CN106705847B - 一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法及装置，所述一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法包括以下步骤：缝隙图像采集步骤：分段采集待测自由曲面产品的缝隙图像；缝隙图像处理步骤：对采集到的每段缝隙图像进行处理以得到缝隙截面轮廓，定位每段缝隙轮廓的边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点；配准拼接步骤：将处理后的每一段缝隙轮廓进行配准拼接；分段拟合步骤：对配准拼接后的缝隙轮廓的特征点进行分段拟合，以得到具有缝隙最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线的整体缝隙轮廓；缝隙几何尺寸获取步骤：根据拟合的曲线获取缝隙的深度、长度以及宽度。

Description

一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种产品测量技术领域，特别涉及一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法及装置。

背景技术

在航空航天、高铁、船舶、汽车等先进制造领域，自由曲面产品被广泛地使用。自由曲面产品内或不同产品在装配环节中往往出现缝隙，缝隙的几何尺寸是否满足设计要求将直接影响到最终产品的使用质量与使用寿命，因此针对于自由曲面产品间的缝隙几何尺寸高精度测量十分地关键。传统的自由曲面几何量检测往往采用接触式的三坐标测量机，这可以达到很高的测量精度，但测量效率较低，特别是受到被测对象的材质影响。现如今，基于视觉测量方法正被广泛地重视，特别是基于主动式光源的测量方式由于能够主动发出光束至缝隙内部，这大大降低碰撞与干涉现象发生，并且能够兼并测量效率和测量精度，同时满足金属、塑料、橡胶、陶瓷、合成、软质等等不同材质产品检测需求。

自由曲面产品内缝隙轮廓具有非规则形状特征，使得缝隙几何尺寸的自动测量难度较大。研究自由曲面内缝隙几何尺寸的自动测量***以及装置，来提高检测正确率、降低检测成本、减少专业技术人员的使用已成为未来的趋势，软操作、互动、洁净化、可移植性的远程操作模式将使得自由曲面内缝隙的在线检测更加安全可靠，这将更好地满足自由曲面产品的快速、自动、高精度检测的要求。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种易操作、自动化程度高、测量速度快速、测量精度高的自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术问题是：提供一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法，包括以下步骤：

缝隙图像采集步骤：分段采集待测自由曲面产品的缝隙图像；

缝隙图像处理步骤：对采集到的每段缝隙图像进行处理以得到缝隙截面轮廓，定位每段缝隙轮廓的边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点；

配准拼接步骤：将处理后的每一段缝隙轮廓进行配准拼接；

分段拟合步骤：对配准拼接后的缝隙轮廓的特征点进行分段拟合，以得到具有缝隙最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线的整体缝隙轮廓；

缝隙几何尺寸获取步骤：根据拟合的曲线获取缝隙的几何尺寸。

进一步的，在所述缝隙图像采集步骤中，根据待测量自由曲面产品的缝隙位置及长度，由首至尾的依次分段采集缝隙图像，从而逐步自动采集获取完整的缝隙轮廓图像。

进一步的，在图像采集步骤中，通过“3+1”自由度的图像采集装置逐步采集待测量自由曲面产品的缝隙图像，并将采集到的缝隙图像发送至上位机，从而使上位机依次获取到待测量自由曲面产品的每一段缝隙图像。

进一步的,在图像采集装置逐步采集待测量自由曲面产品的缝隙图像的过程中，上位机基于软件环境，在线建立局部虚拟测量基准，以已获取的缝隙轮廓几何尺寸以及当前图像采集装置的位姿来约束图像采集装置的下一处的空间位姿，保持缝隙轮廓处于有效视场范围内，逐步实现对整个缝隙轮廓的自动采集。

进一步的，在图像处理步骤中，所述上位机对获取到的每段缝隙图像点云数据进行预处理，所述预处理包括平滑去噪，剔除异常点，边缘分割，以得到缝隙截面轮廓；再根据建立的局部虚拟测量基准对每段缝隙边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点进行识别定位。

进一步的，在分段拟合步骤中，上位机首先将局部坐标系下的各段缝隙轮廓点云数据转换为统一全局坐标系内，并在全局坐标系内对拼接完整的缝隙轮廓点云数据进行表面重构、简化、平滑、特征点定位，再进行分段曲线拟合，描述出缝隙的最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线。

