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1、四川大学 博士学位论文 曲面孔位机器视觉测量系统研究 姓名：黄劼 申请学位级别：博士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：周肇飞 20040408 Y 6 5 3 5 8 8 四川大学博士学位论文 曲面孔位机器视觉测量系统研究 机械制造及其自 动化专业 研究生 黄劫指导教师 周肇飞 教授 现代科技，尤其是航空、航天及国防等高技术领域的发展， 要求制造精度更高、效率更快，因此，各种先进制造技术应运而 生。制造技术与测量技术互为依托的关系决定了发展精密测量技 术的必然性和迫切性，加强精密测量基础理论研究，研制满足现 场需要的智能化实时测量设备是振兴我国制造业，实现从制造大 国向制造强国的跨越的迫切
2、需要。 本文以军工配套项目“ 球面孔系位置精密测量”为背景，开 展了基于线阵C C D的机器视觉精密测量系统的研究。 涉及到机器 视觉光电传感器性能比较、图像采集方案实现、运动控制模式建 立、图像预处理及图像识别等方面，从理论和实践上解决了用机 器视觉实现曲面孔系位置测量的一系列问题，达到了每个孔位测 量时间不超过2 0 秒、光电测量部分总误差3 o 1 0 ” 的总体要求。 本文的具体内容和创新有以下几点: 1 . 在测量方案设计上，引入 “ 整体最优”的系统论思想，提 出了通过转位控制， 将三维测量转化为二维图像识别; 再经过几何 计算将二维平面坐标转化为球面三维孔系坐标的测量模式。 从而
3、分 解了 课题实现难度， 在充分利用成熟技术的基础上， 重点解决了图 像获取和图形识别的技术难点。 2 在系统总体控制模式方面，采用了主从式多机协同操作模 式: 用微机作上位主处理机， 完成图像识别、 测量计算和人机交互; 而图像采集和机械转位控制由 两套单片机系统完成。 该模式充分发 挥了上位计算机储存量大、 数学运算速度快及界面美观的优点， 而 、 导师同意 四川大学博士学位论文 将W i n d o w s 系统难于实现的实时控制任务交由 前端机处理，满足 了本课题的需求， 而且为类似的 数据处理量大且控制实时 性强的 系 统提供了一种可资借鉴的控制模式。 3 . 本文创新性地提出 根据
4、灰度直方图实 现了 孔型( 通孔和盲 孔) 自 动识别的构想， 使系统能自 动完成对不同孔型和不同 孔径测 量，提高了系统的智能化程度和对多孔型测量任务的适应性。 4 . 深入分析了机器视觉测量系统的两种常用图像传感器一 一面阵C C D和线阵C C D 所采集的图象的不同特点; 剖析了扫 描行距均匀性和重复性对图像识别精度的影响原因;阐述了 C C D 像素和光栅分辨率不同、被测圆弧各段对测量精度影响不同的机 理。 提出了非对称精度图 像边缘点的搜索原则， 实现了图 像的亚像 素级精度识别，从理论上解决了线阵C C D图像识别精度难以提高 的难题，这对降低测量系统成本很有意义。 5 . 提出
5、边缘识别与图形二值化归并处理的思想，从理论上证 明了边缘点区域化搜索的可行性， 以本文提出的阀值聚类法和区域 搜索法构建的算法在本课题边缘识别时， 比分离算法缩短时间约4 秒，具有明显效果。 6 针对非对称精度扫描图像的特点，提出了曲线拟合和直线 插补想结合的复合算法，可达到更高识别精度。 基于本文所述的图像采集、识别算法和三维测量转化为二维 图像识别的测量模式，只需改变工件转位或移动方式，就可实现 其它型面的非接触测量。本文的成果具有较广泛的适应范围，为 线阵C C D 在机器视觉精密测量系统中的应用提供了具有普遍意义 的解决方法，对非接触精密测量技术的发展有较重要的参考价值 和理论意义。
6、关键词: 球面孔系位置测量; 机器视觉; 线阵C C D ; 主从式控制模 式;图像识别 四川大 学h l 卜 李位沦之 S t u d y O n ma c h i n e v i s i o n Me a s u r e S y s t e m f o r P o s i t i o n o f Ho l e S e r i e s o n C u r v e d S u r f a c e Ab s t r a c t Ma j o r : Me c h a n ic a l M a n u f a c t u r i n g a n d A u t o m a t i o n D o
7、c t o r a t e s t u d e n t : H u a n g J i e S u p e rvis o r : Z h o u Z h a o F e i Mo d e r n s c i e n c e a n d te c h n o lo g y , e s p e c ia l ly , t h e d e v e lo p m e n t o f s o m e h ig h - t e c h s u c h a s a v i a t io n , s p a c e f l ig h t , n a t i o n a l d e f e n c e a n
8、d s o o n , r e q u i r e m a n u f a c t u r e p r e c i s io n h i g h e r a n d m o r e e ff i c i e n t , t h e r e f o r e , v a r i e t y o f a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o lo g y a p p e a r e d . T h e i n t e r d e p e n d e n t r e la t i o n b e t w e e n m a n u f
