軸類零件直線度在線非接觸測量方法
2023-12-09 20:17:36
軸類零件直線度在線非接觸測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種軸類零件直線度在線非接觸測量方法，屬於圖像測量【技術領域】。本發明能夠實時測量軸類零件的直線度。首先，建立軸類零件直線度測量的結構光視覺測量模型，使光條方向近似平行於軸線方向；其次，採用平面標定方法標定CCD攝像機的內參、畸變係數及結構光平面參數；再次，對一個已知直徑的標定軸，通過標定模型，對結構光光平面與軸表面的交線上的點進行空間點反求，利用這些空間點擬合出標定軸線；最後，利用求得的空間點及軸線方程即可求解得到被測軸的直線度。本發明採取了機器視覺測量技術，實現了在線非接觸測量，保證較高的測量速度和較好的測量精度。對於長度小於200mm的軸類零件，其測量精度小於等於±0.015mm。
【專利說明】軸類零件直線度在線非接觸測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像測量【技術領域】，特別涉及一種軸類零件直線度在線非接觸測量方法。
【背景技術】
[0002]機械、汽車、電機等行業中大量使用各種軸類零件，其中包括汽車的傳動軸、齒輪軸、工具機的主軸、紡織機的羅拉軸、麻花鑽、拉刀、鑽杆等。然而這些零件在加工、製造過程中或熱處理後不可避免地會出現各種不同程度的彎曲變形，據統計我國年產軸的總量約為10億件，需要經過校直後才能使用的約佔70%。軸類零件在機械加工或熱處理過程中發生的彎曲變形若不能得到有效地校直，在後續的精加工過程中將會帶來各種各樣的影響，會直接影響產品的質量，甚至直接影響廢品率的上升速度。因此，為了降低廢品率、提高成品率、節約加工和原材料的成本以及保證工件能夠達到最終設計公差的要求，熱處理後校直是軸類零件加工過程中保證產品質量的重要工序。
[0003]古老的校直方法就是憑藉工人的經驗，對需要校直的工件進行手工敲擊，這種方法不僅效率低、校直精度低，而且勞動成本高。隨著科技的進步，自動校直機代替了手工校直。自動校直機主要包括工件的直線度檢測裝置、壓縮校正裝置、自動上下料裝置、控制裝置等部分。其中直線度檢測裝置是軸類自動校直機中的關鍵部分。其測量效率和準確度直接影響校直工藝的效率和品質。
[0004]目前，直線度的主要測量方法按照測量裝置是否與被測零件相接處，通常分為接觸測量和非接觸測量。接觸測量方法包括:誤差分離法、光隙法、測微儀法和三坐標法等方法，這些測量方法的工作強度大、效率低、很難實現在線測量。非接觸測量方法主要是指基於光學原理的測量方法，包括雷射準直儀法、機器視覺測量法、結構光測量法等方法。與傳統的接觸式測量方法相比，在生產過程中可實現在線測量，可以實時地將零件的信息反饋到控制系統，具有非接觸、全視場測量和自動化程度高的特點。
[0005]計算機視覺測量技術利用物體的圖像作為檢測的載體，目前，機器視覺測量方法的測量對象大多限於二維尺寸，被測尺寸所在的物體表面就是成像平面，可以利用機器視覺中的邊緣檢測實現測量，或者用邊緣檢測和攝像機標定相結合完成高精度測量。然而，軸類零件是三維實體，測量尺寸所在的物體表面不再是成像平面，對於二維尺寸的測量方法就不再適用。並且，由於被測零件的基準尺寸往往在幾十到上百毫米，遠大於攝像機鏡頭的尺寸，此時，機器視覺測量方法就不再適用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種軸類零件直線度在線非接觸測量方法，克服了現有的檢測方法存在的不足，實現在線檢測，同時保證較低的成本、較高的檢測效率和較好的測量精度。基於結構光視覺成像模型，建立軸類零件直線度的測量模型，結合光條中心線檢測技術、角點檢測技術和攝像機標定技術等實現軸類零件的直線度的測量，是一種更有效的軸類零件直線度在線非接觸測量方法是採用結構光測量方法，考慮零件的成像幾何關係，並綜合應用攝像機標定，結構光光條中心線檢測、角點檢測等方法實現測量。利用CCD攝像機檢測雷射器照射到軸類零件上的光點位置變化，按照系統的標定模型計算軸類零件的直線度。在標定過程中，本方法考慮了光條圖像的畸變，可有效的提高標定精度。測量過程中，雷射器平行於軸線方向照射，被測軸僅需旋轉幾次就可得到足夠數據點來計算直線度，更有利於實際應用。
