CN113639633B

CN113639633B - 一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法

Info

Publication number: CN113639633B
Application number: CN202110845616.9A
Authority: CN
Inventors: 毕超; 郝雪; 周鹏; 房建国
Original assignee: AVIC Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry
Current assignee: AVIC Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2041-07-26
Also published as: CN113639633A

Abstract

本发明属于机器视觉与视觉测量技术领域，特别涉及一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法。所述找正方法包括：将角向定位靶标***到夹具上的角向零位孔中，将工业摄像头和回转台调整为初始状态；将平行照明光源放置在工业摄像头的对侧位置，使角向定位靶标处于背向照明可采集状态，采集所述角向定位靶标的背向照明图像；对所述背向照明图像进行提取处理，提取出所述背向照明图像中的靶标区域中心线和图像中心线。本发明通过工业摄像头和角向定位靶标，能够确定出夹具角向零位孔的中心在回转台上的角度位置，解决了多轴视觉测量装置中的夹具角向零位找正难题，具有很大的创新价值和实用意义，应用前景广阔。

Description

一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法

技术领域

本发明属于机器视觉与视觉测量技术领域，特别涉及一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法。

背景技术

在航空、航天、船舶和汽车等众多工业领域中，回转体零件在各类零件中占有很大比重，大多都为工业设备或机械装备中的关键组成部分，发挥着不可替代的作用。在使用过程中，其形位误差和制造精度会对整个零件的装配和使用性能产生重要影响，不仅会影响到接触表面的配合性质，还会影响到旋转部件的振动、噪声、回转精度和疲劳寿命等。因此，在回转体零件的加工现场，迫切需要实现对其关键几何特征的高精高效检测与评定，以保证此类零件的制造精度。

然而，回转体零件普遍具有变批量、几何元素多、轮廓形状复杂和精度要求高等特点，因而对相应的测量手段和设备提出了很大挑战和很高要求。近年来，随着测量技术及其它相关学科的发展，视觉测量作为一种非接触式的测量手段和方法，可以解决传统测量手段难以或无法解决的多种问题，已经广泛应用于现代工业的各个领域。视觉测量源于计算机视觉技术，是以工业摄像头、照明光源和图像采集卡等为基础的新型测量技术。具体说来，视觉测量是将计算机视觉应用于几何尺寸的测量和定位，把图像作为获取信息的手段，具有成本低、操作简便、机动灵活、实时性强和信息丰富等优点。

将工业摄像头与三维运动平台相结合，应用三维运动平台作为工业摄像头的移动载体，通过三个直线轴的移动来实现工业摄像头的运动轨迹，可以进一步拓展视觉测量技术的应用范围。另外，针对回转体零件的结构特点，单一方位的成像***只能完成某一部分测量数据的获取，而要获取全部的测量数据，就需要在三个直线轴的基础上增加一个回转轴(第四轴)，即回转台，从而形成新型的多轴视觉测量装置。

通过回转台的配合来实现被测物体的不同方位的测量，以获得完整的测量数据，并提高测量效率。在实际应用中，回转体零件上的某些孔、台等几何特征均有较高的角向分布精度要求，需要准确确定出这些几何特征的实际角向位置。这就需要对回转体零件或者夹具的角向零位进行找正，以确定回转体零件或者夹具的角向定位特征在多轴视觉测量装置中的角度位置，这样才能最终获取到被测几何特征的实际角向分布信息。目前，由于多轴视觉测量装置的前端传感器为工业摄像头，与常规的接触式三维测头显著不同，因而对于此种设备环境下的回转体零件或者夹具的角向零位找正难题，尚无有效且可靠的解决方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种多轴视觉测量装置中的夹具角向零位找正方法，所述找正方法包括：

步骤S1：将角向定位靶标***到夹具上的角向零位孔中，将工业摄像头和回转台调整为初始状态；

步骤S2：将平行照明光源放置在工业摄像头的对侧位置，使角向定位靶标处于背向照明可采集状态，采集所述角向定位靶标的背向照明图像；

步骤S3：对所述背向照明图像进行提取处理，提取出所述背向照明图像中的靶标区域中心线和图像中心线，并计算出靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离；

