在機(jī)械行業(yè)中,鑄鐵平板是進(jìn)行工件檢測或劃線時(shí)作為基準(zhǔn)平面使用的平面基準(zhǔn)器具(也稱平臺(tái)),它廣泛應(yīng)用于_計(jì)量檢測部門和生產(chǎn)車間.它的制造品質(zhì)直接影響工件的加工與檢測質(zhì)量.在鑄鐵平板的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)中有一項(xiàng)“接觸點(diǎn)面積”指標(biāo),其檢測方法及精度等級(jí)在標(biāo)準(zhǔn)JB/T7974-1999中已作詳細(xì)規(guī)定(見表1).英國平板和平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的規(guī)定與我國標(biāo)準(zhǔn)也基本相同.長期以來它對國內(nèi)鑄鐵平板的制造與檢測發(fā)揮了重要作用,但在應(yīng)用中也暴露出一些問題.現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域如火如荼,各學(xué)科之間的相互滲透日趨深廣,應(yīng)用數(shù)字技術(shù)改進(jìn)該標(biāo)準(zhǔn)提出的檢測方法正是潮流所趨.通過對該標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行情況的分析、調(diào)查,綜合應(yīng)用機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí),我們研究出鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積的像素檢測法.

表1　JB/T7974-1999精度等級(jí)

Table 1　JB/T7974-1999

注:距工作面邊沿0.02a(_為20mm)范圍內(nèi)接觸點(diǎn)面積的比率或接觸點(diǎn)數(shù)不計(jì),且任意一點(diǎn)都不得高于工作面.

1　現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在的不足

目前各生產(chǎn)廠家對鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積精度等級(jí)的檢測是根據(jù)JB/T7974-1999標(biāo)準(zhǔn)中提出的檢測方法進(jìn)行的.首先對被檢鑄鐵平板涂色與基準(zhǔn)平板對研,再憑肉眼觀察平板25mm×25mm面積內(nèi)接觸點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)多少來評(píng)定平板接觸點(diǎn)面積的精度等級(jí).這種檢測方法存在以下不足:

(1)鑄鐵平板上的接觸點(diǎn)是用“涂色對研”方法產(chǎn)生的,各顯點(diǎn)微觀面積的大小懸殊很大,標(biāo)準(zhǔn)中又未對單點(diǎn)面積規(guī)定量值要求,故單位面積內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)的多少并不能表征實(shí)際接觸面積大小.因此,采用點(diǎn)數(shù)多少來表征面積大小,本身不可能達(dá)到準(zhǔn)確;

(2)憑肉眼觀察接觸點(diǎn)數(shù)目的多少來評(píng)定平板接觸點(diǎn)面積精度等級(jí),在生產(chǎn)實(shí)際中常常發(fā)生爭議.為了解決爭議,各廠家采用標(biāo)準(zhǔn)中接觸點(diǎn)面積比率檢定方法作為裁定標(biāo)準(zhǔn)以解決爭議.由于各接觸點(diǎn)邊界形狀極不規(guī)則,檢測中全憑人的主觀感覺估算接觸點(diǎn)在單位方格里所占面積的比率,其檢測結(jié)果全憑人的主觀判斷,很難_獲得準(zhǔn)確的檢測值.在實(shí)驗(yàn)室我們對同一塊1級(jí)精度鑄鐵平板涂色對研后,按照J(rèn)B/T7974-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在上面選取25mm×25mm的局部面積,讓多名實(shí)驗(yàn)員依次對其進(jìn)行數(shù)點(diǎn),結(jié)果所得接觸點(diǎn)的數(shù)目在18—21點(diǎn)之間各不相同.再用50mm×50mm范圍內(nèi)刻有2.5mm×2.5mm的400個(gè)小方格的透明板置于平板的相同部位,讓多名實(shí)驗(yàn)員對其接觸點(diǎn)進(jìn)行面積估算,所得結(jié)果也在14—17%之間不一致.中國計(jì)量在線網(wǎng)發(fā)布的署名趙巧玲同志的論文,介紹所作兩塊平板接觸點(diǎn)面積的檢測試驗(yàn),其中1號(hào)平板接觸斑點(diǎn)為25—27,接觸面積為20%左右;2號(hào)平板接觸斑點(diǎn)為25—29,接觸面積為10%左右.雖然二者接觸斑點(diǎn)大致相同,但所測接觸點(diǎn)面積相差甚遠(yuǎn),分別為20%和10%.兩實(shí)驗(yàn)說明:1)由于人為感官因素的不一致,往往檢測結(jié)果因人而異,總是難以客觀、準(zhǔn)確地統(tǒng)一檢定平板接觸點(diǎn)面積的精度等級(jí);2)在沒有對單點(diǎn)面積量化規(guī)定的情況下,接觸點(diǎn)多少不能準(zhǔn)確表征接觸面積大小.通過對鑄鐵平板生產(chǎn)廠家的調(diào)查,這種情況在生產(chǎn)現(xiàn)場也常見不鮮.究其原因,無疑是鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積的檢測方法不甚嚴(yán)謹(jǐn)和不夠完善所致.現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為我們改進(jìn)原檢測方法提供了可行的條件.

