一種對在復(fù)雜曲面或自由表面上的小孔位置誤差的快速檢測和評價(jià)方法(共8頁)

1、一種對復(fù)雜曲面或自由表面(biomin)上的小孔位置誤差的快速檢測和評價(jià)方法題目(tm)思路：利用一種新的裝置掃描工件表面，并計(jì)算得到小孔的中心位置坐標(biāo)，與理論小孔的位置坐標(biāo)進(jìn)行(jnxng)對比，得出小孔位置誤差。以實(shí)例檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果評估該裝置的檢測性能。全文概述：本文詳細(xì)描述了測量在復(fù)雜曲面表面小孔的問題。提出了一種基于dual-sensor自動(dòng)對焦和圖像處理的方法來快速檢測小孔并評價(jià)該方法。該方法結(jié)合一個(gè)觸覺傳感器和光學(xué)視覺傳感器。首先觸覺傳感器通過接觸得到顯微鏡物鏡與每一個(gè)小孔之間的距離，為光學(xué)視覺傳感器找到最佳焦平面，然后運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將光學(xué)視覺傳感器移動(dòng)到最佳焦距，獲取小孔的圖像。提出一

2、種檢測在復(fù)雜曲面表面上的小孔圖像中心位置的算法來評估該技術(shù)的質(zhì)量，該算法計(jì)算時(shí)間快。通過實(shí)例，利用dual-sensor自動(dòng)對焦單元檢測一個(gè)橢圓柱殼體表面的相信陣列小孔，獲取并處理圖像，理論推導(dǎo)并實(shí)際計(jì)算小孔的中心位置誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測技術(shù)和算法效率高，誤差小。研究背景：在汽車、航空、航天領(lǐng)域，對復(fù)雜曲面上和自由表面上直徑小于1mm的陣列孔的有效檢測很有必要。由于這些孔太小，使得用坐標(biāo)測量機(jī)或計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的探針檢測很困難。又由于這些孔往往是陣列的很多孔，甚至幾百個(gè)，所以用納米或微米級的探針，尤其是光學(xué)纖維接觸探針來實(shí)現(xiàn)檢測，很脆且價(jià)格昂貴，效率低。有一種光學(xué)視覺傳感器可以用于此應(yīng)用。

3、它包含一個(gè)高分辨率數(shù)字相機(jī)和一個(gè)帶有一組物鏡的光學(xué)顯微鏡。傳感器放在離小孔表面一定距離的位置，目前使用的自動(dòng)對焦方法主要依靠光學(xué)評價(jià)函數(shù)(OEF)方法。該方法的缺點(diǎn)有：由于小孔所在的復(fù)雜曲面表面與物鏡之間距離的變化，利用OEF方法檢測所有小孔的過程效率低（exhaustive）；這種技術(shù)受光源的光強(qiáng)、零件表面反射率和顯微鏡景深影響；重定位、穩(wěn)定、獲取和分析圖像所用時(shí)間都很長。研究方案：基于已介紹的光學(xué)視覺傳感器檢測方法，提出了一種自動(dòng)對焦的dual-sensor的替代方法來測量復(fù)雜曲面表面上的小孔，通過使用一個(gè)觸覺探針克服光學(xué)技術(shù)的局限性。一個(gè)光學(xué)視覺傳感器和一個(gè)接觸探針相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)快速且自

4、動(dòng)檢測復(fù)雜曲面表面上小孔的位置。研究(ynji)方法：1.位置(wi zhi)檢測：接觸(jich)探頭通過探測每一個(gè)小孔位置為光學(xué)視覺傳感器在傳感方向上找到最好的對焦位置。提前校準(zhǔn)物鏡與探頭工作點(diǎn)的距離以快速準(zhǔn)確找到焦平面，以定位光學(xué)傳感器在一個(gè)x-y位移平臺(tái)上。圖1 探針與傳感器的兩種安裝方式如圖1所示，在圖（a）中，顯微鏡與探針平行安裝，距離為d；圖（b）中，顯微鏡與探針垂直安裝，轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)二者的互換。檢測過程為：第一步，旋轉(zhuǎn)零件使小孔位于接觸探針下方，用接觸探針測出在平行于顯微鏡軸的方向上，每兩個(gè)小孔之間的相對距離；第二步，將顯微鏡移至零件小孔上方，控制由第一步確定的相對距離和零件轉(zhuǎn)動(dòng)的

5、角度，跟蹤小孔，獲取每一個(gè)小孔的圖像。2.位置誤差估計(jì)：自動(dòng)對焦誤差和評估位置誤差的算法根據(jù)復(fù)雜曲面表面的不同而變化。以橢圓柱殼體的一個(gè)圓周上的小孔為例，如圖2所示，電感式傳感器接觸橢圓柱上的小孔示意圖。自動(dòng)對焦(du jio)誤差分析：參數(shù)(cnsh)函數(shù)為 橢圓(tuyun)相對X軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度q，則假設(shè)基準(zhǔn)孔在橢圓大徑上探針半徑引起的自動(dòng)對焦誤差探針半徑遠(yuǎn)小于接觸點(diǎn)的曲率半徑，所以線性定位(dngwi)誤差l引起的自動(dòng)對焦(du jio)誤差當(dāng)小孔位于(wiy)=45,135,225,315時(shí)，zmax=R（a-b）22ab， zmax=r(a2-b2)2ab結(jié)論：只有當(dāng)光學(xué)顯微鏡的景深

