CN109520436A - 一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，包括硬件部分，所述硬件部分包括检测装置，所述检测装置包括底座，所述底座的上部一侧通过拐角连接件对称固定安装有两个立杆，两个所述立杆之间靠近其上端固定安装有横杆，在进行现场测量时，只需要将蝶形弹簧放置在待测区域，检测多个蝶形弹簧时可以随时更换，实现自动化判断与检测，操作方便，简单，检测效率高；本发明还公开了一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法，包括三个步骤，采用的机器视觉的测量方法，通过非接触的测量方式，减少了蝶形弹簧人工测量过程中的损坏，尤其是规格较小的蝶形弹簧。

Description

一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测 量方法

技术领域

本发明涉及光学三维尺寸检测技术领域，更具体地说，它涉及一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法。

背景技术

零件尺寸检测具有高重复性、高智能性，受到零件加工的随机误差影响，零件尺寸检测必须加入人工的判断，但是人工检测工作量大，速度慢，容易疲劳、稳定性差、成本高,并且对于复杂、微小、大批量生产零件，人工检测工作量大、难度高。

蝶形弹簧是一种广泛应用于航空航天、机械设备工业等领域的机械零件，由于蝶形弹簧具有碗碟形状，尺寸测量具有一定难度。现有的检测技术是用通规、止规、塞规来测量，每个蝶形弹簧需要测量6 次才能测量出全部尺寸并判断其是否合格，工作量大，速度慢，肉眼容易疲劳，并且人工检测过程中容易损坏零件。

现有的基于机器视觉的零件尺寸检测没有应用于蝶形弹簧的尺寸检测，现有的基于机器视觉的零件检测只能获得二维尺寸，只是将三维尺寸转为二维平面进行测量，工业相机的安装和检测装置都相对复杂。所检测的零件具有较为规则的形状，无法适用于蝶形弹簧的三维测量。

因小尺寸、大批量生产的蝶形弹簧检测精度、效率要求高，自动化、高精度、非接触、高效率的尺寸测量和评价体系具有重要意义，为此，提出一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，包括硬件部分，所述硬件部分包括检测装置，所述检测装置包括底座，所述底座的上部一侧通过拐角连接件对称固定安装有两个立杆，两个所述立杆之间靠近其上端固定安装有横杆，且两个所述立杆的中部通过连接座分别固定安装有相机CL和相机CR，所述横杆的中部底部通过配装座固定安装有相机CT，所述相机CL和所述相机CR上均安装有普通光学镜头，所述相机CT上安装有远心光学镜头，所述底座的底部安装有背光光源，且所述底座的上部位于所述背光光源的上方安装有毛玻璃，所述毛玻璃的上部中心位置处放置有待测量的蝶形弹簧，且所述毛玻璃的上部位于所述蝶形弹簧的外周设有若干标记点。

进一步的，所述标记点为普通外黑内圆圆形标记点。

进一步的，还包括软件部分，所述软件部分包括CT、CL、CR相机显示窗口和CT、CL、CR相机标定界面以及测量尺寸的显示窗口、蝶形弹簧尺寸标准设定窗口、蝶形弹簧尺寸是否合格窗口；

所述的CT、CL、CR相机显示窗口用于实时显示相机采集的图像；

所述的CT、CL、CR相机标定界面用于进行相机的标定，为蝶形弹簧尺寸检测做准备；

所述的测量尺寸显示窗口用于实时显示测量结果；

所述的蝶形弹簧尺寸标准设定窗口用于交互式输入标准尺寸及允许误差；

所述的蝶形弹簧是否合格窗口用于显示被检测的蝶形弹簧尺寸是否合格。

进一步的，所述的测量结果包括：蝶形弹簧内径、外径、高度的值，内径、外径、高度的检测误差，内径、外径、高度是否与标准尺寸及公差要求符合，若没有检测到蝶形弹簧，检测结果均为0。