步骤S4：根据中心偏角计算公式，计算得到角向定位靶标的中心偏角θ；

步骤S5：将回转台转动角度θ；

步骤S6：重复步骤S2-步骤S5，直至中心偏角θ在角度定位精度范围内，记录此时回转台的角度位置值θ₀，完成夹具的角向零位找正。

进一步的，所述将工业摄像头和回转台调整为初始状态包括：

步骤S101：通过三维运动平台调整工业摄像头在Y轴方向上位置，使工业摄像头的成像光轴与回转台的回转轴线垂直相交；

步骤S102：控制回转台回零。

进一步的，所述角向定位靶标为圆柱形结构；所述角向定位靶可安装在角向零位孔内，形成小间隙配合。

进一步的，所述使角向定位靶标处于背向照明可采集状态包括：

步骤S201：使角向定位靶标位于工业摄像头与平行照明光源之间，形成背向照明；

步骤S202：通过三维运动平台调整工业摄像头在Z轴方向上的位置，调整回转台的角度位置，使角向定位靶标进入到工业摄像头的视场范围内；

步骤S203：通过三维运动平台调整工业摄像头在X轴方向上的位置，使工业摄像头正确对焦于角向定位靶标。

进一步的，所述提取处理包括滤波降噪、阈值分割、边缘检测和中心线提取。

进一步的，所述计算出靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离包括：

步骤S301：测量得到背向照明图像中，靶标区域中心线与图像中心线之间的像素距离；

步骤S302：通过距离计算公式，计算得到靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离，所述计算公式为：

L＝K·n，

其中，L表示靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离，单位为mm；n表示靶标区域中心线10与图像中心线11之间的像素距离，单位为pixel；K表示像素尺寸当量，单位为mm/pixel。

进一步的，所述中心偏角θ的计算公式为：

其中，θ表示角向定位靶标的中心偏角，单位为度；L表示靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离，单位为mm；R表示角向零位孔到夹具中心轴线的距离，单位为mm。

进一步的，所述将回转台转动角度θ是指：转动回转台，使靶标区域中心线向图像中心线靠拢。

进一步的，所述步骤S6中的角度位置值θ₀表示：所述角向零位孔中心在回转台上的角度位置值。

本发明的有益效果是：通过工业摄像头和角向定位靶标，确定出夹具角向零位孔的中心在回转台上的角度位置，解决了多轴视觉测量装置中的夹具角向零位找正难题，具有很大的创新价值和实用意义，应用前景广阔。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的多轴视觉测量装置结构示意图；

图2示出了本发明实施例的工业摄像头、角向定位靶标与平行照明光源之间的位置关系示意图；

图3示出了本发明实施例的背向照明图像；

图4示出了本发明实施例的中心偏角的示意图。

图中：1-三维运动平台，2-Z轴托板，3-工业摄像头，4-夹具，5-角向零位孔，6-回转台，7-底座，8-角向定位靶标，9-平行照明光源，10-靶标区域中心线，11-图像中心线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种多轴视觉测量装置，如图1和图2所示，所述测量装置包括三维运动平台1、Z轴托板2、工业摄像头3、夹具4、回转台6和底座7。

优选的，所述底座7的材料为具有良好热稳定性的大理石或天然花岗岩，能够承受一定的外部冲击和干扰，并且其上表面经过网格法检验后，表面平整度达到00级标准。

所述三维运动平台1安装在底座7上，所述三维运动平台1上设置有三个直线轴导轨，分别为X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨。如图1所示，所述多轴视觉测量装置以X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨的移动方向为基准，建立三维坐标轴，分别为X轴、Y轴和Z轴，其中，X轴、Y轴和Z轴分别相互垂直。所述Z轴托板2安装在Z轴导轨上，即Z轴托板2可在Z轴导轨上沿Z轴方向移动；Y轴导轨可实现Z轴托板2在Y轴方向上的移动；X轴导轨可实现Z轴托板2在X轴方向上的移动。

