CN110375674A - 一种精密制造设备的视觉检测*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密制造设备的视觉检测***，所述***通过工作台将待测钻头定位和夹紧，再调整安装在工作台上的光学成像模块，使其正确聚焦；通过光学成像模块获取被测钻头的激光束影像；通过图像采集卡用于将光学成像模块生成的激光束影像转换成数字图像信号；通过计算机和软件***解算出待测钻头轮廓数据，通过轮廓数据得到待测钻头表面特征的三维数据，最后对钻头刃面的表面质量和几何形状进行检测；本发明结构简单，图像信息易于提取且测量精度较高，与传统检测仪相比，本发明具有人为干扰因素小，重复定位精度高，自动化程度高，效率高等优点，同时也可以实现刀具参数自动测量。

Description

一种精密制造设备的视觉检测***
技术领域
本发明涉及制造设备检测领域，尤其涉及一种精密制造设备的视觉检测***。
背景技术
孔加工在金属切削中占有重要地位，其中钻孔约占22％～25％，钻头在机械制造业中占有很大的比重；精密加工与制造不仅需要设备的精度、稳定性以及动态性能来保证，同样需要精密量具量仪来对精密设备进行校准、测量；并且高精度设备的制造本身也离不开精密检测，作为精密加工设备中常用的钻头，其性能是由其形貌特征参数决定的，不正确的钻头形貌会减少钻头的使用寿命、出现装配问题并造成很大的经济损失目前随着机械制造业的加工模式向小批量、柔性化；高效率和高精度的方向发展对高精度、高速钻削的要求日益迫切，因此适应高速钻的形貌优化设计及根据产品的不同材质和特点实现钻头的快速改型、刃磨及重新刃磨，是工业界迫切需要的关键技术，而如何从现有的钻头中提取出形貌特征信息是进行钻头性能分析的关键。
现有的钻头测量方法有：1)人工检测，人工检测一般效率低、精度不高且检测过程易造成微钻头表面擦伤、折断；2)光学法，此法的局限是只能得到钻头的二维投影影像，并只能获得某些特定位置的几何参数；3)机械法，通过带有一系列附件的千分表等，属于相对测量，主要用于测量钻尖上的某些角度参数；4)三坐标测量机法，可以获得钻头形貌的三维数据，但因为其测头必须沿被测面的法线方向运动，所以测量比较费时。
目前，还没有测量钻头三维形貌及参数的有效方法，因此快速准确的钻头形貌测量***是机械加工领域中迫切需要和亟待解决的关键问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种精密制造设备的视觉检测***，通过工作台将待测钻头定位和夹紧，再调整安装在工作台上的光学成像模块，使其正确聚焦；通过光学成像模块获取被测钻头的激光束影像；通过图像采集卡将光学成像模块生成的激光束影像转换成数字图像信号；通过计算机和软件***解算出待测钻头轮廓数据，通过轮廓数据得到待测钻头表面特征的三维数据，最后对钻头刃面的表面质量和几何形状进行检测；具有人为干扰因素小，重复定位精度高，自动化程度高，效率高等优点，同时也可以实现刀具参数自动测量。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种精密制造设备的视觉检测***，包括：光学成像模块、图像采集卡、工作台、计算机和软件***；所述光学成像模块安装在工作台上，所述图像采集卡与光学成像模块和计算机相连；
所述光学成像模块用于获取被测的激光束影像；
所述图像采集卡用于将光学成像模块生成的视频信号转换成数字图像信号；
所述工作台用于安装光学成像模块并实现钻头的定位和夹紧；
所述计算机和软件***用于根据预先设定的测量模型及标定时确定的模型参数，解算出待测钻头轮廓数据，并将所有轮廓数据经过坐标变换后得到待测钻头表面特征的三维数据并对待测钻头表面特征进行三维重建，最后对钻头刃面的表面质量和几何形状进行检测。
