计算机视觉视角下的圆孔零件检测系统设计分析

本文的系统主要是针对圆孔机械零件（圆孔半径大小在 0~20mm 范围内）的检测而设计的，可以运用在机械零件的生产和加工过程中，对零件进行实时在线检测。对于类似传动链板这类的圆孔零件，传统的检测方式过程较复杂，成本也较高，本文的系统成本低，简便，而且测量精度经过验证也能得到保证。
第一章 绪论

1.1 课题研究背景

近年来，随着科技的进步以及制造业的快速发展，微小尺寸的测量和研究要求在各个领域越来越迫切。传统的测量设备以及技术在自动化程度、精度、效率等方面不能完全满足要求，有些甚至根本无法实现。这将无法保障产品的生产质量，从而会导致生产效益大大降低。企业想要发展想要成功，就要时刻关注社会最先进的科学技术，并将这些顶尖的科学技术融入到先进的生产制造工艺中，才能提高产品的品质与生产效率。因此，将当今的最新科学理论以及技术成果，成功的运用到高效的智能化精密检测系统的开发中有着极其重要的实用价值。目前市面上对于机械零件尺寸的测量研究有许多不同的方法，不同测量方法达到的效果也不同，传统的测量方法主要是基于人工操作，利用各种检测仪器如万能工具显微镜、三坐标测量机等人为的测量。这些方式存在如下一些弊端：用万能工具显微镜对微小零件进行测量虽然精确高，但速度慢，计算量大，测量过程繁琐，难以实现对大批量元器件特别是动态被测对象进行测量的场合；三坐标测量机的主要工作原理是依靠探针在零件表面滑动，以此可以探测到零件的外形及圆孔的形状，从而计算出圆孔的相关参数。而探针要与零件表面接触，存在接触压力，极容易对表面质量要求很高的零件造成损坏。尤其是由橡胶、尼龙等弹性较大的材料制成的零件，那么测量误差会较大。更需要注意的是，若所用的探针直径大于或接近被测孔径时，将无法探测到孔的轮廓，不能完成测量。传统的检测方式已经无法满足越来越高的检测要求，本文提出了一种基于计算机视觉的检测方式。这种检测方式具有信息量丰富、非接触、动态范围大、高

速度、高精度等诸多优点，对于一些传统方法难以测量的场合也是非常适用的。而机械零件的形状各式各样，对零件尺寸的精密测量是保证零件质量的前提，而且对零件的安装具有现实的指导意义。

1.2 计算机视觉的发展

80 年代初期阶段，在信息处理的基础上，Marr[1]将其与其它各方面的科学技术相融合，构造了视觉系统框架[2]，如下图 1-1 所示。这种框架是构成了计算机视觉的基本架构，也是到目前为止，在计算机视觉理论中最权威最全面的理论。Marr基于计算机科学技术基础上，结合信息处理技术，将这套计算机视觉理论不断完善，不断改进，最终建立了一个比较明确的视觉研究体系，对视觉研究的发展奠定了基础。因此可以说，没有 Marr 的视觉理论，就没有当代计算机视觉的的这门学科。至今，对计算机视觉理论的研究和应用仍然是计算机科学中的热点问题。

第二章 传动链板视觉检测系统的整体设计

本章在一般的计算机视觉检测系统的基础上，选用带圆孔的机械零件（传动链板）进行实测研究，并针对传动链板这类带圆孔的微小机械零件设计了一套检测系统，该系统包含硬件系统部分、软件系统部分。

2.1 功能需求

在构建实际的视觉检测系统时，测量精度、检测速度、实用性、成本等都是必须考虑的，并且需要在它们之间找到平衡点，寻求一个最优组合。这就要求从硬件、软件两个方面对系统进行优化，来满足检测速度和检测精度。本文的传动链板视觉检测系统不仅能够实现自动检测，而且还能够运用在机械零件的生产过程中实现实时在线检测的要求。链传动是一种啮合传动，不仅具有一般传动、传输的用途，而且还有引提升的作用，还有很多结构巧妙、性能特异的专门用途。它还具有带传动和齿轮传动的特点。链传动具有很多优点，例如传力大、传动比准确、结构简单、紧凑、效率高、经济、耐用、适应性强、易于维修保养等。这些优势使得链传动被广泛应用在了经济生产的各个部门。链板是构成滚子链的一个必不可少的重要零件，链板上两个圆孔中心之间的距离有严格的规定，必须保证在规定的公差范围内以保证装配好的链条节距一致所以，对传动链板两孔中心距进行测量和检测是必要的，也是极其重要的。传统的检测方法一般是依靠人工利用各种仪器设备进行测量。但对于链板这类微小零件，传统的检测方式较复杂，速度较慢，效率不高。本章针对传动链板这类带圆孔的微小机械零件设计了一套检测系统。