进一步的，在缝隙几何尺寸获取步骤中，需在全局虚拟环境下细划缝隙的三维图形并计算相对应的缝隙特征间的几何尺寸。

进一步的，所述缝隙图像采集步骤包括以下子步骤：

S11、初始采集位姿获取子步骤：根据待测量自由曲面产品的缝隙位置获取该缝隙的初始采集位姿；

S13、初始采集装置位姿调整子步骤：根据获取的初始采集位姿调整采集装置的初始位姿；

S15、当前段缝隙图像采集子步骤：采集该段的缝隙图像；

S17、下段缝隙采集位置对应的采集装置位姿调整子步骤：根据当前段和当前段的上一段缝隙图像信息、对应的图像采集装置的位姿约束下一段待采集的缝隙图像位置对应的图像采集装置的位姿，并据此调整图像采集装置的位姿。

进一步的，在图像采集步骤之前，还包括以下步骤：

将待测量自由曲面产品放置在一安装台上；

将图像采集装置固定在一位于所述安装台一侧的移动单元上，其中，移动单元包括与待测量缝隙的宽度方向相应的X向底座、立设于X向底座上能够根据一第一电机的驱动在X向移动的与所述待测量缝隙的高度方向相应的Z向轴杆、水平设于所述Z向轴杆上且能够根据一第二电机的驱动在Z向移动的与所述待测量缝隙的长度方向相应的Y向轴杆以及用于驱动Y向轴杆在Y向进行移动的第三电机，所述图像采集单元设于所述Y向轴杆上相应于所述安装部的一端，该图像采集装置能够根据一第四电机的驱动沿待测量缝隙的长度方向转动，所述第一电机、第二电机、第三电机及第四电机均与所述上位机信号连接；所述上位机控制移动单元工作，从而能够使图像采集装置“3+1”自由度移动，以调整图像采集装置的位姿，使其在采集缝隙图像时，其采集方向与待测量缝隙的待采集截面近似垂直。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术问题是：提供一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量装置，包括：

缝隙图像采集装置：用于分段采集待测自由曲面产品的缝隙图像；

缝隙图像处理模块：用于对采集到的每段缝隙图像进行处理以得到缝隙截面轮廓，定位每段缝隙轮廓的边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点；

配准拼接模块：用于将处理后的每一段缝隙轮廓进行配准拼接；

分段拟合模块：用于对配准拼接后的缝隙轮廓的特征点进行分段拟合，以得到具有缝隙最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线的整体缝隙轮廓；

缝隙几何尺寸获取模块：用于根据拟合的曲线获取缝隙的几何尺寸。

1、采用上述测量方法及装置，能够自动、快速、高精度对金属、塑料、橡胶、陶瓷、合成、软质等等不同材料的自由曲面内缝隙的三维几何尺寸测量，大大减少专业技术人员的需求。

2、基于***软件平台，在线构造三维虚拟测量环境，用于分析描述自由曲面内缝隙的关键特征和几何尺寸；与人-机交互界面组合，易于图像采集装置位于不同待测位置的时序控制，形成一个稳定、安全、可视化、易操作的测量***。

3、检测结果清楚直观，缝隙轮廓可三维显示，并达到如下性能指标：

缝隙长度范围5～400mm时测量精度25μm，缝隙宽度范围3～50mm时测量精度20μm，缝隙深度范围0～20mm时测量精度15μm、测量分辨率3μm。

4、测量平台搭建科学，简单稳定，易于维护，使用方便灵活；定位准确，检测精度高，重复性好，使用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法第一实施例的流程图。

图2是图像采集装置与待测量自由曲面产品的位置关系示意图。

图3是本发明全局坐标系下缝隙轮廓表达示意图。

图4是本发明自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法第二实施例的流程图

图5是本发明第三实施例中图像采集步骤的流程图。

图6是本发明第四实施例中下一段位姿控制流程图。

图7是图像采集装置的位姿与被测缝隙间的对应空间几何关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1是本发明自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法第一实施例的流程图。本实施例的自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法包括以下步骤：