2　鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積的像素檢測法

基于以上分析和實(shí)驗(yàn),采用像素檢測法應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積進(jìn)行像素檢測,_可以準(zhǔn)確、快速地檢測鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積,克服原檢測方法所存在的弊端.該方法采用數(shù)字技術(shù),以圖像的像素多少來表征圖像面積大小.先對鑄鐵平板涂色對研,用數(shù)字技術(shù)采集其接觸點(diǎn)信息,再由計(jì)算機(jī)對所采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,_后準(zhǔn)確地計(jì)算出鑄鐵平板采樣部分接觸點(diǎn)的面積(或個(gè)數(shù))及它們在整個(gè)采樣面積中所占的比率.R = (S/M)×_其中,R為接觸點(diǎn)面積比率,S為采樣部分各接觸點(diǎn)像素,M為采樣部分面積內(nèi)總像素?cái)?shù).均布狀況的檢測由計(jì)算機(jī)對采樣圖像中各子方圖的接觸點(diǎn)面積比率進(jìn)行差值計(jì)算完成.該方法能科學(xué)、快捷地評(píng)定出平板接觸點(diǎn)面積的精度等級(jí),從根本上解決憑肉眼觀察數(shù)接觸點(diǎn)數(shù)和用方格估算接觸點(diǎn)面積進(jìn)行鑄鐵平板精度等級(jí)檢測所存在的問題,且沒有爭議.所需設(shè)備為計(jì)算機(jī)、掃描儀(或400萬以上像素的數(shù)碼相機(jī)).

檢測鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積步驟:

(1)用數(shù)字技術(shù)(掃描儀)采集涂色對研后的鑄鐵平板接觸點(diǎn)數(shù)字信息,形成含有全部接觸點(diǎn)數(shù)字信息的平板圖像,并通過計(jì)算機(jī)接口將接觸點(diǎn)數(shù)字信息的平板圖像文件直接傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信息處理;

(2)通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)對圖像進(jìn)行檢測,將獲得的數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)擬合,確定計(jì)算機(jī)計(jì)算接觸點(diǎn)面積的灰度值,對采集獲得的多層次灰度平板圖像進(jìn)行二值化處理,即使整幅圖像畫面內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度僅取0和255這兩個(gè)值,除去背景及噪聲對接觸點(diǎn)的干擾,形成只有黑、白兩種像素點(diǎn)的二值圖像(詳見檢測實(shí)例);

(3)為了檢測任意兩個(gè)25mm×25mm正方形面積內(nèi)的接觸點(diǎn)面積之差以求出其均布狀況,對二值化的平板圖像用計(jì)算機(jī)程序從左至右、從上到下(按檢測技術(shù)要求,移動(dòng)步距為2.5mm)進(jìn)行掃描,依次獲得所有25mm×25mm的子方圖,統(tǒng)計(jì)每個(gè)子方圖中接觸點(diǎn)所占像素點(diǎn)的個(gè)數(shù),按R=(S/M)×_計(jì)算出各子方圖中接觸點(diǎn)所占的面積比率,找出接觸點(diǎn)面積比率_和_小的子方圖并計(jì)算其差值.

(4)由計(jì)算機(jī)輸出接觸點(diǎn)面積比率_和_小子方圖的位置、接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)、接觸點(diǎn)面積比率的_終檢測結(jié)果.對于大型鑄鐵平板,由于掃描儀掃描面積有限,可采取對大平板上具有代表性的多個(gè)局部進(jìn)行抽樣掃描來_檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性.

