CN110095075A - 圆柱直径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆柱直径测量装置和方法，该装置包括光源、反射/透射镜、反射镜和两个光学反射模组；由光源发出的平行光束经反射/透射镜后，形成的反射光和透射光，再经两个光学反射模组改变方向后投射到被测圆柱的两侧边缘；各光学反射模组分别具有一可使其往复移位的驱动装置，还包括一用于接收或显示经出射光照射后所形成的被测圆柱的边缘投影的光幕，以及一用于采集和读取所述边缘投影的图像采集设备。

Description

圆柱直径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉测量技术领域，具体地说涉及一种圆柱直径测量装置及方法。

背景技术

随着微电子技术、计算技术和图像处理技术的蓬勃发展，机器视觉检测技术逐渐从实验走向了实际应用阶段。其具有的检测效率高、检测一致性好等优点，使其在某些应用场合具有替代人或减轻人工劳动强度的很大优势。机器视觉检测***是光机电***的集成，合理的***设计能够获得更稳定的工作效果。

在工业应用中，类似圆柱直径这样的一维尺寸测量需求较多，如对大直径工件如钢管、锻造机圆形胚料直径的测量。这些需求不光要求***设计具有较高的测量精度，也同时要求较大的测量范围的，即量程。通常大量程尺寸测量***复杂且成本较高。

申请号为201410751963.5和201410454075.7的中国专利文献，都披露了圆柱测量的技术方案，其采用图像传感器直接对圆柱成像，通过图像处理进行测量和计算，但相关方案都无法针对尺寸和空间变化的圆柱进行测量，存在着一些技术上的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对直径可变的圆柱，提供一种适应于被测对象一维尺寸有较大变化的情况下，既便于操作又具有较高测量精度的测量装置。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种圆柱直径测量装置，包括：

一光源，所述光源用于提供一准直的平行光束；

一反射/透射镜，和

第一反射镜；以及

第一光学反射模组和第二光学反射模组；

其中，由所述光源发出的所述平行光束经所述反射/透射镜反射/透射后，形成第一反射光和第一透射光，所述第一透射光经所述第一反射镜反射后形成第二反射光；所述第一反射光入射至所述第一光学反射模组，并经所述第一光学反射模组的光学反射后形成第一出射光，所述第一出射光投射到被测圆柱的第一边缘；所述第二反射光入射至所述第二光学反射模组，并经所述第二光学反射模组的光学反射后形成第二出射光，所述第二出射光投射到被测圆柱的第二边缘；

所述第一光学反射模组具有一第一驱动装置，经所述第一驱动装置的驱动，所述第一光学反射模组沿所述第一反射光方向可往复移位；所述第二光学反射模组具有一第二驱动装置，经所述第二驱动装置的驱动，所述第二光学反射模组沿所述第二反射光方向可往复移位；

该装置还包括：

一光幕，所述光幕用于接收或显示经所述第一出射光和第二出射光的照射后所形成的被测圆柱的边缘投影，以及

一用于采集和读取所述边缘投影的图像采集设备。

作为本技术方案的进一步改进，所述第一光学反射模组为一全反射棱镜组。

也作为本技术方案的进一步改进，所述第二光学反射模组为一全反射棱镜组。

作为本发明的优选实施例，所述第一光学反射模组为一光学三棱镜或光学五棱镜。

也作为本发明的优选实施例，所述第二光学反射模组为一光学三棱镜或光学五棱镜。

作为本技术方案的更进一步改进，还包括一第二反射镜，所述平行光束经所述第二反射镜的反射后形成所述反射/透射镜的入射光。

还作为本发明的优选实施例，所述第一反射光与所述第一出射光相垂直；所述第二反射光与所述第二出射光相垂直。

本发明所要解决的另一技术问题，在于提供一种采用上述测量装置进行圆柱直径测量的方法，该方法包括如下步骤：

(1)、光源提供直径小于100mm口径的平行光光束；

(2)、光束进入反射/透射镜，透射光进入第一反射镜；

(3)、第一反射光进入第一光学反射模组，第二反射光进入第二光学反射模组，分别改变光路方向后，使出射光能够照射至被测量圆柱所在位置；

(4)、根据需要的尺寸，调整第一驱动装置和第二驱动装置，以使随动的第一和第二光学反射模组的出射光平行射出，并保持能覆盖被测量圆柱一个尺寸维度的边界；

(5)、根据预设的测量对象尺寸，驱动第一和第二驱动装置，使其分别停在指定位置，以保持两束平行的出射光的间距为设定尺寸；

(6)、将被测量圆柱放入到测量区域内进行投影，两束平行的出射光穿过被测量圆柱的边界后在光幕上形成投影；

(7)、通过图像采集设备采集并计算成像的投影，得出圆柱的直径尺寸。

本发明提供的直径可变圆柱直径测量装置及方法。该方法借助光源的准直性，将圆柱的直径方向两个边界投影到一个光幕上，当圆柱直径变化时，光源照射区间会随之变动，确保其能够穿过边界，将边界投影到光幕上；然后采用图像传感器对光幕成像，获得并计算圆柱直径边界在光幕的图像位置，完成直径测量。该方法的优点在于能够适应较大的测量范围需求。

