基于行為自適應(yīng)的臺(tái)鉆主軸軸徑視覺(jué)測(cè)量策略

王筠翔,花海燕,2,朱廣磊

(1.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建福州 350118;2.福建工程學(xué)院數(shù)字福建工業(yè)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350118)

0 前言

軸類零件作為起支承和傳動(dòng)作用的關(guān)鍵零部件，其加工精度直接影響機(jī)械設(shè)備的工作性能。尺寸與形位公差測(cè)量的可靠性，是把控軸類零件加工品質(zhì)的關(guān)鍵。軸徑測(cè)量是首要測(cè)量任務(wù)。目前軸徑測(cè)量方法較多，例如有采用游標(biāo)卡尺、外徑千分尺等量具的人工測(cè)量法，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的接觸式測(cè)量法，采用激光掃描測(cè)徑儀的測(cè)量法[1]，基于圖像處理技術(shù)的視覺(jué)測(cè)量法[2]，雙攝像機(jī)輔以激光裝置的測(cè)量法[3]以及基于線結(jié)構(gòu)光的視覺(jué)測(cè)量法[4]等。采用人工測(cè)量法，工作強(qiáng)度大且易受人為因素影響。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度高，但接觸式測(cè)量的采樣點(diǎn)數(shù)量直接影響測(cè)量效率，且設(shè)備成本高。相較之下，視覺(jué)測(cè)量法憑借采樣效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和非接觸等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化測(cè)量的重要分支。近年來(lái)，隨著相機(jī)分辨率的不斷提高，直接帶動(dòng)軸徑測(cè)量精度的提高，通過(guò)更換不同放大倍率的鏡頭，可調(diào)節(jié)軸徑的可測(cè)范圍。但相機(jī)不變改變鏡頭放大倍率，雖增大視場(chǎng)卻導(dǎo)致了精度的降低。鑒于此問(wèn)題，有些研究選擇雙小視場(chǎng)鏡頭來(lái)解決較大直徑的測(cè)量精度問(wèn)題，采取在零件自身上找基準(zhǔn)位置的直徑作為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)[5]，或分別采集零件左右輪廓實(shí)現(xiàn)直徑測(cè)量，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軸與待測(cè)軸外徑差值，間接獲得軸徑[6]?？傮w而言，通過(guò)采用高精度相機(jī)、畸變小的鏡頭，改進(jìn)測(cè)量方法及圖像處理算法等措施，軸徑的視覺(jué)測(cè)量可達(dá)到0.01 mm的測(cè)量精度。然而，無(wú)論采取何種測(cè)量，都存在測(cè)量不確定度，尤其當(dāng)測(cè)量?jī)x器的精度無(wú)法高于待測(cè)零件精度數(shù)倍時(shí)，不確定度分析、誤差分析與補(bǔ)償成為確保測(cè)量可靠性的關(guān)鍵[7-8]。對(duì)于粗加工、半精加工階段零件的測(cè)量，可能著眼于快速測(cè)量[9]；對(duì)于高精度零件，由于測(cè)量過(guò)程行為影響因素多，即使單項(xiàng)誤差較小，但行為變化對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的誤差波動(dòng)綜合起來(lái)，可能對(duì)測(cè)量產(chǎn)生不可忽視的影響，需更注重測(cè)量精度和穩(wěn)定性問(wèn)題的攻克。

鑒于視覺(jué)測(cè)量過(guò)程行為的多樣性與影響關(guān)系的復(fù)雜性，為了確保軸徑測(cè)量的可靠性，提高測(cè)量系統(tǒng)的適應(yīng)性，以臺(tái)鉆主軸為研究對(duì)象，提出一種行為自適應(yīng)視覺(jué)測(cè)量策略，通過(guò)獲取測(cè)量行為變化對(duì)測(cè)量誤差的影響波動(dòng)，形成閉環(huán)測(cè)量，以保障視覺(jué)測(cè)量的效果。

1 臺(tái)鉆主軸軸徑視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 臺(tái)鉆主軸軸徑視覺(jué)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

以臺(tái)鉆主軸為研究對(duì)象，其尺寸信息如圖1所示。該軸主要特征有5段，φ20 mm軸段和φ17 mm軸段為IT6級(jí)精度，φ17 mm花鍵軸段為IT7級(jí)精度，φ26 mm和φ19 mm軸段未注公差，全軸長(zhǎng)416 mm。