2.2 计算机视觉检测系统概述

计算机视觉检测系统（基于计算机视觉检测的方法建立的系统），指的是利用CCD 摄像机采集图像，再结合精密测量技术、图像处理技术等对被测物体进行非接触式的检测，此系统可以进行二维或者三维的测量。典型的计算机视觉检测系统的构成如下图 2-2 所示。计算机视觉检测系统包含硬件系统部分、软件系统部分。硬件系统包括照明系统、摄像机、将模拟信号装换成计算机可以识别的数字信号的图像采集卡、分析处理用的计算机；软件系统则主要进行数字图像处理、尺寸测量等。

第三章 传动链板的数字图像处理与分析 .................................................................. 23

3.1 数字图像的基本概述 .............................................................................................. 23

3.2 图像滤波 .................................................................................................................. 25

3.3 图像分割 .................................................................................................................. 29

3.4 边缘检测 .................................................................................................................. 35

第四章 传动链板的图像识别 ...................................................................................... 48

4.1 图像识别概述 .......................................................................................................... 48

4.2 Hough 变换 .............................................................................................................. 49

4.3 圆心提取及半径测量 .............................................................................................. 55

4.4 实验 .......................................................................................................................... 57

4.5 本章小结 .................................................................................................................. 60

第五章 传动链板视觉检测系统的运行和分析 .......................................................... 61

5.1 摄像机标定 .............................................................................................................. 61

5.2 系统运行与调试 ...................................................................................................... 62

5.3 实验结果与分析 ...................................................................................................... 67

5.4 本章小结 .................................................................................................................. 69

第五章 传动链板视觉检测系统的运行和分析

本章主要对传动链板视觉检测系统进行调试运行，并对检测结果进行分析。该系统的软件实现主要依赖 LabWindows/CVI 软件开发环境。其将测控工具（主要进行数据采集分析并显示）与基本编程语言 C 语言紧密地联系，并有机结合，使得功能更加强大、使用愈发灵活。它以开发环境的集成化、形象生动的界面和编程界面的相互转换、函数面板以及库函数的多样化嵌入到 C 语言中，极大地完善了 C 语言的功能，为开发人员建立测试系统、数据采集分析系统、虚拟仪器开发等提供了一个理想的平台。LabWindows/CVI 软件开发环境中，可由开发人员自行设计界面，较为灵活，易于操作。本系统的检测精度要求为 0.03%。

第六章 总结

本文的系统主要是针对圆孔机械零件（圆孔半径大小在 0~20mm 范围内）的检测而设计的，可以运用在机械零件的生产和加工过程中，对零件进行实时在线检测。对于类似传动链板这类的圆孔零件，传统的检测方式过程较复杂，成本也较高，本文的系统成本低，简便，而且测量精度经过验证也能得到保证。本文将计算机视觉检测技术应用到实际的机械零件的生产过程中，选取圆孔零件----带圆孔的传动链板的检测为研究内容，设计了传动链板视觉检测系统。深入分析了圆孔零件的原始图像采集、图像平滑、图像分割、图像边缘检测以及圆心提取的若干关键算法的处理技术，并进行了实验效果对比和分析等相关工作。

本文具体工作如下：

（1）在绪论中介绍了计算机视觉及其发展，接着阐述了其在国内外的发展现状和以后的发展动向，最后阐明了本文的研究内容及意义。

（2）简要概述了典型计算机视觉检测系统及其分类，在此基础上，针对传动链板，设计了传动链板视觉检测系统。该系统由硬件和软件两部分构成，分别对硬件系统和软件系统进行了设计。而且对计算机视觉检测系统的关键性能指标以及关键技术做了简要分析。

（3）概述了数字图像处理的基本概念，对比了几种图像滤波的方法，通过对具体的图像实验，着重比较和分析了中值滤波和均值滤波这两种常用的滤波方法，确定了本文所采用的滤波方法；对多种图像分割算法也做了比较和分析，详细阐述了各种分割算法的具体应用场合；对一些检测算子也做了分析，并用图像检测试验对比和分析了各种检测算子的效果，确定了本文所采用的检测算法。最后选取合适的图像处理方法对传动链板的原始图像进行了处理。

（4）简要阐述了图像识别的基本概念及其基本步骤，详细分析了 Hough 变换的直线检测以及圆检测，并且用实验验证了 Hough 变换检测圆。并对传动链板进行了 Hough 变换检测。