本发明还提出一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量方法，包括以下步骤：

第一步、判断每一帧图像灰度信息与上一帧图像是否在阈值范围内进入检测程序；

第二步、利用远心镜头进行蝶形弹簧内外径尺寸检测，通过实时的图像处理获取蝶形弹簧的待检测的轮廓信息；

第三步、利用自动测量***进行蝶形弹簧三维尺寸测量，区分标记点和蝶形弹簧，将标记点重投影到世界坐标系进行平面拟合，蝶形弹簧上椭圆中心重投影到世界坐标，计算上椭圆中心到拟合平面的距离计算高度。

综上所述，本发明主要具有以下有益效果：

1、本发明，实现蝶形弹簧内径、外径、高度三维尺寸的自动检测，减少了使用传统的塞规测量方式的工作量，提高了检测效率和精度，保证了内外径的绝对误差在0.02-0.1mm，高度绝对误差在 0.02mm；

2、本发明，检测装置是基于机器视觉的光学测量仪器，在进行现场测量时，只需要将蝶形弹簧放置在待测区域，检测多个蝶形弹簧时可以随时更换，实现自动化判断与检测，操作方便，简单，检测效率高；

3、本发明，采用远心镜头、背光测量的方式，采用了改进的图像轮廓查找技术，使得图像中蝶形弹簧的边界检测更加准确，提高了测量精度；

4、本发明，在高度测量时，采用可以活动放置标记点，测量平面可以位置上的变化，使得测量平面不受约束，测量更加灵活；

5、本发明，采用相似区分的方法区分标记点和目标蝶形弹簧，保证了在远心镜头视场范围内的蝶形弹簧均能够被检测到，保证了测量***的稳定性；

6、本发明，采用的机器视觉的测量方法，通过非接触的测量方式，减少了蝶形弹簧人工测量过程中的损坏，尤其是规格较小的蝶形弹簧；

7、本发明，开发了操作简单的软件界面，实时显示相机的视场、检测尺寸、是否合格的标示，适用于普通的检测工人使用，软件处理程序为后期的合格产品分拣、自动化检测与分拣提供支持数据；

8、本发明，对蝶形弹簧的三维尺寸检测具有高精度、高稳定性、高效率的特点，此外本发明可以推广到一类薄壁零件、孔径、冲压件的三维尺寸测量。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的硬件部分结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的软件主界面示意图；

图3为本发明一种实施方式的蝶形弹簧的结构示意图；

图4为本发明一种实施方式的重建标记点和蝶形弹簧上椭圆中心的示意图；

图5为本发明一种实施方式的相机CL采集的规格为 31.5*16.3*2.45mm蝶形弹簧并经过处理的图像；

图6为本发明一种实施方式的蝶形弹簧测量结果图；

图7为本发明一种实施方式的蝶形弹簧测量结果误差图。

图中：1-1、拐角连接件；1-2、底座；1-3、相机CR；1-4、连接座；1-5、普通光学镜头；1-6、相机CT；1-7、配装座；1-8、远心光学镜头；1-9、相机CL；1-10、蝶形弹簧；1-11、标记点；1-12、毛玻璃；1-13、背光光源；1-14、立杆；1-15、横杆；

2-1功能区，2-2设置标准区，2-3提示区，2-4左相机CL显示区，2-5检测结果显示区，2-6相机CT显示区，2-7右相机CR显示区；

待测尺寸：蝶形弹簧外径D，蝶形弹簧内径d，蝶形弹簧高度H。

具体实施方式

以下结合附图1-图7对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，如图1所示，包括硬件部分，所述硬件部分包括检测装置，所述检测装置包括底座1-2，所述底座1-2的上部一侧通过拐角连接件1-1对称固定安装有两个立杆1-14，两个所述立杆1-14之间靠近其上端固定安装有横杆1-15，且两个所述立杆1-14的中部通过连接座1-4分别固定安装有相机CL1-9和相机CR1-3，所述横杆1-15的中部底部通过配装座1-7固定安装有相机CT1-6，所述相机CL1-9和所述相机CR1-3上均安装有普通光学镜头1-5，所述相机CT1-6上安装有远心光学镜头 1-8，所述底座1-2的底部安装有背光光源1-13，且所述底座1-2的上部位于所述背光光源1-13的上方安装有毛玻璃1-12，所述毛玻璃 1-12的上部中心位置处放置有待测量的蝶形弹簧1-10，且所述毛玻璃1-12的上部位于所述蝶形弹簧1-10的外周设有若干标记点1-11。