S1、缝隙图像采集步骤：分段采集待测自由曲面产品的缝隙图像；

本步骤中，在所述缝隙图像采集步骤中，根据待测量自由曲面产品的缝隙位置及长度，由首至尾的逐段采集缝隙图像；从而逐步自动采集获取完整的缝隙轮廓图像。

本图像采集步骤中，通过图像采集装置以及上位机来实现图像采集，通过“3+1”自由度的图像采集装置逐段采集待测量自由曲面产品的缝隙图像，并将采集到的缝隙图像发送至上位机，从而使上位机依次获取到待测量自由曲面产品的每一段缝隙图像。具体地：

上位机控制图像采集装置的每一段采集位姿以及触发图像采集装置进行缝隙图像采集。根据缝隙的长度及位置，将图像采集装置移动至初始位置进行由首至尾的逐段采集。具体可以在上位机中输入起点位置，上位机控制图像采集装置移动至被测缝隙的起点，点击连续触发按钮启动激光器发射激光，手动或自动控制使线光束近似(例如85～95度)或垂直垂直照射到待测缝隙内部；根据图像采集装置当前采集的缝隙轮廓自动调整图像采集装置的姿态；当前段采集完成后，上位机根据图像采集装置的当前姿态以及根据当前段图像和前一段图像数据来控制图像采集装置向前匀速移动，周期间隔触发激光器发射激光，同时图像采集装置等周期的拍照采样传送至上位机。

所述图像采集装置包括线激光器及相机，所述线激光器发射线激光条束垂直照射到缝隙内部；所述相机与激光器形成固定角度安置，以保证相机视场能够覆盖光束区域，相机镜头的中心线正对着线激光光束的中心。

本发明的图像采集装置的位姿是上位机自动控制的，在图像采集装置逐段采集待测量自由曲面产品的缝隙图像的过程中，上位机基于软件环境，在线建立局部虚拟测量基准(即局部虚拟坐标)，以已获取的缝隙轮廓几何尺寸以及当前图像采集装置的位姿来约束扫描仪的下一处的空间位姿，保持缝隙轮廓处于有效视场范围内，逐步实现对整个缝隙轮廓的自动采集。局部虚拟坐标可以如下建立：

在获取到第一段缝隙图像时，上位机建立当前段局部虚拟三维坐标系，根据局部虚拟三维坐标系定位该段的缝隙轮廓边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点等边缘特征点；在后续的每获取一段缝隙轮廓时，更新一次局部虚拟三维坐标系，直至最后一段缝隙采集完毕。由局部虚拟坐标系可得知当前段的位姿以及边缘特征点。

图2，图2是图像采集装置与待测量自由曲面产品的位置关系示意图。在图像采集之前，先将待测量自由曲面产品固定在一安装台上；然后将图像采集装置固定在一位于所述安装台一侧的移动单元上，最后，调控线激光扫描仪的位姿使其线激光垂直照射到待测缝隙内部，并且保证缝隙内部轮廓处于其有效视场范围内(用户可以先进行手动初调初始位姿，然后再通过上位机控制移动单元工作来微调图像采集装置的位置；也可以全程采集上位机控制图像采集装置的初始采集位置)。其中，移动单元包括与待测量缝隙的宽度方向相应的X向底座、立设于X向底座上能够根据一第一电机的驱动在X向移动的与所述待测量缝隙的高度方向相应的Z向轴杆、水平设于所述Z向轴杆上且能够根据一第二电机的驱动在Z向移动的与所述待测量缝隙的长度方向相应的Y向轴杆以及用于驱动Y向轴杆在Y向进行移动的第三电机，所述图像采集单元设于所述Y向轴杆上相应于所述安装部的一端，该图像采集装置能够根据一第四电机的驱动沿待测量缝隙的长度方向转动，所述第一电机、第二电机、第三电机及第四电机均与所述上位机信号连接；所述上位机控制移动单元工作，从而能够使图像采集装置“3+1”自由度移动，以调整图像采集装置的位姿，使其在采集缝隙图像时，其采集方向与待测量缝隙的待采集面垂直。

S2、缝隙图像处理步骤：对采集到的每段缝隙图像进行处理以得到每段缝隙轮廓，定位每段缝隙轮廓的边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点；

