光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面

光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面 光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面 第15卷第2期 2007年2月 光 0pticsand 学精密 PrecisionEngineering VoI_15No.2 Feb.2007 —06 文章编号1004924X(2007)02—0186 光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面 吕东方,丁振良,袁峰 (哈尔滨工业大学自动化控制与测量系,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:了激光光针扫描在测量内螺纹曲面时的特性及影响精度的因素.根据光斑在被测面的噪声分布特点,采用中 值滤波与小波阈值去噪相结合的综合滤波算法对光斑图像进行了去噪处理,其中中值滤波可以有效地消除光斑图像中 的脉冲噪声,而基于小波变换的阈值去噪算法可以消除图像中的高斯噪声.通过综合滤波算法对光斑图像进行处理.可 以有效消除激光光斑噪声,消除图像噪声对测量精度的影响,同时保持了光斑图像的细部特征.根据激光光斑图像在倾 斜被测物体面光强分布特点,设计了近似圆拟合算法来确定光斑中心,该算法相对传统算法具有计算量小,计算效率 高,适合在线检测的特点,可以克服测量面倾斜对激光光斑中心的影响.利用采用上述方法的坐标机激光光针扫描系 统,对内螺纹量规进行测量,对比应用前后的测量结果,螺距精度提高了0.48mm,中径测量精度提高了0.44mm, 牙型角精度提高0.57.. 关键词:内螺纹曲面测量;激光光针扫描;综合滤波算法;圆近似算法 中围分类号:TG85;TN247文献标识码:A Measurementofinsidescrewcurvesurfacebylaserprobe IUDong—fangDINGZhen—liangYUANFeng (DepartmentofAutomationMeasurementandControl, HarbinInstituteofTechnology,Harbin15001,China) Abstract:ThecharactersandfactorswereanalyzedwhenthelaserprobemeasurementWaSusedinin— sidescrewsurface.Accordingtothenoisedistributionofthelaserspeckleonthemeasuredplane,a synthesisfilteralgorithmcombinedthemedianfilterandthewaveletthresholddenoisingmethodwas designedtoeliminatenoiseoftheimage,inwhichmedianfiltercaneffectivelywipeofftheimpulse noiseinthespeckleimage,andthethresholddenoisingalgorithmbasedonwavelettransformcane liminateOaussiannoiseoftheimage.Thealgorithmisabletoremovethenoiseinfluenceonmeasure mentaccuracyandmaintaintheimageindividualcharacter.Accordingtotheintensitydistributionof thelaserspeckleimageonthedecliningobjectsurface,thecirclefittingalgorithmwasproposesto0一 vercometheaffectofthelaserspecklecentershiftcausedbytheslopesurfacetolocatethecenterof thelaserspeckleimageatthesub—pixelle. ve1.Thealgorithmhasthefeaturesofhighefficiency,less calculationcomparedwiththetraditionalonesandismoresuitablefortestingonline.Laserprobe scanningmeasurementbaseoncoordinatemachineusingtheabovetechniqueswasdesigned tomeasure aninternalscrewstandardgauge.Theresultsshowthattheinternalscrew— pitchmeasurementaccura一 收稿日期:200606—21;修订日期:2006-10—20. 