较佳地，如图4和图5所示，所述标记点1-11为普通外黑内圆圆形标记点。

通过采用上述技术方案，普通外黑内圆圆形标记点容易辨识，便于提高测量效率。

较佳地，如图2所示，还包括软件部分，所述软件部分包括CT、 CL、CR相机显示窗口和CT、CL、CR相机标定界面以及测量尺寸的显示窗口、蝶形弹簧尺寸标准设定窗口、蝶形弹簧尺寸是否合格窗口；

所述的CT、CL、CR相机显示窗口用于实时显示相机采集的图像；

所述的CT、CL、CR相机标定界面用于进行相机的标定，为蝶形弹簧尺寸检测做准备；

所述的测量尺寸显示窗口用于实时显示测量结果；

所述的蝶形弹簧尺寸标准设定窗口用于交互式输入标准尺寸及允许误差；

所述的蝶形弹簧是否合格窗口用于显示被检测的蝶形弹簧尺寸是否合格。

较佳地，所述的测量结果包括：蝶形弹簧内径、外径、高度的值，内径、外径、高度的检测误差，内径、外径、高度是否与标准尺寸及公差要求符合，若没有检测到蝶形弹簧，检测结果均为0。

本发明还提出一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量方法，包括以下步骤：

第一步、判断每一帧图像灰度信息与上一帧图像是否在阈值范围内进入检测程序；

第二步、利用远心镜头进行蝶形弹簧内外径尺寸检测，通过实时的图像处理获取蝶形弹簧的待检测的轮廓信息；

第三步、利用自动测量***进行蝶形弹簧三维尺寸测量，区分标记点和蝶形弹簧，将标记点重投影到世界坐标系进行平面拟合，蝶形弹簧上椭圆中心重投影到世界坐标，计算上椭圆中心到拟合平面的距离计算高度。

实施例2

根据所述的实施例1搭建的基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，在PC上运行所述的基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***软件，通过数据线连接相机CL1-9、CR1-3、CT1-6，进行***标定，标定参数存储在PC中，将任意蝶形弹簧放置在待检测的毛玻璃上，在功能区2-1部分选择“开始检测”按钮进入检测进程，测量结果实时的显示在所述的检测结果显示区2-5，检测人员通过观察检测结果或者提示栏信息进行合格蝶形弹簧的分拣。

实施例3

根据实施例2的基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量方法，该方法是：相机在一定的帧率下工作，相机CT每采集一帧图像，均与前一帧图像比较，用灰度信息表示每一帧图像属性，前后图像灰度信息在一定的阈值范围内自动进入检测程序。

实施例4

根据实施例1-3的基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法，该方法分为蝶形弹簧内外径尺寸(D、d)测量方法和蝶形弹簧的高度(H)测量方法。

(1)所述的内外径测量方法，包括远心镜头相机标定、图像处理、尺寸计算这三步骤；

所述的相机标定方法为：制作具有标准尺寸的同心圆环形标定板，直径实际尺寸D₀＝{D₀₁,D₀₂,D₀₃}，在相机CT1-6采集的圆环形标定板的图像上，查找该圆环对应的直径在图像上的尺寸D₀'＝{D₀₁',D₀₂',D₀₃'}，则标定放大率K定义为

所述的图像处理方法包括：图像滤波、边缘检测、椭圆拟合、计算椭圆长轴，所述的图像滤波采用高斯滤波算子，所述的边缘检测采用Canny算子，所述的椭圆拟合采用最小二乘法，由于所述的标记点和蝶形弹簧同时放置在毛玻璃上表面，如果蝶形弹簧和标记点同时在相机视野中，需要区分标记点和蝶形弹簧，所述的区分标记点和蝶形弹簧的方法为：经过拟合椭圆得到的拟合圆的属性表为 p_j＝{n_j,w_j,S_j},j＝1,2,...,m，其中m为拟合椭圆的数量，n_j,w_j为第j个拟合椭圆的内椭圆参数，即长轴和短轴长，记为N＝{n_1j,n_2j}， W＝{w_1j,w_2j}，S_j拟合椭圆的面积属性，即所以拟合椭圆共有5个参数集，构造的属性矩阵为：P＝(p_ij)_m×5＝[N,W,S]，定义椭圆属性梯度矩阵其中i＝1,2,...,5,j＝2,3,...,m，则所对应的行以及相邻的行即为蝶形弹簧在图像上的椭圆，再通过图像位置关系，即可以区分出标记点和目标椭圆；