本步骤中，所述上位机对获取到的每段缝隙图像点云数据进行预处理，所述预处理包括平滑去噪，剔除异常点，边缘分割，以得到每段缝隙轮廓；再根据建立的局部虚拟测量基准对每段缝隙边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点进行定位。

每次采集获取的缝隙点云数据a_i,j(i＝1,2...M₁；j＝1,2,...M₂)，M₁为采集次数，M₂为扫描光束的采样点数，首先经过数据滤波、平滑、分割、边缘特征提取定位缝隙的边缘点和最高点最低点以及重要拐点集合k_i，如图7所示。

局部虚拟测量基准即上述局部虚拟三维坐标系，其建立方法如上，此处不再赘述。

S3、配准拼接步骤：在全部采集完成后，在全局坐标系下将每一段缝隙轮廓进行配准拼接；

在每一次的图像处理完成后，将图像采集装置坐标与姿态数据转换到全局坐标系内；

在全局坐标系内实现对边缘曲线、最低点曲线的分段拟合与拼接。

S4、分段拟合步骤：对配准拼接后的缝隙轮廓的特征点进行分段拟合，以得到具有缝隙最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线的整体缝隙轮廓；本步骤中，在全局虚拟环境(全局坐标系)下，细划缝隙的三维图形、计算相对应的缝隙特征间的宽度、深度及长度等几何尺寸。

上位机将局部坐标系转换到全局坐标系下，并在全局坐标系内对拼接完整的缝隙轮廓点云数据进行表面重构、简化、平滑、特征点定位，再进行分段曲线拟合，描述出缝隙的最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线。

请参见图3，所述全局坐标系基于虚拟软件环境建立，在虚拟软件环境中首先注册图像采集装置的初始采集位姿为全局坐标系零点；再次建立包含注册初始基准点的X、Y平面，其中X与Y轴相互正交；最后建立垂直于X、Y平面的Z轴；每个基准面的长度受到边缘点和相对最大距离约束，宽度是由相邻采样光束的采样间隔以及采样区域约束。虚拟参考基准可使得图像采集装置更加柔性灵活地适应自由曲面的形状变化。全局坐标系的建立与图像采集装置相互对应，在使用前必须对全局坐标系进行校准。在全局坐标系内完成每段缝隙轮廓的配准拼接、缝隙几何参数分析。所述缝隙几何尺寸几何量描述包括相对高度差、宽度差、角度，用户自行对获取的缝隙三维图形进行标定而软件***自动生成。

局部三维坐标系建立时，图像采集装置在全局坐标系OXYZ相对应的初始姿态与初始位置已知；利用坐标转换方法，将局部坐标系的轮廓数据转换到全局坐标系内。

S5、缝隙几何尺寸获取步骤：根据拟合的曲线获取缝隙的几何尺寸。

在全局坐标系下对缝隙几何尺寸进行比对与评价，比较关键特征间的深度、宽度、长度、角度等几何特征关系。在全局虚拟环境下，细划缝隙的三维图形、计算相对的宽度、深度及长度等几何尺寸特征关系。

在全局坐标系内对局部点云数据进行坐标转换，再拼接融合成3D缝隙轮廓图形，在全局坐标系内，利用最小二乘法将边缘点和最高点最低点以及重要拐点集合k_i分段拟合。利用空间投影方法分别描述各分段曲线内边缘点之间、边缘点与最低点之间的空间几何关系，得出相对的高度差h_i、位移差l_ij；描述各分段曲线之间的角度关系η_i；标注出缝隙的各关键点的几何关系网，计算缝隙最大长度L_max、最大深度H_max、最大宽度W_max。

本发明实施方式，采用上述测量方法，能够实现对不同材质的自由曲面内缝隙几何尺寸自动、快速、高质量的轮廓采样，减少测量过程中的人为干涉影响。在线构造三维虚拟测量环境，用于分析描述自由曲面内缝隙的几何尺寸，并与人-机交互界面组合，便于传感器位于不同待测位置的时序控制，形成一个稳定、安全、可视化、易操作的测量***。检测结果清楚直观，缝隙轮廓可三维显示，并达到如下性能指标：缝隙长度范围5～400mm时测量精度25μm，缝隙宽度范围3～50mm时测量精度20μm，缝隙深度范围0～20mm时测量精度15μm、测量分辨率3μm。测量平台搭建科学，简单稳定，易于维护，使用方便灵活；定位准确，检测精度高，重复性好，使用范围广。

