薄片零件尺寸機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化研究

1、收稿日期:2009-10-14 薄片零件尺寸機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化研究伍濟(jì)鋼1,2,賓鴻贊2(1.湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074摘要:借鑒自由曲面逆向工程中掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化的思想,提出了基于CAD 信息的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化方法。基于曲線擬合容差開(kāi)發(fā)了圓弧圖元線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化算法;基于等線段長(zhǎng)開(kāi)發(fā)了直線圖元線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化算法;基于圖元間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)歸納了區(qū)域線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)選取準(zhǔn)則。用彈性臂薄片零件的尺寸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)基于CAD 信息的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化方法的檢測(cè)

2、精度和掃描數(shù)據(jù)量進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能提高檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度,提高線掃描的掃描效率,減少掃描數(shù)據(jù)量。關(guān)鍵詞:薄片零件;機(jī)器視覺(jué);尺寸檢測(cè)系統(tǒng);線掃描步長(zhǎng);自適應(yīng)優(yōu)化中圖分類號(hào):TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-0316 (2010 01-0071-04Research on line scanning step adaptive optimization in dimensional inspectionsystem of thin sheet part based on machine visionWU Ji-gang 1, 2,BIN Hong-zan 2(1.H

3、unan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance for Mechanical Equipment ,Hunan University of Scienceand Technology ,Xiangtan 411201,China ;2.School of Mechanical Science and Engineering ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China Abstract :CAD information-based line scan

4、ning step adaptive optimization method is proposed with the help of the thought of scanning step adaptive optimization in the free-form surface reverse engineering. A line scanning step adaptive optimization algorithm of arc primitive is developed by curve fitting allowance. A line scanning step ada

5、ptive optimization algorithm of straight line primitive is developed by equal line segment length. A region line scanning step adaptive selection criterion is concluded based on topological structure between primitives. The inspection accuracy and scanning data amount of the method are analyzed by t

6、he dimensional inspection experiments of the thin sheet part of the HGA (Head Gimbal Assembly. The experimental results indicate that the method can improve the accuracy of the inspection system, advance the efficiency of line scanning, decrease scanning data amount.Key words :thin sheet part ;machi

7、ne vision ;dimensional inspection system ;line scanning step ;adaptive optimization薄片零件尺寸機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)1是高精度、在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)線掃描進(jìn)行圖像采集,不但要求線掃描具有高分辨率能獲得優(yōu)質(zhì)圖像,而且要盡量減少掃描時(shí)間以保證實(shí)時(shí)性,并盡量減少掃描數(shù)據(jù)量以減少后續(xù)處理的時(shí)間。等步長(zhǎng)掃描由于其簡(jiǎn)單易行而被廣泛使用,其缺點(diǎn)是所得圖像的質(zhì)量低、實(shí)時(shí)性差、掃描數(shù)據(jù)量大,可以通過(guò)減小線掃描步長(zhǎng)來(lái)提高圖像的質(zhì)量,但同時(shí)會(huì)延長(zhǎng)掃描時(shí)間,而且會(huì)大大增加掃描數(shù)據(jù)量。況且即使采用較小的線掃描步長(zhǎng),仍然難以保證被檢測(cè)零

8、件輪廓的關(guān)鍵位置被掃描到,線掃描圖像不能真實(shí)地反映被檢測(cè)零件的輪廓特征,從而會(huì)降低檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。通過(guò)對(duì)線掃描步長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化得到最優(yōu)線掃描步長(zhǎng),再以此最優(yōu)線掃描步長(zhǎng)進(jìn)行線掃描來(lái)獲得被檢測(cè)零件的圖像,是解決這一問(wèn)題的有效途徑。目前尚未見(jiàn)對(duì)線掃描步長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化的報(bào)道,但是國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)自由曲面逆向工程中的掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化進(jìn)行了深入研究28,提出了多種優(yōu)化方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在深入研究自由曲面逆向工程中掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上,針對(duì)線掃描的具體實(shí)際,提出了一種基于CAD信息的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化方法。1 線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化基于CAD信息的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化方法的流程圖如

