CN110954024A - 一种连接件视觉测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种连接件视觉测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连接件视觉测量装置，包括测量工作台及安装在测量工作台上的零件载台；测量装置包括视觉与激光测距机构和水平视觉测量机构；视觉与激光测距机构通过工作台立柱安装在测量工作台上；水平视觉测量机构通过L形安装支架安装在测量工作台上。本发明还公开了该测量装置的测量方法。采用上述技术方案，使用多方向、可自由调节的测量工作台，通过视觉成像***和高精度激光位移传感器采集数据，利用机器视觉技术、传感器技术、人工智能技术等，能够测量连接件长度尺寸、深度尺寸和孔的位置尺寸，具有精度高、效率高、速度快，自动化程度高的特点，可用于更广泛的工件自动快速测量。

Description

一种连接件视觉测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于视觉测量与检测装备的技术领域。更具体地，本发明涉及一种连接件视觉测量装置。本发明还涉及该视觉测量装置的测量方法。
背景技术
一、视觉测量的相关技术发展背景状况：
连接件零件加工完成后，在进入装配环节之前需要对其多个关键尺寸包括长度、宽度、深度、孔径、孔位置等参数进行测量与检测以确保其符合质量要求；由于零件尺寸很小，种类多，需要测量的参数多，采用人工测量方法费时费力，检测效率低，而且影响测量精度。
现有技术中已有利用机器视觉等非接触测量技术对零件进行测量，判断零件是否合格，主要是利用视觉成像技术对零件进行检测和判断。
二、现有技术文献的检索结果：
1、中国专利文献：一种连接孔在线视觉检测***(文献号：208780144U)，其技术方案是：公开了一种测量精度稳定可靠、测量效率高、非接触、制造现场适应性好的视觉检测***，该文献宣称其解决了手工制孔生产准备周期长、劳动强度大、效率低、孔位精度不高的问题。
2、中国专利文献：一种用于测量侧面或内部结构的视觉成像测量***(文献号：105698680B)，其公开了一种用于测量侧面或内部结构的视觉成像测量***，该文献宣称其具有确保在载具组件中设置光偏转器来提高对待测物特别是对尺寸结构细小、复杂的待测物侧面及内部结构的测量精度。
三、最接近的现有技术存在的技术问题：
现有的国内连接件测量装置，并无类似的连接件视觉测量方案。现有技术很多视觉测量功能少、仅仅是利用成像技术来对影像进行分析判断，缺少综合的手段、自动化程度及精度偏低。
发明内容
本发明提供一种连接件视觉测量装置，其目的是通过视觉测量装置对零件的长度尺寸、深度尺寸和孔的位置尺寸进行高精度和自动化的测量。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的连接件视觉测量装置，包括测量工作台及安装在测量工作台上的零件载台；所述的测量装置包括视觉与激光测距机构和水平视觉测量机构；所述的视觉与激光测距机构通过工作台立柱安装在测量工作台上；所述的水平视觉测量机构通过L形安装支架安装在测量工作台上。
所述的零件载台为两自由度的移动机构，其设置作水平运动的X轴平移台及和Y轴平移台，且X轴平移台与Y轴平移台的运动方向互相垂直。
所述的Y轴平移台上设置夹紧气缸、活动夹爪和固定夹爪，所述的夹紧气缸活塞杆推动活动夹爪，与固定夹爪一起将连接件零件夹持固定。
所述的视觉与激光测距机构设置在竖直方向上移动的Z轴平移台，所述的Z轴平移台通过其安装底座安装在工作台立柱上；在所述的Z轴平移台上设置传感器安装支架，在传感器安装支架上设置竖拍相机、激光位移传感器和竖直同轴光源。
在所述的竖拍相机的镜头接口上，设置竖拍定焦远心镜头。