圖1 臺(tái)鉆主軸尺寸信息Fig.1 Dimension of bench drill spindle

由于該軸軸向尺寸較長(zhǎng)，無(wú)法一次采集全軸圖像，故本文作者設(shè)計(jì)了雙向移動(dòng)與周向旋轉(zhuǎn)的臺(tái)鉆主軸視覺(jué)測(cè)量裝置，如圖2所示。裝置中相機(jī)夾持在X軸精調(diào)滑臺(tái)上，X軸精調(diào)滑臺(tái)安裝于Y軸滑臺(tái)上，Y軸滑臺(tái)再安裝于X軸粗調(diào)滑臺(tái)上。由此，相機(jī)可以沿豎直方向調(diào)節(jié)物距，沿水平方向?qū)崿F(xiàn)軸的逐段采樣。X軸采用粗精結(jié)合的調(diào)節(jié)方法，粗調(diào)滑臺(tái)用于遠(yuǎn)距離快速進(jìn)給，精調(diào)滑臺(tái)用于臨近距離定位。待測(cè)工件兩端采用頂針安裝于工作臺(tái)上，工件可繞軸線旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)周向多工位圖像采集，并自制了角度調(diào)整器裝于軸上未測(cè)軸段，用以實(shí)現(xiàn)周向工位標(biāo)識(shí)。

圖2 臺(tái)鉆主軸視覺(jué)測(cè)量裝置Fig.2 Visual measurement device of bench drill spindle

測(cè)量系統(tǒng)采用分辨率為4 024像素×3 036像素的工業(yè)相機(jī)，畸變小的遠(yuǎn)心鏡頭。光源采用發(fā)光強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的LED白色光源，采用背向照明以提高灰度對(duì)比度，獲得更清晰的工件輪廓邊緣。

1.2 軸徑視覺(jué)測(cè)量組合采樣方案設(shè)計(jì)

影響外徑測(cè)量不確定度的因素很多，總體可分為測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法、外界環(huán)境、人為因素以及工件本身形狀誤差等方面。為了適應(yīng)不同精度軸徑測(cè)量需求，協(xié)調(diào)測(cè)量效率與測(cè)量可靠性的問(wèn)題，本文作者設(shè)計(jì)了軟硬結(jié)合的組合采樣策略。由圖2所示測(cè)量裝置完成軸向分節(jié)拍和周向分工位圖像采集，由軟件實(shí)現(xiàn)軸向分段提取輪廓。

為實(shí)現(xiàn)軸向采樣，根據(jù)軸向尺寸與視場(chǎng)范圍，計(jì)算分段節(jié)拍，確定每一拍X軸粗調(diào)滑臺(tái)和X軸精調(diào)滑臺(tái)各自需要移動(dòng)的位移。為實(shí)現(xiàn)周向多工位采樣，將自制的角度分向調(diào)整裝置安裝于軸上當(dāng)前非被測(cè)段，用于實(shí)現(xiàn)周向均勻n工位圖像采集。在對(duì)某軸段進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將工件每次繞軸旋轉(zhuǎn)角度為360°/n，直至旋轉(zhuǎn)完1周，如圖3所示。

圖3 視覺(jué)測(cè)量組合采樣方案Fig.3 Combined sampling scheme for visual measurement

考慮到工件本身形狀誤差對(duì)測(cè)量不確定性的影響，并鑒于視覺(jué)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在軟件中設(shè)計(jì)了軸向分段提取輪廓的功能。將所采集的圖像，沿軸向等距離分割成m段，分別提取各段輪廓特征并進(jìn)行輪廓擬合，計(jì)算出各細(xì)分軸段的直徑，以此觀察主軸在任意軸向位置的徑向尺寸，及時(shí)反饋形狀誤差引起的軸徑測(cè)量波動(dòng)。

