基于图像分析检测产品装配精度方法研究

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　　摘要：飞行器舵装配精度是确保飞行器精确控制的关键因素之一。传统的测量方法测量精度低，耗时费力，难以满足大批量生产需求。图像分析方法采用图像处理技术，识别图像中不同刻线进行对比分析，在较大程度上提高测量精度。测量过程图像数据的采集、处理、零位偏差和摆动量的计算自动生产报表，实现数据的保存，方便数据的查阅以及装配质量的分析与监管。图像法刻线自动化测量系统的研制既符合检测测量工作向自动化方向转变的总趋势，又可以解决在刻线测量过程中的实际问题，具有很好的应用价值及经济效益。
　　关键词：装配;图像分析;刻线测量;自动化
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）08-0089-02
　　1 研究现状
　　含有舵系统的飞行器一般将舵装配在舱体外侧的四个象限位置，衡量空气舵装配质量的主要技术参数包括零位偏差和摆动量。具体的含义如下：
　　（1）零位偏差：在伺服作动器机械锁定时，空气舵刻线与壳体刻线之间的偏差值。由于空气舵刻线与舱体刻线不平行，所以实际应用中定义为舱体刻线端点C与舱体刻线AB之间的距离。
　　（2）摆动量：以舱体刻线为基准，沿顺时针方向和逆时针方向空气舵刻线偏移的范围。其数学表达式通常定义为空气舵刻线端点相对于舱体刻线左右偏移量的和。
　　1.1 传统测量方法
　　由于空气舵、舱体刻线细短且不共面，传统的接触式测量方法很难完成检测任务。一般都是借助于经纬仪来完成测量，主要包括光学经纬仪、平台、伺服舱翻转吊挂、横梁吊挂、三脚架、伺服舱吊具等，并需要对四个象限的零位偏差、摆动量进行测量。以其中一个象限为例，经纬仪放置在距离被测舱体2～4m的位置。借助于伺服舱翻转吊挂、横梁吊挂，将被测体转载到可调平台，被侧体大头朝上并确保其处于水平状态。用光学经纬仪望远镜的竖丝分别精确瞄准舱体刻线、空气舵刻线，其对应的水平角度分别为、。用软尺测量经纬仪中心到伺服舱刻线点之间的水平距离为L，则零位偏差为：
　　人工分别顺时针、逆时针方向摆动空气舵组件的前端，用望远镜的竖丝对准空气舵刻线，其对应的水平角为、，则摆动量为：
　　在整个测量过程中，需要至少三名人员之间的相互配合，才能完成经纬仪刻线的对准、被测舱体状态的转换。虽然该方法可以满足测量任务要求，但是还存在测量效率低、精度差，且不能保证测量结果的一致性等几点不足。为了尽量减少对总装进度的影响，满足总装测试要求，必须改进或者改变现有的空气舵刻线测量方法。
　　1.2 图像测量技术现状
　　图像处理技术由于具有再现性好、处理精度高、适用面宽以及灵活性高等特點，而被广泛的应用于各个领域，例如航空航天、工业生产、医疗诊断、资源环境、气象及交通监测、文化教育等。数字图像处理借助计算机实现对图像增强、复原、分割和轮廓线条特征提取等功能，这一功能与工业中涉及到几何尺寸测量对实时性、快捷性和高精确度等要求实现了技术结合。目前，结合图像采集处理技术和计算机技术完成刻线测量的技术已经日趋成熟[1]。
　　在国内，中核燃料元件有限公司利用图像法设计了一种游标对齐刻度测量装置，简化了游标卡尺的检测过程，并有效地减少了误差。大连市计量检定测试所研制了一种影像法钢卷尺检定装置，该装置采用多个光学成像镜头，提高了检定效率。广东省计量科学研究院基于激光干涉测长和图像处理技术对线纹间隔进行测量的原理，研制开发出了多功能线纹尺自动测量装置，可以对标准钢卷尺、铟瓦水准标尺和条码尺进行有效检测量，也可测量数字水准仪配合条码尺的综合测量误差，自动化处理数据，工作效率高[2]。
　　2 图像分析方法
　　图像分析方法结合计算机技术、传感器技术以及图像处理技术，配合机械工装和照明方式的保障，设计了一种空气舵刻线自动化测量系统，实现了刻线的智能化、精密、高效测量。其大体测量过程为通过工业摄像头来获取被测刻线所在区域的二维图像信息，并对图像中每个像素代表的实际大小进行标定后来确定图像中两个被测刻线之间的实际距离，从而计算出空气舵的零位偏差和摆动量。