9、圖1所示。首先,打開(kāi)設(shè)計(jì)圖的DXF文件,讀取設(shè)計(jì)圖中各圖元的尺寸及其公差信息并保存,然后對(duì)各圖元進(jìn)行順序化。輸入初始線掃描步長(zhǎng)。根據(jù)初始線掃描步長(zhǎng)在計(jì)算機(jī)中對(duì)各圖元進(jìn)行虛擬等步長(zhǎng)線掃描。保存各圖元等步長(zhǎng)線掃描后的掃描點(diǎn)坐標(biāo)和線掃描步長(zhǎng)。由于在機(jī)械工程領(lǐng)域,直線和圓弧被廣泛使用,在給定擬合容差的情況下,樣條曲線可用直線和圓弧進(jìn)行擬合。因此本文只研究直線圖元與圓弧圖元(圓視為特殊的圓弧的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化算法。判斷各圖元的屬性,根據(jù)其屬性進(jìn)行相應(yīng)的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化。保存優(yōu)化后的各圖元的掃描點(diǎn)坐標(biāo)和線掃描步長(zhǎng)。根據(jù)各圖元的端點(diǎn)在掃描運(yùn)動(dòng)方向的垂直方向上將設(shè)計(jì)圖劃分為若干區(qū)域。根據(jù)區(qū)域線掃描步長(zhǎng)

10、自適應(yīng)選取準(zhǔn)則確定區(qū)域的線掃描步長(zhǎng)。依次將各區(qū)域的線掃描步長(zhǎng)按順序保存。再用優(yōu)化的線掃描步長(zhǎng)進(jìn)行線掃描獲得被檢測(cè)零件的圖像并保存。1.1 圓弧圖元線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化一般將曲線的各個(gè)掃描點(diǎn)用直線段依次連接,用弦長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)之比或用弧長(zhǎng)到對(duì)應(yīng)弦長(zhǎng)的最大距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)估曲線的掃描點(diǎn)是否能以足夠的精度表征曲線的輪廓特征,但是增加新的掃描點(diǎn)時(shí)需要重新計(jì)算弧長(zhǎng)或弧上每一點(diǎn)到弦的距離,計(jì)算量很大。本文對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn),將評(píng)估指標(biāo)定義為: =(1式中:是給定的擬合容差,根據(jù)圖元的尺寸公差確定;k max是兩掃描點(diǎn)間曲線的最大曲率,對(duì)于圓弧而言,k max是常量。 圖1 線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化方法流程圖

11、如圖2所示,假定圓O是設(shè)計(jì)圖中的一個(gè)圖元,當(dāng)圓O在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行等步長(zhǎng)線掃描時(shí),點(diǎn)A和B 是相鄰的兩個(gè)掃描點(diǎn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)用來(lái)評(píng)價(jià)弦AB是否能以擬合容差來(lái)擬合弧pAB。如果AB,則說(shuō)明弦AB不能以擬合容差來(lái)擬合弧pAB,所以應(yīng)該在掃描點(diǎn)A與B之間插入新掃描點(diǎn)C來(lái)細(xì)分弧pAB,然后用同樣的方法來(lái)評(píng)估弦AC和CB。這樣循環(huán)反復(fù),直到每?jī)蓚€(gè)掃描點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)均小于。1.2 直線圖元線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化如圖3所示,AB 是一條與掃描運(yùn)動(dòng)方向平行的直線,AC 是一條斜線,與AB 的夾角為。當(dāng)AB 在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行等步長(zhǎng)線掃描時(shí),A 、D 、E 是三個(gè)相鄰的掃描點(diǎn),A 與D 、D 與E 之間的掃描步長(zhǎng)分別為AD 、

12、DE 。當(dāng)AC 在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行等步長(zhǎng)線掃描時(shí),A 、F 、G 是三個(gè)相鄰的掃描點(diǎn),A 與F 、F 與G 之間的掃描步長(zhǎng)分別為AD 、DE ,A 與F 、F 與G 之間的線段長(zhǎng)分別為AF 、FG ,此時(shí)有AF =FG ,AD =DE ,但是AF AD ,也就是說(shuō)AC 圖2 圓弧圖元線掃描步長(zhǎng) 圖3 直線圖元線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化原理圖 自適應(yīng)優(yōu)化原理圖1.3 區(qū)域線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)選取準(zhǔn)則如圖4所示,在掃描運(yùn)動(dòng)方向上,各直線圖元的端點(diǎn)分別為A 、B 、C 、D 、E 、F 、G ,這些點(diǎn)既是圖元的端點(diǎn),又是圖元的交點(diǎn),各圓弧圖元(包括圓圖元的端點(diǎn)為C 、D 、E 、F 、H 、J 、K 、L 、M

