CN108050934B - 一种带倒角工件的视觉垂直定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，是通过视觉成像***的垂直光路图分析工件倒角对成像位置的影响，利用待定位工件的几何模型及其与相机成像中心的相对位置建立工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数，利用标准工件多次标定来计算相机成像中心坐标，得到工件定位坐标与实际坐标的关系函数，最后根据每次定位结果计算出工件的实际坐标，实现倒角工件精准定位的方法。本发明能有效提高带倒角工件垂直成像的视觉定位精度，降低了定位带倒角工件时对视觉***配置的严苛要求，提高了设备通用化、智能化程度，推动制造企业工艺升级。

Description

一种带倒角工件的视觉垂直定位方法

技术领域

本发明涉及机器视觉自动加工领域，特别涉及一种带倒角的工件自动定位方法。

背景技术

在视觉辅助定位加工***中，机器视觉用来准确定位待加工产品的位置。通常将视觉***垂直照射在加工范围内。通过采用张正友标定法，视觉***可精确获取标定平面的对象参数，包括尺寸、坐标等。对于棱角清晰无倒角的工件，将其上表面与标定面重合后，通过识别上表面的形状也可准确获取上表面参数。

实际生产中，绝大部分工件都存在倒角，对于上表面有倒角的工件，使用工件轮廓进行定位时，其在常用视觉***中形成的图像形状随着工件位置的变化而变化，无法准确定位工件的和位置。使用远心镜头可提高精度。但是远心镜头成本高、体积大，有效视场较小，景深短，限制了应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，是通过视觉成像***的垂直光路图分析工件倒角对成像位置的影响，利用待定位工件的几何模型以及其与相机成像中心的相对位置建立工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数，利用标准工件多次标定来计算相机成像中心坐标，得到工件定位坐标与实际坐标的关系函数，最后根据每次定位结果计算出工件的实际坐标，实现倒角工件精准定位的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

所述带倒角工件为长方体，倒角半径为r，长宽高依次为L、W和H，在标定面上的中心坐标为P(x_p,y_p,0)；根据针孔成像模型，所述相机成像中心坐标为针孔相机模型的聚焦中心M(x₀,y₀,z₀)；设定：

在XOZ平面的X方向上，图像中可观察到的工件左端边界中点为P_lx，右端边界中点为P_rx；图像处理时计算的左端和右端定位坐标分别为P_lx’(a,b_l,0)和P_rx’(c,b_r,0)，P_lx’对应的实际边界点坐标为A(x_a,y_a,z_a)，P_rx’对应的实际边界点坐标为B(x_b,y_b,z_b)。

在YOZ平面的Y方向上，图像中可观察到的工件左端边界中点为P_ly，右端边界中点为P_ry；图像处理时计算的左端和右端定位坐标分别为P_ly’(d_l,e,0)和P_ry’(d_r,f,0)，P_ly’对应的实际边界点坐标为C(x_c,y_c,z_c)，P_ry ^’对应的实际边界点坐标为D(x_d,y_d,z_d)。

整个视觉区域被分为3*3个子区域，每个子区域可建立对应的工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的关系函数；

其特征在于：

在视觉区域的中心子区域内执行工件标定，并计算相机成像中心坐标；

在生产过程中，每次执行定位时，首先判断工件中心的坐标区间，选择对应的工件定位坐标与实际坐标的关系函数，再计算工件的实际边界点坐标A、B、C、D，完成带倒角工件的视觉垂直定位。

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：根据工件中心与相机成像中心M(x₀,y₀,z₀)的相对坐标，将整个视觉区域分为3*3个子区域，具体的：

在XOZ平面的X方向上，当x₀-x_p>L/2时，图像中可以观察到工件的完整的右端底边和不完整的左端倒角边，此时A点和B点公式分别为：

当-L/2≤x₀-x_p≤L/2时，图像中可以观察到工件的不完整的左端倒角边和不完整的右端倒角边，此时A点和B点公式分别为：

当x₀-x_p<-L/2时，图像中可以观察到工件的完整的左端底边和不完整的右端倒角边，此时A点和B点公式分别为：

在YOZ平面的Y方向上，当y₀-y_p>W/2时，图像中可以观察到工件的完整的右端底边和不完整的左端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

当-W/2≤y₀-y_p≤W/2时，图像中可以观察到工件的不完整的左端倒角边和不完整的右端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

当y₀-y_p<-W/2时，图像中可以观察到工件的完整的左端底边和不完整的右端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

如此按照x₀-x_p和y₀-y_p的值将视觉区域分割成3*3个子区域。

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：利用标准工件多次标定的过程为，所述工件大致放置在视场中心，且工件与X轴夹角小于±0.2度，图像中可以观察到工件的不完整远端倒角边；