本发明提供的适应被测对象一维尺寸有较大变化的测量装置和方法。通过一组平行光源配合光幕成像，对图像进行分析和计算实现。平行光光源设计为两束光间距可以调整的光源，能够适应测量对象尺寸变化，光源将物体边界投影到光幕上，用图像传感器完成投影位置的计算实现尺寸测量。该设计原理简单、机构简洁，为被测对象位置跟踪和尺寸测量提出一种可靠、低成本的方案设计。

附图说明

图1为本发明可变直径测量装置示意图；

图2为本发明可变直径测量装置追踪边界示意图；

图3为本发明可变直径测量装置测量双边界示意图；

图4为尺寸测量流程图；

图中：1——光源；2——反射镜I；3——透/反射镜II；4——反射镜III；5——五棱镜光学镜片I；6——五棱镜光学镜片II；7——运动装置I；8——运动装置II；9——被测量对象；10——光幕；11——图像传感器；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于边界、轮廓跟踪成像的可变圆柱直径机器视觉测量装置及方法。适用于被测对象轮廓变化较大的场合。

针对被测对象两个边界间距变化较大的情况，若设计一个平行光源覆盖较大视野，则会需要较高的成本，而且精度难以保证，为此本发明提供的测量装置将两个平行光源安装在能够位置变化的移动机构上，根据实际成像视野的需要，提前调整光源的位置，实现照明区间的调整，保证覆盖边界区域进行图像采集。进一步，由于平行光由两个平行光发出，且两个光源的距离能够通过运动机构进行调整，通常的运动机构会带来很大的平行度误差，针对这个需求提出一种新的机器视觉测量方案。

采用如图1至图3所示的圆柱直径测量装置，具体结构设计及测量方法如下：

首先，根据预设测量尺寸，调整光源的照明区间。光源照明模块由光学***由一束平行光分成两束照亮边界区域，结合图4所示的尺寸测量流程图，具体设计如下：

(1)光源1为小口径(直径小于100mm口径)平行光光束光源，其发出的光束经过反射镜I(图中标号为2)，改变光路方向。

(2)光源光线改变方向后进入透/反射镜II(图中标号为3)，其中透射部分进入反射镜III(图中标号为4)。

(3)进入透/反射镜II和反射镜III的平行光光线，反射后分别进入五棱镜光学镜片I(图中标号为5)和五棱镜光学镜片II(图中标号为6)，五棱镜光学镜片同样起到改变光路方向的作用，借助其能够90°改变光线方向的作用，将平行光线最终投向被成像物体。

(4)五棱镜光学镜片I和五棱镜光学镜片II分别安装两个运动机构——运动装置I(图中标号为7)和运动装置II(图中标号为8)上，可以在运动机构上做直线运动。根据需要的尺寸，调整运动机构，使五棱镜光学镜片I和五棱镜光学镜片II发出的光平行射出，且两束光线具有一定的间距，能够覆盖被测对象一个尺寸维度的边界。

(5)根据预设的测量对象尺寸，驱动运动装置I和运动装置II，使其分别停在指定位置，两个光束平行，间距为设定尺寸。

然后，将被测量对象9放入到测量区域内投影。平行光源将穿过被测量对象边界在光幕10上形成阴影区域，隐形区域的大小与被测对象的尺寸相关。

最后，成像并计算。通过图像传感器11成像，通过图像分析计算出图像中阴影区间的间距，该间距即被测对象一维尺寸，针对圆柱即为圆柱的直径尺寸。

实施例1：物体边界位置跟踪应用

如附图2所示，被测量物体边界是变化的，比如图2中物体边界由位置B变化到位置B'，则移动运动装置7，带动五棱镜光线转折光学部件(即标号为5的五棱镜光学镜片I)进行位置的相应移动(图中虚线标示的五棱镜光学镜片即示意了移动后的位置)，从覆盖B位置到达覆盖B'位置，即在宏观上光源一直覆盖被测量对象9的边界，投影映射在光幕10上面，采用图像传感器11(例如工业相机)来获得光幕10上阴影边界的位置，然后具体的边界精度通过图像边界计算来获得，最终达到边界跟踪的目的。