找到目标椭圆后便可以获得该内外椭圆的在图像上的长轴长度 D_img、d_img，则计算实际长度外径D＝KD_img，内径d＝Kd_img。

(2)所述的高度测量方法包括测量平面的拟合、蝶形弹簧上椭圆中心的查找，距离计算；

所述的测量平面的拟合方法为：左右相机CL1-9、CR1-3同时采集测量平面图像，按照所述的标记点查找方法查找左右图像的标记圆，利用极限约束的方法进行标记点匹配，利用左右相机CL1-9、CR1-3 标定出的投影矩阵和左右相机的视差，将标记点重投影到世界坐标系中，得到空间m个标记点的三维坐标，利用最小二乘法将这些三维坐标点拟合平面，即为测量平面在世界坐标系中的表示，如附图4中的世界坐标系中的平面π:Ax+By+Cz+D＝0；

左右蝶形弹簧椭圆中查找方法为：首先进行图像滤波去除噪声，尤其是灰色部分的噪声，获取蝶形弹簧的感兴趣区域，将图像的灰度值分为黑、灰、白这三个等级，通过机器学习的方式获得感兴趣进行聚类，具体方法为，图像上任意像素的灰度值为f(u,v)，通过实验给定初始的黑、灰、白的阈值灰度值为B₀、G₀、W₀，分类思想为，计算图像上任意点的灰度值与灰度阈值的距离，属于黑色区域的像素点到B₀的距离最小，

即具有属性|f(u,v)-B₀|＝min{|f(u,v)-B₀|,|f(u,v)-G₀|,|f(u,v)-W₀|} 一次分类后将获得属于这三类的所有像素点，在每一类中，取平均像素灰度值代替初始三个等级的阈值，再次进行聚类，直到灰度阈值保持稳定，即算法收敛，聚类后，初步获得了蝶形弹簧图像中的灰度等级，下一步即是进行轮廓查找，再次采用聚类的思想，按照黑色区域过渡到灰色区域的灰度值梯度、灰色区域过渡到白色区域的灰度梯度值、黑色区域过渡到白色区域的灰度梯度值进行分类，通过筛选处于黑色区域过渡到白色区域的像素点和从黑色区域过渡到灰色区域的像素点所构成的边界即为上椭圆轮廓，灰色区域过渡到白色区域的像素点和白色区域过渡到白色区域的像素点构成的边界即为内圆，再根据所述的椭圆拟合方法获得上椭圆的中心点的图像坐标(u_L,v_L)，同时可以获得蝶形弹簧四个椭圆的圆心C₁、C₂、C₃、C₄。对右相机采集的图像进行同样的处理，可以获得右相机CR的蝶形弹簧上椭圆中心点坐标(u_R,v_R)，按照左右立体视觉的原理，进行左右匹配后重投影到世界坐标系中，得到被测蝶形弹簧上圆的圆心世界坐标(x₀,y₀,z₀)。

蝶形弹簧的高度即转化为世界坐标系中点(x₀,y₀,z₀)到平面π的距离。则所测的蝶形弹簧的高度值为：

实施例5

根据实施例1-4，为验证所检测得到的蝶形弹簧尺寸与实际尺寸是否吻合，采用游标卡尺进行测量验证。检测结果、检测误差在附图 6-7中。对于标准规格31.5*16.3*2.45mm蝶形弹簧，使用游标卡尺进行该蝶形弹簧的测量，尺寸为31.37*16.57*2.8mm，采用本发明的测量结果与游标卡尺测量的结果误差很小。同时可看出，该蝶形弹簧是非合格品。