[0007]本發明的軸類零件直線度在線非接觸測量方法，通過建立基於機器視覺技術的線結構光測量系統成像模型，結合攝像機標定技術、圖像特徵提取技術等方法實現軸類零件的直線度在線測量，其包括以下步驟:
(1)標定CCD攝像機的內部參數及畸變係數；
(2)建立光平面與攝像機像平面之間的關係；
(3)求取標定軸的軸線方程；
(4)測量被測軸的直線度。
[0008]上述步驟(I)中所述的標定C⑶攝像機的內部參數及畸變係數，是基於張正友提出的攝像機平面標定算法，利用高精度標定板的不同姿態的圖像，標定出攝像機內部參數，以修正鏡頭畸變對圖像造成的失真變形，提高尺寸測量精度，具體過程包括下列步驟:
(1.1)把CCD攝像機和雷射投射器固定在支架上，保持位置不變；關閉雷射投射器，利用CCD攝像機採集9幅不同位姿的標定板圖像；
(1.2)使用攝像機標定工具箱檢測出標定板圖像中角點的亞像素坐標；
(1.3)基於張正友提出的攝像機平面標定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標和世界坐標求解攝像機內參、畸變係數和外參的初值；
(1.4)利用所有不同位姿的標定板圖像中提取到的角點的像素坐標和世界坐標，對攝像機內部參數矩陣和畸變係數進行優化求精，採用Levenberg-Marquardt(L-M)法優化求解。
[0009]上述步驟(2)中所述的建立光平面與攝像機像平面之間的關係，具體過程包括以下步驟:
(2.1)將平面標定板和一張黑色列印紙並排平放且固定在同一平面上，構成一新標定板；打開雷射投射器，使結構光光線照射到黑色列印紙上，用CCD攝像機採集新標定板在不同位姿下的5幅圖像；
(2.2)基於張正友的平面標定法，利用新標定板每個位姿下的角點坐標，即像素坐標和世界坐標，計算新標定板所在平面的外參，建立該位姿下平面上被測點的世界坐標與其像素坐標的對應關係；
(2.3)通過光條中心線檢測的方法得到光條中心點的亞像素坐標，利用步驟(2.2)建立的關係，計算得到其對應的靶標平面上的目標點在攝像機坐標系下的坐標；
(2.4)使用步驟(2.3)方法計算得到的5幅圖像中的光條中心點對應的目標點在攝像機坐標系下的坐標，利用最小二乘法擬合結構光平面的平面方程；
(2.5)將光平面與目標點的圖像坐標結合在一起，建立光平面與攝像機像平面之間的關係。
[0010]上述步驟(3)中所述的求取標定軸的軸線方程，具體過程包括以下步驟: (3.1)保持CCD攝像機和雷射器的位置不變，將一已知直徑尺寸的軸類零件安裝好，將此作為標定軸，安裝位置要與被測軸一致，用CCD攝像機採集標定軸的圖像；
(3.2)打開雷射投射器，使結構光光線以接近平行軸線方向照射到標定軸上，用CCD攝像機採集標定軸上的雷射光條圖像；
(3.3)使標定軸繞軸線每60度旋轉一次，通過步驟(3.2)的方法採集該位置圖像；
(3.4)將採集到的6幅圖像進行處理，提取光條中心線上點的亞像素坐標，計算該坐標對應點在相機坐標系下的坐標；
(3.5)將步驟(3.4)求得的坐標進行坐標變換，得實際分布在軸上的被測點在攝像機坐標系下的坐標；
(3.6)在攝像機坐標系下，利用最小二乘法求解標定軸的圓柱面方程及軸線方程。
[0011]上述步驟(4)中所述的測量被測軸的直線度，具體過程包括以下步驟:
(4.1)保持CXD攝像機和雷射器的位置不變，將被測軸安裝好，安裝位置要與標定軸一
致；
(4.2)打開雷射投射器，使結構光光線以接近平行軸線方向照射到標定軸上，用CCD攝像機採集標定軸上的光條圖像；
(4.3)使標定軸繞軸線每60度旋轉一次，通過步驟(4.2)的方法採集該位置圖像；
(4.4)將採集到的6幅圖像進行處理，提取光條中心線的亞像素坐標，計算該坐標對應的光線在攝像機坐標系下的方程；