2 基于行為自適應(yīng)的測(cè)量流程設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)行為自適應(yīng)的臺(tái)鉆主軸軸徑測(cè)量，以Visual Studio 軟件的MFC為主平臺(tái)，開(kāi)發(fā)滿足多樣性測(cè)量需求的臺(tái)鉆主軸軸徑自動(dòng)化視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。軟件界面包括圖像預(yù)處理、邊緣提取、直線擬合等算子的配置，相關(guān)參數(shù)設(shè)置，圖像批處理導(dǎo)入，參數(shù)樣本的導(dǎo)入等功能，該測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)曝光區(qū)間自適應(yīng)優(yōu)選、批量圖像處理、誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等一系列工作。測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行流程圖如圖4所示，主要包括3個(gè)模塊。

(1)曝光自適應(yīng)圖像采集模塊。由于主軸各段軸徑加工精度不同，照明引起的反光影響程度存在差異；外界環(huán)境變化較大時(shí)，也可能引起最佳曝光時(shí)間的變化。為了使測(cè)量系統(tǒng)能自適應(yīng)進(jìn)行最佳曝光時(shí)間的評(píng)定，設(shè)計(jì)了曝光自適應(yīng)圖像采集模塊。文中采用樣件校準(zhǔn)法，在批量零件測(cè)量前利用該模塊對(duì)主軸樣件進(jìn)行最佳曝光自適應(yīng)優(yōu)選。首先可根據(jù)以往測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，預(yù)設(shè)采樣曝光時(shí)間變化步長(zhǎng)Δt和起始曝光時(shí)間調(diào)整步長(zhǎng)ΔT，并完成曝光時(shí)間初始化t=T0和采樣數(shù)初始化等工作。而后，傳輸所設(shè)定曝光時(shí)間，采集圖像并在圖像上截取感興趣區(qū)域作為圖像粗選的評(píng)定區(qū)域。以感興趣區(qū)域的平均灰度作為圖像粗選的判別條件，若滿足條件表明圖像符合粗選要求，將以Δt的變化量繼續(xù)遞增采集，直到滿足終止條件為止；若不滿足則判別是否未取得合格圖片，若N=0表明未取得合格圖片，需以ΔT步長(zhǎng)修改起始曝光時(shí)間，并重新初始化及采樣。最后，將粗選所得圖片及相關(guān)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

(2)圖像批處理模塊。在測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了圖像批處理模塊，自動(dòng)完成對(duì)批量圖片的圖像預(yù)處理、邊緣提取、直線擬合、軸徑計(jì)算等操作。該模塊采用了可配置模式，通過(guò)軟件界面進(jìn)行各算子的選擇配置；算子中的參數(shù)，也可以通過(guò)界面導(dǎo)入?yún)?shù)列表，以便優(yōu)化參數(shù)。

(3)誤差反饋閉環(huán)測(cè)量模塊。若測(cè)量工作處于樣件校準(zhǔn)曝光優(yōu)選階段，則對(duì)粗選所得圖像樣本進(jìn)行圖像批處理、誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，獲得樣件測(cè)量誤差的影響波動(dòng)，優(yōu)選曝光時(shí)間。若已完成曝光優(yōu)選，則可在優(yōu)選曝光下采集圖像，通過(guò)圖像批處理、誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)估，形成誤差反饋閉環(huán)測(cè)量，用其完成優(yōu)選曝光下主軸多工位圖像采集與軸徑測(cè)量誤差評(píng)定，重復(fù)測(cè)量誤差評(píng)定以及不同采樣方案的測(cè)量工作等。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行流程Fig.4 Execution flow of measurement system

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

建立臺(tái)鉆主軸視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是以提高測(cè)量穩(wěn)定性為目標(biāo)，利用誤差分析獲取行為變化對(duì)誤差波動(dòng)的影響，閉環(huán)反饋測(cè)量效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行為自適應(yīng)的穩(wěn)定測(cè)量。由于臺(tái)鉆主軸徑向尺寸中φ20 mm軸段的精度等級(jí)為IT6級(jí)，精度要求高，具有代表性，故以該軸段為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)主要分3步開(kāi)展：首先用主軸樣件進(jìn)行單工位曝光區(qū)間優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選曝光時(shí)間；其次，在優(yōu)選曝光區(qū)間下，進(jìn)行多工位測(cè)量及其誤差分析，評(píng)定在優(yōu)選曝光區(qū)間下，工位變化對(duì)測(cè)量誤差的影響波動(dòng)；再次，對(duì)多個(gè)零件在相同優(yōu)選曝光區(qū)間下進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，評(píng)定測(cè)量誤差影響波動(dòng)；最后，進(jìn)行不同采樣方案的誤差影響評(píng)定。