6、小于zmax+zmax時(shí)需要補(bǔ)償聚焦誤差。3.位置誤差估計(jì)的算法： 圖3 橢圓柱殼體上小孔及CCD里名義孔和制造孔的圖像如圖3所示，橢圓柱殼體上的一些陣列小孔，在CCD相機(jī)里名義孔和制造孔的位置及坐標(biāo)關(guān)系。忽略掉零件與基準(zhǔn)軸的偏心、機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的徑向和軸向跳動(dòng)誤差等因素，小孔的位置誤差包括周向誤差和軸向誤差。軸向誤差只給出公式，詳細(xì)分析周向誤差。為制造孔的角度偏差，其中，m是步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步數(shù)，k是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)每一步的旋轉(zhuǎn)角度指標(biāo)。測量位置誤差的關(guān)鍵在于測量每一個(gè)小孔的圖像中心坐標(biāo)的變化和記錄旋轉(zhuǎn)軸的電機(jī)運(yùn)動(dòng)。上式相當(dāng)于一個(gè)直徑為Dc的圓柱體圓周上的小孔的位置誤差。4.每個(gè)圖像處理的中心(zh

7、ngxn)檢測：為實(shí)現(xiàn)快速測量，必須(bx)在獲取圖像后立刻得到(d do)其中心坐標(biāo)，使用Labview編寫圖像處理軟件。中心檢測分為兩步：第一步，圖像分割。由于復(fù)雜曲面上的小孔灰度直方圖不能用一個(gè)二階曲線來獲得閾值，通過使用一個(gè)五維向量，使它在直方圖曲線上五個(gè)相鄰區(qū)域是平滑的，于是，直方圖上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)左極限和右極限，最左邊的峰值為左極限，做高峰值為右極限，只有兩個(gè)極限之間的值被認(rèn)為是可能的閾值。其中，距離最高峰最近的閾值被自動(dòng)選擇為閾值。第二步，中心檢測。利用最小二乘法擬合橢圓中心提取圖像邊緣；或者通過計(jì)算小孔圖像的質(zhì)心自動(dòng)檢測其質(zhì)心坐標(biāo)。利用開發(fā)的軟件，計(jì)算過程只需幾分之一秒的時(shí)間。5.

8、dual-sensor自動(dòng)對焦單元：為驗(yàn)證以上理論及其可行性，構(gòu)造了一個(gè)獨(dú)立的dual-sensor單元。圖4 dual-sensor自動(dòng)對焦單元安裝到試驗(yàn)臺(tái)的配置及運(yùn)動(dòng)示意圖影響小孔定位精度的主要誤差是x軸和z軸的重復(fù)定位精度Er和定位滯后EB，行走平行度EPX和顛擺誤差EBX（pitch）作為二階效應(yīng)間接影響位置不確定度。最大允許誤差由下式確定：圖5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)、機(jī)械裝置、控制和圖像處理軟件系統(tǒng)的原理圖及流程圖利用上述裝置自動(dòng)對焦(du jio)檢測小孔圖像的中心偏差需要提前分析實(shí)驗(yàn)(shyn)裝置以及dual-sensor的一些參數(shù)。第一步，光學(xué)視覺傳感器的標(biāo)

9、定。利用標(biāo)準(zhǔn)刻線板，獲得p/M值。第二步，分辨率和測量范圍。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論：中心檢測結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6 12個(gè)陣列的0.5mm小孔的原始圖像和標(biāo)記中心的二值化圖像 圖7 相對(xingdu)于0上的基準(zhǔn)(jzhn)孔的軸向偏差（yi-yi）和周向偏差(pinch)（xi-xi）可用工件的中心線與旋轉(zhuǎn)軸的同軸度誤差來解釋圖7中的形狀分布。表1 影響小孔中心偏差的運(yùn)動(dòng)誤差源估計(jì)的主要誤差源是：旋轉(zhuǎn)臺(tái)的徑向和軸向的跳動(dòng)誤差，工件在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝偏心。在計(jì)算和分析表1中誤差大小之前，可用標(biāo)準(zhǔn)測量技術(shù)，如激光干涉儀、短程位移傳感器等來校準(zhǔn)直線平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)軸。5次重復(fù)性檢測，發(fā)現(xiàn)小孔的中心偏差并不大（除了270上的小孔，有鉆孔的損壞），如圖8所示圖8 小孔中心(zhngxn)在周向和軸向的重復(fù)性檢測偏差7.結(jié)論(jiln): 利用(lyng)提出的dual-sensor自動(dòng)對焦單元，結(jié)合中心檢測算法軟件，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明可快速檢測復(fù)雜曲面表面上的小孔位置。未來，可將dual-sensor自動(dòng)對焦裝置集成到3 d坐標(biāo)測量機(jī)或高精度機(jī)床里，允許機(jī)器自主檢測復(fù)雜曲面表面的陣列孔，效率高，成本低，滿足航空和汽車行業(yè)的需求。內(nèi)容總結(jié)（1）一種對復(fù)雜曲面或自由表面上的小孔位置誤差的快速檢測和評價(jià)方