请参见图4，图4是本发明自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法第二实施例的流程图。本实施例包括以下步骤：

S1a、缝隙图像采集步骤；

S2a、缝隙图像处理步骤；

S3a、缺失区域识别标注步骤：扫描当前段图像点云数据是否有缺失区域，若有，标识该缺失区域后进入S4a步骤，若没有，直接进入S4a步骤；

S4a、配准拼接步骤；

S5a、缺失区域段重新采集处理步骤：将具有缺失区域的段图像重新进行S1a、S2a、S4a的处理，以获取更全面的图像点云数据，提高尺寸测量的精确性；

S6a、分段拟合步骤；

S7a、缝隙几何尺寸获取步骤。

本发明实施方式，与第一实施例相比，对于缺失区域的某段或某些段图像进行重新采集和图像处理，得到新的没有缺失区域的图像数据，从而在后续的图像尺寸获取步骤中，能够计算到更精确的图像尺寸。

请参见图5，图5是本发明自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法第三实施例中图像采集步骤的流程图。该图像采集步骤可以应用于上述第一实施例和/或第二实施例的尺寸测量方法中。本实施例的图像采集步骤包括以下子步骤：

S11、初始采集位姿获取子步骤：根据待测量自由曲面产品的缝隙位置获取该缝隙的初始采集位姿；

S12、终点采集位置获取子步骤：根据待测量曲面产品的缝隙位置及长度获取该缝隙的最后一次采集位置；

S13、初始采集装置位姿调整子步骤：根据获取的初始采集位姿调整采集装置的初始位姿；

本步骤包括以下子步骤：

S131、将图像采集装置移动至初始采集位置处(即p₀(x₀,y₀,z₀))并调整该图像采集装置的初始采集向量

在一些具体实施方式中，可以手动将图像采集装置移动至初始采集位置处再调整初始采集向量在本实施方式中，初始采集向量为手动调整，用户可以先调整初始采集方向后，再控制图像采集装置使其移动至初始采集位置，也可以先通过上位机控制图像采集装置移动至初始采集位置后，再手动粗调初始采集向量

S132、缝隙图像试采集；

当图像采集装置移动至初始采集位置并粗调初始采集方向后，上位机控制图像采集装置开始缝隙图像采集。

S133、根据试采集的缝隙图像得到缝隙轮廓；

如图6所示，当所述图像采集装置试采集到图像信息后，将采集的图像发送至上位机，上位机对采集到的缝隙图像进行处理得到缝隙图像轮廓，进而得到当前段缝隙图像轮廓的最高点最低点重要拐点集合k_i、以及缝隙宽度方向的两边缘点(即左边缘点右边缘点)；

S134、根据所述缝隙轮廓计算轮廓点云数据的法向向量

S135、判断所述法向向量与图像采集装置的初始采集方向向量的夹角的绝对值是否大于或等于第一阈值，若大于或等于所述第一阈值，则进入S136步骤，若小于所述第一阈值，则将当前试采集的图像视为首段采集，转入下一段待采集缝隙的采集位置调整步骤；

S136、若大于或等于所述第一阈值，则根据大于或等于的角度调整所述图像采集装置的位姿(即C向和Y向调整，具体调整方式可见下文中S173和S174步骤)，以使其采集光束方向垂直地射入待测量自由曲面产品的缝隙内，进入当前段图像采集步骤，以重新进行缝隙图像的首段采集。

上述S132步骤至S135步骤主要用于对图像采集装置的位姿进行微调，以弥补手动粗调精度不准的缺陷，还用户当处理得到用户粗调精度达到标准后，直接将试采集试为首段采集，避免首段采集重复，简化采集步骤、采集复杂度。可以理解的，在其他的实施例中，所述初始采集向量也可以全程采集上位机控制自动调整，直至初始采集向量与采集得到的法向向量的夹角满足第一阈值(即满足采集方向与缝隙所在的面相垂直或近似垂直)。