9、a c t u r in g t e c h n o lo g i e s a n d m e a s u r in g t e c h n o lo g y d e t e r m in e s t h a t t h e i n e v it a b i l it y a n d t h e u r g e n c y o f t h e d e v e l o p i n g o f p r e c i s io n m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y a n d s t r e n g t h e n i n g . t h e r e
10、s e a r c h o f b a s i c t h e o r y o f p r e c is io n m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y , d e v e lo p in g t h e i n t e l l ig e n t a n d r e a l t i m e m e a s u r e m e n t e q u ip m e n t t o s a t is f y t h e s p o t , a r e e m e r g e n c y t o p r o m o t i n g o u r m a n u
11、 f a c t u r i n g le v e l a n d m a k i n g o u r n a t i o n t u rne d f r o m l a r g e m a n u f a c t u r in g t o s t r o n g . T h i s t h e s is i s b a s e d o n t h e m i l i t a r y i n d u s t ry c o o p e r a t i v e p r o j e c t 一Me a s u re m e n t o f P o s i t i o n s f o r H o l
12、e S e r i e s o n C u r v e d S u r f a c e , w o r k e d o n m a c h i n e v i s i o n p r e c i s i o n m e a s u r e s y s t e m b y l i n e a r a r r a y C C D . I t c o n c e r n s t h e c o m p a r is o n o f c a p a c i t i e s o f m a c h i n e v i s io n o p t i c a l - e l e c t r ic s e n
13、 s o r , i m p le m e n t i n g o f i m a g e c a p t u r i n g , s e t t i n g u p m o v e m e n t c o n t r o l l i n g m o d e , im a g e p r e p r o c e s s i n g a n d r e c o g n i t io n e t c . A s e r ie s o f p r o b le m w h e n m e a s u r i n g p o s i t i o n s o f h o le s e r ie s o
14、n c u r v e d s u r f a c e w it h m a c h i n e v is io n w a s b e e n s o l v e d i n t h e o r y a n d p r a c t ic e , 1 1 泣 四川大学博 卜 学I f 沦文 a n d t h e n s a t i s f ie d t h e t o t a l r e q u ir e m e n t s t h a t m e a s u r i n g t i m e o f e v e r y h o le s h o u ld le s s t h a n t w
15、 e n t y s e c o n d s a n d t o t a l e r r o r o f o p t i c a l - e l e c t r ic me a s u r e m e n t i s 3 o l e s s t h a n 1 0 . T h e ma i n c o n t e x t a n d i n n o v a t i o n o f t h i s t h e s i s a r e a s f o l l o ws : F i r s t l y , in m e a s u r e m e n t s c h e m e d e s i g
16、n in g , b r o u g h t i n g l o b a l o p t i m iz a t io n s y s t e m a t i z a t io n id e o l o g y , p u t f o r w a r d t h e m e a s u r e m e n t m o d e , w h i c h w a s t r a n s f o r m i n g t h r e e - d i m e n s i o n a l m e a s u r e m e n t m o d e t o p l a n a r i m a g e r e c o g n it io n t h r o u g h lo c o m o t io n c o n t r o l f i r s t ; t h e n , t r a n s f o r m e d p la n a r p o s it i o n s t o t h r e e - d im e n
