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铸铁平板接触点面积的像素检测法

在机械行业中,铸铁平板是进行工件检测或划线时作为基准平面使用的平面基准器具(也称平台),它广泛应用于_计量检测部门和生产车间.它的制造品质直接影响工件的加工与检测质量.在铸铁平板的质量检测标准中有一项“接触点面积”指标,其检测方法及精度等级在标准JB/T7974-1999中已作详细规定(见表1).英国平板平台标准规范中的规定与我国标准也基本相同.长期以来它对国内铸铁平板的制造与检测发挥了重要作用,但在应用中也暴露出一些问题.现在计算机技术的应用在各个领域如火如荼,各学科之间的相互渗透日趋深广,应用数字技术改进该标准提出的检测方法正是潮流所趋.通过对该标准及执行情况的分析、调查,综合应用机械、计算机、数理统计等学科领域的知识,我们研究出铸铁平板接触点面积的像素检测法.

表1 JB/T7974-1999精度等级

Table 1 JB/T7974-1999

测试项目

精度等级

000

00  

0

1   

2

单位面积上接触点面积的比率

≥20%

≥16%

≥10%

25mm×25mm正方形面积中的接触点数

≥25

≥20

≥12

                                 

注:距工作面边沿0.02a(_为20mm)范围内接触点面积的比率或接触点数不计,且任意一点都不得高于工作面.

1 现行标准存在的不足

目前各生产厂家对铸铁平板接触点面积精度等级的检测是根据JB/T7974-1999标准中提出的检测方法进行的.首先对被检铸铁平板涂色与基准平板对研,再凭肉眼观察平板25mm×25mm面积内接触点的点数多少来评定平板接触点面积的精度等级.这种检测方法存在以下不足:

(1)铸铁平板上的接触点是用“涂色对研”方法产生的,各显点微观面积的大小悬殊很大,标准中又未对单点面积规定量值要求,故单位面积内接触点数的多少并不能表征实际接触面积大小.因此,采用点数多少来表征面积大小,本身不可能达到准确;

(2)凭肉眼观察接触点数目的多少来评定平板接触点面积精度等级,在生产实际中常常发生争议.为了解决争议,各厂家采用标准中接触点面积比率检定方法作为裁定标准以解决争议.由于各接触点边界形状极不规则,检测中全凭人的主观感觉估算接触点在单位方格里所占面积的比率,其检测结果全凭人的主观判断,很难_获得准确的检测值.在实验室我们对同一块1级精度铸铁平板涂色对研后,按照JB/T7974-1999标准规定,在上面选取25mm×25mm的局部面积,让多名实验员依次对其进行数点,结果所得接触点的数目在18—21点之间各不相同.再用50mm×50mm范围内刻有2.5mm×2.5mm的400个小方格的透明板置于平板的相同部位,让多名实验员对其接触点进行面积估算,所得结果也在14—17%之间不一致.中国计量在线网发布的署名赵巧玲同志的论文,介绍所作两块平板接触点面积的检测试验,其中1号平板接触斑点为25—27,接触面积为20%左右;2号平板接触斑点为25—29,接触面积为10%左右.虽然二者接触斑点大致相同,但所测接触点面积相差甚远,分别为20%和10%.两实验说明:1)由于人为感官因素的不一致,往往检测结果因人而异,总是难以客观、准确地统一检定平板接触点面积的精度等级;2)在没有对单点面积量化规定的情况下,接触点多少不能准确表征接触面积大小.通过对铸铁平板生产厂家的调查,这种情况在生产现场也常见不鲜.究其原因,无疑是铸铁平板接触点面积的检测方法不甚严谨和不够完善所致.现在计算机技术的发展为我们改进原检测方法提供了可行的条件.

2 铸铁平板接触点面积的像素检测法

基于以上分析和实验,采用像素检测法应用计算机技术对铸铁平板接触点面积进行像素检测,完全可以准确、快速地检测铸铁平板接触点面积,克服原检测方法所存在的弊端.该方法采用数字技术,以图像的像素多少来表征图像面积大小.先对铸铁平板涂色对研,用数字技术采集其接触点信息,再由计算机对所采集的信息进行数据处理,_后准确地计算出铸铁平板采样部分接触点的面积(或个数)及它们在整个采样面积中所占的比率.R = (S/M)×_其中,R为接触点面积比率,S为采样部分各接触点像素,M为采样部分面积内总像素数.均布状况的检测由计算机对采样图像中各子方图的接触点面积比率进行差值计算完成.该方法能科学、快捷地评定出平板接触点面积的精度等级,从根本上解决凭肉眼观察数接触点数和用方格估算接触点面积进行铸铁平板精度等级检测所存在的问题,且没有争议.所需设备为计算机、扫描仪(或400万以上像素的数码相机).