3.2 單工位曝光區(qū)間優(yōu)選實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

首先任選某工位進(jìn)行曝光優(yōu)選實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在保持工件和相機(jī)不動(dòng)的情況下，為了降低邊緣的模糊程度，得到更清晰的圖像邊緣，使工件輪廓邊緣處有較大的灰度對(duì)比值，測(cè)量實(shí)驗(yàn)分別以10 000 μs和8 000 μs為起始曝光時(shí)間，以Δt=1 000 μs的變化量進(jìn)行逐次遞增采樣。第一次實(shí)驗(yàn)獲得曝光時(shí)間區(qū)間為10 000～29 000 μs的20張圖像樣本，第2次實(shí)驗(yàn)獲得8 000～28 000 μs的21張圖像樣本。運(yùn)用所開(kāi)發(fā)的軟件，對(duì)兩次實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行圖像批處理、軸徑測(cè)量誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以曝光時(shí)間變化Δt對(duì)應(yīng)的測(cè)量絕對(duì)誤差變化量為評(píng)定依據(jù)，以兩次實(shí)驗(yàn)優(yōu)選測(cè)量誤差較小的曝光區(qū)間。兩次實(shí)驗(yàn)曝光時(shí)間變化對(duì)測(cè)量絕對(duì)誤差(即視覺(jué)測(cè)量值與實(shí)際值之差)的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 曝光時(shí)間對(duì)測(cè)量絕對(duì)誤差的影響

由圖5中第一次測(cè)量的曲線可見(jiàn)，測(cè)量絕對(duì)誤差隨著曝光時(shí)間變化步長(zhǎng)Δt的增加，出現(xiàn)了先急劇變化、再平緩波動(dòng)、又急劇變化的趨勢(shì)。當(dāng)曝光時(shí)間小于12 000 μs時(shí)變化急劇，到達(dá)12 000 μs時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)波谷，而后波動(dòng)開(kāi)始逐漸趨于平緩；到23 000 μs之后測(cè)量誤差波動(dòng)又呈現(xiàn)陡峭變化趨勢(shì)。由圖5中第二次測(cè)量的曲線可見(jiàn)，從8 000 μs開(kāi)始下降較為平緩，但在13 000 μs時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)較大波谷，14 000 μs后趨于平緩，到23 000 μs之后又開(kāi)始急劇變化。對(duì)兩次測(cè)量實(shí)驗(yàn)共同的影響平緩曝光區(qū)間進(jìn)行對(duì)比：第一次實(shí)驗(yàn)曝光時(shí)間為14 000～23 000 μs時(shí)，誤差在0附近上下波動(dòng)，其最大差值為12.54 μm，最小差值為0.26 μm，極差為12.27 μm，在誤差允許范圍內(nèi)；第二次實(shí)驗(yàn)曝光時(shí)間14 000～23 000 μs時(shí)，誤差最大差值為1.27 μm，最小差值為-3.22 μm，極差為4.49 μm，也在誤差允許范圍內(nèi)。綜合兩次實(shí)驗(yàn)，獲得優(yōu)選曝光區(qū)間14 000～23 000 μs，作為后續(xù)圖像采集的曝光時(shí)間區(qū)間。

選取若干優(yōu)選曝光時(shí)間下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。任選14 000～18 000 μs 5個(gè)曝光時(shí)間的圖像，被測(cè)軸段的軸向細(xì)分段數(shù)取m=10，進(jìn)行主軸邊緣輪廓特征提取與分段擬合，獲得這5個(gè)曝光時(shí)間下各細(xì)分段軸徑計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。

圖6 曝光時(shí)間在14 000～18 000 μs的測(cè)量結(jié)果

由圖6可見(jiàn)：5個(gè)曝光時(shí)間下，各細(xì)分段測(cè)得的直徑有所偏移，但隨軸段位置變化的總體趨勢(shì)保持一致。通過(guò)細(xì)分軸段可以觀測(cè)到該被測(cè)主軸測(cè)量值極差都在8 μm以內(nèi)，但出現(xiàn)兩端粗中間細(xì)的情況，該測(cè)量結(jié)果一定程度可反映零件加工的幾何形狀誤差狀況。