需要说明的是，所述三维运动平台1的各个直线轴导轨均为高精度直线导轨，且均配备有高精度光栅尺，从而确保各个直线轴导轨的运动平稳性和位移精度。

进一步的，所述工业摄像头3安装Z轴托板2上，并且通过机械调整使工业摄像头3的成像光轴方向与三维运动平台1的X轴方向平行。所述三维运动平台1可以实现工业摄像头3在X轴、Y轴和Z轴三个方向上的直线运动，从而带动工业摄像头3进行空间移动和位置改变，以使工业摄像头3到达正确的测量方位。一方面可以实现工业摄像头3的测量轨迹监测，另一方面也可以使多轴视觉测量装置适应不同形状和大小的被测物体的测量需求，从而使整个装置具有较大的柔性和灵活性。

进一步的，所述回转台6固定在底座7上，且回转台6位于三维运动平台1的Y轴行程的中间位置。通过机械调整使回转台6的回转轴线与三维运动平台1的Z轴方向平行。回转台6内置高精度的圆光栅尺，可以精确转动到所设定的角度位置，并且其台面足够平整。

所述多轴视觉测量装置具有X、Y、Z三个直线轴和一个回转轴C。所述多轴视觉测量装置的X、Y、Z三个直线轴的运动由三维运动平台1实现，而回转轴C的运动由回转台6实现。

