一種基于機器視覺的疲勞試驗機試件自動安裝定位方法技術

一種基于機器視覺的疲勞試驗機試件自動安裝定位方法，通過CCD獲取下夾具孔與試件孔的圖像，對圖像進行系統標定、圖像預處理、圖像分析、圖像識別操作，通過圓擬合的方法分別檢測出試件孔和夾具孔，再通過位置測量算法計算出兩圓孔之間的像素距離并通過系統標定值將其轉化為實際尺寸，孔差數據作為電機控制的觸發信號，控制電機運動定位，使得下夾具孔與試件孔的完全對中，實現疲勞試驗機試件的自動安裝定位。本發明專利技術實現試件自動安裝定位，省時省力，精度較高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及機器視覺、圖像處理和自動控制領域，具體的講是一種基于機器視覺 的疲勞試驗機試件自動安裝定位方法。
技術介紹
疲勞破壞是機械零部件失效的主要形式，由于目前尚不能完全通過有效的理論方 法來研宄，因此通過疲勞試驗機對特定的材料進行疲勞裂紋擴展試驗，來探索零部件擴展 斷裂過程的規律，具有十分重要的意義。由于需要對不同形狀和不同材料的試件進行大量 的疲勞裂紋擴展試驗，這樣就需要頻繁的在疲勞試驗機上安裝、拆卸試件。高頻疲勞試驗機 一般是上夾具（或下夾具）固定不動，下夾具（或上夾具）可以通過電機運動控制其上下 運動。在試件安裝時，首先用銷釘將試件固定在上夾具上，然后控制電機正轉或者反轉來調 節下夾具上下運動，使下夾具孔與試件孔對中，再用銷釘將其固定，完成試件的安裝定位工 作，接著進行所需要的疲勞實驗。 目前，大部分高頻疲勞試驗機從安裝試樣到記錄數據，基本上全部依靠人工操作 完成。傳統的手工安裝定位試件過程一般需要兩個人，其中一個人實時觀察下夾具孔和試 件孔之間的孔差變化并下達下夾具上升或下降的指令，另一個人則需要根據指令判斷電機 正轉或者反轉并實時控制工作臺電機。用肉眼觀察下夾具孔和試件孔基本對中時，用銷釘 定位，若無法定位再重復上面的工作，直至可以用銷釘將試件固定到下夾具上為止，兩人協 同操作至少15分鐘的時間才能保證試件準確定位安裝。
技術實現思路
為了克服現有的疲勞試驗機試件安裝定位方式的費時費力、精度較低的不足，本 專利技術提供了，使用機器視覺和圖像 處理技術計算試件孔與夾具孔之間的孔差，在實現上位機圖像采集與電機運動控制的基礎 上，控制工作臺下夾具升降使夾具孔與試件孔對準，實現試件自動安裝定位。 為了解決上述技術問題采用的技術方案為： -種基于機器視覺的疲勞試驗機試件自動安裝定位方法，通過CCD獲取下夾具孔 與試件孔的圖像，對圖像進行系統標定、圖像預處理、圖像分析、圖像識別操作，通過圓擬合 的方法分別檢測出試件孔和夾具孔，再通過位置測量算法計算出兩圓孔之間的像素距離并 通過系統標定值將其轉化為實際尺寸，孔差數據作為電機控制的觸發信號，控制電機運動 定位，使得下夾具孔與試件孔的完全對中，實現疲勞試驗機試件的自動安裝定位。 進一步，所述系統標定過程為：對圖像采集系統得到的圖像先進行圖像預處理和 圖像分析，再采用IMAQClampHorizontalMax函數測量夾具邊緣的水平像素距離，用夾具 實際水平距離除以水平像素距離就得到了系統的標定值； 更進一步，所述圖像預處理過程為：先對圖像進行中值濾波再進行垂直方向上邊 緣銳化處理，接著進行直方圖均衡化去除噪聲。 再進一步，所述圖像分析過程為：采用直方圖谷點確定分割閾值的方法對圖像進 行二值化，再對圖像進行先膨脹后腐蝕的形態學運算。 更進一步，所述位置測量算法過程如下： 1)對圖像處理后得到的月牙圖形建立坐標系； 2)由于下夾具孔在一個圓柱曲面上，故對其進行拍照時會存在畸變，所以下夾具 孔在照片上的尺寸與試件孔的尺寸不相等，因此對下夾具孔和試件孔形成的兩個半徑不一 的圓弧組成的封閉區域建立模型，其中試件孔的圓心坐標為〇 1: (X0,Yl)半徑為rl，下夾具 孔的圓心坐標為O2: (X0,Y2)半徑為r2,且它們的圓心同在X=XO的直線上，則直線X=XO 與試件孔的圓和下夾具孔的圓的下半圓交點坐標分別為P1(X0,Y3)與P2(X0,Y4)，由此可 得：Y3 =Yl-rlY4 =Y2-r2 又有Pl與P2在X=XO的直線上 得到孔差距離計算公式：P1P2 =Y3-Y4 =yl-rl-(Y2-r2) =Yl-Y2-(rl-r2) 3)使用NIIMAQVision工具包中的FindCircularEdge圓擬合函數，分別擬合 出試件孔圓和夾具孔圓并計算其圓心坐標及半徑； 4)應用上述孔差距離計算公式得到坐標系中孔差的像素值即P1P2的值，再與系 統標定值相乘得到試件孔與夾具孔之間的實際相對位置。 