所述的L形安装支架一端固定在测量工作台上，另一端的上表面上安装水平同轴光源以及水平相机；
在所述的水平相机的镜头接口上，设置水平定焦远心镜头。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的连接件视觉测量装置的测量方法，其技术方案是该测量方法的过程为：
测量装置启动；
首先，利用X轴平移台将固定夹爪移出到测量区域外侧，并将夹紧气缸松开，便于操作人员将被测量的连接件零件放入固定夹爪的导向槽中；
然后，启动夹紧气缸，驱动活动夹爪将连接件零件固定到两自由度零件载台上；
接着，测量装置按照预定程序依次移动连接件零件到不同位置，以通过视觉与激光测距机构和水平视觉测量机构获取连接件零件正面和不同测量位置的连接件零件光学图像以及深度数据信息；
最后，测量装置根据正面拍摄图片和侧面拍摄图片以及不同平面的多个测量点的高度信息，分别计算连接件零件正面平面尺寸、侧面平面尺寸以及正面高度尺寸；
测量完成后，测量结果通过显示器输出，或打印机输出。
本发明采用上述技术方案，使用多方向、可自由调节的测量工作台，通过视觉成像***和高精度激光位移传感器采集数据，利用机器视觉技术、传感器技术、人工智能技术等，能够测量连接件长度尺寸、深度尺寸和孔的位置尺寸，具有精度高、效率高、速度快、自动化程度高的特点，可用于更广泛的工件自动快速测量。
附图说明
附图所示内容及图中的标记简要说明如下：
图1为本发明的连接件视觉测量装置的结构示意图；
图2为本发明的两自由度零件载台结构示意图；
图3为本发明的视觉与激光测距机构结构示意图；
图4为本发明的水平视觉测量机构的结构示意图；
图5为通过竖拍相机拍摄的连接件零件正面光学图像；
图6为通过水平相机拍摄的连接件零件侧面有孔位的光学图像。
图中标记为：
1、测量工作台，2、零件载台，3、视觉与激光测距机构，4、水平视觉测量机构，5、工作台立柱；
21、X轴平移台，22、Y轴平移台，23、夹紧气缸，24、固定夹爪，25、连接件零件，26、活动夹爪，27、载台防护罩；
31、Z轴平移台，32、传感器安装支架，33、竖拍相机，34、激光位移传感器，35、竖拍定焦远心镜头，36、竖直同轴光源；
41、水平L形安装支架，42、防护罩，43、水平同轴光源，44、水平定焦远心镜头，45、水平相机。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
一、如图1至图4所示本发明的结构：
本发明为一种连接件视觉测量装置，主要涉及连接件零件25的非接触测量与检测，应用于连接件零件上多个长度尺寸、深度尺寸和孔的位置尺寸的高精度和自动化测量，其包括测量工作台1及安装在测量工作台1上的零件载台2。
为了克服现有技术的问题和缺陷，实现通过视觉测量装置对零件的长度尺寸、深度尺寸和孔的位置尺寸进行高精度和自动化的测量的发明目的，本发明采取的技术方案为：
如图1所示，本发明的连接件视觉测量装置包括视觉与激光测距机构3和水平视觉测量机构4；所述的视觉与激光测距机构3通过工作台立柱5安装在测量工作台1上；所述的水平视觉测量机构4通过L形安装支架41安装在测量工作台1上。
本发明需要解决的问题包括零件定位与装夹问题、零件正面平面尺寸测量问题、零件侧面平面尺寸测量问题以及正面深度尺寸测量问题。连接件零件25在加工完成后，利用机器视觉检测、测量等技术对产品的长度尺寸、深度尺寸和孔的位置尺寸进行高精度和自动化的测量，进而判断产品质量以及是否合格；不仅能提高测量精度，更能提高作业效率，降低生产成本，实现对产品视觉检测、测量的自动化；并可扩展用到其他工业零件尺寸或位置自动测量与检测领域。
本发明采用由测量平台、视觉成像***和高精度激光位移传感器组成的多方向可自由调节的测量工作台***，通过视觉成像***和高精度激光位移传感器采集数据；其中，测量平台用于解决零件的定位和装夹问题，并为视觉成像***及高精度激光位移传感器提供安装位置；视觉成像***用于解决图像采集和零件平面类尺寸测量问题；高精度激光位移传感器用于解决零件的深度尺寸问题。