实施例6

根据实施例1-5所述的一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法，各部分的作用如下：

1.远心镜头1-8：远心镜头具有超宽景深，在景深范围内，相机成像的大小保持不变，消除了普通相机成像“近大远小”所产生的透视误差；

2.左右相机：左右相机可以获得图像的深度信息，可以实现标记点和蝶形弹簧上椭圆中心的重建，从而获得三维尺寸；

3.背光光源：保证采图的清晰特性，使轮廓更加突出，同时降低了环境光对图像采集的干扰，如反光等；

4.底座和立杆以及横杆：连接三个相机、背光光源、拐角连接件，连接支撑整个硬件部分的正常安装的运行；

5.软件部分：提供友好的用户操作界面，能够简单便捷地进行***标定和检测结果的显示界面，显示当前检测结果以及蝶形弹簧是否合格的消息。

工作原理：该基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***及其测量方法，首先连接相机，调整相机位姿和参数，进行相机标定。然后接通背光光源，将待测的蝶形弹簧放置于所述的毛玻璃上表面。通过所述的蝶形弹簧的三维尺寸检测计算方法进行三维尺寸测量。通过所述的软件界面实时显示测量结果。背光光源使得采集的图像轮廓更加突出，提高了图像质量和检测精度。

本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，其特征在于：包括硬件部分，所述硬件部分包括检测装置，所述检测装置包括底座(1-2)，所述底座(1-2)的上部一侧通过拐角连接件(1-1)对称固定安装有两个立杆(1-14)，两个所述立杆(1-14)之间靠近其上端固定安装有横杆(1-15)，且两个所述立杆(1-14)的中部通过连接座(1-4)分别固定安装有相机CL(1-9)和相机CR(1-3)，所述横杆(1-15)的中部底部通过配装座(1-7)固定安装有相机CT(1-6)，所述相机CL(1-9)和所述相机CR(1-3)上均安装有普通光学镜头(1-5)，所述相机CT(1-6)上安装有远心光学镜头(1-8)，所述底座(1-2)的底部安装有背光光源(1-13)，且所述底座(1-2)的上部位于所述背光光源(1-13)的上方安装有毛玻璃(1-12)，所述毛玻璃(1-12)的上部中心位置处放置有待测量的蝶形弹簧(1-10)，且所述毛玻璃(1-12)的上部位于所述蝶形弹簧(1-10)的外周设有若干标记点(1-11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，其特征在于：所述标记点(1-11)为普通外黑内圆圆形标记点。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，其特征在于：还包括软件部分，所述软件部分包括CT、CL、CR相机显示窗口和CT、CL、CR相机标定界面以及测量尺寸的显示窗口、蝶形弹簧尺寸标准设定窗口、蝶形弹簧尺寸是否合格窗口；

所述的CT、CL、CR相机显示窗口用于实时显示相机采集的图像；

所述的CT、CL、CR相机标定界面用于进行相机的标定，为蝶形弹簧尺寸检测做准备；

所述的测量尺寸显示窗口用于实时显示测量结果；

所述的蝶形弹簧尺寸标准设定窗口用于交互式输入标准尺寸及允许误差；

所述的蝶形弹簧是否合格窗口用于显示被检测的蝶形弹簧尺寸是否合格。

4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量***，其特征在于：所述的测量结果包括：蝶形弹簧内径、外径、高度的值，内径、外径、高度的检测误差，内径、外径、高度是否与标准尺寸及公差要求符合，若没有检测到蝶形弹簧，检测结果均为0。

5.一种权利要求1所述的基于机器视觉的蝶形弹簧三维尺寸自动测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、判断每一帧图像灰度信息与上一帧图像是否在阈值范围内进入检测程序；

第二步、利用远心镜头进行蝶形弹簧内外径尺寸检测，通过实时的图像处理获取蝶形弹簧的待检测的轮廓信息；

第三步、利用自动测量***进行蝶形弹簧三维尺寸测量，区分标记点和蝶形弹簧，将标记点重投影到世界坐标系进行平面拟合，蝶形弹簧上椭圆中心重投影到世界坐标，计算上椭圆中心到拟合平面的距离计算高度。