进一步的，所述夹具4安装在回转台6的台面上，并且通过机械调整使夹具4的中心轴线与回转台6的回转轴线同轴。所述夹具4上设置有用于确定角向零位的角向零位孔5。

在上述多轴视觉测量装置的基础上，本发明实施例还提供了一种夹具角向零位找正方法，用于确定所述角向零位孔5的中心在回转台6上的角度位置θ₀。所述找正方法包括：

步骤S1：将角向定位靶标8***到夹具4上的角向零位孔5中，将工业摄像头3和回转台6调整为初始状态。

具体的，所述将工业摄像头3和回转台6调整为初始状态包括：

步骤S101：通过三维运动平台1调整工业摄像头3在Y轴方向上位置，使工业摄像头3的成像光轴与回转台6的回转轴线垂直相交；

步骤S102：控制回转台6回零。

具体的，如图2所示，所述角向定位靶标8为圆柱形结构，由硬质合金钢材料制成，具有良好的形状精度。所述角向定位靶标8可安装在角向零位孔5内，形成小间隙配合。

步骤S2：将平行照明光源9放置在工业摄像头3的对侧位置，使角向定位靶标8处于背向照明可采集状态，采集所述角向定位靶标8的背向照明图像。

具体的，如图2所示，所述使角向定位靶标8处于背向照明可采集状态包括：

步骤S201：使角向定位靶标8位于工业摄像头3与平行照明光源9之间，形成背向照明；

步骤S202：通过三维运动平台1调整工业摄像头3在Z轴方向上的位置，调整回转台6的角度位置，使角向定位靶标8进入到工业摄像头3的视场范围内；

步骤S203：通过三维运动平台1调整工业摄像头3在X轴方向上的位置，使工业摄像头3正确对焦于角向定位靶标8。

具体的，在采集所述角向定位靶标8的背向照明图像时，要确保所述平行照明光源9光照方向与X轴方向平行，且所述平行照片光源9的光束正对工业摄像头3的镜头。

步骤S3：对所述背向照明图像进行提取处理，提取出所述背向照明图像中的靶标区域中心线10和图像中心线11，并计算出靶标区域中心线10和图像中心线间11的物理距离。

具体的，所述提取处理由上位机中的控制软件完成，包括滤波降噪、阈值分割、边缘检测和中心线提取。

所述滤波降噪是指：采用中值滤波实现所述背向照明图像的滤波降噪处理，可以在去除图像噪声的同时，保留住图像中的细节信息以便于后续的图像处理。

所述阈值分割是指：采用最大类间方差法确定背向照明图像的全局阈值，并采用该阈值进行背向照明图像的阈值分割，将背向照明图像分割为靶标区域和背景区域。

所述边缘检测是指：采用Sobel边缘检测算子实现靶标区域的边缘检测，提取出靶标区域的左边缘和右边缘。

所述中心线提取是指：通过对靶标区域的左边缘和右边缘求均值，得到靶标区域中心线，完成中心线提取。

如图3所示，所述图像中心线11为背向照明图像的竖直中心线；所述靶标区域中心线10为背向照明图像中黑色矩形的竖直中心线，所述黑色矩形为角向定位靶标8在背向照明图像的图像部分。

所述计算出靶标区域中心线10和图像中心线11间的物理距离包括：

步骤S301：测量出背向照明图像中，靶标区域中心线10与图像中心线11之间的像素距离；

步骤S302：通过距离计算公式，计算得到靶标区域中心线10和图像中心线11间的物理距离，所述计算公式为：

L＝K·n，

步骤S4：根据中心偏角计算公式，计算得到角向定位靶标8的中心偏角θ。

具体的，所述中心偏角θ计算公式为：

其中，如图4所示，θ表示角向定位靶标8的中心偏角，单位为度；L表示靶标区域中心线10和图像中心线11间的物理距离，单位为mm；R表示角向零位孔5到夹具4中心轴线的距离，单位为mm。

步骤S5：将回转台6转动角度θ。

具体的，所述将回转台6转动角度θ是指：转动回转台，使靶标区域中心线向图像中心线靠拢。

步骤S6：重复步骤S2-步骤S5，直至中心偏角θ在角度定位精度范围内，记录此时回转台6的角度位置值θ₀，完成夹具4的角向零位找正。

具体的，所述角度位置值θ₀表示：所述角向零位孔5中心在回转台6上的角度位置值。

本发明实施例提出的找正方法，通过工业摄像头和角向定位靶标，能够确定出夹具角向零位孔的中心在回转台上的角度位置，解决了多轴视觉测量装置中的夹具角向零位找正难题，具有很大的创新价值和实用意义，应用前景广阔。

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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法，其特征在于，所述找正方法包括：

步骤S4：根据中心偏角的计算公式为：

，计算得到角向定位靶标的中心偏角θ；其中，θ表示角向定位靶标的中心偏角，单位为度；L表示靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离，单位为mm；R表示角向零位孔到夹具中心轴线的距离，单位为mm；

步骤S5：将回转台转动角度θ，所述将回转台转动角度θ是指：转动回转台，使靶标区域中心线向图像中心线靠拢；

步骤S6：重复步骤S2-步骤S5，直至中心偏角θ在角度定位精度范围内，记录此时回转台的角度位置值θ₀ ，完成夹具的角向零位找正；其中，角度位置值θ₀ 表示：所述角向零位孔中心在回转台上的角度位置值。

2.根据权利要求1所述的一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法，其特征在于，所述将工业摄像头和回转台调整为初始状态包括：

步骤S102：控制回转台回零。

3.根据权利要求1所述的一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法，其特征在于，所述角向定位靶标为圆柱形结构；所述角向定位靶可安装在角向零位孔内，形成小间隙配合。

4.根据权利要求1所述的一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法，其特征在于，所述使角向定位靶标处于背向照明可采集状态包括：

5.根据权利要求1所述的一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法，其特征在于，所述提取处理包括滤波降噪、阈值分割、边缘检测和中心线提取。

6.根据权利要求1或5所述的一种多轴视觉测量装置中夹具角向零位找正方法，其特征在于，所述计算出靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离包括：

L＝K·n，

其中，L表示靶标区域中心线和图像中心线间的物理距离，单位为mm；n表示靶标区域中心线（10）与图像中心线（11）之间的像素距离，单位为pixel；K表示像素尺寸当量，单位为mm/pixel。