王平均 王梅琴 / 淮安市計量測試中心

0 引言

隨著機械工業(yè)的飛速發(fā)展，機械行業(yè)的工廠實驗室、計量檢測實驗室對平面度的檢測量也隨之加大。在機械加工中，平面度誤差是評定工件表面平整度的重要指標(biāo)。因此，平面度誤差測量技術(shù)是精密測試技術(shù)中重要研究內(nèi)容之一。在測試過程中，選擇合適的儀器設(shè)備是準(zhǔn)確快捷測量的關(guān)鍵。測量數(shù)據(jù)的處理方法簡單、便利、快捷，是今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)必不可少的工作方向和目標(biāo)。

1 平面度檢測系統(tǒng)原理

目前國內(nèi)外對平面度檢測的方法有很多，如間隙法、光軸法、自準(zhǔn)直儀測量法等。本文采用自準(zhǔn)直儀和計算機構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，對平面度進(jìn)行檢測。它是在傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀測量平面度原理的基礎(chǔ)上，為自準(zhǔn)直儀擴展了一個可讀寫數(shù)據(jù)存儲器（FRAM）和一個控制面板，利用單片機自動記錄測量數(shù)據(jù)，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳入計算機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理評定平板平面度誤差，并且自動判定平板的等級。測量方法與自準(zhǔn)直儀測量平面度方法相同，采用節(jié)距法，測量點采用對角線分布，將被測截面分成若干段，如圖1所示。將觀測反射鏡放置在平板各被測截面的一端，根據(jù)所選跨距依次將觀測反射鏡沿直線從平板的對角線的一端移至另一端，在圖像采集系統(tǒng)上讀取每個位置的示值，經(jīng)計算求得被測截面各測量點對端點連線的偏差，然后根據(jù)平面度評定方法，計算求得工作面各截面測量點對評定基準(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，并能繪制出被測平板平面的三維起伏形狀圖，對評定的實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，輸出評定結(jié)果。

圖1 測量點位置分布

2 平面度檢測系統(tǒng)的組成

基于圖像處理的平面度檢測系統(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 平面度檢測系統(tǒng)

2.1 平面度檢測系統(tǒng)

運用光源，通過CCD工業(yè)攝像機攝取平面測試件反射光線圖像，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量結(jié)果數(shù)據(jù)和被測平面三維示意圖。

圖像處理算法設(shè)計，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。對重要算法進(jìn)行仿真并對結(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，實現(xiàn)測量結(jié)果可視化。

2.2 平面度檢測系統(tǒng)工作原理

平面度檢測系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

該平面度檢測系統(tǒng)工作時，觀測反射鏡與圖像采集系統(tǒng)在同一被測平板上，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，將無用的信息去除，增強有用的特征信息，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，增強處理、圖像復(fù)原將原始圖像加工成便于計算機識別的圖像，之后通過圖像識別對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)通過平面度計算公式，計算出各采集點相對于理想平面的距離偏差，并算出平面度誤差值，同時數(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

平面度的評定方法有貼切法、簡易法、最小二乘法和最小區(qū)域法。貼切法只適用于小平面；簡易法評定平面度誤差，數(shù)據(jù)處理簡單，但得到的平面度誤差值偏大；最小區(qū)域法評定平面度誤差，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，但比簡易法卻要準(zhǔn)確得多，而且計算機編程易實現(xiàn)。因此擬采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。表1是本項目前期工作中實際測量的一組數(shù)據(jù)。

表1中的z是各測量點到理想平面的偏差。

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

本設(shè)計擬采用間接測量法，即通過測量實際表面上若干個點的相對高度差或相對傾斜角，然后再換算成以線值表示的平面度誤差。也就是先給出一個參考基準(zhǔn)平面，然后再測量出工件待測平面上的一系列點相對于基準(zhǔn)參考平面的高度差值，再對這些數(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更加便捷、準(zhǔn)確。

圖4 實際表面擬合三維圖

4 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，基于視覺圖像的檢測技術(shù)運用得越來越多。通過基于計算機視覺的非接觸自動測量技術(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器視覺的新型光電測量儀器。圖像傳感器在測試領(lǐng)域中的應(yīng)用成為現(xiàn)行檢測方法的必然趨勢，它能為用戶帶來直觀、準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，并節(jié)約時間，提高檢測效率。