检测铸铁平板接触点面积步骤:

(1)用数字技术(扫描仪)采集涂色对研后的铸铁平板接触点数字信息,形成含有全部接触点数字信息的平板图像,并通过计算机接口将接触点数字信息的平板图像文件直接传入计算机进行数字信息处理;

(2)通过数理统计对图像进行检测,将获得的数据用计算机拟合,确定计算机计算接触点面积的灰度值,对采集获得的多层次灰度平板图像进行二值化处理,即使整幅图像画面内各像素点的灰度仅取0和255这两个值,除去背景及噪声对接触点的干扰,形成只有黑、白两种像素点的二值图像(详见检测实例);

(3)为了检测任意两个25mm×25mm正方形面积内的接触点面积之差以求出其均布状况,对二值化的平板图像用计算机程序从左至右、从上到下(按检测技术要求,移动步距为2.5mm)进行扫描,依次获得所有25mm×25mm的子方图,统计每个子方图中接触点所占像素点的个数,按R=(S/M)×_计算出各子方图中接触点所占的面积比率,找出接触点面积比率_和_小的子方图并计算其差值.

(4)由计算机输出接触点面积比率_和_小子方图的位置、接触点个数、接触点面积比率的_终检测结果.对于大型铸铁平板,由于扫描仪扫描面积有限,可采取对大平板上具有代表性的多个局部进行抽样扫描来_检测结果的准确性和可靠性.

3 检测实例

下面是在实验室从400mm×400mm铸铁平板中截取90mm×65mm的面积,应用像素检测法以计算接触点面积为主进行的平板接触点面积检测实验过程与结果.

(1)图像采集

将被检测的1级精度平板涂色后,用100×200的0级精度直角规与其对研显点,而后用HP Scanjet 2400数字平板式扫描仪平铺其上对已显点的平板进行扫描,获得数字图像.针对影响检测精度的主要因素,在操作过程中应该注意:要选用粒度小、色饱和度高的显示剂;涂层厚度要适中且均匀;扫描仪的分辨率不低于130dpi.

(2)计算机对所获信息进行数字化处理

用自行设计的软件处理图像,其处理流程如图1所示.

图1 数字图像的处理流程

Fig.1 Flow chart of image-processing

说明:

对比度增强:直接对源彩色图像的直方图进行线性拉伸,使彩色图像中各像素的R

(红色)、G(绿色)、B(蓝色)三分量的取值范围增大.

构造灰度图:用彩色图像HSI空间中的H(色调)或S(色饱和度)分量作为灰度图的灰

度值,生成与源彩色图像大小相同的灰度图像.使用该方法构造灰度图重复性好.

铸铁平板接触点面积的像素检测法图像平滑:采用高斯低通滤波法对图像进行平滑处理,目的是去除灰度图中的噪声点,提高二值化处理的准确度.图2是经过此处理后的灰度图.

图2 扫描仪采样图像

Fig.2 Image sampled by scanner

图像二值化:采用动态阈值法对图像进行分割,使图像中的目标点(即平板上的接触

点)与背景完全分离,并_终使接触点上像素的灰度值为0,背景中像素点的灰度值为

图3是对图2进行了二值化处理后的二值图像.

图3 计算机二值化处理图像

Fig.3 Image binarizated by computer

去除噪声点:二值化后的图像中存在一些细小的“接触点”,它们实际上是噪声的反映,应当去除,在程序中设定一阈值,删除内含像素数小于该阈值的接触点.

(3)计算机计算被检平板接触点面积和点数

(4)该被检平板接触点面积及均布状况检测结论

①试样上接触点面积占整块面积的16.13%;②左下角25mm×25mm方框内接触点面积占其面积的21.14%,右上角25mm×25mm方框内接触点面积占其面积的11.47%;

③该试样两个25mm×25mm正方形面积内接触点面积比率之差为9.67%.均布状况不符合1级精度标准的规定.用原方法对同一试样检测获得的结果是:①项为16—18%;②项为19—21%与12—14%;③项为5—9 %.在精度等级的评定中存在争议.上述结果表明,两种检测方法所得结论不一致,且用原方法检测所得数据是一数值区间,确定不出准确值,使评定检测结果产生争议,且检测工作量大.在像素检测法中,采用计算机拟合带来的失真很小,不影响精度等级的测定.比较两种检测方法,像素检测法具有明显的_性.

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