进一步的，所述光学成像模块包括：CCD摄像机和激光器；通过激光器向钻头的被侧面投射激光，通过CCD摄像机采集钻头的图像信息，提取图像中的光条信息。
进一步的，所述图像采集卡包括：图像信号接收与A/D转换模块、CCD 摄像机控制输入输出接口和输出数字信号的总线接口；所述图像采集卡将 CCD摄像机采集到的视频图像信息进行放大和数字化，转化为便于计算机处理的数字图像信号，通过总线接口传输给计算机。
进一步的，所述工作台包括三维运动平台和旋转台，所述光学成像模块固定在工作台的三维运动平台上，通过三维运动平台实现光学成像模块x、z 方向移动和y方向移动聚焦；所述旋转台通过支撑座连接一个卡盘，被测钻头装夹在卡盘中，实现待测钻头的夹紧且被测钻头可以绕其自身轴线旋转和水平360度范围内任意角度旋转。
作为本发明进一步的补充，所述钻头表面特征三维重建方法的具体步骤如下：
步骤1：***标定：先采用基于靶标的方法标定所述CCD摄像机内外参数，然后提取光条中心线，并标定结构光平面方程，再对位置矩阵进行标定，即实现三维运动平台与CCD摄像机间的矩阵标定；
步骤2：图像检测：对所述CCD摄像机采集的特征图像进行预处理，然后提取光条中心线，再结合所述待测钻头表面几何特征提取光条中心点，获得所述光条中心点在图像中的坐标；
步骤3：三维特征重建：采用所述工作台控制器控制三维运动平台运动，***实时读取所述三维运动平台的位姿信息，所述线结构光视觉***在所述三维运动平台的带动下对钻头进行扫描，获得一组钻头特征图像，根据所述步骤2中提取扫描图像的光条中心点，根据所述步骤1中标定的结果计算出光条中心点在所述工作台坐标系中的三维坐标，通过光条中心点的三维坐标，采用最小二乘法进行三维曲线拟合，从而重建出待测钻头表面三维曲线。
作为本发明进一步的补充，所述被侧面光条中心提取具体为：在提取钻头图像中的光条中心时，先利用灰度重心法粗略地提取光条中心，再根据拉格朗日定理计算光条的法线方程，在其法线方向上利用变边界高斯拟合法提取光条中心，若提取效果不佳，可连续在光条法线方向上利用变边界高斯拟合法提取光条中心。
作为本发明进一步的补充，所述计算机根据预先设定的测量模型将接收的数字图像信号传递给软件***，所述软件***根据上述描述得到的待测钻头表面三维曲线可以计算出钻头的各参数和尺寸并判断钻头的磨损状态。
作为本发明更进一步的补充，所述坐标变换具体过程为：首先建立三个坐标系：光学成像模块坐标系OsXsYsZs，钻头坐标系OdXdYdZd和工作台坐标系 OtXtYtZt；所述三个坐标系满足：工作台坐标系的Xt到钻头坐标系Xd重合，钻头坐标系和光学成像模块坐标系平行，然后设出射的激光束平面沿OsYsZs平面，激光投射中心位于OsZs轴上，CCD摄像机的中心Oc和Os连线与OsZs的夹角为U，Oc的坐标(Dpc，O，Dgc)，利用透视投影变换理论，得到物像间的关系为
当经过标定、获得了***的外部结构参数及摄像机的内部参数后，由所述关系式就可以获得被测物点的三维坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的一种精密制造设备的视觉检测***利用具有高分辨率的 CCD摄像机替代人眼来获取图像信息，并由计算机完成图像以及数据的快速处理，计算出被测物的三维数据信息，并对待测钻头表面特征进行三维重建，具有非接触、速度快、自动化程度高等优点。
2.本发明所述的一种精密制造设备的视觉检测***，通过光学成像模块获取被测钻头的激光束影像；根据图像中光条的偏移信息得到被测物的表面轮廓，其结构简单，图像信息易于提取且测量精度较高。