(4.5)將步驟(4.4)求得的坐標進行坐標變換，得實際分布在軸上的被測點在攝像機坐標系下的坐標；
(4.6)在攝像機坐標系下，利用被測軸上的點及標定軸的軸線方程求解被測軸的直線度。
[0012]本發明的有益效果在於:
1、基於經典的平面標定法，標定過程中，有效地修正了圖像中光條中心線的畸變失真。
[0013]2、通過標定結構光平面參數，建立了光平面與攝像機像平面之間的位置關係。
[0014]3、結構光光線以平行軸線方向照射到被測軸上，能夠快速獲取足夠的測量點，提高了測量速度。
[0015]4、採用此方法測量時，只需要保證CXD攝像機和雷射器的相對位置關係不變即可，更利於實際應用。
[0016]本發明採取了結構光視覺測量技術，因此能實現在線非接觸測量，保證較高的測量精度和測量速度，對於長度小於200mm的軸類零件，其測量精度小於等於±0.015mm。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。
[0018]圖1為本發明的CXD攝像機標定示意圖；
圖2為本發明的線結構光平面標定示意圖；
圖3為本發明的軸類零件結構光視覺檢測示意圖；
圖4為本發明的攝像機內參標定時所用的標定板圖像；圖5為本發明的軸類零件直線度測量系統模型圖；
圖6為本發明的新標定板不意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0020]參見圖1，本發明的軸類零件直線度在線非接觸測量方法，基於結構光視覺成像系統，建立軸類直線度的測量模型，結合線結構光的光條中心線檢測技術、角點檢測技術和攝像機標定技術等實現被測軸直線度的測量，其包括以下步驟:
`1.標定CCD攝像機的內參及畸變係數。基於張正友提出的攝像機平面標定算法，利用高精度標定板的不同位姿的圖像的角點坐標，標定出攝像機內部參數和鏡頭的畸變係數，具體過程包括下列步驟:
` 1.1利用CXD攝像機7採集9幅標定板2在不同位姿下的圖像。如圖1所示，採集圖像時，標定板2置於背光源I和CXD攝像機7上的鏡頭6之間，CXD攝像機7與計算機8相連；採集得到的9幅標定板圖像如圖4所示；
` 1.2使用攝像機標定工具箱檢測出標定板圖像中角點的亞像素坐標；
` 1.3基於張正友提出的攝像機平面標定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標和世界坐標求解攝像機內參、畸變係數和外參的初值；
` 1.4利用所有不同位姿的標定板圖像中提取到的角點的像素坐標和世界坐標，對攝像機內部參數矩陣和畸變係數進行優化求精，建立如下優化目標函數:
【權利要求】
1.一種軸類零件直線度在線非接觸測量方法，其特徵在於:通過建立基於機器視覺技術的線結構光測量系統成像模型，結合攝像機標定技術、圖像特徵提取技術實現軸類零件的直線度在線測量，其包括以下步驟: (1)標定CCD攝像機的內部參數及畸變係數； (2)建立光平面與攝像機像平面之間的關係； (3)求取標定軸的軸線方程； (4)測量被測軸的直線度。
2.根據權利要求1所述的軸類零件直線度在線非接觸測量方法，其特徵在於:步驟(I)中所述的標定CCD攝像機的內部參數及畸變係數，是基於攝像機平面標定算法，利用高精度標定板的不同姿態的圖像，標定出攝像機內部參數，以修正鏡頭畸變對圖像造成的失真變形，提高測量精度，具體過程包括下列步驟: (1.1)把CCD攝像機和雷射投射器固定在支架上，保持位置不變；關閉雷射投射器，利用CCD攝像機採集9幅不同位姿的標定板圖像； (1.2)使用攝像機標定工具箱檢測出標定板圖像中角點的亞像素坐標； (1.3)基於攝像機平面標定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標和世界坐標求解攝像機內參、畸變係數和外參的初值； (1.4)利用所有不同位姿的標定板圖像中提取到的角點的像素坐標和世界坐標，對攝像機內部參數矩陣和畸變係數進行優化求精，採用Levenberg-Marquardt(L-M)法優化求解。.
