物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置和方法
2023-05-07 00:50:21
專利名稱：物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種物體輪廓誤差的測量裝置和方法，這是一種基於自適應條紋投射的測量技術，採用多視角測量及數據融合的非接觸式形貌誤差測量裝置和方法。
背景技術：
在線檢測是檢測技術的重要分支，而無損、高精度、快速完成檢測是檢測技術的目標。實際工業應用特別是生產流水線中，製造過程帶來的產品形狀缺陷是難以避免的，雖然這些缺陷通常比較微小，但對質量監控具有十分重要的作用，所以實現快速、準確地缺陷檢測也是一項不可或缺的重要內容。現有三維測量的主流技術及設備主要是針對工業產品的實際數據實現離線高精度檢測，比如可以採用接觸式三坐標測量機、非接觸式光學測量設備如雷射掃描儀或數字光柵測量系統等。其中非接觸式測量具有精度高、全場式、自動化程度高等特點。但若每次都必須通過採集被測產品的實際數據，然後將其與設計數據進行比較獲得兩者之間的誤差，以判斷產品是否合格，這一過程必將增加檢測時間，導致檢測效率降低，成本增加。針對這一問題的解決，自適應條紋投影測量技術就彰顯出了獨特的優越性。該技術兼具了數字條紋投射技術全場性、高精度以及易於在計算機控制下實現自動測量等優點，同時對微小變形量具有高度的敏感性，非常適用於工業流水線產品質量控制。不足之處是目前這種方法主要是根據實際樣本數據來生成自適應條紋，這勢必將樣本本身的加工誤差帶入到後續缺陷檢測中。本發明以被測物體的設計數據為依據生成自適應條紋，避免了待測產品的加工誤差，為獲取高精度的輪廓誤差數據提供了保證。採用多套自適應條紋投射系統同時對被測產品各視角進行單獨測量，最後將數據融合，可以快速獲取被測產品輪廓誤差，滿足在線快速檢測要求。目前基於理想設計數據生成自適應條紋來進行被測物體360°輪廓誤差檢測的方法未見相關文獻報導。
發明內容
本發明目的在於針對現有在線檢測方法不足，結合條紋投射測量技術的優點，提供一種有效可行的物體奶0°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置和方法，具有滿足在線檢測快速、高精度特點。同時，本發明測量裝置具有較好的重複性和穩定性。為達到上述目的，本發明的構思是一種物體奶0°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，由四個子系統和計算機連接組成。並採用以下步驟來完成物體奶滬輪廓誤差測量(1) 將被測物體的CAD數據映射到投影儀和攝像機像平面；(2)採用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋；(3)各子系統採集條紋圖像並計算條紋位相；(4)子系統獲取三維輪廓誤差；通過全局標定，確定各子系統位置轉換關係；(5)將各子系統測量數據統一於同一坐標系並融合成物體360°輪廓誤差信息。 所述的四個子測量系統均布在被測物體四周， 各子系統測量視角有0° ^20°重疊。每個子測量系統包含數字光柵條紋投射系統、圖像採集系統、並通過計算機(1)控制，如圖3所示。數字光柵條紋投射系統由自適應條紋根據被測物體形狀採用權利要求3所述的方法實時繪製，通過數字投影裝置DLP (4)將其投射到待測物面，光柵節距和條紋頻率能夠任意改變，以適應被測物體的形狀。圖像採集系統由 CXD (含光學鏡頭)(3)、圖像採集卡(2)，採集到的圖像以二進位數據文件形式存儲於計算機(1)。根據發明構思，本發明採用如下技術方案
一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，由四個子測量系統和一臺計算機組成。其特徵在於所述的子測量系統均布在被測物體四周，相鄰子測量系統測量視角有20° 局部重疊，每個子測量系統包含數字光柵條紋投射系統和圖像採集系統，用於測量物體的局部輪廓誤差。所述的計算機用於控制各子測量系統完成輪廓誤差測量操作，並與各測量子系統連接。上述的數字光柵條紋投射系統是通過計算機實時繪製自適應條紋，採用數字投影裝置DLP將其投射到待測物面，光柵節距和條紋頻率能夠任意改變，以適應被測物體的形狀。上述的圖像採集系統由CXD攝像機(含光學鏡頭)和圖像採集卡組成，與計算機連接，圖像採集卡安裝在計算機上，採集到的圖像以二進位數據文件形式存儲於計算機。 一種物體360 °輪廓誤差的自適應條紋測量方法，應用上述的裝置進行輪廓誤差測量，其特徵在於測量步驟如下