3.3 多工位測(cè)量及其誤差分析

在優(yōu)選曝光區(qū)間14 000～23 000 μs進(jìn)行臺(tái)鉆主軸樣件的多工位測(cè)量實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)取n=12，即將工件繞軸旋轉(zhuǎn)一周共分12個(gè)工位，相鄰工位間隔30°，曝光時(shí)間以Δt=500 μs的變化量遞增采樣，共采集228張圖片。軸向細(xì)分段數(shù)取m=10進(jìn)行圖像批處理，得到不同曝光時(shí)間下12個(gè)工位的測(cè)量結(jié)果。各曝光時(shí)間下，以12工位測(cè)量平均值表征軸徑視覺(jué)測(cè)量值，它與實(shí)際值之差即所得測(cè)量絕對(duì)誤差見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)選曝光區(qū)間下多工位測(cè)量絕對(duì)誤差

由圖7可以看出：在優(yōu)選曝光區(qū)間內(nèi)進(jìn)行多工位測(cè)量，以多工位測(cè)量的平均值表征視覺(jué)測(cè)量值，其測(cè)量誤差在0附近不規(guī)則波動(dòng)，最大絕對(duì)誤差值為1.36 μm，最小絕對(duì)誤差值為-1.23 μm，極差小于2.6 μm，在誤差允許范圍內(nèi)。

工位變化引起的測(cè)量值波動(dòng)情況見(jiàn)圖8。在優(yōu)選曝光區(qū)間內(nèi)，隨著曝光時(shí)間的不同，多工位測(cè)量波動(dòng)也存在差異，且呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)狀態(tài)。例如，曝光時(shí)間16 000、18 000、19 000、23 000 μs的工位變化的測(cè)量波動(dòng)較小，波幅小于7 μm；曝光時(shí)間為15 500 μs時(shí)則波動(dòng)較大，波幅15.1 μm。分析其原因可能是由測(cè)量環(huán)境波動(dòng)、不同曝光時(shí)間獲取的特征輪廓存在差異以及零件本身的形狀誤差等原因造成測(cè)量值的波動(dòng)。綜合圖7、圖8可以看出多工位平均值最小為20.0036 mm，最大值為20.006 2 mm，測(cè)量誤差在±1.5 μm之內(nèi)。也就是說(shuō)，在優(yōu)選曝光區(qū)間下，增加周向采樣工位，以周向多工位測(cè)量的平均值表征視覺(jué)測(cè)量值，可滿足維持穩(wěn)定測(cè)量的需求。

圖8 工位變化引起的測(cè)量值波動(dòng)

3.4 多軸測(cè)量適應(yīng)性驗(yàn)證

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的曝光區(qū)間，取與上述實(shí)驗(yàn)軸規(guī)格相同的4根臺(tái)鉆主軸作為檢驗(yàn)軸，進(jìn)行測(cè)量適應(yīng)性驗(yàn)證。采取同樣的測(cè)量策略，曝光時(shí)間從14 000 μs開(kāi)始，以Δt=500 μs的變化量遞加至23 000 μs，各工位間隔30°共12工位，每根軸各采集228張圖片。對(duì)所采集的4根軸共計(jì)912張圖片進(jìn)行圖像批處理，得到4根軸的多工位測(cè)量平均值，作為視覺(jué)測(cè)量值。將所得視覺(jué)測(cè)量值與4根軸的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，其測(cè)量絕對(duì)誤差如圖9所示。可以看出：第1、3、4根軸在不同曝光時(shí)間下的測(cè)量絕對(duì)誤差波動(dòng)比較穩(wěn)定，最大誤差分別為2.51、1.76、-3.22 μm，最小誤差分別為-2.19、-4.31、-8.25 μm，波幅分別為4.70、6.07、5.03 μm。第2根軸誤差波動(dòng)相較其他軸較大，其最大值為3.07 μm，最小值為-7.07 μm，波幅為10.14 μm。對(duì)于不同軸，還存在測(cè)量誤差偏移，第1根、第3根軸測(cè)量值與實(shí)際值偏移量較小，第2根軸測(cè)量值比實(shí)際值整體偏小了3 μm，第4根軸測(cè)量值比實(shí)際值整體偏小了5 μm。