3.根據權利要求1所述的軸類零件直線度在線非接觸測量方法，其特徵在於:步驟(2)中所述的建立光平面與攝像機像平面之間的關係，具體過程包括以下步驟: (2.1)將平面標定板和一張黑色列印紙並排平放且固定在同一平面上，構成一新標定板；打開雷射投射器，使結構光光線照射到黑色列印紙上，用CCD攝像機採集新標定板在不同位姿下的5幅圖像； (2.2)基於平面標定法，利用新標定板每個位姿下的角點坐標，即像素坐標和世界坐標，計算新標定板所在平面的外參，建立該位姿下平面上被測點的世界坐標與其像素坐標的對應關係； (2.3)通過光條中心線檢測的方法得到光條中心點的亞像素坐標，利用步驟(2.2)建立的關係，計算得到其對應的靶標平面上的目標點在攝像機坐標系下的坐標； (2.4)使用步驟(2.3)方法計算得到的5幅圖像中的光條中心點對應的目標點在攝像機坐標系下的坐標，利用最小二乘法擬合結構光平面的平面方程； (2.5)將光平面與目標點的圖像坐標結合在一起，建立光平面與攝像機像平面之間的關係。
4.根據權利要求1所述的軸類零件直線度在線非接觸測量方法，其特徵在於:步驟(3)中所述的求取標定軸的軸線方程，具體過程包括以下步驟: (3.1)保持CCD攝像機和雷射器的位置不變，將一已知直徑尺寸的軸類零件安裝好，將此作為標定軸，安裝位置要與被測軸一致，用CCD攝像機採集標定軸的圖像； (3.2)打開雷射投射器，使結構光光線以接近平行軸線方向照射到標定軸上，用CCD攝像機採集標定軸上的雷射光條圖像；(3.3)使標定軸繞軸線每60度旋轉一次，通過步驟(3.2)的方法採集該位置圖像； (3.4)將採集到的6幅圖像進行處理，提取光條中心線上點的亞像素坐標，計算該坐標對應點在相機坐標系下的坐標； (3.5)將步驟(3.4)求得的坐標進行坐標變換，得實際分布在軸上的被測點在攝像機坐標系下的坐標； (3.6)在攝像機坐標系下，利用最小二乘法求解標定軸的圓柱面方程及軸線方程。
5.根據權利要求1所述的軸類零件直線度在線非接觸測量方法，其特徵在於:步驟(4)中所述的測量被測軸的直線度，具體過程包括以下步驟: (4.1)保持CXD攝像機和雷射器的位置不變，將被測軸安裝好，安裝位置要與標定軸一致； (4.2)打開雷射投射器，使結構光光線以接近平行軸線方向照射到標定軸上，用CCD攝像機採集標定軸上的光條圖像；(4.3)使標定軸繞軸線每60度旋轉一次，通過步驟(4.2)的方法採集該位置圖像； (4.4)將採集到的6幅圖像進行處理，提取光條中心線的亞像素坐標，計算該坐標對應的光線在攝像機坐標系下的方程； (4.5)將步驟(4.4)求得的坐標進行坐標變換，得實際分布在軸上的被測點在攝像機坐標系下的坐標； (4.6)在攝像機坐標系下，利用被測軸上的點及標定軸的軸線方程求解被測軸的直線度。
【文檔編號】G01B11/27GK103471531SQ201310447721
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】譚慶昌, 周曉東, 李冠楠, 王聰慧, 寇瑩 申請人:吉林大學