(1)將被測物體的CAD數據映射到投影裝置DLP和CXD攝像機像平面；
(2)採用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋；
(3)各子測量系統採集條紋圖像並計算條紋位相；
(4)子測量系統獲取三維輪廓誤差；
(5)通過全局標定，確定各子測量系統位置轉換關係；
(6)將各測量子系統測量數據統一於同一坐標系並融合成物體360°輪廓誤差信息。上述步驟(1)中將被測物體的CAD數據映射到投影裝置DLP和CXD攝像機像平面的方法是根據公式
=R,PW+Tp 和/ =RcmPw + Tc，
(其中和U分別為世界坐標系與投影儀和CXD坐標系關係矩陣，Pf , Pc為投影
儀和攝像機映射點的二維坐標)，將物體CAD數據點Pfr(^j)分別映射到投影裝置DLP和 CCD攝像機像平面，得到二維點散亂分布在像平面上。上述步驟(2)中採用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋的方法是將散亂映射點剖分成一個三角形，定義期望在CCD攝像機上觀測的條紋位相，根據各三角形頂點的位相採用分片三角插值方法計算獲取投影裝置DLP整數像素點的位相，進而獲得所須投影的自適應條紋。上述步驟(3)中子測量系統由投影裝置DLP依次投射N幅自適應條紋圖像到被測物體表面，過CCD攝像機採集，其中採集到的第η幅條紋圖可表示為4 ￠, J) = 4 (ι M + ./) C0S[#, J) + O8]], ls(l,J)表示條紋圖上圖像點(ij)的灰度值， 4表示偏移量；^表示調製度，表示物體表面任意點對應的自適應條紋位相， ax=2miP ( ρ為條紋節距)表示條紋圖像相移量。利用公式
權利要求
1.一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，由四個子測量系統(1，2，3，4)，一臺計算機(9)組成，其特徵在於所述子系統(1，2，3，4)均布在被測物體(5)四周，相鄰子測量系統測量視角有0° ^20°局部重疊，每個子測量系統包含數字光柵條紋投射系統和圖像採集系統，用於測量物體的局部輪廓誤差；所述的計算機(9)與各子系統(1，2，3，4)連接，用於控制各子系統(1，2，3，4)完成輪廓誤差測量操作。
2.根據權利要求1所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，其特徵在於所述的數字光柵條紋投射系統是由計算機(9)實時繪製自適應條紋，通過一個數字投影裝置 DLP (7)將其投射到被測物體(5)表面，光柵節距和條紋頻率能夠任意改變，以適應的被測物體(5)的形狀。
3.根據權利要求1所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，其特徵在於所述圖像採集系統是由一個CCD攝像機(含光學鏡頭)(6)連接一個圖像採集卡(8)組成，所述圖像採集卡(8)安裝在計算機(9)上並與計算機(9)連接，採集到的圖像以二進位數據文件形式存儲於計算機(9)。
4.一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，應用根據權利要求1所述的裝置進行輪廓誤差測量，其特徵在於測量步驟如下1)將被測物體(5)的CAD數據映射到投影裝置DLP(7)和攝像機(6)像平面；2)採用散亂點插值法生成被測物體(5)的自適應條紋；3)各子測量系統(1，2，3，4)採集條紋圖像並計算條紋位相；4)子測量系統(1，2，3，4)獲取三維輪廓誤差；5)通過全局標定，確定各子測量系統(1，2，3，4)位置轉換關係；6)將各子測量系統(1，2，3，4)測量數據統一於同一坐標系並融合成物體360°輪廓誤差fe息。
