董 偉，張春元，賈艷楠

DONG Wei, ZHANG Chun-yuan, JIA Yan-nan

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

藥型是火炮的核心部件，其技術(shù)狀態(tài)的好壞，關(guān)系到火炮發(fā)射的精度以及火炮壽命狀態(tài)、火炮剩余壽命發(fā)數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[1]。在加工藥型的過程中，切割時(shí)會(huì)發(fā)生變形，以及受到環(huán)境溫度、擠壓等外部因素影響，使其外型尺寸容易發(fā)生變形，從而影響彈藥性能[2]。為了確?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和準(zhǔn)確性，需要對(duì)推進(jìn)劑在不損壞其產(chǎn)品的前提下進(jìn)行缺陷檢測(cè)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法都是工人通過千分尺檢測(cè)，其結(jié)果受人為因素影響比較大，安全性差并且工作效率也比較低。

近年來(lái)，針對(duì)于非接觸式測(cè)量的研究已經(jīng)取得了一定的成果，圖像測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向，使外形尺寸檢測(cè)技術(shù)更加便捷、精確。該方法主要是運(yùn)用光學(xué)技術(shù)與圖像處理技術(shù)，用CCD攝像機(jī)對(duì)被測(cè)物體影像進(jìn)行攝取，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理后，最終得到精確的檢測(cè)結(jié)果。

CCD的像素間距小，幾何精度高，配置適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，可以獲得很高的分辮率，特別適用于各種精密圖像傳感和非接觸式檢測(cè)[3]。但國(guó)內(nèi)對(duì)圖像測(cè)量技術(shù)在火工品尺寸測(cè)量方面的研究尚且不多，而且多為保密研究，特殊的生產(chǎn)環(huán)境和易燃易爆的產(chǎn)品特性限制了圖像測(cè)量技術(shù)在軍品上的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)是基于藥型生產(chǎn)單位不能進(jìn)行有效的非接觸測(cè)量而設(shè)計(jì)，將圖像測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于火工品的檢測(cè)過程中，由于藥型及生產(chǎn)環(huán)境的不確定因素，因此防火防爆是基本前提，在此基礎(chǔ)上才對(duì)藥型進(jìn)行輪廓測(cè)量，在檢測(cè)效率和操作安全性方面較以往都有很大的提高。

1 測(cè)量原理與組成

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由被測(cè)藥型、光學(xué)系統(tǒng)、工業(yè)CCD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和數(shù)碼顯示及報(bào)警系統(tǒng)組成。儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置使用了大量電器元件，當(dāng)電器開關(guān)合閘、斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花電弧，而且電氣設(shè)備短路、過載等都會(huì)引起電火花的產(chǎn)生。因此，測(cè)量平臺(tái)要做防漏電處理，采用不銹鋼材料做支撐平臺(tái)，V型架則采用了防靜電的電木板，所有的電線都用防火膠帶進(jìn)行包裹，此外，對(duì)金屬部件做接地處理。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖

圖像測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)原理是：碗狀光源發(fā)出均勻的光束，照射在被測(cè)藥型的端面，被測(cè)藥型端面通過鏡頭成像在CCD上的光敏物質(zhì)上，這時(shí)由于被測(cè)工件的擋，CCD輸出低電平，從而形成一個(gè)脈沖寬度與被測(cè)物體直徑成正比的方波信號(hào)[4]。在圖像采集過程中，放大電路可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，再將模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)，然后將處理后的信號(hào)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后將把測(cè)得的計(jì)數(shù)脈沖值與系統(tǒng)標(biāo)定的值乘積（藥型端面尺寸大?。╋@示在LED顯示器上。

在測(cè)量之前，我們可以預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)合格范圍，當(dāng)測(cè)量結(jié)果超出預(yù)設(shè)范圍，輸出結(jié)果的字體顯示底色將變成紅色，并且發(fā)出報(bào)警聲音，工作人員能立刻知道這批產(chǎn)品不合格。

2 圖像采集

2.1 系統(tǒng)標(biāo)定

計(jì)算機(jī)圖像處理程序得出的尺寸信息是以像素為單位表示的，要得到實(shí)際尺寸，就必須建立起數(shù)字圖像像素單位與實(shí)際尺寸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即系統(tǒng)標(biāo)定[5]。根據(jù)測(cè)量原理，如果知道被測(cè)藥型的像尺寸大?。ū徽趽醯墓饷魡卧膮^(qū)間大小）和放大率β值就可以計(jì)算出藥型的直徑[6]。即：藥型的實(shí)際尺寸=圖像所占得像素?cái)?shù)×實(shí)際尺寸和像素值的比例系數(shù)。

在測(cè)量過程中，把制作的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板放在測(cè)量系統(tǒng)的同一位置上，與像機(jī)鏡頭保持固定的距離，點(diǎn)擊圖像測(cè)量軟件左上角的系統(tǒng)標(biāo)定按鈕，獲得標(biāo)定板圖像，分別選取標(biāo)定板上水平方向上的兩個(gè)圓以及垂直方向上的兩個(gè)圓，然后彈出比例尺實(shí)際距離設(shè)定對(duì)話框，設(shè)置兩圓之間的真實(shí)長(zhǎng)度，這樣就算出標(biāo)定板某一長(zhǎng)度的像素值，點(diǎn)擊OK后就會(huì)得到當(dāng)前比例尺，點(diǎn)擊保存之后即完成系統(tǒng)標(biāo)定。標(biāo)定板如圖2所示。