圖9 檢驗(yàn)軸的測(cè)量絕對(duì)誤差

為了觀察4根軸在不同曝光下工位變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)影響，用柱狀圖顯示12個(gè)工位的測(cè)量最大值、最小值及平均值。由于4根軸在各優(yōu)選曝光時(shí)間的測(cè)量結(jié)果不便在一張圖像中全部列出，故從曝光時(shí)間14 000 μs開(kāi)始，以等時(shí)間間隔Δt=2 000 μs，選取其中5個(gè)曝光時(shí)間進(jìn)行多工位測(cè)量波動(dòng)對(duì)比，如圖10所示。

圖10 檢驗(yàn)軸測(cè)量工位變化引起的測(cè)量波動(dòng)

由圖10可見(jiàn)：4根檢驗(yàn)軸在不同曝光時(shí)間下工位變化的測(cè)量波動(dòng)情況不同。其中，第2根軸的波動(dòng)相比其他軸波幅更大，工位變化的測(cè)量最大波幅達(dá)到0.041 mm；而第4根軸的測(cè)量最大波幅為0.012 mm。工位變化引起的測(cè)量波動(dòng)可能是由裝夾引起，也可能是由零件本身的形狀誤差引起，還有可能是由于外界環(huán)境不確定性因素引起。

對(duì)第4根軸，取曝光區(qū)間14 000～23 000 μs，時(shí)間間隔Δt=500 μs的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。根據(jù)誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，在這些曝光時(shí)間下，工位變化引起的誤差波動(dòng)幅度隨著曝光時(shí)間的變化并不是規(guī)律變化的。圖11中，在15 500 μs時(shí)波幅最大，為0.034 mm；在14 500 μs時(shí)，波幅最小為0.007 mm。由于在不同曝光下圖像是批量連續(xù)性采集的，裝夾和零件相同，僅曝光時(shí)間變化。因此，其中相對(duì)較穩(wěn)定的誤差波動(dòng)主要是因曝光改變而引起的，而異于穩(wěn)定的異常波動(dòng)，主要是由不確定性因素引起的。

圖11 第4根軸工位變化引起的測(cè)量波動(dòng)

3.5 不同采樣方案的誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為了探索不同采樣方案引起的測(cè)量影響，任選第4根檢驗(yàn)軸為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在曝光時(shí)間為16 500 μs的情況下，進(jìn)行不同采樣方案的誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。首先，周向工位數(shù)n=12，對(duì)所取12工位進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)量。軸向細(xì)分段數(shù)m=10進(jìn)行圖像批處理，并對(duì)各次測(cè)量12個(gè)工位的測(cè)量誤差變化情況進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。

圖12 第4軸各工位重復(fù)測(cè)量誤差變化情況

由圖12可以看出，重復(fù)測(cè)量時(shí)不同工位之間測(cè)量值絕對(duì)誤差波動(dòng)趨勢(shì)基本保持一致。此時(shí)，由于曝光值相同，且工件不重復(fù)裝夾，僅周向運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，各工位多次測(cè)量誤差的平均值不同，反映了零件本身周向的形狀誤差對(duì)軸徑測(cè)量不確定性的影響。也就是說(shuō)，當(dāng)周向采樣位置和周向采樣數(shù)不同時(shí)，會(huì)造成測(cè)量結(jié)果存在一定程度的差異。為此，取周向2工位、4工位、6工位和12工位共18組方案進(jìn)行誤差比較，見(jiàn)表1。其中編號(hào)(2-1)～(2-12)為周向2工位方案，編號(hào)(4-1)～(4-3)為周向4工位方案，編號(hào)(6-1)～(6-2)為周向6工位方案，編號(hào)12-1為周向12工位方案。