S15、当前段缝隙图像采集子步骤：采集该段的缝隙图像；

S17、下段缝隙采集位置对应的采集装置位姿调整子步骤：判断下一段采集位置是否超出终点采集位置；若超出终点采集位置则结束；若未超出，则根据当前段和当前段的上一段缝隙图像信息、对应的的图像采集装置的位姿约束下一段待采集的缝隙图像位置对应的图像采集装置的位姿，并据此调整图像采集装置的位姿。

请参见图6及图7，本步骤包括以下子步骤：

S171、根据当前段缝隙图像的缝隙轮廓的拐点集合k_ij计算得到当前缝隙轮廓的点云数据的法向向量

S172、判断所述法向向量与上一段采集的缝隙图像对应的缝隙轮廓的点云数据的法向向量的夹角Δθ_i的绝对值是否大于或等于预设的第一阈值；若大于或等于预设的第一阈值，则进入S173步骤，若小于预设的第一阈值Δθ，则转入S176步骤；

S173、控制所述图像采集装置沿缝隙的长度方向(以下称C向)转动Δθ_i度；该步骤包括以下子步骤：

S173a、判断所述夹角Δθ_i是否大于或等于正的第一阈值+Δθ，若是，则进入S173b步骤，若否，则转入S173c步骤；

S173b、控制图像采集装置C向顺时针转动角度Δθ_i，转入S174a步骤；

S173c、所述夹角Δθ_i小于或等于负的第一阈值-Δθ；

S173d、控制图像采集装置C向逆时针转动角度Δθ_i,转入S174b步骤；

S174、根据转动角度Δθ_i计算图像采集装置沿缝隙长度方向Y的相应位移ΔY位置，使图像采集装置回位，从而使图像采集装置的采集方向近似垂直于缝隙内，即y_i＝y_i，y_i为图像采集装置在缝隙长度方向Y坐标，即Y方向坐标；然后再触发图像采集装置再次采集当前段图像，即再次进入当前段图像采集的步骤，以保证当前段图像的采集是在正确的位姿下采集后，覆盖原点云数据，使得a_i,j＝a_i,j后，进入S175步骤；

所述S174步骤包括以下子步骤：

S174a、控制所述图像采集装置沿缝隙长度方向正方向匀速移动ΔY位置，以使图像采集装置回位，即y_i＝y_i，转入S174c步骤；

S174b、控制所述图像采集装置沿缝隙长度方向反方向移动ΔY位置，以使图像采集装置回位；

S174c、触发图像采集装置再次采集当前轮廓，覆盖原点云数据，即使得a_i,j＝a_i,j，a_i,j表示当前段的图像缝隙的点云数据。

S175、判断图像采集装置的下一段采集位置y_i+1＝y_i+t_y是否超出终点y_final，即y_i+1＝y_i+t_y≤y_final，所述t_y为采样间隔；若超出终点，则结束采集，若未超出终点，则进入S176步骤；

S176、则图像采集装置沿缝隙的长度方向正方向匀速移动采样间隔t_y，使得y_i+1＝y_i+t_y；

S177、判断待采集的下一段缝隙在缝隙的宽度方向(X方向)和高度方向(Z方向)是否位于图像采集装置的规定的视场采集范围内，该规定的视场采集范围处于图像采集装置的有效采集视场范围内(见图7)；若未位于所述图像采集装置的规定采集视场的范围内，则进入S178步骤，若位于所述图像采集装置的规定采集视场的范围内，则转入S15步骤，以进行下一段缝隙的当前图像采集；

本实施例中，可以通过以下步骤调整图像采集装置在X方向位姿，以使得其在宽度方向位于有效采集视场范围内：

S1771、判断其中,x_i表示当前段缝隙对应的图像采集装置在缝隙的宽度方向X的坐标，即X方向坐标，x_i+1表示图像采集装置下一段采集时的X方向坐标，为当前段缝隙图像的缝隙轮廓的边缘中点，为上一段缝隙图像的缝隙轮廓的边缘中点，F_w图像采集装置的视场宽度(见图7)；若大于或等于，则进入S1772步骤；若小于，则转入S1773步骤；

