基于坐标值的微小孔几何精度评定方法与流程

本发明涉及一种微小孔几何精度评定方法，特别涉及一种基于坐标值的微小孔几何精度评定方法。

背景技术：

文献“基于图像处理的微小孔光学特征识别技术研究，工具技术，2010，vol44p102-105”公开了一种基于图像处理的微小孔几何精度评定方法。该方法通过中值滤波、灰度阈值变化等图像处理技术，提取了微小孔的边缘，利用最小二乘法直接拟合、新圆度判定算法和锥度检测用来计算微小孔几何结构特征。文献所述方法是对ccd相机拍摄得到图像进行数字处理，从而提取微小孔孔周轮廓，进行几何特征检测的方法。从ccd图像中提取孔周轮廓点坐标，需要中值滤波、阈值变化等复杂的算法才能实现，此外ccd相机拍摄到图片准确性直接影响到图像预处理算法的复杂程度，因此利用图像处理方法对图像质量和图片处理算法要求较高，算法的实现也相对比较复杂。

技术实现要素：

为了克服现有微小孔几何精度评定方法复杂的不足，本发明提供一种基于坐标值的微小孔几何精度评定方法。该方法基于表面轮廓仪扫描得到微孔上/下平面三维坐标i(x,y,z)，根据z向坐标值剔除孔壁轮廓噪声点，提取微孔上/下二维平面点、根据x向坐标差提取孔周轮廓点，进而利用最小二乘法，最小区域圆法、锥度计算公式计算微小孔直径、圆度、锥度等几何特征。本发明直接利用微小孔三维坐标进行检测，测量结果准确，算法程序简单，可以减小图像处理方法的算法复杂度，提高微小孔几何精度测量效率与精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于坐标值的微小孔几何精度评定方法，其特点是包括以下步骤：

(a)扫描获取微小孔上/下平面三维点坐标。

利用表面轮廓仪扫描获得微小孔上/下平面三维坐标i(x,y,z)，将平面上点的三维坐标i(x,y,z)依次导出，存入矩阵坐标矩阵m3×u中，其中u为坐标点个数。

式中，x1，x2，…，xu顺序按照微小孔平面扫描顺序从左到右，从上到下排列。

(b)剔除孔壁轮廓噪声点，降为二维平面坐标。

利用扫描点z坐标值剔除孔壁轮廓噪点，求取平面点三维坐标i(x,y,z)中z坐标的均值

以z坐标的均值为基准，上下取一邻域δ，以三维坐标i(x,y,z)中z坐标对三维平面点进行筛选，剔除三维平面点坐标i(x,y,z)中z坐标在区间外的空间点:

提取剩余点三维坐标值中x，y方向坐标，存入坐标矩阵n2×v，将上/下平面三维坐标降为二维平面坐标，其中v为剔除孔壁轮廓点后，剩余坐标点个数。

(c)提取孔周轮廓点。

根据相邻点x向坐标差xi+1-xi为判据提取孔周轮廓点，按照步骤(a)所述坐标矩阵x1，x2，…，xu顺序按照微小孔平面扫描顺序从左到右，从上到下排列，因此，若相邻点坐标差值xi+1-xi小于扫描精度β，则说明点(xi,yi)为孔外平面上的点，则剔除点(xi,yi)，若相邻点坐标差值大于扫描精度β，说明两点为孔周轮廓点，则保留点(xi,yi)及点(xi+1,yi+1)：

通过对所有二维平面坐标即坐标矩阵n2×v中所有元素进行判别，提取得到孔周轮廓点n2×w，其中w为孔周轮廓点个数。

(d)微小孔直径计算。

在获得微小孔孔周轮廓点坐标后，利用最小二乘法对微小孔直径进行拟合计算。设o(x0，y0)和d为最小二乘法拟合圆的圆心和直径，根据最小二乘原理，建立如下约束问题：

利用matlab工具框对该约束问题进行求解，得到微小孔出/入口最小二乘直径d。

(e)微小孔圆度计算。

利用最小区域原则评定微小孔圆度误差：用两同心圆包容所有孔周轮廓点，两同心圆之间半径差最小值定义为最小区域圆度误差。其中两个同心圆中一个为轮廓点的最大内接圆maxφ内接圆，一个为轮廓点的最小外切圆minφ外切圆，则圆度误差表示为：

minf(r)＝min{maxr内接圆-minr外切圆}(6)

