一种对在复杂曲面或自由表面上的小孔位置误差的快速检测和评价方法(共8页)

1、一种对复杂曲面或自由表面(biomin)上的小孔位置误差的快速检测和评价方法题目(tm)思路：利用一种新的装置扫描工件表面，并计算得到小孔的中心位置坐标，与理论小孔的位置坐标进行(jnxng)对比，得出小孔位置误差。以实例检测的数据结果评估该装置的检测性能。全文概述：本文详细描述了测量在复杂曲面表面小孔的问题。提出了一种基于dual-sensor自动对焦和图像处理的方法来快速检测小孔并评价该方法。该方法结合一个触觉传感器和光学视觉传感器。首先触觉传感器通过接触得到显微镜物镜与每一个小孔之间的距离，为光学视觉传感器找到最佳焦平面，然后运动平台将光学视觉传感器移动到最佳焦距，获取小孔的图像。提出一

2、种检测在复杂曲面表面上的小孔图像中心位置的算法来评估该技术的质量，该算法计算时间快。通过实例，利用dual-sensor自动对焦单元检测一个椭圆柱壳体表面的相信阵列小孔，获取并处理图像，理论推导并实际计算小孔的中心位置误差。实验结果表明，该检测技术和算法效率高，误差小。研究背景：在汽车、航空、航天领域，对复杂曲面上和自由表面上直径小于1mm的阵列孔的有效检测很有必要。由于这些孔太小，使得用坐标测量机或计算机数控机床的探针检测很困难。又由于这些孔往往是阵列的很多孔，甚至几百个，所以用纳米或微米级的探针，尤其是光学纤维接触探针来实现检测，很脆且价格昂贵，效率低。有一种光学视觉传感器可以用于此应用。

3、它包含一个高分辨率数字相机和一个带有一组物镜的光学显微镜。传感器放在离小孔表面一定距离的位置，目前使用的自动对焦方法主要依靠光学评价函数(OEF)方法。该方法的缺点有：由于小孔所在的复杂曲面表面与物镜之间距离的变化，利用OEF方法检测所有小孔的过程效率低（exhaustive）；这种技术受光源的光强、零件表面反射率和显微镜景深影响；重定位、稳定、获取和分析图像所用时间都很长。研究方案：基于已介绍的光学视觉传感器检测方法，提出了一种自动对焦的dual-sensor的替代方法来测量复杂曲面表面上的小孔，通过使用一个触觉探针克服光学技术的局限性。一个光学视觉传感器和一个接触探针相结合，以实现快速且自

4、动检测复杂曲面表面上小孔的位置。研究(ynji)方法：1.位置(wi zhi)检测：接触(jich)探头通过探测每一个小孔位置为光学视觉传感器在传感方向上找到最好的对焦位置。提前校准物镜与探头工作点的距离以快速准确找到焦平面，以定位光学传感器在一个x-y位移平台上。图1 探针与传感器的两种安装方式如图1所示，在图（a）中，显微镜与探针平行安装，距离为d；图（b）中，显微镜与探针垂直安装，转轴实现二者的互换。检测过程为：第一步，旋转零件使小孔位于接触探针下方，用接触探针测出在平行于显微镜轴的方向上，每两个小孔之间的相对距离；第二步，将显微镜移至零件小孔上方，控制由第一步确定的相对距离和零件转动的

5、角度，跟踪小孔，获取每一个小孔的图像。2.位置误差估计：自动对焦误差和评估位置误差的算法根据复杂曲面表面的不同而变化。以椭圆柱壳体的一个圆周上的小孔为例，如图2所示，电感式传感器接触椭圆柱上的小孔示意图。自动对焦(du jio)误差分析：参数(cnsh)函数为 椭圆(tuyun)相对X轴旋转一个角度q，则假设基准孔在椭圆大径上探针半径引起的自动对焦误差探针半径远小于接触点的曲率半径，所以线性定位(dngwi)误差l引起的自动对焦(du jio)误差当小孔位于(wiy)=45,135,225,315时，zmax=R（a-b）22ab， zmax=r(a2-b2)2ab结论：只有当光学显微镜的景深