所述步驟3)中，選取月牙部分作為目標搜索區域，從左邊界開始，從上到下豎直 掃描，當遇到像素為〇時繼續掃描，直到首次遇到像素為1的點時存入寄存器，這些像素從 〇至1的點即為試件孔圓擬合曲線上的點集，去除孤立點對其進行圓擬合，從而獲得圓仏的 圓心坐標及半徑；同理像素從1至0的點集擬合得到的圓即為夾具孔圓〇 2并獲得其圓心坐 標及半徑。 通過模糊PID控制策略控制電機運動定位，模糊PID控制策略的過程如下： 1)采用模糊PID控制器，系統為三個雙輸入單輸出的模糊控制器在線調整PID的 三個參數：比例kp、積分h和微分kd，PID控制器輸入為設定距離與反饋距離的偏差e及偏 差變化率ec，輸出量為Akp、AkJPAkd，分別用來調整PID控制器的參數kp、ki、kd的值； 2)電機模糊推理系統 輸入量e、ec和輸出量Akp、AkpAkd相對應的模糊語言變量為E、EC、AKp、AKi 和AKd，設其離散模糊論域都為{-6, -5, -4, -3, -2, -I，0,1，2, 3,4, 5,6}。e的基本論域為 (_6,6)，則量化因子為ae= 6/6 = 1，計算公式e(t) =r(t)_y(t)，r(t)為系統設定值，y(t) 為測量值；ec的基本論域為（-〇. 3,0. 3)，則量化因子為ae。= 6/0. 3 = 20 ;計算公式ec(k) =e(k)-e(k_l) ;Akp基本論域為（-10,10)，貝丨」量化因子為akp= 6/10 = 0? 6 ;Aki基本論 域為（-0. 2,0. 2)，則量化因子為aki= 6/0. 2 = 30 ;Akd基本論域為（-1，1)，則量化因子為 akp= 6/1 = 6 ;把以上在之間變化的變量根據需要分成7個等級：負大（NB)、負中 (NM)、負小（NS)、零（ZO)、正小（PS)、正中（PM)、正大（PB)，每個等級作為一個模糊變量，并 對應一個模糊子集或隸屬度函數。采用兩輸入單輸出MamdaniMAX-MIN推理方法，去模糊化則采用精度較高的重心 法，具體模糊推理規則如下：規則I:IFAiANDBiTHENCi(i= 1，2, 3...n)。 本專利技術的有益效果為：實現試件自動安裝定位，省力省力，精度較高。【附圖說明】：圖1為本專利技術的疲勞試驗機試件自動安裝定位系統架構圖。圖2為本專利技術的疲勞試驗機試件自動安裝定位系統算法流程圖。圖3為本專利技術的疲勞試驗機試件自動安裝定位系統流程圖。 圖4為本專利技術的試件位置測量模型圖。 圖5為模糊PID控制結構圖。【具體實施方式】 下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。 參照圖1~圖5,，通過 CCD獲取下夾具孔與試件孔的圖像，對圖像進行系統標定、圖像預處理、圖像分析、圖像識別 操作，通過圓擬合的方法分別檢測出試件孔和夾具孔，再通過位置測量算法計算出兩圓孔 之間的像素距離并通過系統標定值將其轉化為實際尺寸，孔差數據作為電機控制的觸發信 號，控制電機運動定位，使得下夾具孔與試件孔的完全對中，實現疲勞試驗機試件的自動安 裝定位。 進一步，所述系統標定過程為：對圖像采集系統得到的圖像先進行圖像預處理和 圖像分析，再采用IMAQClampHorizontalMax函數測量夾具邊緣的水平本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于機器視覺的疲勞試驗機試件自動安裝定位方法，其特征在于：通過CCD獲取下夾具孔與試件孔的圖像，對圖像進行系統標定、圖像預處理、圖像分析、圖像識別操作，通過圓擬合的方法分別檢測出試件孔和夾具孔，再通過位置測量算法計算出兩圓孔之間的像素距離并通過系統標定值將其轉化為實際尺寸，孔差數據作為電機控制的觸發信號，控制電機運動定位，使得下夾具孔與試件孔的完全對中，實現疲勞試驗機試件的自動安裝定位。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜偉，高紅俐，劉輝，鄭歡斌，朱亞倫，劉歡，邵新陽，
申請(專利權)人：浙江工業大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33