基金项目:国家863项目(No.2002AA2Z9999,2004AA99) 第2期吕东方,等:光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面187 cy,pitchdiameterofthreadandthethreadangleaccuracyincrease0.48mm,0.44mmand0.57. ,re spectively. Keywords:insidescrewmeasurement;laserprobescanning;filteralgorithm;circle— fittingalgorithm 内螺纹连接件是机械工业广泛应用的机械零 件,它的制造精度直接影响着机件连接的可靠性, 装配精度和互换性,特别是在航天飞行的设计制 造中,大量采用螺纹连接,大约有5O以上的零 件间的联接要靠螺纹配合来实现,联接质量决定 了飞行器等工业产品的可靠性和寿命.从国外的 发展现状来看,内螺纹的测量正逐步向量化方向 发展.美国NASC重新修订的军用标准要求除 公称直径D?0.19in(4.826mm)的内螺纹允许 继续使用螺纹极限量规检验外,对其他直径的螺 纹的所有参数必须进行量化检测.我国根据IS() 标准指定的国内军用标准GJB3.2,3.5,对航空, 航天用内螺纹规定中也做了具体的要求. 内螺纹曲面参数,由于受其内孔空间的限制, 直接对内螺纹进行量化测量是比较困难的.传统 测量内螺纹的方法有千分尺,量块和精密仪器2贝4 量等,这些方法只能间接地计算出内螺纹的牙型 角和中径.内螺纹的光学测量方法一直是测量中 的难点,传统螺纹参数的光学测量方法是使用万 能工具显微机,万能测长仪或是与这些仪器结构 类似的仪器.这些方法存在测量环节多,定位精 度低,工艺复杂等缺点,使得测量精度难以提高. 这些方法虽然实现了对内螺纹参数的光学测量, 但是对于内螺纹的牙型半角,牙型角和中径等参 数还是无法直接量化.工业CT技术是内螺纹测 量的另一种方法,通过透视内螺纹工件来获得相 应的螺纹参数.由于这种方法空间分辨力低,重 建图像的工作量大,设备投资成本高,因此现场应 用较少. 2光针法轮廓测量原理 基于三角法的激光光针扫描测量,因具有非 接触,高精度,容易控制等特点而被广泛应用于机 器人视觉,自动化生产过程和商业测量.随着新 型半导体激光器件和光学传感器的发展,如CCD 和PSD,已经使得激光扫描精度小于1m.微型 的激光扫描测头可以很容易地安装在三坐标测量 机上,在逆向工程中有广泛的应用_1一].图1为三 角法测量原理图.通过测头部分光路的改进可以 量测量螺纹截面量,根据扫描测得的数据,可以快 速地得出内螺纹参数. L 网1三角法测量原理图 Fig,1Schematicdiagramoftrigonometry I.和I是准直透镜,ID为激光光源,通过 成像原理可以计算出和之间的关系 ?.Z — n — sinfl-[-—x'cosfl 激光光针测量方法也有不足之处,该方法受 环境温度和被测物体表面特性的影响.以光学扫 描测量外螺纹轮廓为例来说明形貌对于测量结果 的影响,图2为螺纹曲面外轮廓的实物图. 图2螺纹曲面外轮廓 Fig.2Screwprofilepicture 光学精密工程第15卷 图3为用激光光针扫描该螺纹曲面的测量结 果,结果显示测量数值与实际螺纹测量值之间有3光斑图像综合去噪算法 很大的偏差. {..一…l,l一 ' ….…..…,,…………一………… /.. 图3激光三角法扫描该螺纹曲面的测量结果 Fig.3Measurementresultsofscrew 可以从测量原理中分析造成这种偏差的原 因,三角法测量原理是通过物光斑在成像器件的 成像位置来进行测量的,因此光斑图像很大程度 上决定了测量的精确性.图4为相同激光在不同 物体表面的光斑图像,两幅图像中包含了图像噪 声.图4(b)中还包含了图像的扭曲和拉伸,这就 造成了激光光斑光强中心的偏移,使测量精度降 低.因此必须提高图像成像质量,对光斑图像进 行滤波和边缘搜索,从而确定图像成像中心位置 米提高测量精度口. (b) 幽4激光光斑在不同被测表面的图像 Fig.4Speckleimagesofdifferentsurfacequalities 声===坐,(2)p一'(2) , f3声?5 叫一 {515<户?40,(3) 【7>40 第2期吕东方,等:光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面189 数叫",使得ll,UlI尽可能小,U为原始信号 的小波变换系数,利用进行小波重构,得到估 计信号_7(是),即为去噪后的图像信号.针对高频 系数,采用自适应模糊软阀值处理得到重建系数 叫如果小波系数叫随着尺度的增加也增加,这 表明足图像的边缘细节,对此小波系数保持不变; 对于其他小波系数,采用如下估计系数 fsig(叫.)?(1叫l一)l叫l?… 叫一1ol叫l<' 其中一,z为噪声的方差,N为离散 儿lJI1, 信号的长度,为分解尺度,为隶属函数, 1 一二玎.随着J的增大而减小,这样 保证了叫接近时,近与一,西的整体连 续性得到了保证,避免出现信号振荡,比传统方法 获得了更好的滤波效果. 应用综合滤波算法对图5(a)进行噪声剔除. 图(a)为256×256bit的光斑图像,中值滤波的滤 波窗口为5×5,采用coil2小波,分解尺度为3自 适应阀值去噪.图(b)为去噪结果,图中噪声明 显减小,图像细节也比较清晰. (b) 图5应用综合去噪算法结果对比 Fig.5Comparisonresultsoffilterimages 4确定光斑中心的算法 光斑巾心位置的确定是提高激光光针测量精 度的关键技术.