3　檢測實(shí)例

下面是在實(shí)驗(yàn)室從400mm×400mm鑄鐵平板中截取90mm×65mm的面積,應(yīng)用像素檢測法以計(jì)算接觸點(diǎn)面積為主進(jìn)行的平板接觸點(diǎn)面積檢測實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果.

(1)圖像采集

將被檢測的1級(jí)精度平板涂色后,用100×200的0級(jí)精度直角規(guī)與其對研顯點(diǎn),而后用HP Scanjet 2400數(shù)字平板式掃描儀平鋪其上對已顯點(diǎn)的平板進(jìn)行掃描,獲得數(shù)字圖像.針對影響檢測精度的主要因素,在操作過程中應(yīng)該注意:要選用粒度小、色飽和度高的顯示劑;涂層厚度要適中且均勻;掃描儀的分辨率不低于130dpi.

(2)計(jì)算機(jī)對所獲信息進(jìn)行數(shù)字化處理

用自行設(shè)計(jì)的軟件處理圖像,其處理流程如圖1所示.

圖1　數(shù)字圖像的處理流程

Fig.1　Flow chart of image-processing

說明:

對比度增強(qiáng):直接對源彩色圖像的直方圖進(jìn)行線性拉伸,使彩色圖像中各像素的R

(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)三分量的取值范圍增大.

構(gòu)造灰度圖:用彩色圖像HSI空間中的H(色調(diào))或S(色飽和度)分量作為灰度圖的灰

度值,生成與源彩色圖像大小相同的灰度圖像.使用該方法構(gòu)造灰度圖重復(fù)性好.

鑄鐵平板接觸點(diǎn)面積的像素檢測法圖像平滑:采用高斯低通濾波法對圖像進(jìn)行平滑處理,目的是去除灰度圖中的噪聲點(diǎn),提高二值化處理的準(zhǔn)確度.圖2是經(jīng)過此處理后的灰度圖.

圖2　掃描儀采樣圖像

Fig.2　Image sampled by scanner

圖像二值化:采用動(dòng)態(tài)閾值法對圖像進(jìn)行分割,使圖像中的目標(biāo)點(diǎn)(即平板上的接觸

點(diǎn))與背景_分離,并_終使接觸點(diǎn)上像素的灰度值為0,背景中像素點(diǎn)的灰度值為

圖3是對圖2進(jìn)行了二值化處理后的二值圖像.

圖3　計(jì)算機(jī)二值化處理圖像

Fig.3　Image binarizated by computer

去除噪聲點(diǎn):二值化后的圖像中存在一些細(xì)小的“接觸點(diǎn)”,它們實(shí)際上是噪聲的反映,應(yīng)當(dāng)去除,在程序中設(shè)定一閾值,刪除內(nèi)含像素?cái)?shù)小于該閾值的接觸點(diǎn).

(3)計(jì)算機(jī)計(jì)算被檢平板接觸點(diǎn)面積和點(diǎn)數(shù)

(4)該被檢平板接觸點(diǎn)面積及均布狀況檢測結(jié)論

①試樣上接觸點(diǎn)面積占整塊面積的16.13%;②左下角25mm×25mm方框內(nèi)接觸點(diǎn)面積占其面積的21.14%,右上角25mm×25mm方框內(nèi)接觸點(diǎn)面積占其面積的11.47%;

③該試樣兩個(gè)25mm×25mm正方形面積內(nèi)接觸點(diǎn)面積比率之差為9.67%.均布狀況不符合1級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.用原方法對同一試樣檢測獲得的結(jié)果是:①項(xiàng)為16—18%;②項(xiàng)為19—21%與12—14%;③項(xiàng)為5—9 %.在精度等級(jí)的評(píng)定中存在爭議.上述結(jié)果表明,兩種檢測方法所得結(jié)論不一致,且用原方法檢測所得數(shù)據(jù)是一數(shù)值區(qū)間,確定不出準(zhǔn)確值,使評(píng)定檢測結(jié)果產(chǎn)生爭議,且檢測工作量大.在像素檢測法中,采用計(jì)算機(jī)擬合帶來的失真很小,不影響精度等級(jí)的測定.比較兩種檢測方法,像素檢測法具有明顯的_性.