实施例2：物体一维尺寸测量应用

实施例1中描述了幅面可变平行光光源跟踪物体边界的设计和应用，实际应用中需要同时跟踪一维尺寸的两个边界，即完成尺寸测量功能，如测量钢板的宽度、管棒线材的直径等。具体实施如附图3所示，被测量物体9的两个边界都是变化的，如物体的一个边界由位置A变化到位置A'，另一个边界由位置B变化到位置B'，则移动标号为7和8的运动装置I和运动装置II，进而带动五棱镜光线转折光学部件进行位置的相应移动(图中虚线绘制的五棱镜示意了移动后的五棱镜位置)，两个光源的覆盖位置由AB演变到覆盖A'B'，即在宏观上光源一直覆盖被测量对象9的两个边界，然后具体的边界精度通过图像传感器获得的图像边界来计算，最终达到测量AB间距，即测量尺寸的目的。

当然，采用三棱镜的光学镜片也可满足光学方向改变的目的。

本发明提供的圆柱直径可变测量装置及方法，适应于被测对象一维尺寸有较大变化的情况。借助一个高精度、幅面可以调整和变化的平行光光源实现，平行光源将一束平行光光源，进行分光，并进行方向调整，最后经五棱镜射出，其中五棱镜装在可以调整位置的运行机构上。该方法借助光源的准直性，将圆柱的直径方向两个边界投影到一个光幕上，当圆柱直径变化时，光源照射区间会随之变动，确保其能够穿过边界，对边完成在光幕上的投影；然后采用图像传感器对光幕成像，获得并计算圆柱直径边界在光幕的图像位置，完成直径测量。

尤其适用于跟踪位置变化和实现一维尺寸测量，针对大尺寸测量和位置跟踪的测量需求，具有广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种圆柱直径测量装置，其特征在于，包括：

一光源，所述光源用于提供一准直的平行光束；

一反射/透射镜，和

第一反射镜；以及

第一光学反射模组和第二光学反射模组；

其中，由所述光源发出的所述平行光束经所述反射/透射镜反射/透射后，形成第一反射光和第一透射光，所述第一透射光经所述第一反射镜反射后形成第二反射光；所述第一反射光入射至所述第一光学反射模组，并经所述第一光学反射模组的光学反射后形成第一出射光，所述第一出射光投射到被测圆柱的第一边缘；所述第二反射光入射至所述第二光学反射模组，并经所述第二光学反射模组的光学反射后形成第二出射光，所述第二出射光投射到被测圆柱的第二边缘；

所述第一光学反射模组具有一第一驱动装置，经所述第一驱动装置的驱动，所述第一光学反射模组沿所述第一反射光方向可往复移位；所述第二光学反射模组具有一第二驱动装置，经所述第二驱动装置的驱动，所述第二光学反射模组沿所述第二反射光方向可往复移位；

该装置还包括：

一光幕，所述光幕用于接收或显示经所述第一出射光和第二出射光的照射后所形成的被测圆柱的边缘投影，以及

一用于采集和读取所述边缘投影的图像采集设备。

2.根据权利要求1所述的圆柱直径测量装置，其特征在于，所述第一光学反射模组为一全反射棱镜组。

3.根据权利要求1所述的圆柱直径测量装置，其特征在于，所述第二光学反射模组为一全反射棱镜组。

4.根据权利要求1或2所述的圆柱直径测量装置，其特征在于，所述第一光学反射模组为一光学三棱镜或光学五棱镜。

5.根据权利要求1或3所述的圆柱直径测量装置，其特征在于，所述第二光学反射模组为一光学三棱镜或光学五棱镜。

6.根据权利要求1所述的圆柱直径测量装置，其特征在于，还包括一第二反射镜，所述平行光束经所述第二反射镜的反射后形成所述反射/透射镜的入射光。

7.根据权利要求1所述的圆柱直径测量装置，其特征在于，所述第一反射光与所述第一出射光相垂直；所述第二反射光与所述第二出射光相垂直。

8.采用权利要求1所述测量装置进行圆柱直径测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、光源提供直径小于100mm口径的平行光光束；

(2)、光束进入反射/透射镜，透射光进入第一反射镜；

(3)、第一反射光进入第一光学反射模组，第二反射光进入第二光学反射模组，分别改变光路方向后，使出射光能够照射至被测量圆柱所在位置；

(4)、根据需要的尺寸，调整第一驱动装置和第二驱动装置，以使随动的第一和第二光学反射模组的出射光平行射出，并保持能覆盖被测量圆柱一个尺寸维度的边界；

(5)、根据预设的测量对象尺寸，驱动第一和第二驱动装置，使其分别停在指定位置，以保持两束平行的出射光的间距为设定尺寸；

(6)、将被测量圆柱放入到测量区域内进行投影，两束平行的出射光穿过被测量圆柱的边界后在光幕上形成投影；

(7)、通过图像采集设备采集并计算成像的投影，得出圆柱的直径尺寸。