3.本发明所述的一种精密制造设备的视觉检测***与传统检测仪相比，通过工作台将待测钻头定位和夹紧，再调整安装在工作台上的光学成像模块，使其正确聚焦，具有人为干扰因素小，重复定位精度高，自动化效率高等优点，同时也可以实现钻头参数的自动测量。
附图说明
图1为本发明一种精密制造设备的视觉检测***的结构示意图；
图2为本发明一种精密制造设备的视觉检测***对待测钻头表面特征三维重建方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
参照图1，一种精密制造设备的视觉检测***，包括：光学成像模块、图像采集卡、工作台、计算机和软件***；所述光学成像模块安装在工作台上，所述图像采集卡与光学成像模块和计算机相连；
所述光学成像模块用于获取被测的激光束影像；所述图像采集卡用于将光学成像模块生成的视频信号转换成数字图像信号；
所述工作台用于安装光学成像模块并实现钻头的定位和夹紧；
所述计算机和软件***用于根据预先设定的测量模型及标定时确定的模型参数，解算出待测钻头轮廓数据，并将所有轮廓数据经过坐标变换后得到待测钻头表面特征的三维数据并对待测钻头表面特征进行三维重建，最后对钻头刃面的表面质量和几何形状进行检测；
根据图1，所述光学成像模块包括：CCD摄像机和激光器；通过激光器向钻头的被侧面投射激光，通过CCD摄像机采集钻头的图像信息，提取图像中的光条信息。
所述图像采集卡包括：图像信号接收与A/D转换模块、CCD摄像机控制输入输出接口和输出数字信号的总线接口；所述图像采集卡将CCD摄像机采集到的视频图像信息进行放大和数字化，转化为便于计算机处理的数字图像信号，通过总线接口传输给计算机。
根据图1，所述工作台包括三维运动平台和旋转台，所述光学成像模块固定在工作台的三维运动平台上，通过三维运动平台实现光学成像模块x、z方向移动和y方向移动聚焦；所述旋转台通过支撑座连接一个卡盘，被测钻头装夹在卡盘中，实现待测钻头的夹紧且被测钻头可以绕其自身轴线旋转和水平360度范围内任意角度旋转。
参照图2，作为本发明进一步的补充，所述钻头表面特征三维重建方法的具体步骤如下：
步骤1：***标定：先采用基于靶标的方法标定所述CCD摄像机内外参数，然后提取光条中心线，并标定结构光平面方程，再对位置矩阵进行标定，即实现三维运动平台与CCD摄像机间的矩阵标定；
步骤2：图像检测：对所述CCD摄像机采集的特征图像进行预处理，然后提取光条中心线，再结合所述待测钻头表面几何特征提取光条中心点，获得所述光条中心点在图像中的坐标；
步骤3：三维特征重建：采用所述工作台控制器控制三维运动平台运动，***实时读取所述三维运动平台的位姿信息，所述线结构光视觉***在所述三维运动平台的带动下对钻头进行扫描，获得一组钻头特征图像，根据所述步骤2中提取扫描图像的光条中心点，根据所述步骤1中标定的结果计算出光条中心点在所述工作台坐标系中的三维坐标，通过光条中心点的三维坐标，采用最小二乘法进行三维曲线拟合，从而重建出待测钻头表面三维曲线。
根据图2，作为本发明进一步的补充，上述步骤1中所述的***标定的具体方式为：首先，打开光学成像模块中的激光器，通过调整工作台的三维运动平台的位姿，将线结构光投射到标定靶标上，通过CCD摄像机拍摄一幅带结构光的标定靶标图像；然后关闭激光器，再拍摄一幅不带线结构光的标定靶标图像；重复上述操作在三维运动平台至少3个不同位姿上各获取一组标定靶标图像，并记录下三维运动平台的位姿；对于不带线结构光的标定靶标图像，提取亚像素级靶标特征点，由至少3幅图像标定摄像机内部参数矩阵A，并获得每幅图像所对应的摄像机外部参数矩阵Rt；有同组的两幅图像相减，提取光条中心线，并获得光条方程，再求解光条在所述摄像机坐标系下的矩阵，再由多条光条空间直线矩阵，求解光平面在所述摄像机坐标系的平面方程，并通过非线性优化方法得到光平面方程在最大似然准则下的最优解；最后，结合CCD摄像机和三维运动平台之间的位姿关系以及在摄像机坐标系中的结构光平面方程ax+by+cz＝0，其中Rm＝为旋转矩阵， Pm为平移矩阵，a、b、c为结构光平面方程的参数，采用求解CX＝XD的方法实现三维运动平台与CCD摄像机间的位置矩阵标定，其中X为Tm，C为摄像机在不同位姿处的外参数相对矩阵，D为三维运动平台在不同位姿处的外参数相对矩阵。
