純銅或銅合金是很好的選擇。銅/鋼雙金屬復合材料節約了大量的貴金屬銅，大幅度地降低了成本，并且充分發揮了銅優異的減摩性和鋼強度高的性能，提高了銅/鋼復合工件的綜合力學性能[3]。

但是雙金屬復合材料的接觸界面會出現各種張力，使得過渡區會出現不規則的變化，會嚴重影響與其他零件的配合。所以對其所需的測量技術與精度要求也越來越高。

雙金屬鑄件圓孔的測量技術從最開始的人工測量到自動化測量，從接觸式測量到非接觸式測量。其中接觸式測量主要以人工檢測為主，存在精度不高、效率低等問題。針對傳統測量方法存在的問題，近年來基于機器視覺的測量技術被廣泛用于各行各業[4-8]。

同時越來越多的科研工作者將機器視覺測量技術引入到圓孔測量領域。王玉槐等人[9]提出了磁環端面圖像的定位算法，求解出圓孔內外尺寸及圓心坐標。但文中提出的算法運算量較大，耗時較長。石志君[10]在對圓孔進行測量時，采用半個圓弧做中心對稱檢測算法，能在較短的時間內得出數據，但對圓心的位置坐標要求比較嚴格。本文通過引入輪廓的全局性參數K對提取的輪廓進行分類，得到圓孔的最佳擬合圓，從而到該圓孔零件的內外圓圓心坐標和半徑數據，并得出其圓孔的同心度進行評估。該算法不僅減少了系統的運算量而且保證了檢測精度，具有較高的利用率。

1 方法原理

本文以多孔零件為研究對象，使用了像素500萬的CCD工業相機對該零件進行圖像的獲取，如圖1所示。為了滿足該零件測量精度的要求，設計了以下圖像處理算法，其流程圖如圖2所示。

1.1 圖像預處理

圖像增強是指通過某種圖像的處理方法對退化的某些圖像特征，如邊緣、輪廓、對比度進行處理，以改善圖像的視覺效果，提高圖像的清晰度或是突出圖像中的某些“有用”信息，壓縮其他“無用”信息[11]。

為方便觀察，選取4號圓孔觀察，其他圓孔同理，圖3為效果對比圖。

在實際測量中，光照、承載媒介造成的噪聲都會在圖像中有所反映，圖像平滑的主要目的就是減小噪聲。通過對均值濾波、高斯濾波和中值濾波進行實驗比較，其濾波效果如圖4所示，可以看到中值濾波在去除噪聲外，可以較好地保留圖像邊緣信息。

1.2 圖像分析

圖像分割在科學研究和工程領域中都有著廣泛的應用。閾值分割是最常用的分割方法，它把圖像的灰度分成不同的等級，然后用設置灰度門限(閾值)的方法確定有意義的區域或要分割物體的邊界[12]。本文根據閾值分割來提取零件的圓孔，然后進行形態學處理，如圖5所示可以看到其分割效果很明顯。

邊緣檢測是視覺測量過程中十分關鍵的一步，它關系到整個系統的測量精度和結果的準確性[13]。其中亞像素精度一般為0.1～0.5個像素，相當于精度提高了2～10倍。經過亞像素邊緣檢測得到了如圖6a所示的亞像素輪廓邊緣。

在對圓孔進行擬合時，最重要的是對圓孔邊緣輪廓的查找和對圓孔的擬合還原。本文根據輪廓特性引入了全局性參數K，根據參數K與0的比較，把圓孔內的輪廓區分為線段、橢圓和圓。其原理為首先用直線段遞進逼近圓孔輪廓，在逼近完成之后，再用圓弧或橢圓弧對相鄰分割出的線段進行擬合，如果擬合的圓弧到輪廓的距離小于逼近線段到輪廓的距離，就用圓弧替代原來的逼近線段，這個過程一致迭代直到所有的線段擬合完畢。在第一次逼近過程中，遞進逼近的直線段較少，因此較大直徑的圓弧能夠被高效地分割出來。在第二次逼近過程中，能夠被小直徑圓弧逼近的輪廓被找到，同時大直徑圓弧的末端被重新定義。此方法效率得到極大提高，比最初的人工接觸式測量提高了18%；與石志君[10]的方法相比，提高了2%。

通過該方法對輪廓的篩選，并與圓孔的內外圓半徑做條件比較，確定了擬合效果最優的圓孔如圖6b，并用圖像處理軟件記錄了其圓心坐標和半徑。如圖7所示為內圓數據，圖8為圓孔擬合流程圖。

2 實驗與分析

對其他8個圓孔用上述方法進行測量得出其內外圓半徑，并與傳統的最小二乘法擬合出的圓作比較。如圖9，本文方法所測外圓半徑值均在187.5個像素，且測量數據浮動較小，具有較高穩定性。同理，內圓半徑值均在157.2個像素，也有較高穩定性。可以明顯地看出使用本方法精度更高，誤差更小，縮小到2個像素。相比上述方法測量誤差降低了20%。

為了進一步證明本方法的可靠性，對該零件的8個孔進行同心度計算，計算公式如下。

(1)

式中：該零件外圓和內圓的圓心坐標分為(x1，y1)，(x2，y2)。同心度即內外兩圓圓心距離的絕對值，絕對值越小說明同心度越高，利用式(1)求出圓孔的同心度，單位為像素。如圖10所示，可以明顯看出本文方法測量結果均值在2.3個像素附近，表明測量精度滿足工業生產需求。

3 結語

本文根據輪廓特性引入了全局性參數K，根據參數K與0的比較，把逼近圓孔的輪廓區分為線段、橢圓和圓。然后與圓孔的內外圓半徑做條件比較，確定了擬合效果最優的圓孔，實現了多孔零件的圓孔測量，使誤差縮小到2個像素，測量誤差降低了20%。極大地提高了測量精度，滿足生產檢測要求。通過該方法可以快速、精準地解決圓孔檢測問題，可以在生產制造業中廣泛應用。