王平均 王梅琴 / 淮安市計(jì)量測(cè)試中心

0 引言

隨著機(jī)械工業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械行業(yè)的工廠實(shí)驗(yàn)室、計(jì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)平面度的檢測(cè)量也隨之加大。在機(jī)械加工中，平面度誤差是評(píng)定工件表面平整度的重要指標(biāo)。因此，平面度誤差測(cè)量技術(shù)是精密測(cè)試技術(shù)中重要研究?jī)?nèi)容之一。在測(cè)試過程中，選擇合適的儀器設(shè)備是準(zhǔn)確快捷測(cè)量的關(guān)鍵。測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法簡(jiǎn)單、便利、快捷，是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)必不可少的工作方向和目標(biāo)。

1 平面度檢測(cè)系統(tǒng)原理

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)平面度檢測(cè)的方法有很多，如間隙法、光軸法、自準(zhǔn)直儀測(cè)量法等。本文采用自準(zhǔn)直儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，對(duì)平面度進(jìn)行檢測(cè)。它是在傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀測(cè)量平面度原理的基礎(chǔ)上，為自準(zhǔn)直儀擴(kuò)展了一個(gè)可讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（FRAM）和一個(gè)控制面板，利用單片機(jī)自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理評(píng)定平板平面度誤差，并且自動(dòng)判定平板的等級(jí)。測(cè)量方法與自準(zhǔn)直儀測(cè)量平面度方法相同，采用節(jié)距法，測(cè)量點(diǎn)采用對(duì)角線分布，將被測(cè)截面分成若干段，如圖1所示。將觀測(cè)反射鏡放置在平板各被測(cè)截面的一端，根據(jù)所選跨距依次將觀測(cè)反射鏡沿直線從平板的對(duì)角線的一端移至另一端，在圖像采集系統(tǒng)上讀取每個(gè)位置的示值，經(jīng)計(jì)算求得被測(cè)截面各測(cè)量點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)連線的偏差，然后根據(jù)平面度評(píng)定方法，計(jì)算求得工作面各截面測(cè)量點(diǎn)對(duì)評(píng)定基準(zhǔn)的偏差。偏差中最大值與最小值之差即為平板的平面度。使用VC++語言編寫的軟件程序，實(shí)現(xiàn)了由圖像采集系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和處理，并能繪制出被測(cè)平板平面的三維起伏形狀圖，對(duì)評(píng)定的實(shí)際平面度誤差和平板允許的誤差范圍進(jìn)行比較，判斷平板等級(jí)，輸出評(píng)定結(jié)果。

圖1 測(cè)量點(diǎn)位置分布

2 平面度檢測(cè)系統(tǒng)的組成

基于圖像處理的平面度檢測(cè)系統(tǒng)，由圖像采集模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及圖像成像模塊組成，如圖2所示。

圖2 平面度檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 平面度檢測(cè)系統(tǒng)

運(yùn)用光源，通過CCD工業(yè)攝像機(jī)攝取平面測(cè)試件反射光線圖像，經(jīng)USB接口輸出，進(jìn)入MATLAB圖像處理系統(tǒng)，完成圖像濾波、去噪、二值化和特征參數(shù)提取等處理過程，最后由操作界面顯示測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)和被測(cè)平面三維示意圖。

圖像處理算法設(shè)計(jì)，包括圖像預(yù)處理（濾波、去噪、二值化等）、圖像特征參數(shù)提取等。對(duì)重要算法進(jìn)行仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

應(yīng)用MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)，完成GUI操作界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果可視化。

2.2 平面度檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

平面度檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

該平面度檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，觀測(cè)反射鏡與圖像采集系統(tǒng)在同一被測(cè)平板上，圖像采集系統(tǒng)中照明系統(tǒng)發(fā)出激光束，通過調(diào)節(jié)觀測(cè)反射鏡將激光束反射回圖像采集系統(tǒng)中，出射光與入射光的夾角即為平面上兩點(diǎn)間的角度值，在圖像采集系統(tǒng)中以格值形式顯示出示值，待示值穩(wěn)定后，由攝像頭攝取圖像信息，通過圖像采集卡將圖像信息送至圖像處理系統(tǒng)。

1）圖像采集模塊

圖3 平面度檢測(cè)系統(tǒng)原理

完成圖像成像模塊所顯示刻線的采集工作，將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行去除噪聲干擾、圖像銳化、灰度變換預(yù)處理，確定圖像中信號(hào)，將無用的信息去除，增強(qiáng)有用的特征信息，將不完整的特征信息修復(fù)復(fù)原。

2）圖像處理模塊

將預(yù)處理完成的圖像再進(jìn)行圖像處理，通過去噪聲、去干擾，增強(qiáng)處理、圖像復(fù)原將原始圖像加工成便于計(jì)算機(jī)識(shí)別的圖像，之后通過圖像識(shí)別對(duì)圖像處理后的可用圖像進(jìn)行特征提取、分類、分析。

3）數(shù)據(jù)處理模塊

圖像處理后的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡送至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊將圖像處理后的數(shù)據(jù)通過平面度計(jì)算公式，計(jì)算出各采集點(diǎn)相對(duì)于理想平面的距離偏差，并算出平面度誤差值，同時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊中由三位圖像擬合，直觀看出平面的誤差分布情況。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

平面度的評(píng)定方法有貼切法、簡(jiǎn)易法、最小二乘法和最小區(qū)域法。貼切法只適用于小平面；簡(jiǎn)易法評(píng)定平面度誤差，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，但得到的平面度誤差值偏大；最小區(qū)域法評(píng)定平面度誤差，完全符合平面度的定義，但過程比較麻煩；最小二乘法來評(píng)定平面度誤差，所得結(jié)果比最小區(qū)域法要稍大一些，但比簡(jiǎn)易法卻要準(zhǔn)確得多，而且計(jì)算機(jī)編程易實(shí)現(xiàn)。因此擬采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。表1是本項(xiàng)目前期工作中實(shí)際測(cè)量的一組數(shù)據(jù)。

表1中的z是各測(cè)量點(diǎn)到理想平面的偏差。

平面度的測(cè)量方法有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法是將被測(cè)實(shí)際表面與理想平面直接進(jìn)行對(duì)比，兩者之間的線值距離即為平面度誤差，如用于測(cè)量小平面的平晶干涉法。

本設(shè)計(jì)擬采用間接測(cè)量法，即通過測(cè)量實(shí)際表面上若干個(gè)點(diǎn)的相對(duì)高度差或相對(duì)傾斜角，然后再換算成以線值表示的平面度誤差。也就是先給出一個(gè)參考基準(zhǔn)平面，然后再測(cè)量出工件待測(cè)平面上的一系列點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)參考平面的高度差值，再對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以求出滿足或近似滿足平面度定義的平面度誤差值。

同樣以表1為例，圖4是采用最小二乘法擬合出的工件表面實(shí)際三維圖像，工件表面平整度三維逼真再現(xiàn)，從而使平面度的檢測(cè)更加便捷、準(zhǔn)確。

圖4 實(shí)際表面擬合三維圖

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，基于視覺圖像的檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用得越來越多。通過基于計(jì)算機(jī)視覺的非接觸自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，將光學(xué)儀器和圖像傳感器相結(jié)合，人們研制了許多基于機(jī)器視覺的新型光電測(cè)量?jī)x器。圖像傳感器在測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用成為現(xiàn)行檢測(cè)方法的必然趨勢(shì)，它能為用戶帶來直觀、準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，并節(jié)約時(shí)間，提高檢測(cè)效率。