根据图2，作为本发明更进一步的补充，上述步骤2中所述的图像检测具体方式为：对线机构光投射到待测钻头表面形成的结构光条纹，其中光条纹的横截面上的光强呈抛物线或高斯分布，其灰度模型为用二维高斯函数的各阶导数作为模板卷积图像得到各阶微分，从而求得光条中心点f (0)，光条中心点f(0)也就是光条截面上的灰度极大值点同时也是一阶导数过零点和二阶导数极小值点，最后结合钻头表面几何特征提取特征图像的光条中心点，获得光条中心点在特征图像中的坐标。
作为本发明进一步的补充，所述被侧面光条中心提取具体为：在提取钻头图像中的光条中心时，先利用灰度重心法粗略地提取光条中心，再根据拉格朗日定理计算光条的法线方程，在其法线方向上利用变边界高斯拟合法提取光条中心，若提取效果不佳，可连续在光条法线方向上利用变边界高斯拟合法提取光条中心。
作为本发明进一步的补充，所述计算机根据预先设定的测量模型将接收的数字图像信号传递给软件***，所述软件***根据上述描述得到的待测钻头表面三维曲线可以计算出钻头的各参数和尺寸并判断钻头的磨损状态。
作为本发明更进一步的补充，所述坐标变换具体过程为：首先建立三个坐标系：光学成像模块坐标系OsXsYsZs，钻头坐标系OdXdYdZd和工作台坐标系 OtXtYtZt；所述三个坐标系满足：工作台坐标系的Xt到钻头坐标系Xd重合，钻头坐标系和光学成像模块坐标系平行，然后设出射的激光束平面沿OsYsZs平面，激光投射中心位于OsZs轴上，CCD摄像机的中心Oc和Os连线与OsZs的夹角为U，Oc的坐标(Dpc，O，Dgc)，利用透视投影变换理论，得到物像间的关系为
当经过标定、获得了***的外部结构参数及摄像机的内部参数后，由所述关系式就可以获得被测物点的三维坐标。
本发明的工作原理为：通过工作台旋转台上的卡盘将待测钻头定位和夹紧，再调整安装在工作台三维运动平台上的光学成像模块，使其正确聚焦；通过光学成像模块获取被测钻头的激光束影像；通过图像采集卡将光学成像模块生成的激光束影像转换成数字图像信号；通过计算机和软件***根据预先设定的测量模型及标定时确定的模型参数，解算出待测钻头轮廓数据，并将所有轮廓数据经过坐标变换后得到待测钻头表面特征的三维数据并对待测钻头表面特征进行三维重建，最后对钻头刃面的表面质量和几何形状进行检测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (8)

1.一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，包括：光学成像模块、图像采集卡、工作台、计算机和软件***；
所述光学成像模块安装在工作台上，所述图像采集卡与光学成像模块和计算机相连；
所述光学成像模块用于获取被测的激光束影像；
所述图像采集卡用于将光学成像模块生成的视频信号转换成数字图像信号；
所述工作台用于安装光学成像模块并实现被测钻头的定位和夹紧；
所述计算机和软件***用于根据预先设定的测量模型及标定时确定的模型参数，解算出待测钻头轮廓数据，并将所有轮廓数据经过坐标变换后得到待测钻头表面特征的三维数据并对待测钻头表面特征进行三维重建，最后对钻头刃面的表面质量和几何形状进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，所述光学成像模块包括：CCD摄像机和激光器；通过激光器向钻头的被侧面投射激光，通过CCD摄像机采集钻头的图像信息，提取图像中的光条信息。