本发明主要结构及其作用，主要包含以下部分：
1、测量工作台1：是连接件零件25测量装置的承载机构，所有控制器件及执行机构以及***控制计算机等统一安装在测量工作台1上；
2、两自由度的零件载台2：固定在测量工作台1的台面上，是零件的定位和装夹机构，实现了零件的定位和固定以及测量位置两自由度自动调整；
3、视觉与激光测距机构3：固定在测量工作台1的工作台立柱5上，实现了零件的正面尺寸和正面高度测量；
4、水平视觉测量机构4：固定在测量工作台1台面上，实现了零件测量尺寸测量。
二、零件载台结构，如图2所示：
所述的零件载台2为两自由度的移动机构，其设置作水平运动的X轴平移台21及和Y轴平移台22，且X轴平移台21与Y轴平移台22的运动方向互相垂直。
所述的Y轴平移台22上设置夹紧气缸23、活动夹爪26和固定夹爪24，所述的夹紧气缸23活塞杆推动活动夹爪26，与固定夹爪24一起将连接件零件25夹持固定。
零件载台主要结构及其作用：
1、X轴平移台21：安装在测量工作台1上，能够驱动Y轴平移台22进行X方向移动，便于操作人员放置连接件零件25或移动连接件零件25到不同X轴位置测量高度；
2、Y轴平移台22：安装在X轴平移台21上，能够驱动连接件零件25进行Y方向移动，以便测量连接件零件25在不同Y轴位置的高度；
3、夹紧气缸23：固定在Y轴平移台22上，其运动部件连接到活动夹爪26；气缸收缩时带动活动夹爪26，夹紧连接件零件25；
4、固定夹爪24：固定在Y轴平移台22上，其上设计有比连接件零件25宽度略大的导向槽；
5、连接件零件25：放置在固定夹爪24的导向槽内，可随X轴平移台21和Y轴平移台22运动，进行平面位置调整；
6、活动夹爪26：与夹紧气缸23相连，连接件零件25放入固定夹爪24的导向槽后，启动夹紧气缸23，活动夹爪26即可夹紧连接件零件25；
7、载台防护罩27：覆盖在X轴平移台21上，起到保护X轴平移台21、防止X轴平移台21对操作人员的机械伤害的作用，还起到美观的作用。
三、视觉与激光测距机构，如图3所示：
所述的视觉与激光测距机构3设置在竖直方向上移动的Z轴平移台31，所述的Z轴平移台31通过其安装底座安装在工作台立柱5上；在所述的Z轴平移台31上设置传感器安装支架32，在传感器安装支架32上设置竖拍相机33、激光位移传感器34和竖直同轴光源36。
在所述的竖拍相机33的镜头接口上，设置竖拍定焦远心镜头35。
视觉与激光测距机构的构成及其作用：
1、Z轴平移台31：安装在测量工作台1的安装立柱上，可以驱动安装在平移台上的传感器进行Z方向运动，以调整竖拍定焦远心镜头35的物距，获取最佳质量零件图像；
2、传感器安装支架32：采用T形结构设计，T形两侧分别安装竖拍相机33和激光位移传感器34，T形底部与Z轴平移台31相连；
3、竖拍相机33：安装在传感器安装支架32上，可随Z轴平移台31上下调整位置，以拍摄零件正面不同高度的平面图像；
4、激光位移传感器34：安装在传感器安装支架32上，通过X轴平移台21、Y轴平移台22以及Z轴平移台31协调运动，激光位移传感器34可以测量连接件零件25正面不同位置的高度数据；
5、竖拍定焦远心镜头35：安装在竖拍相机33接口上；采用定焦远心镜头可降低图像畸变和透视影响，确保测量精度，其物距可以通过Z轴平移台31以及激光位移传感器34进行自动调整；
6、竖直同轴光源36：安装在竖拍定焦远心镜头35前方，可以对零件正面进行照明，保证正面图像清晰度。
四、L形安装支架结构，如图4所示：
所述的L形安装支架41一端固定在测量工作台1上，另一端的上表面上安装水平同轴光源43以及水平相机45；