根据最小区域圆度误差定义，在matlab中编程实现，获得微小孔的圆度误差。

(f)微小孔锥度计算。

圆孔锥度定义为气膜孔入口、气膜孔出口的直径差与气膜孔深度之比值，即：

其中，tanγ为微孔锥度，d入，d出分别表示气膜孔入口，气膜孔出口的直径，h为气膜孔深度。

本发明的有益效果是：该方法基于表面轮廓仪扫描得到微孔上/下平面三维坐标i(x,y,z)，根据z向坐标值剔除孔壁轮廓噪声点，提取微孔上/下二维平面点、根据x向坐标差提取孔周轮廓点，进而利用最小二乘法，最小区域圆法、锥度计算公式计算微小孔直径、圆度、锥度等几何特征。本发明直接利用微小孔三维坐标进行检测，测量结果准确，算法程序简单，减小了图像处理方法的算法复杂度，提高了微小孔几何精度测量效率与精度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于坐标值的微小孔几何精度评定方法的流程图。

图2是图1中剔除孔壁轮廓噪声点的算法流程图。

图3是图1中提取孔周轮廓点的算法流程图。

图4是本发明方法实施例中某小孔几何精度评定实例图。

具体实施方式

参照图1-4。本发明基于坐标值的微小孔几何精度评定方法具体步骤如下：

以超快激光加工圆柱形气膜孔几何精度的评定为对象，基于表面轮廓仪测量微小孔上/下平面三维坐标；剔除孔壁轮廓噪声点，降为二维平面坐标；提取孔周轮廓点坐；利用最小二乘法，最小区域法及锥度公式计算微小孔直径、圆度及锥度。

(a)扫描获取微小孔上/下平面三维点坐标。

利用自动变焦三维表面轮廓仪infinitefocusg4，扫描获取气膜孔出口平面三维几何轮廓(如图4(a)所示)，并提取气膜孔出口平面三维坐标值，将三维轮廓点坐标i(x,y,z)导出，共24850个坐标点存入坐标矩阵m24850×3中：

(b)剔除孔壁轮廓噪声点，降为二维平面坐标。

超快激光加工气膜孔过程中，因为熔融金属材料会在出入口内壁处堆积形成残渣，因此采用表面轮廓仪扫描时会扫描到孔壁内部残渣，扫描得到孔壁噪声点会增大气膜孔几何精度评定误差。

利用扫描点z坐标值剔除孔壁轮廓噪点，求取平面点三维坐标i(x,y,z)中z坐标的均值

在上下各取有一领域半径δ＝5μm，以三维坐标i(x,y,z)中z坐标对三维平面点进行筛选，剔除三维平面点坐标i(x,y,z)中z坐标在区间[46241.4，46251.4]外的点，保留区间内的点：

在对孔壁轮廓噪声点剔除后微孔平面(如图4(b)所示)，剩余24310个坐标点，即坐标矩阵变换为m24310×3，提取m24310×3中前两列坐标值，存入坐标矩阵n24310×2，将气膜孔出口平面三维坐标降为二维平面坐标。

(c)提取孔周轮廓点。

以两相邻点x向坐标差xi+1-xi为判据，对孔周轮廓点坐标进行提取。根据所选摄像头，扫描获得平面上相邻点间距为3.5μm，因此设定扫描精度β略大于3.5μm，本实施方式中设β＝6μm。若相邻点x坐标差值xi+1-xi小于β，则说明点(xi,yi)为孔外平面上点，则删除点(xi,yi)；若相邻坐标差值大于6μm，则说明两点为孔周轮廓点，则保留(xi,yi)及(xi+1,yi+1)点：

通过对坐标矩阵n24310×2中所有点进行判别，计算完后所得矩阵为n190×2，即说明提取孔周轮廓点有190个(如图4(c)所示)。

(d)微小孔直径计算。

在获得微小孔孔周轮廓点坐标n190×2后，利用最小二乘法对气膜孔出口直径进行拟合。设o(x0,y0)和d为最小二乘法拟合圆的圆心和直径，根据最小二乘原理，建立如下约束问题：

利用matlab工具框寻求公式(5)中目标函数f(x0,y0,d)最小值，即可求得气膜孔出口的最小二乘直径d＝333.9μm(如图4(d)所示)。

(e)微小孔圆度计算。

根据最小区域法圆度误差定义：

minf(r)＝min{maxr内接圆-minr外切圆}(6)

在matlab中进行编程实现，计算得到气膜孔孔周轮廓点最大外接圆半径maxr内接圆＝176.8μm，最小外切圆半径minr外切圆＝154.8μm(如图4(e)所示)。则气膜孔出口圆度误差为：

r＝maxr内接圆-minr外切圆＝176.8-154.8＝22.0μm

(f)微小孔锥度计算。

根据最小二乘法计算气膜孔出口直径d出＝333.9μm，同理，可得到气膜孔入口直径d入＝560.7μm，本实施例中孔深度h为2000μm(如图4(f)所示)。则该气膜孔锥度为：