6、小于zmax+zmax时需要补偿聚焦误差。3.位置误差估计的算法： 图3 椭圆柱壳体上小孔及CCD里名义孔和制造孔的图像如图3所示，椭圆柱壳体上的一些阵列小孔，在CCD相机里名义孔和制造孔的位置及坐标关系。忽略掉零件与基准轴的偏心、机动旋转平台的径向和轴向跳动误差等因素，小孔的位置误差包括周向误差和轴向误差。轴向误差只给出公式，详细分析周向误差。为制造孔的角度偏差，其中，m是步进电机的旋转步数，k是步进电机旋转每一步的旋转角度指标。测量位置误差的关键在于测量每一个小孔的图像中心坐标的变化和记录旋转轴的电机运动。上式相当于一个直径为Dc的圆柱体圆周上的小孔的位置误差。4.每个图像处理的中心(zh

7、ngxn)检测：为实现快速测量，必须(bx)在获取图像后立刻得到(d do)其中心坐标，使用Labview编写图像处理软件。中心检测分为两步：第一步，图像分割。由于复杂曲面上的小孔灰度直方图不能用一个二阶曲线来获得阈值，通过使用一个五维向量，使它在直方图曲线上五个相邻区域是平滑的，于是，直方图上会出现一个左极限和右极限，最左边的峰值为左极限，做高峰值为右极限，只有两个极限之间的值被认为是可能的阈值。其中，距离最高峰最近的阈值被自动选择为阈值。第二步，中心检测。利用最小二乘法拟合椭圆中心提取图像边缘；或者通过计算小孔图像的质心自动检测其质心坐标。利用开发的软件，计算过程只需几分之一秒的时间。5.

8、dual-sensor自动对焦单元：为验证以上理论及其可行性，构造了一个独立的dual-sensor单元。图4 dual-sensor自动对焦单元安装到试验台的配置及运动示意图影响小孔定位精度的主要误差是x轴和z轴的重复定位精度Er和定位滞后EB，行走平行度EPX和颠摆误差EBX（pitch）作为二阶效应间接影响位置不确定度。最大允许误差由下式确定：图5 计算机控制系统(kn zh x tn)、机械装置、控制和图像处理软件系统的原理图及流程图利用上述装置自动对焦(du jio)检测小孔图像的中心偏差需要提前分析实验(shyn)装置以及dual-sensor的一些参数。第一步，光学视觉传感器的标

9、定。利用标准刻线板，获得p/M值。第二步，分辨率和测量范围。6.实验结果与讨论：中心检测结果如图6和图7所示。图6 12个阵列的0.5mm小孔的原始图像和标记中心的二值化图像 图7 相对(xingdu)于0上的基准(jzhn)孔的轴向偏差（yi-yi）和周向偏差(pinch)（xi-xi）可用工件的中心线与旋转轴的同轴度误差来解释图7中的形状分布。表1 影响小孔中心偏差的运动误差源估计的主要误差源是：旋转台的径向和轴向的跳动误差，工件在旋转台的安装偏心。在计算和分析表1中误差大小之前，可用标准测量技术，如激光干涉仪、短程位移传感器等来校准直线平台和旋转平台轴。5次重复性检测，发现小孔的中心偏差并不大（除了270上的小孔，有钻孔的损坏），如图8所示图8 小孔中心(zhngxn)在周向和轴向的重复性检测偏差7.结论(jiln): 利用(lyng)提出的dual-sensor自动对焦单元，结合中心检测算法软件，并通过实验验证，证明可快速检测复杂曲面表面上的小孔位置。未来，可将dual-sensor自动对焦装置集成到3 d坐标测量机或高精度机床里，允许机器自主检测复杂曲面表面的阵列孔，效率高，成本低，满足航空和汽车行业的需求。内容总结（1）一种对复杂曲面或自由表面上的小孔位置误差的快速检测和评价方