S1772、下一段图像采集装置的宽度方向X的坐标为

S1773、判断若小于或等于，则进入S1774步骤，若大于，则视为下一段图像采集装置的宽度方向X的视场位于规定采集视场内；

S1774、下一段图像采集装置的宽度方向X的坐标为则

本实施例中，可以通过以下步骤调整图像采集装置在Z方向位姿，以使得其在高度方向位于规定采集视场范围内：

S1771’、判断其中，为当前段缝隙图像的缝隙轮廓的最低点，为上一段缝隙图像的缝隙轮廓的最低点，F_h为图像采集装置的视场高度(见图6)，z_i表示当前段缝隙对应的图像采集装置在高度方向Z的坐标，即Z方向坐标,z_i+1表示图像采集装置下一段采集时Z方向坐标，若大于或等于，则进入S1772’步骤，若小于，则转入S1773’；

S1772’、下一段图像采集装置的Z坐标为

S1773’、判断若小于或等于，则进入S1774’步骤，否则，视为下一段图像采集装置的高度方向Z的视场位于规定采集视场内；

S1774’、下一段图像采集装置的高度方向Z的坐标则为

S178、调整图像采集装置的X方向坐标和/或Z方向坐标，使其采集视场位于规定采集视场范围内，当X方向坐标和Z方向坐标均位于规定采集视场范围内后，然后再触发图像采集装置采集新位置的缝隙图像，即再次转入当前段图像采集步骤，以采集新位置的缝隙图像。

上述X方向和Z方向坐标的调整流程并无先后顺序，在一些实施例中，可以先调整Z方向坐标后再调整X方向坐标，也可以先调整X方向坐标后再调整Z方向坐标。

在一些实施例中，所述S12步骤只要在S17步骤之前即可。

采用上述方法进行测量，可以连续自动对自由曲面内缝间隙轮廓进行高质量的采样，通过对轮廓点云数据的预处理、拼接、分段拟合，可以描绘出缝隙的立体图形，通过虚拟环境下对缝隙内关键特征点的定位及几何关系的表达，可以计算出缝隙的几何尺寸。仅需一键操作即可实现对自由曲面内缝隙几何尺寸的测量，自动化程度高、测量速度快，不存在人为误差影响，提高测量精度。

本发明还公开了一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量装置，包括：

缝隙图像采集装置：用于分段采集待测自由曲面产品的缝隙图像；

缝隙图像处理模块：用于对采集到的每段缝隙图像进行处理以得到缝隙截面轮廓，定位每段缝隙轮廓的边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点；

配准拼接模块：用于将处理后的每一段缝隙轮廓进行配准拼接；

分段拟合模块：用于对配准拼接后的缝隙轮廓的特征点进行分段拟合，以得到具有缝隙最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线的整体缝隙轮廓；

缝隙几何尺寸获取模块：用于根据拟合的曲线获取缝隙的深度、长度以及宽度。

本发明的缝隙几何尺寸测量装置的功能参见上述方法描述，此处不再一一赘述。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法，包括以下步骤：

缝隙图像采集步骤：分段采集待测自由曲面产品的缝隙图像；

缝隙图像处理步骤：对采集到的每段缝隙图像进行处理以得到缝隙截面轮廓，定位每段缝隙轮廓的边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点；

配准拼接步骤：将处理后的每一段缝隙轮廓进行配准拼接；

分段拟合步骤：对配准拼接后的缝隙轮廓的特征点进行分段拟合，以得到具有缝隙最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线的整体缝隙轮廓；

缝隙几何尺寸获取步骤：根据拟合的曲线获取缝隙的几何尺寸；

在所述缝隙图像采集步骤中，根据待测量自由曲面产品的缝隙位置及长度，由首至尾的依次分段采集缝隙图像，从而逐步自动采集获取完整的缝隙轮廓图像；

在图像采集步骤中，通过“3+1”自由度的图像采集装置逐步采集待测量自由曲面产品的缝隙图像，并将采集到的缝隙图像发送至上位机，从而使上位机依次获取到待测量自由曲面产品的每一段缝隙图像；