在XOZ平面的X方向上，P_lx’对应的实际边界点坐标A满足式(3)，P_rx’对应的实际边界点坐标B满足式(4)。工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿X方向上移动工件并检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次P_lx’点的坐标分别为(a₁,b_l1,0)、(a₂,b_l2,0)，提取两次P_rx’点的坐标分别为(c₁,b_r1,0)、(c₂,b_r2,0)，根据工件的长度，忽略b_l1-b_r1、b_l2-b_r2的影响，由式(3)和式(4)可得：

同理，在YOZ平面的Y方向上，P_ly’对应的实际边界点坐标C满足式(9)，P_ry’对应的实际边界点坐标D满足式(10)。工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿Y方向上移动工件并再检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次P_ly’点的坐标分别为(d_l1,e₁,0)、(d_l2,e₂,0)，提取两次P_ry’点的坐标分别为(d_r1,f₁,0)、(d_r2,f₂,0)，根据工件的宽度，忽略d_l1-d_r1、d_l2-d_r2的影响，由式(9)和式(10)可得：

由公式(13)和(14)计算得到工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数关系式：

由公式(15)计算出相机成像中心坐标M(x₀,y₀,z₀)的坐标，完成标定。

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：使用Sobel图像处理算法提取边缘中心点；在XOZ平面的X方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为90度，即

在YOZ平面的Y方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为0度，即

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：相机与定位工件的角度满足90±2°，可包容相机的安装角度误差。

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：利用A与B的间距、C与D的间距和L、W相比较，还可计算出定位工件与标准工件的尺寸偏差。

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：当工件为直线倒角时，利用本发明公开的原理得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：当工件模型是圆柱体或类似于长方体、圆柱体时，利用本发明公开的原理得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。

如上所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：当(b_l-b_r)/L的绝对值和(d_l-d_r)/W的绝对值均小于5％时，可有效保证定位精度。

本发明的有益效果是：

1、提高相机的视觉定位精度，特别是对带倒角工件的视觉定位。在实际生产中定位准确，稳定可靠，大幅提高了生产效率。

2、摆脱带倒角工件定位时对远心镜头的依赖，降低了设备成本并扩大了视觉应用范围。

3、通过产品模型和二维成像实现三维工件的定位，提高了设备自动、智能化程度，推动制造企业工艺升级。

附图说明

图1为本发明中的成像***结构图；

图2为本发明中的作业工件标定面图；

图3为相机垂直拍摄视场中心工件结构图；

图4为相机垂直拍摄视场边缘工件结构图；

图5为完整底边成像结构图；

图6为不完整弧边成像结构图；

附图1中标记说明：加工工件1、加工区域2、视觉光源3、工业镜头4、工业相机5、控制器6；

附图2中标记说明：加工工件1、加工区域2、标定平面13；

L：标定面基准线；

L_c1：左端成像光路；

L_c2：右端成像光路；

M：针孔相机模型的聚焦中心点，即相机成像中心；

N：相机成像中心M在标定平面13上的投影点；

P_rx：X方向上工件右端中点；

P_lx：X方向上工件左端中点；

P_rx‘：P_rx在标定平面13上的对应点；

P_lx‘：P_lx在标定平面13上的对应点；

P_ry：Y方向上工件右端中点；

P_ly：Y方向上工件左端中点；

P_ry‘：P_ry在标定平面13上的对应点；

P_ly‘：P_ly在标定平面13上的对应点；

A：x轴方向左端成像时工件的实际边界点坐标；

B：x轴方向右端成像时工件的实际边界点坐标；

C：y轴方向左端成像时工件的实际边界点坐标；

D：y轴方向右端成像时工件的实际边界点坐标。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中，工业镜头4与工业相机5连接，环形视觉光源3安装在工业镜头4的下方，控制器6读取工业相机5采集的图像，工业镜头4、工业相机5、视觉光源3和控制器6组成视觉***。视觉***垂直向下采集图像，视觉***的视场覆盖加工区域2，加工工件1放置在加工区域2中定位加工。

使用现有标定技术—张正友标定法标定工业相机5和工业镜头4，获取工业相机5和工业镜头4的内参数和外参数。此时，标定平面13上的平面对象可准确进行视觉检测和定位。

已知带倒角的长方体待加工工件1，其倒角半径r为1毫米、长L为20毫米、宽W为20毫米、高H为5毫米，在标定面上的中心坐标为P(x_p,y_p,0)。以标定平面13和标定原点为基准，规定相机5的针孔相机模型的聚焦中心点坐标为M(x₀,y₀,z₀)，。下面从X和Y方向上分别分析成像***光路图。