3.根据权利要求1所述的一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，所述图像采集卡包括：图像信号接收与A/D转换模块、CCD摄像机控制输入输出接口和输出数字信号的总线接口；所述图像采集卡将CCD摄像机采集到的视频图像信息进行放大和数字化，转化为便于计算机处理的数字图像信号，通过总线接口传输给计算机。
4.根据权利要求1所述的一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，所述工作台包括三维运动平台和旋转台，所述光学成像模块固定在工作台的三维运动平台上，通过三维运动平台实现光学成像模块x、z方向移动和y方向移动聚焦；所述旋转台通过支撑座连接一个卡盘，被测钻头装夹在卡盘中，实现待测钻头的夹紧且被测钻头可以绕其自身轴线旋转和水平360度范围内任意角度旋转。
5.根据权利要求1所述的一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，所述钻头表面特征三维重建方法的步骤如下：
步骤1：***标定：先采用基于靶标的方法标定所述CCD摄像机内外参数，然后提取光条中心线，并标定结构光平面方程，再对位置矩阵进行标定，即实现三维运动平台与CCD摄像机间的矩阵标定；
步骤2：图像检测：对所述CCD摄像机采集的特征图像进行预处理，然后提取光条中心线，再结合所述待测钻头表面几何特征提取光条中心点，获得所述光条中心点在图像中的坐标；
步骤3：三维特征重建：采用所述工作台控制器控制三维运动平台运动，***实时读取所述三维运动平台的位姿信息，所述线结构光视觉***在所述三维运动平台的带动下对钻头进行扫描，获得一组钻头特征图像，根据所述步骤2中提取扫描图像的光条中心点，根据所述步骤1中标定的结果计算出光条中心点在所述工作台坐标系中的三维坐标，通过光条中心点的三维坐标，采用最小二乘法进行三维曲线拟合，从而重建出待测钻头表面三维曲线。
6.根据权利要求2所述的一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，所述被侧面光条中心提取具体为：在提取钻头图像中的光条中心时，先利用灰度重心法粗略地提取光条中心，再根据拉格朗日定理计算光条的法线方程，在其法线方向上利用变边界高斯拟合法提取光条中心，若提取效果不佳，可连续在光条法线方向上利用变边界高斯拟合法提取光条中心。
7.根据权利要求4所述的一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，所述计算机根据预先设定的测量模型将接收的数字图像信号传递给软件***，所述软件***根据得到的待测钻头表面三维曲线计算出钻头的各参数和尺寸并判断钻头的磨损状态。
8.根据权利要求1所述的一种精密制造设备的视觉检测***，其特征在于，所述坐标变换具体过程为：首先建立三个坐标系：光学成像模块坐标系OsXsYsZs，钻头坐标系OdXdYdZd和工作台坐标系OtXtYtZt；所述三个坐标系满足：工作台坐标系的Xt到钻头坐标系Xd重合，钻头坐标系和光学成像模块坐标系平行，然后设出射的激光束平面沿OsYsZs平面，激光投射中心位于OsZs轴上，CCD摄像机的中心Oc和Os连线与OsZs的夹角为U，Oc的坐标(Dpc，O，Dgc)，利用透视投影变换理论，得到物像间的关系为：
当经过标定得到***的外部结构参数及摄像机的内部参数后，由上述关系式就可以获得被测物点的三维坐标。
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