5.根據權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特徵在於所述步驟1)中將被測物體(5 )的CAD數據映射到投影裝置DLP (7 )和CXD攝像機(6 )像平面的方法是根據公式p =R *PW+T 和 pc =RcmPw + Tc ,其中和民,2；分別為世界坐標系與投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(6)坐標系關係矩陣，Pp ,盡為投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(6)映射點的二維坐標，將被測物體(5)的CAD數據點分別映射到投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(6)像素坐標系，得到二維點散亂分布在像平面上。
6.根據權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特徵在於所述步驟2)中採用散亂點插值法生成被測物體(5)的自適應條紋的方法是將散亂映射點剖分成一個三角形，定義期望在CCD攝像機(6)上觀測的條紋位相，根據各三角形頂點的位相採用分片三角插值方法計算獲取投影裝置DLP (7)整數像素點的位相，進而獲得所須投影的自適應條紋。
7.根據權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特徵在於所述步驟3)中子測量系統(1，2，3，4)由投影裝置DLP (7)依次投射N幅自適應條紋圖像到被測物體(5)表面，過CCD攝像機(6)米集，其中米集到的第η幅條紋圖可表示為衝』cos_』+ A])，!JU)表示條紋圖上圖像點(U)的灰度值，^o表示偏移量；y表示調製度，表示物體表面任意點對應的自適應條紋位相，a=2mi!p ( ρ為條紋節距)表示條紋圖像相移量；利用公式
8.根據權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特徵在於所述步驟4)中子測量系統(1，2，3，4)獲取三維輪廓誤差是利用位相-三維坐標映射公式Δ Φ( , J) =j)]χ = X{Z,i,j) = S1(Jj)Z-+ S0.F == ^( ,βζ +b0獲取的,其中 辦坤，J)為(U)為圖像點的函數，與條紋投射測量系統中投影裝置DLP和CXD攝像機之間的空間位置有關係。
9.根據權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特徵在於所述步驟5)中全局標定採用同一塊標定板，各子測量系統視角重疊，根據標定板平面的法向量，計算相鄰子測量系統中的CCD攝像機(6)間的旋轉矩陣R和平移矩陣T，確定一個子測量系統的CXD攝像機(6)坐標係為主坐標系，利用這個主坐標係為中介，將剩餘的子測量系統坐標系全部統一到主坐標系下。
10.根據權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特徵在於所述步驟6)將各子測量系統測量數據統一於同一坐標系並融合成物體360°輪廓誤差信息方法是通過選取相鄰子測量系統(1，2，3，4)重疊區域的測量結果，利用重疊區域的點來尋找相應的匹配點，採用最近點迭代方法消除重疊區域匹配點的位置誤差方法來獲得。
全文摘要
本發明涉及一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置和方法。本裝置由四個子測量系統和一臺計算機組成，子測量系統均布在被測物體四周，相鄰子測量系統視角有0°~20°局部重疊；每個子測量系統包含數字光柵條紋透射系統和圖像採集系統。本測量方法的步驟是(1)將被測物體的CAD數據映射到投影裝置DLP和CCD攝像機像平面；(2)採用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋；(3)各子測量系統採集條紋圖像並計算條紋位相；(4)子測量系統獲取三維輪廓誤差；(5)通過全局標定，確定各子測量系統位置轉換關係；(6)將各子測量系統測量數據統一於同一坐標系並融合成物體360°輪廓誤差信息。本發明具有滿足在線檢測快速、高精度特點，具有良好的重複性和穩定性。
文檔編號G01B11/25GK102288131SQ201110121918
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月12日 優先權日2011年5月12日
發明者於瀛潔, 周文靜, 彭軍政, 郭路 申請人:上海大學