在所述的水平相机45的镜头接口上，设置水平定焦远心镜头44。
L形安装支架结构的作用：
1、水平L形安装支架41：其一端固定在测量工作台1上，另一端用于安装水平同轴光源43以及水平相机45；
2、防护罩42：覆盖在水平同轴光源43、水平定焦远心镜头44以及水平相机45上，起到保护水平同轴光源43、水平定焦远心镜头44以及水平相机45和美观的作用；
3、水平同轴光源43：安装在水平定焦远心镜头44前方，可以对零件测量进行照明，保证侧面图像清晰度；
4、水平定焦远心镜头44：安装在水平相机45接口上，采用水平定焦远心镜头44可降低图像畸变和透视影响，确保测量精度，其物距可以通过Y轴平移台22自动调整；
5、水平相机45：安装在水平L形安装支架上，其位置固定，由于连接件零件25可以通过Y轴平移台22移动，因此可以通过Y轴移动台22拍摄零件测量不同深度的平面图像。
如图5所示，通过视觉与激光测距机构3中的竖拍相机33及竖拍定焦远心镜头35，可拍摄连接件零件25正面光学图像；由于连接件零件25正面需检测的尺寸不等高，可通过Z轴平移台31调节竖拍相机33和竖拍定焦远心镜头35高度改变物距，以获得清晰的图像；
如图6所示，通过水平视觉测量机构4中的水平定焦远心镜头44和水平相机45，可拍摄连接件零件25侧面有孔位的光学图像；利用激光位移传感器34以及X轴平移台21和Y轴平移台22，可以测量不同平面的高度信息，进而计算连接件零件25的相对深度尺寸。
测量不同平面的高度信息时，考虑到连接件零件25平面与激光位移传感器34光轴可能不垂直，故需要移动X轴平移台21和Y轴平移台22，确保每个待测平面上至少测量三个不同点的高度，通过平面拟合方法计算平面高度。
五、应用于本发明测量装置的测量方法，其过程为：
测量装置启动；
首先，利用X轴平移台21将固定夹爪24移出到测量区域外侧，并将夹紧气缸23松开，便于操作人员将被测量的连接件零件25放入固定夹爪24的导向槽中；
然后，启动夹紧气缸23，驱动活动夹爪26将连接件零件25固定到两自由度零件载台2上；
接着，测量装置按照预定程序依次移动连接件零件25到不同位置，以通过视觉与激光测距机构3和水平视觉测量机构4获取连接件零件25正面和不同测量位置的连接件零件25光学图像以及深度数据信息；
最后，测量装置根据正面拍摄图片和侧面拍摄图片以及不同平面的多个测量点的高度信息，分别计算连接件零件25正面平面尺寸、侧面平面尺寸以及正面高度尺寸；
测量完成后，测量结果通过显示器输出，或打印机输出。
六、本发明与现有技术的区别：
1、本发明能够通过一次装夹实现多种零件尺寸，如距离、长度、角度、直径以及高度等的测量；
2、本发明使用高精度激光位移传感器来辅助视觉成像***进行测量，能够获得视觉成像***缺失的深度信息，达到更高的精度和测量效率。
而现有技术中公开的文献，如：“一种连接孔在线视觉检测***(208780144U)”、“一种用于测量侧面或内部结构的视觉成像测量***(105698680B)”等，均没有上述技术效果的记载。
六、本发明的技术创新点和技术关键点总结：
1、本发明使用视觉成像***和高精度激光位移传感器协同测量工件尺寸，可以克服视觉成像***采集数据的距离维度缺失，同时能够提高测量的速度和准确度；
2、激光位移传感器和工业相机以及定焦远心镜头安装在同一个支架上并与Z轴平移台相连，利用激光位移传感器测量的高度信息，可以全自动调整定焦远心镜头物距，确保测量不同高度平面尺寸时相机能够拍摄到清晰准确的光学图像；
3、零件载台采用固定夹爪和活动夹爪结构设计，且固定夹爪设计零件导向槽；固定夹爪及导向槽实现零件定位；活动夹爪实现零件夹紧；通过更换具有不同尺寸导向槽的固定夹爪，该零件载台可以用于装夹不同类型零件进行三维测量；
