基于机器视觉的零件几何量测量方法研究与系统开发

论文摘要

随着科学技术的日益发展和制造技术的不断提高,一方面,大量出现的复杂形面、薄壁和微小尺度等特征零件难以采用传统的接触式测量方法；另一方面,越来越高的工业产品质量要求及其一致性要求大大增加零件的检测覆盖率,对测量速度提出了更高的要求。传统的接触式测量方法和装备因其与工件接触、测量时间长和人为误差大等局限性而难以满足当前一些产品的检测要求。本文重点研究了机器视觉测量中的图像去噪、边缘检测、图像拼接以及几何量测量等关键技术,开发了一种基于机器视觉的非接触式零件测量系统,其中包括距离、直径、角度、直线度、平行度和圆度等几何量的测量。对于图像去噪,提出了一种自适应混合噪声滤波方法,该方法运用准则对混合噪声进行判别,再根据判别结果采用适用于各单一噪声的滤波器,以滤除零件图像中的混合噪声。对于图像拼接,提出了一种适用于特征稀少零件的精确拼接方法,首先以具有足够特征信息的零件为对象,获取成像系统分别沿X轴和Y轴运动时零件的等距序列图像并预处理,再利用相位相关法求解图像配准参数；然后,采用硬件平台的闭环运动控制保证成像系统运动参数的稳定,把已求得的图像配准参数作为硬件平台的标定配准参数,也即作为特征稀少、较大零件图像拼接时的配准参数依据。对于边缘检测,在单像素宽边缘检测中,引入最大类间方差法自动确定Canny边缘检测中边缘连接的高低阈值，使用Canny方法检测出近似于单像素宽的边缘,后设计细化规则将近似于单像素宽的边缘进步地细化到单像素宽边缘；在亚像素边缘检测中,基于单像素宽边缘,采用二次曲线拟合法将单像素宽边缘定位到更准确的亚像素位置。对于几何量测量,结合零件图像的特点,研究了零件几何要素的构造和接触式测量中各几何量的测量方法,基于最小二乘法构造了直线边缘和圆弧边缘,按照几何量的接触式测量原理进行几何量测量。以量块、环规和角度块高精度测试标准件为测试对象,考察相关研究和测量系统的有效性和测量精度。首先,采集测试对象的单幅图像和拼接图像,然后进行几何量测量与分析,再与测试标准件几何量的标定值相比较。试验结果表明,(1)测量精度：零件位于64mm×48mm区域内,即单幅图像测量情况下,长度、直线度、平行度、直径和圆度的测量精度分别为6μm、10μm、10μm、3μm和3μm；零件超过64mm×48mm区域,即拼接图像测量情况下,长度、直线度、平行度、直径和圆度的测量精度分别为10μm、10μm、7μm、13μm和10μm；角度测量精度为2′。(2)测量效率：不进行图像拼接时测量量块的长度、直线度和平行度以及环规的直径和圆度的时间分别为68s和35s；进行图像拼接时测量量块的长度、直线度和平行度以及环规的直径和圆度的时间分别为84s和53s。所开发的测量系统实现了零件几何量基于机器视觉的非接触快速高精度测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、目的及研究意义
• 1.1.1 课题来源和目的
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 机器视觉及其在零件几何量测量方面的应用
• 1.2.1 机器视觉技术的发展
• 1.2.2 机器视觉在几何量测量方面的应用
• 1.3 课题中涉及到的机器视觉关键技术
• 1.3.1 图像采集
• 1.3.2 图像预处理
• 1.3.3 边缘检测
• 1.3.4 图像拼接
• 1.3.5 系统标定
• 1.4 主要研究内容及论文结构
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 突破点
• 1.4.3 论文结构安排
• 第二章 系统软件的总体设计
• 2.1 需求分析
• 2.1.1 课题目标
• 2.1.2 功能需求分析
• 2.2 软件系统设计
• 2.2.1 软件结构设计
• 2.2.2 功能模块设计
• 2.2.3 系统软件的测量过程
• 2.3 软件开发工具与环境
• 2.4 本章小结
• 第三章 图像预处理研究
• 3.1 图像灰度化
• 3.1.1 图像颜色基本概念
• 3.1.2 图像灰度化原理
• 3.1.3 灰度化实验分析
• 3.2 图像去噪
• 3.2.1 噪声来源及常见噪声
• 3.2.2 图像去噪方法
• 3.2.3 自适应混合滤波方法
• 3.2.4 自适应混合滤波方法性能分析
• 3.3 图像二值化
• 3.3.1 图像二值化方法概述
• 3.3.2 测量系统的二值化方法
• 3.3.3 测量系统图像二值化方法的实验分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 边缘检测研究与实践
• 4.1 像素级边缘检测
• 4.1.1 边缘概述
• 4.1.2 传统边缘检测方法
• 4.1.3 Canny边缘检测方法
• 4.1.4 基于Canny边缘检测算子的改进单像素边缘检测方法
• 4.1.5 改进单像素边缘检测方法的实验分析
• 4.2 亚像素边缘检测
• 4.2.1 亚像素定位原理
• 4.2.2 常用亚像素定位方法
• 4.2.3 测量系统的亚像素定位方法
• 4.2.4 测量系统亚像素边缘检测的效果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 图像拼接研究与实践
• 5.1 图像拼接概述
• 5.2 常用的图像拼接方法
• 5.2.1 基于算法的图像拼接
• 5.2.2 基于硬件的图像拼接
• 5.3 适用于特征稀少零件的精确图像拼接方法
• 5.3.1 基于相位相关法和闭环运动控制的图像拼接原理
• 5.3.2 图像配准参数求解
• 5.3.3 图像噪声的抑制
• 5.3.4 图像配准区域选择
• 5.3.5 测量系统的拼接实验与精度分析
• 5.4 小结
• 第六章 几何量测量实验与分析
• 6.1 实验平台概述
• 6.1.1 硬件平台
• 6.1.2 软件平台
• 6.2 几何量测量原理
• 6.2.1 距离
• 6.2.2 直径
• 6.2.3 角度
• 6.2.4 圆度
• 6.2.5 直线度
• 6.2.6 平行度
• 6.3 实验与分析
• 6.3.1 系统标定
• 6.3.2 与直线有关的几何量测量实验
• 6.3.3 与圆弧有关的几何量测量实验
• 6.3.4 角度测量
• 6.3.5 实验总结与误差分析
• 6.3.6 测量效率分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 学位论文修改说明