　　2.1 系统组成
　　图像法空气舵刻线自动化测量系统由图像采集系统、辅助测量部件、刻线标定部件、微型计算机系统及其他附属部件组成。其中图像采集系统由数码摄像机、光学成像镜头和照明设备组成;辅助测量部件由连接部件、固定部件以及定位部件组成;刻线标定部件主要由标准刻线尺和工装夹具组成;微型计算机系统则由计算机（笔记本电脑），相应的外部接口设备和功能强大的软件系统组成。
　　2.2 测量过程
　　测量过程主要包括参数标定和刻线测量两部分。参数标定是指图像数据采集系统通过测量标定装置内部的标准刻线尺，对测量装置的像素格值（摄像头传感器上每个像素代表的实际距离）进行标定，使测量结果准确度得以保证。
　　2.3 测量原理
　　利用图像采集系统获得的图片的大小为a×b，单位为像素×像素。以图片的两个相邻边界建立照片坐标系XOY，可以获得舱体刻线的和空气舵端点的坐标。通过计算刻线间像素点数量，对比标准尺单位距离对应的像素点，即可获得刻线间距离。
　　3 产品设计
　　3.1 硬件构成
　　根据被测产品的尺寸，需要设计三种类似的辅助测量部件，在测量部件上对应于舱体和空气舵的刻线部位开一个孔，作为视场孔。两个定位孔起定位作用，使测量工装圆弧的圆心与舱体的圆心同心，进而使视场内被测刻线和瞄准刻线水平。通过螺纹固定舱体和图像采集系统，实现连接舱体和图像采集系统的连接，并保证光学镜头与被测舱体所在平面平行。
　　作为空气舵刻线测量装置的核心部件，图像采集系统由数码摄像机、光学成像镜头和照明设备组成。
　　刻线标定部件，在刻线标定部件内部嵌入一个刻线标准尺，并保证标准尺平面与刻线标定部件的上部平面的距离等于辅助测量部件的总高度，即标准刻线尺和舱体刻线到光学成像镜头的距离相等。
　　3.2 软件功能
　　软件系统应便于操作者快速准确的掌握。能够实现自动的采集、存贮、处理、离线测量、显示和打印。
　　将数码摄像头通过USB线连接到笔记本之后，打开软件界面。设定CCD参数、瞄准方式之后，便可以进行相应的测量，软件默认的瞄准方式为手动瞄准。
　　手动瞄准模式，采用“三线对准”方式。其中的右边瞄准线对准所测刻线图像特征的右边界，左边瞄准线对准所测刻线图像特征的左边界，中间的一条瞄准线对准被测刻线的中心位置。根据所测刻线的宽度，左右两条瞄准线的间距分0mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm五种。利用鼠标或键盘“↑”、“↓”移动对准刻线，使其基本包括被测刻线的轮廓，单击“取值”完成对准。每一条刻线可重复多次测量，取平均值作为测量结果，对于明显测量错误的测量数据可双击清除后重新测量。最终，可以获得被测刻线在图片坐标系中的像素位置。
　　自动测量模式线无须操作人员对准瞄准可和被测刻线，只需利用选框分别标出“舱上刻线”、“舵上刻线”后，单击“边缘检测”。软件会自动检测被测舱体刻线和舵上刻线在图片坐标系中的像素位置。经过直线拟合，便可以获得两条刻线之间的相对像素位置。软件会自动将其与标定所保存的放大倍数相乘，并最终获得两条被测刻线之间的真实位置。
　　4 结语
　　光学测量技术可以应用在空气舵装配过程中，实现空气舵刻线与舱体刻线的在线测量，为导弹、飞行器等型号的空气舵装配提供技术保障。该测量装置基于图像处理技术，配合测量工装的保障，实现了空气舵刻线的自动化精密高效测量。测量效率相对于经纬仪测量法将得到极大提高，测量过程更加简单灵活，测量准确度和安全性得到保障，对于提高型号的研制和生产装配水平，有着非常重要的意义。
　　参考文献
　　[1] 何照才.光学测量系统[M].北京：国防工业出版社，2002.
　　[2] 孙晨光.数字相移相位测量技术及其应用[D].天津：天津大学，2004.
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