在XOZ平面的X方向上，图像中可观察到的工件左端边界中点为P_lx，右端边界中点为P_rx；图像处理时计算的左端和右端定位坐标分别为P_lx’(a,b_l,0)和P_rx’(c,b_r,0)，P_lx’对应的实际边界点坐标为A(x_a,y_a,z_a)，P_rx’对应的实际边界点坐标为B(x_b,y_b,z_b)。

在YOZ平面的Y方向上，图像中可观察到的工件左端边界中点为P_ly，右端边界中点为P_ry；图像处理时计算的左端和右端定位坐标分别为P_ly’(d_l,e,0)和P_ry’(d_r,f,0)，P_ly’对应的实际边界点坐标为C(x_c,y_c,z_c)，P_ry’对应的实际边界点坐标为D(x_d,y_d,z_d)。

整个视觉区域被分为3*3个子区域，每个子区域可建立对应的工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的关系函数具体如下。

在XOZ平面的X方向上，当x₀-x_p>L/2时，图像中可以观察到工件的完整的右端底边和不完整的左端倒角边，如图4、5、6所示，此时A点和B点公式分别为：

当-L/2≤x₀-x_p≤L/2时，图像中可以观察到工件的不完整的左端倒角边和不完整的右端倒角边，如图3所示，此时A点和B点公式分别为：

当x₀-x_p<-L/2时，图像中可以观察到工件的完整的左端底边和不完整的右端倒角边，此时A点和B点公式分别为：

在YOZ平面的Y方向上，当y₀-y_p>W/2时，图像中可以观察到工件的完整的右端底边和不完整的左端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

当-W/2≤y₀-y_p≤W/2时，图像中可以观察到工件的不完整的左端倒角边和不完整的右端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

当y₀-y_p<-W/2时，图像中可以观察到工件的完整的左端底边和不完整的右端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

如此按照x₀-x_p和y₀-y_p的值将视觉区域分割成3*3个子区域。

将定位工件2大致放置在视场中心，开始视觉标定。此时，在XOZ平面的X方向上，P_lx’对应的实际边界点坐标A满足式(20)，P_rx’对应的实际边界点坐标B满足式(21)。工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿X方向上移动工件并检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次P_lx’点的坐标分别为(a₁,b_l1,0)、(a₂,b_l2,0)，提取两次P_rx’点的坐标分别为(c₁,b_r1,0)、(c₂,b_r2,0)，根据工件的长度，忽略b_l1-b_r1、b_l2-b_r2的值，由式(20)和式(21)可得：

同理，在YOZ平面的Y方向上，P_ly’对应的实际边界点坐标C满足式(26)，P_ry’对应的实际边界点坐标D满足式(27)。工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿Y方向上移动工件并再检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次P_ly’点的坐标分别为(d_l1,e₁,0)、(d_l2,e₂,0)，提取两次P_ry’点的坐标分别为(d_r1,f₁,0)、(d_r2,f₂,0)，根据工件的宽度，忽略d_l1-d_r1、d_l2-d_r2的值，由式(26)和式(27)可得：

由公式(30)和(31)计算得到工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数关系式：

由公式(32)计算出相机成像中心坐标M(x₀,y₀,z₀)的坐标，完成标定。本实施例中，两次P_lx’点的坐标分别为(12,42.916,0)、(15,29.893,0)，两次P_rx’点的坐标分别为(31.833,42.916,0)、(34.833,29.893,0)，两次P_ly’点的坐标分别为(21.916,23,0)、(24.941,20,0)，提取两次P_ry’点的坐标分别为(21.916,42.833,0)、(24.941,39.833,0)，由公式(16)计算出相机成像中心坐标M(21.916,32.916,113.329)的坐标。

当视觉***检测的坐标P_lx’点为(15,29.893,0)、P_rx’点为(34.833,29.893,0)、P_ly’点为(24.941,20,0)、P_ry’点为(24.941,39.833,0)时，通过公式(20)、(21)、(26)、(27)分别计算出A、B、C、D点的坐标分别为(14.941,29.893,0)、(34.941,29.893,0)、(24.941,19.893,0)、(24.941,39.893,0)，即为工件实际直角边界中点投影到标定平面上的坐标。完成带倒角工件的视觉垂直定位。

以上仅为本发明的优选实施例，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 (8)

1.一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，是通过视觉成像***的垂直光路图分析工件倒角对成像位置的影响，利用待定位工件的几何模型及其与相机成像中心的相对位置建立工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数，利用标准工件多次标定来计算相机成像中心坐标，得到工件定位坐标与实际坐标的关系函数，最后根据每次定位结果计算出工件的实际坐标，实现倒角工件精准定位的方法；所述带倒角工件为长方体，倒角半径为r，长宽高依次为L、W和H，在标定面上的中心坐标为P(x_p,y_p,0)；根据针孔成像模型，所述相机成像中心坐标为针孔相机模型的聚焦中心M(x₀,y₀,z₀)；设定：