所述缝隙图像采集步骤包括以下子步骤：

S11、初始采集位姿获取子步骤：根据待测量自由曲面产品的缝隙位置获取该缝隙的初始采集位姿；

S13、初始采集装置位姿调整子步骤：根据获取的初始采集位姿调整采集装置的初始位姿；

S15、当前段缝隙图像采集子步骤：采集该段的缝隙图像；

S17、下段缝隙采集位置对应的采集装置位姿调整子步骤：根据当前段和当前段的上一段缝隙图像信息、对应的图像采集装置的位姿约束下一段待采集的缝隙图像位置对应的图像采集装置的位姿，并据此调整图像采集装置的位姿；

步骤S13包括以下子步骤：

S131、将图像采集装置移动至初始采集位置处，即p₀(x₀,y₀,z₀)，并调整该图像采集装置的初始采集向量

S132、缝隙图像试采集；

S133、根据试采集的缝隙图像得到缝隙轮廓；

S134、根据所述缝隙轮廓计算轮廓点云数据的法向向量

S135、判断所述法向向量与图像采集装置的初始采集方向向量的夹角的绝对值是否大于或等于第一阈值，若大于或等于所述第一阈值，则进入S136步骤，若小于所述第一阈值，则将当前试采集的图像视为首段采集，转入下一段待采集缝隙的采集位置调整步骤；

S136、若大于或等于所述第一阈值，则根据大于或等于的角度调整所述图像采集装置的位姿，即C向和Y向调整，以使其采集光束方向垂直地射入待测量自由曲面产品的缝隙内，进入当前段图像采集步骤，以重新进行缝隙图像的首段采集。

2.如权利要求1所述的自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法，其特征在于：

在图像采集装置逐步采集待测量自由曲面产品的缝隙图像的过程中，上位机基于软件环境，在线建立局部虚拟测量基准，以已获取的缝隙轮廓几何尺寸以及当前图像采集装置的位姿来约束图像采集装置的下一处的空间位姿，保持缝隙轮廓处于有效视场范围内，逐步实现对整个缝隙轮廓的自动采集。

3.如权利要求2所述的自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法，其特征在于：

在图像处理步骤中，所述上位机对获取到的每段缝隙图像点云数据进行预处理，所述预处理包括平滑去噪，剔除异常点，边缘分割，以得到缝隙截面轮廓；再根据建立的局部虚拟测量基准对每段缝隙边缘特征点、缝隙内部拐点、最高点以及最低点进行识别定位。

4.如权利要求3所述的自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法，其特征在于，在分段拟合步骤中，上位机首先将局部坐标系下的各段缝隙轮廓点云数据转换为统一全局坐标系内，并在全局坐标系内对拼接完整的缝隙轮廓点云数据进行表面重构、简化、平滑、特征点定位，再进行分段曲线拟合，描述出缝隙的最低点曲线、边缘曲线、最高点曲线。

5.如权利要求4所述的自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法，其特征在于：

在缝隙几何尺寸获取步骤中，需在全局虚拟环境下细划缝隙的三维图形并计算相对应的缝隙特征间的几何尺寸。

6.如权利要求1所述的自由曲面内缝隙几何尺寸测量方法，其特征在于，在图像采集步骤之前，还包括以下步骤：

将待测量自由曲面产品放置在一安装台上；

将图像采集装置固定在一位于所述安装台一侧的移动单元上，其中，移动单元包括与待测量缝隙的宽度方向相应的X向底座、立设于X向底座上能够根据一第一电机的驱动在X向移动的与所述待测量缝隙的高度方向相应的Z向轴杆、水平设于所述Z向轴杆上且能够根据一第二电机的驱动在Z向移动的与所述待测量缝隙的长度方向相应的Y向轴杆以及用于驱动Y向轴杆在Y向进行移动的第三电机，所述图像采集单元设于所述Y向轴杆上相应于所述安装部的一端，该图像采集装置能够根据一第四电机的驱动沿待测量缝隙的长度方向转动，所述第一电机、第二电机、第三电机及第四电机均与所述上位机信号连接；所述上位机控制移动单元工作，从而能够使图像采集装置“3+1”自由度移动，以调整图像采集装置的位姿，使其在采集缝隙图像时，其采集方向与待测量缝隙的待采集截面近似垂直。