表1 周向多工位方案測(cè)量誤差分析結(jié)果 單位：μm

由表1可見(jiàn)：按傳統(tǒng)的周向取兩工位多次測(cè)量平均值表征視覺(jué)測(cè)量結(jié)果，當(dāng)選取的方案不同時(shí)，測(cè)量平均誤差可能在-3.56～-1.10 μm之間，即存在2.5 μm的變化差異；多次測(cè)量誤差的極差反映誤差波幅，波幅寬度在1.11～4.11 μm之間不等。隨著周向工位數(shù)的增加，以周向多工位的測(cè)量結(jié)果表征視覺(jué)測(cè)量值，與傳統(tǒng)僅兩個(gè)工位測(cè)量相比，誤差波幅趨于穩(wěn)定，零件本身周向的形狀誤差對(duì)軸徑測(cè)量不確定度可以降低。綜合周向12工位多次測(cè)量表征視覺(jué)測(cè)量結(jié)果，與實(shí)際值相比，多次測(cè)量平均誤差為-2.21 μm，極差1.34 μm，標(biāo)準(zhǔn)差0.52 μm，能滿足該軸段測(cè)量要求。同時(shí)，由于周向采樣數(shù)量的增加會(huì)增加采樣時(shí)間和圖像批處理時(shí)間，故有必要在進(jìn)行各軸徑測(cè)量時(shí)，根據(jù)軸徑的設(shè)計(jì)精度，評(píng)定相適應(yīng)的周向采樣數(shù)，這也是設(shè)計(jì)周向多工位測(cè)量行為自適應(yīng)的意義所在。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證軸向細(xì)分段數(shù)m變化對(duì)測(cè)量誤差穩(wěn)定性的影響，取m=3～50的不同方案，每種方案進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)量，對(duì)測(cè)量誤差的變化情況進(jìn)行對(duì)比。不同軸向細(xì)分采樣方案的測(cè)量誤差變化結(jié)果見(jiàn)表2。在已完成優(yōu)選曝光和周向采樣評(píng)估的基礎(chǔ)上，隨著軸向細(xì)分段數(shù)m的增加，誤差變化最大值、最小值和極差發(fā)生變化，并逐漸趨于平穩(wěn)，其量化反映了主軸形狀誤差所引起的軸徑測(cè)量值沿軸向的變化情況。同時(shí)，多次測(cè)量平均誤差穩(wěn)定在-2.22 μm左右，其平均值變化量小于0.5 μm，能滿足穩(wěn)定測(cè)量需求。在進(jìn)行軸徑測(cè)量時(shí)可根據(jù)軸類零件的精度要求，自適應(yīng)確定軸向細(xì)分段數(shù)，把控零件直徑受形狀誤差的影響程度。

表2 不同軸向細(xì)分采樣方案的誤差分析結(jié)果 單位：μm

4 結(jié)論

提出一種行為自適應(yīng)視覺(jué)測(cè)量策略，建立了臺(tái)鉆主軸軸徑視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，并以臺(tái)鉆主軸高精度軸段為對(duì)象，進(jìn)行曝光區(qū)間自適應(yīng)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，多工位、多軸、多采樣方案測(cè)量實(shí)驗(yàn)與誤差分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到結(jié)論如下：

(1)視覺(jué)測(cè)量的影響因素眾多，采取行為自適應(yīng)的測(cè)量策略，利用測(cè)量誤差信息，評(píng)定測(cè)量過(guò)程行為變化對(duì)測(cè)量誤差的影響，形成閉環(huán)反饋。隨著周向工位數(shù)的增加其誤差波幅趨于穩(wěn)定，軸徑測(cè)量的不確定度也隨之下降；隨著軸向細(xì)分段數(shù)的增加，其平均值變化極小，極差變化也趨于平穩(wěn)，能滿足臺(tái)鉆主軸高精度軸段測(cè)量需求。

(2)在自適應(yīng)測(cè)量策略中，著眼于曝光時(shí)間、周向多工位圖像采集和軸向多段輪廓提取方案對(duì)測(cè)量的影響，利用誤差信息，獲取測(cè)量行為變化、工件本身形狀誤差等因素造成的測(cè)量誤差波動(dòng)，有利于提高測(cè)量的穩(wěn)定性。

(3)所設(shè)計(jì)的組合采樣策略，能夠根據(jù)被測(cè)對(duì)象的設(shè)計(jì)精度，自主確定合理的周向圖像采樣數(shù)量，可更好地協(xié)調(diào)測(cè)量效率與測(cè)量效果的關(guān)系；鑒于視覺(jué)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在軟件中實(shí)現(xiàn)了軸向多段細(xì)分采樣與擬合，并進(jìn)行軸向細(xì)分采樣方案的誤差分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，可高效量化零件形狀本身對(duì)測(cè)量的不確定影響。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量閉環(huán)實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程行為的自適應(yīng)，有利于提高測(cè)量的智能化水平，推動(dòng)智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。