13、、N 。在掃描運(yùn)動(dòng)方向上,這些端點(diǎn)將設(shè)計(jì)圖分成9個(gè)區(qū)域。區(qū)域線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)選取準(zhǔn)則為:(1若該區(qū)域內(nèi)只有直線圖元,則以線掃描步長(zhǎng)最小的直線圖元的線掃描步長(zhǎng)作為該區(qū)域的線掃描步長(zhǎng);(2若該區(qū)域內(nèi)既有直線圖元,又有圓弧圖元,則優(yōu)先選擇圓弧圖元的線掃描步長(zhǎng)作為該區(qū)域的線掃描步長(zhǎng),若有多個(gè)圓弧圖元,則按準(zhǔn)則(3進(jìn)行選擇;(3若該區(qū)域內(nèi)有多個(gè)圓弧圖元,則以圓弧圖元的最小線掃描步長(zhǎng)為最小的圓弧圖元的線掃描步長(zhǎng)作為該區(qū)域的線掃描步長(zhǎng)。該準(zhǔn)則既能保證各圖元的端點(diǎn)在線掃描時(shí)被掃描到,又能實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)線掃描步長(zhǎng)的自適應(yīng)選取。圖6 薄片零件等步長(zhǎng)線掃描圖像圖5中的薄片零件變步長(zhǎng)線掃描圖像由3726線數(shù)據(jù)組成,圖6中

14、的薄片零件等步長(zhǎng)線掃描圖像由5253線數(shù)據(jù)組成,可以看出變步長(zhǎng)線掃描圖像的整體掃描數(shù)據(jù)量要大大小于等步長(zhǎng)線掃描圖像的整體掃描數(shù)據(jù)量。選取薄片零件的關(guān)鍵圖元來(lái)進(jìn)行檢測(cè)精度和掃描數(shù)據(jù)量的對(duì)比分析,如圖6中的圓弧A 1、A 2,圓C 1、C 2,結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,盡管變步長(zhǎng)線掃描的擬合容差要大大小于等步長(zhǎng)線掃描的擬合容差,但是變步長(zhǎng)線掃描的掃描數(shù)據(jù)量還是要小于等步長(zhǎng)線掃描的掃描數(shù)據(jù)量。3 結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于CAD 信息的線掃描步長(zhǎng)自適應(yīng)優(yōu)化方法能提高檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和線掃描的掃描效率,減少掃描數(shù)據(jù)量,同時(shí)能保證被檢測(cè)零件輪廓圖元的端點(diǎn)在線掃描時(shí)被掃描到,使得線掃描圖像能更好地反映

15、被檢測(cè)零件的輪廓特征。表1 薄片零件關(guān)鍵圖元的檢測(cè)精度與掃描數(shù)據(jù)量序號(hào)半徑/mm尺寸公差/mm圓度公差/mm掃描方式擬合容差掃描方向上圖像的線數(shù)+0.013 等步長(zhǎng) 0.001 760C 1 1.187-0.008 0.013變步長(zhǎng) 0.00001 485 +0.013等步長(zhǎng) 0.001812 C 2 1.270-0.0080.013變步長(zhǎng) 0.00001 529 等步長(zhǎng) 0.0001354 A 1 0.672 0.025 0.025變步長(zhǎng) 0.00001 315 等步長(zhǎng) 0.0001166 A 2 0.127 0.025 0.025變步長(zhǎng) 0.00001136參考文獻(xiàn):1伍濟(jì)鋼,賓鴻贊. 機(jī)

16、器視覺(jué)的薄片零件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)J. 光學(xué)精密工程,2007,15(1:124-130.2Smith K. B.,Zhang Y . F. Multi-laser displacement sensor used in accurate digitizing techniqueJ. Transaction of the ASME Journal of Engineering for Industry ,1994,22(5:482-490.3Li S. Z. Adaptive sampling and mesh generationJ. Computer-Aided Design ,1995,27(

17、3:235-240.4Song C. K.,Kim S. W. Reverse engineering: Autonomous digitization of free-formed surfaces on a CNC coordinate measuring machineJ. International Journal of Machine Tools and Manufacture ,1997,37(7:1041-1051.5來(lái)新民,黃田,陳關(guān)龍,等. 自由曲面數(shù)字化的自適應(yīng)規(guī)劃J. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,33(7:837-841.6Chang M.,Lin P. P. On-li

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