4、通过本发明采用的工业相机和激光位移传感布局以及使用的两自由度零件载台，可以实现一次装夹测量完成所有的正面和侧面尺寸，一次装夹完成所有尺寸的测量，不仅浏测量效率大大提高，更关键的是可以提高测量精度，防止因多次装夹造成的测量误差。
七，本发明的进一步的具体实施方式：
1、X轴、Y轴以及Z轴平移均可使用伺服控制单元，以提高测量精度和自动化程度；亦可使用非伺服控制单元或手动调整装置以降低成本；
2、采用定焦远心镜头，也可用电动对焦的远心镜头代替，从而省去Z轴平移台，降低硬件成本和降低控制程序复杂程度；
3、定焦远心镜头还可以采用带有同轴光输入接口的产品，则同轴光可以选用点光源产品；
4、在使用过程中，可采用人工上料方式将连接件零件25放入零件载台，也可通过通讯接口与自动上料机构通讯，实现自动上料；
5、可以通过改进两自由度零件载台的夹爪设计，以适应不同工件的测量需求，扩展应用范围。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种连接件视觉测量装置，包括测量工作台(1)及安装在测量工作台(1)上的零件载台(2)，其特征在于：所述的测量装置包括视觉与激光测距机构(3)和水平视觉测量机构(4)；所述的视觉与激光测距机构(3)通过工作台立柱(5)安装在测量工作台(1)上；所述的水平视觉测量机构(4)通过L形安装支架(41)安装在测量工作台(1)上。
2.按照权利要求1所述的连接件视觉测量装置，其特征在于：所述的零件载台(2)为两自由度的移动机构，其设置作水平运动的X轴平移台(21)及和Y轴平移台(22)，且X轴平移台(21)与Y轴平移台(22)的运动方向互相垂直。
3.按照权利要求2所述的连接件视觉测量装置，其特征在于：所述的Y轴平移台(22)上设置夹紧气缸(23)、活动夹爪(26)和固定夹爪(24)，所述的夹紧气缸(23)活塞杆推动活动夹爪(26)，与固定夹爪(24)一起将连接件零件(25)夹持固定。
4.按照权利要求1所述的连接件视觉测量装置，其特征在于：所述的视觉与激光测距机构(3)设置在竖直方向上移动的Z轴平移台(31)，所述的Z轴平移台(31)通过其安装底座安装在工作台立柱(5)上；在所述的Z轴平移台(31)上设置传感器安装支架(32)，在传感器安装支架(32)上设置竖拍相机(33)、激光位移传感器(34)和竖直同轴光源(36)。
5.按照权利要求4所述的连接件视觉测量装置，其特征在于：在所述的竖拍相机(33)的镜头接口上，设置竖拍定焦远心镜头(35)。
6.按照权利要求1所述的连接件视觉测量装置，其特征在于：所述的L形安装支架(41)一端固定在测量工作台(1)上，另一端的上表面上安装水平同轴光源(43)以及水平相机(45)。
7.按照权利要求6所述的连接件视觉测量装置，其特征在于：在所述的水平相机(45)的镜头接口上，设置水平定焦远心镜头(44)。
8.按照权利要求1至7所述的连接件视觉测量装置的测量方法，其特征在于：该测量方法的过程为：
测量装置启动；
首先，利用X轴平移台(21)将固定夹爪(24)移出到测量区域外侧，并将夹紧气缸(23)松开，便于操作人员将被测量的连接件零件(25)放入固定夹爪(24)的导向槽中；
然后，启动夹紧气缸(23)，驱动活动夹爪(26)将连接件零件(25)固定到两自由度零件载台(2)上；
接着，测量装置按照预定程序依次移动连接件零件(25)到不同位置，以通过视觉与激光测距机构(3)和水平视觉测量机构(4)获取连接件零件(25)正面和不同测量位置的连接件零件(25)光学图像以及深度数据信息；
最后，测量装置根据正面拍摄图片和侧面拍摄图片以及不同平面的多个测量点的高度信息，分别计算连接件零件(25)正面平面尺寸、侧面平面尺寸以及正面高度尺寸；
测量完成后，测量结果通过显示器输出，或打印机输出。
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