光斑中心确定算法一般测头信号 处理系统,应用DSP等小型单片机系统实现,因 此对于算法的硬件资源有比较苛刻的要求.已有 的光斑中心确定算法,比如中心模型法,Hough 变换法,在计算光斑中心时需要占用大量的内存 和硬件资源,并且程序编制和运算非常复杂,计算 量大,效率较低,难以满足快速测量的需要.因此 本文采用基于最小二乘法(I.SM)圆近似的光斑 中心测量方法,用圆来近似光斑的边缘.该算法 的原理推导如下: 对于任意圆的方程为: (一")+(y一6).一r.,(5) 变化方程(5),写成带有残差e的方程: sI(,a).+(一6)一r,(6) 式中,i?E,E为圆边界集合,(,Y)为边界上的 一 点.残差e的平方和 Q一?s一?L(x")+(厅)一r.].,iffE?E (7) 根据ISM,有 :==一:0,(8)a "a63r… 根据式(7)和(8)可以得到 『aQ:eEE(n)+(6)一r](一2)(一")=. oQ' +(卅(_2)=. [(,rl-a)~+(yi-b)e-r21(_2), (9) 方程(5)可以变为 f"一2"+b.一2x6一r+7+.===0 Jjn2x2a+Xb.2一+?+一o lya一2xya+yb2y.byr.+Y+.一0, (10) 公式(9)中的参数可以写为 一 ?x'~"yT/?1,(11) 去掉(9)式中的平方项,整理得 l9O光学精密工程第15卷 f(孑.一7)口+(??y-7y)bT'(x?x+x?一y2一一X3一一xf l(?)口+(?y2)b=专(?+?一y2一一x2y一一X3, !Z:?:二王二二至:?:二丕二:二 2(j一7)(一)一2(一) (7')+y.y2_x2yy~)(:c2x2)_(xe~x+x,y2_x3_xy2)(yc.)_xy) 2(j一7)(j一7)-2(z?一)z 【,=~/口一2xa4-b2~b+z+. (13) 尽管公式(13)看起来复杂,但其主要参数",b可 以通过循环一次计算光斑边界点就可得到.当参 数n,b确定之后,就可计算得到参数r,相对传统 算法,该算法计算量小,计算效率高,适合在线 检测. 5试验装置和实验结果 为了适应内螺纹孔径测量的需要,必须在三 角法测量原理的基础上对光路进行改造,在光路 中添加相应的测量镜组,既要保证测量原理不变, 又要适合内螺纹孔径的尺寸,测量装置原理如 图6所示.y向和X向滑台滑动距离可以选用光 栅尺来测量,被测内螺纹零件和测头通过卡具固 定在y向和X向滑台上.首先通过X向滑台调 整测头相对内螺纹测件的相对位置,然后驱动y 向滑台使测头对内螺纹牙形进行扫描.通常应使 内螺纹牙形高度在测头的测量范围之内,如果超 出范围,需要配合X轴测尺来测量牙形.应用前 激光 图6内螺纹测试装置原理图 Fig.6Insidescrewtestdeviceschematicdiagram 面论述的提高精度的算法和测试装置对内螺纹环 量规进行检测,单面测量结果如图7所示,对比测 量结果图3,由于测头精度的提高,使测量结果插 值曲线已经非常接近于牙形截面轮廓. O.5 O 啊o.5 一 l 一 1.5 J 差零零爱 图7内螺纹测量轮廓图形 Fig.7Resultfigureofinsidescrewprofilemeasurement 对公称直径为52rnrn的内螺纹量规进行测 试,并计算螺纹的主要参数,测试结果如表1所 示,其中标准值为被测量规的理论值,测量值1为 直接测量结果,测量值2为应用方法之后的测量 结果.对比应用方法前后的结果,螺距精度提高 0.48rnrn,中径测量精度提高0.44rnrn,牙型角精 度提高0.57.. 表1标准内螺纹环量规测试结果 Tab.1Resultsofstandardinternalscrewgaugemeasurement 6结论 消除光斑噪声,判定光斑的中心对于激光扫 描测量来说是十分重要的.内螺纹测量方法采用 光斑图像综合去噪算法可以有效地消除光斑噪 声;采用基于LSM圆近似求光斑中心方法可以 快速有效地确定光斑中心位置.设计了试验装置 实现对标准内螺纹量规进行扫描测量,测量结果 显示,应用上述方法使内螺纹参数螺距精度提高 了0.48rnrn,中径测量精度提高0.44rnrn,牙型 角精度提高0.57.. 第2期吕东方,等:光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面191 参考文献: [1] [2] [3] I-4-1 [5] [6] r7-1 MICHAEITB.LaserdistancemeasuringmethodandapparatusEP].UnitedStatesPatent,485693.1996—08—15. ESPIAUB.Anoverviewoflocalenvironmentsensinginroboticsapplication_J].NATOASISSeries,1997,(43): 126151. XIEZX,ZHANGHJ.Factorsaffectingthemeasurementprecisionoflasertriangularprobeandthecompensation methods[J].ModernMeasurementandn,1999(1):2326. 杜颖,李真.三维曲面的光学非接触测量技术[J].光学精密工程,1999,7(3):24. 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