在XOZ平面的X方向上，图像中可观察到的工件左端边界中点为P_lx，右端边界中点为P_rx；图像处理时计算的左端和右端定位坐标分别为P_lx’(a,b_l,0)和P_rx’(c,b_r,0)，P_lx’对应的实际边界点坐标为A(x_a,y_a,z_a)，P_rx’对应的实际边界点坐标为B(x_b,y_b,z_b)；

在YOZ平面的Y方向上，图像中可观察到的工件左端边界中点为P_ly，右端边界中点为P_ry；图像处理时计算的左端和右端定位坐标分别为P_ly’(d_l,e,0)和P_ry’(d_r,f,0)，P_ly’对应的实际边界点坐标为C(x_c,y_c,z_c)，P_ry’对应的实际边界点坐标为D(x_d,y_d,z_d)；

整个视觉区域被分为3*3个子区域，每个子区域可建立对应的工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的关系函数；其特征在于：

在视觉区域的中心子区域内执行工件标定，并计算相机成像中心坐标；

在生产过程中，每次执行定位时，首先判断工件中心的坐标区间，选择对应的工件定位坐标与实际坐标的关系函数，再计算工件的实际边界点坐标A、B、C、D，完成带倒角工件的视觉垂直定位；根据工件中心与相机成像中心点M(x₀,y₀,z₀)的相对坐标，将整个视觉区域分为3*3个子区域，具体的：

在XOZ平面的X方向上，当x₀-x_p>L/2时，图像中可以观察到工件的完整的右端底边和不完整的左端倒角边，此时A点和B点公式分别为：

当-L/2≤x₀-x_p≤L/2时，图像中可以观察到工件的不完整的左端倒角边和不完整的右端倒角边，此时A点和B点公式分别为：

当x₀-x_p<-L/2时，图像中可以观察到工件的完整的左端底边和不完整的右端倒角边，此时A点和B点公式分别为：

在YOZ平面的Y方向上，当y₀-y_p>W/2时，图像中可以观察到工件的完整的右端底边和不完整的左端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

当-W/2≤y₀-y_p≤W/2时，图像中可以观察到工件的不完整的左端倒角边和不完整的右端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

当y₀-y_p<-W/2时，图像中可以观察到工件的完整的左端底边和不完整的右端倒角边，此时C点和D点公式分别为：

如此按照x₀-x_p和y₀-y_p的值将视觉区域分割成3*3个子区域。

2.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：利用标准工件多次标定的过程为，所述工件大致放置在视场中心，且工件与X轴夹角小于±0.2度，图像中可以观察到工件的不完整远端倒角边；

在XOZ平面的X方向上，P_lx’对应的实际边界点坐标A满足式(3)，P_rx’对应的实际边界点坐标B满足式(4)；工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿X方向上移动工件并检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次P_lx’点的坐标分别为(a₁,b_l1,0)、(a₂,b_l2,0)，提取两次P_rx’点的坐标分别为(c₁,b_r1,0)、(c₂,b_r2,0)，根据工件的长度，忽略b_l1-b_r1、b_l2-b_r2的影响，由式(3)和式(4)可得：

同理，在YOZ平面的Y方向上，P_ly’对应的实际边界点坐标C满足式(9)，P_ry’对应的实际边界点坐标D满足式(10)；工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿Y方向上移动工件并再检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次P_ly’点的坐标分别为(d_l1,e₁,0)、(d_l2,e₂,0)，提取两次P_ry’点的坐标分别为(d_r1,f₁,0)、(d_r2,f₂,0)，根据工件的宽度，忽略d_l1-d_r1、d_l2-d_r2的影响，由式(9)和式(10)可得：

由公式(13)和(14)计算得到工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数关系式：

由公式(15)计算出相机成像中心点坐标M(x₀,y₀,z₀)的坐标，完成标定。

3.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：使用Sobel图像处理算法提取边缘中心点；在XOZ平面的X方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为90度，即

在YOZ平面的Y方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为0度，即

。

4.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：相机与定位工件的角度满足90±2°，可包容相机的安装角度误差。

5.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：利用A与B的间距、C与D的间距和L、W相比较，还可计算出定位工件与标准工件的尺寸偏差。

6.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：当工件为直线倒角时，利用该垂直定位方法得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。

7.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：当工件模型是圆柱体或类似于长方体、圆柱体时，利用该垂直定位方法得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。

8.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉垂直定位方法，其特征在于：当(b_l-b_r)/L的绝对值和(d_l-d_r)/W的绝对值均小于5％时，可有效保证定位精度。

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