圖2 標(biāo)定板

2.2 圖像采集與處理

2.2.1 圖像采集

圖像采集即將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字格式。我們采用圖像采集卡將視頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過PCI總線實(shí)時(shí)傳到內(nèi)存和顯存。

在圖像采集過程中，要確保藥型端面的幾何中心與攝像機(jī)鏡頭的中心處于同一位置。由于藥型安裝在V型塊上，不方便進(jìn)行調(diào)整，我們便通過控制攝像機(jī)鏡頭的移動(dòng)，使得藥型端面的幾何中心與控制軟件的十字線交點(diǎn)重合。

2.2.2 圖像預(yù)處理

光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行成像后需要進(jìn)行合適的圖像處理及軟件算法設(shè)計(jì)，圖像處理主要體現(xiàn)在抗噪聲、抗干擾上，軟件算法則主要體現(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性上[7]。

圖像在傳輸過程中常受到成像設(shè)備與外部環(huán)境噪聲的干擾，所以需要對(duì)噪聲進(jìn)行濾除。圖像中的噪聲大多是不規(guī)則分布的一小點(diǎn)一小點(diǎn)，中值濾波屬于非線性濾波，采用中值濾波不能消除大噪聲的影響，但它能很好的保持原灰度圖像的分布特性[8]。因而在圖像降噪處理中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

圖3 原始光強(qiáng)分布

圖4 中值濾波后的光強(qiáng)分布

由圖4可知，經(jīng)中值濾波處理后，噪聲信號(hào)的部分光斑信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱，其他部分則基本沒有變化，達(dá)到了去噪聲的目的。

2.2.3 圖像特征提取算法設(shè)計(jì)

根據(jù)CCD光敏面上激光光強(qiáng)的實(shí)際分布，我們采用二次多項(xiàng)式的算法來(lái)提取圖像特征。

將信號(hào)f(xj,yj)的激光光斑定位到象素xj，在x方向上，設(shè)f(x)為插值函數(shù)，xj-1，xj+1為插值節(jié)點(diǎn)，yj-1，yj和yj+1為函數(shù)值，則有：

其中：

對(duì)f(x)微分，并另f'(x)=0可得：

這樣可得激光光斑的定位為：

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了比較圖像測(cè)量與人工測(cè)量的準(zhǔn)確性，我們多次測(cè)量了同一個(gè)藥型，記錄了每次測(cè)量的結(jié)果，比較相同情況下人工檢測(cè)的數(shù)值，表1為測(cè)量結(jié)果。

表1 直徑測(cè)量結(jié)果

由表1可知，人工測(cè)量的波動(dòng)范圍明顯高于CCD測(cè)量，原因就是藥型端面并不規(guī)則，用游標(biāo)卡尺在同一個(gè)藥型的不同位置測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。相反，圖像測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性更好，藥型標(biāo)準(zhǔn)外徑為102.55mm，通過計(jì)算CCD測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值的偏差發(fā)現(xiàn)，測(cè)量平均值低于標(biāo)準(zhǔn)值0.006mm，可以考慮將其作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。

3.2 誤差分析

在實(shí)際測(cè)量過程中影響測(cè)量結(jié)果的主要誤差是投影誤差。如果對(duì)這些誤差不進(jìn)行分析與處理，系統(tǒng)將會(huì)給出不準(zhǔn)確的結(jié)果。

在測(cè)量過程中，當(dāng)出現(xiàn)V型塊的尺寸不同或者兩個(gè)V型塊的裝配位置出現(xiàn)誤差，被測(cè)藥型就會(huì)發(fā)生傾斜,這樣藥型端面與CCD攝像機(jī)光軸方向就不能保證垂直，從而引起投影誤差的產(chǎn)生。投影誤差示意圖如圖5所示。

圖5 投影誤差示意圖

設(shè)投影誤差為Δ，Δ為Δ1與Δ2之和，由圖5中相似三角形關(guān)系可得，投影誤差公式為：

式中：M為藥型的垂直度；

D為被測(cè)藥型的外徑；

L2為藥型端面與鏡頭中心點(diǎn)的距離。

當(dāng)被測(cè)藥型垂直度為0.1mm時(shí)，將表2參數(shù)帶入到公式（3）中，可得藥型傾斜所造成的投影誤差Δ=0.017mm。

表2 位置參數(shù)

由于傾斜角度和方向都不固定，因此針對(duì)由被測(cè)藥型傾斜引起的誤差，我們進(jìn)行了多組試驗(yàn)，整理測(cè)量數(shù)據(jù)后就得到了誤差值與藥型傾角角度的關(guān)系圖，如圖6所示。所得曲線是在傾斜角α為±8°范圍內(nèi)依次間隔1°所測(cè)。數(shù)據(jù)表明，傾斜角越大，誤差越大，而且誤差大體上以傾斜角0°為中心，對(duì)稱分布。

圖6 傾斜角與測(cè)量誤差關(guān)系圖

4 結(jié)論

藥型無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)總體效果良好，實(shí)現(xiàn)了無(wú)損檢測(cè)的目的，且易于工人操作。長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的測(cè)量效率高，擺脫了人為因素的干擾，通過對(duì)誤差源進(jìn)行分析校正，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，因?yàn)槭欠墙佑|測(cè)量，因此滿足了在危險(xiǎn)環(huán)境下的使用需要。

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