CN114777607B - 一种回转体同轴度误差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及回转体零件技术领域，且公开了一种回转体同轴度误差检测方法，包括转台转动单元、接触式传感器单元、视觉传感器单元、标定单元和数据处理单元。该回转体同轴度误差检测方法，通过对内、外测部件的测量模型进行分析，建立了以转台回转轴线为Z轴的统一坐标系，构建了内、外测部件到统一坐标系的转换关系，并结合通过截面圆圆心坐标的测量方法，能够准确计算出轴孔类回转体的同轴度误差，因此本发明所述基于多传感器的回转体同轴度误差检测方法，具有操作简单高效、测量速度快以及精度高等优点，可以适应多种工业测量环境，实现在线测量，完成一次***标定后可以实现同等规格的零件进行批量在线测量。

Description

一种回转体同轴度误差检测方法

技术领域

本实用发明专利涉及多传感器结合测量技术领域，具体涉及一种回转体同轴度误差检测方法。

背景技术

回转体同轴度误差的检测是评定其加工精度的重要指标之一，减小轴孔类回转体零件制造的同轴度误差能够延长相关设备的使用寿命，传统的同轴度检测方法主要有顶尖法、V形架法、准直法、气动塞规法、量规检验法等，这些方法的操作程序较为复杂，而且检测速度慢、精度低，无法满足在工业自动化生产线中的应用需求。另外，对同轴度检测往往需要进行多参数测量并且具有复杂的计算过程，无法满足企业实际生产需求。

机器视觉测量技术具有无损检测、可在线检测且检测速度快等优点，目前基于机器视觉的回转体零件尺寸测量主要有利用投影成像原理的二维测量，但其测量参数类型非常有限，以及利用视觉传感器与结构光相结合的三维测量，其***内外参数标定以及***搭建较为复杂，应用到工业测量现场较为困难，因此如何应用于复杂的工业现场并满足实时高效测量要求是制造业生产中比较困难的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

为克服以上存在的技术困难，本发明的目的是提供一种回转体同轴度误差检测方法，具有测量速度快、精度高以及自动化程度高等特点，且环境适应性强，可以实现工业现场的同轴度误差自动检测的功能，解决了目前基于机器视觉的回转体零件尺寸测量主要有利用投影成像原理的二维测量，但其测量参数类型非常有限，以及利用视觉传感器与结构光相结合的三维测量，其***内外参数标定以及***搭建较为复杂，应用到工业测量现场较为困难的问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种回转体同轴度误差检测方法，包括转台转动单元、接触式传感器单元、视觉传感器单元、标定单元和数据处理单元；其中转台转动单元用于固定被测工件并实现带动工件旋转；其中，接触式传感器单元用于获取轴孔类回转体内测孔的端面点云数据；其中，视觉传感器单元用于获取轴孔类回转体轴的端面点云数据；标定单元用于标定接触式传感器单元和视觉传感器单元的相对位置关系；其中，数据处理单元用于处理所得相对位置关系及端面点云数据，得到回转体的同轴度误差评价参数。

其检测方法，包括以下步骤：

S1、将回转体的孔的轴线作为基准轴线，把接触式传感器单元和视觉传感器单元的测量统一在同一个空间坐标系下，建立以转台的回转轴线为Z轴的统一坐标系；

S2、测量孔的截面圆圆心坐标：接触式传感器单元在轴的带动下进入到零件内部的某一高度位置，对孔表面进行接触式测量，同时与转台旋转相配合，得到该截面的多个测量点数据，结合转台旋转角度，计算得到该截面圆圆心坐标；

S3、测量轴的截面圆圆心坐标：视觉传感器单元在轴带动下移动到某一高度，获取零件轴表面的轮廓形状，利用图像处理技术得到边缘直线方程，同时配合转台的旋转以及旋转角度信息，计算得到当前高度的截面圆圆心坐标；

S4、拟合孔的轴线的直线方程：上下移动接触式传感器单元测量多个截面圆圆心坐标，根据同轴度误差检测行业标准，利用最小二乘法拟合出孔的轴线在统一坐标系下的直线方程；

S5、计算同轴度误差值：通过前面步骤得到了基准轴线的直线方程，以及轴的截面圆圆心依次连接而成的实际被测轴线，根据同轴度误差的定义，直接计算得到同轴度误差值。

所述S1中，利用尖锐物体靶标、接触式传感器测头和标准环规进行标定，得到视觉传感器单元和接触式传感器单元的相对位置及二者之间的坐标关系，其步骤如下：

S101、利用接触式传感器单元的测头在视觉传感器中成像，通过图像信息及各轴位置信息确定相对高度关系；

S102、基于三角形外接圆法的测量原理，得到孔表面截面圆测量数学模型，利用内径已知的标准环规进行标定，得到内测部件在统一坐标系下的位置关系；

S103、利用尖锐物体靶标经过转台转动后，得到在两视觉传感器采集到的图像，求解两个视觉传感器成像区域边界到回转轴线的距离，确定视觉传感器单元在统一坐标系下的位置。

优选的，得到的轴孔类回转体的同轴度误差评价参数，包括两轴线的位置坐标。

优选的，对所述S2和S3中出现的孔和轴的不同高度的截面圆进行测量，得到圆心坐标，根据不同高度的截面圆圆心坐标即可得到实际被测轴线以及拟合计算出基准轴线。

优选的，所述回转体同轴度误差检测方法适用于Visio Studio或Matlab平台。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种回转体同轴度误差检测方法，具备以下有益效果：

该多传感器协同的回转体同轴度测量方法，通过对内、外测部件的测量模型进行分析，建立了以转台回转轴线为Z轴的统一坐标系，构建了内、外测部件到统一坐标系的转换关系，并结合通过截面圆圆心坐标的测量方法，能够准确计算出轴孔类回转体的同轴度误差，因此本发明所述基于多传感器的回转体同轴度误差检测方法，具有操作简单高效、测量速度快以及精度高等优点，可以适应多种工业测量环境，实现在线测量，完成一次***标定后可以实现同等规格的零件进行批量在线测量。

附图说明

图1为本发明的的原理示意图；

图2为本发明中内测量***与转台回转轴线相对位置确定原理示意图；

图3为本发明中外测量***的成像区域与零件位置示意图；

图4为本发明中外测量***的成像区域间距测量原理图；

图5为本发明中外测量***与转台回转轴线相对位置确定原理示意图；

图6为本发明中利用外测视觉测量单元采集到的薄壁回转体图像；

图7为本发明中利用接触式传感器及转台测量截面圆圆心坐标模型图；

图8为本发明中利用视觉传感器测量轴截面圆圆心模型图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-8，一种回转体同轴度误差检测方法，包括转台转动单元、接触式传感器单元、视觉传感器单元、标定单元和数据处理单元；其中转台转动单元用于固定被测工件并实现带动工件旋转；其中，接触式传感器单元用于获取轴孔类回转体内测孔的端面点云数据，可针对轴孔类回转体尺寸的不同规格替换视觉测量单元镜头、调整测量距离等；其中，视觉传感器单元用于获取轴孔类回转体轴的端面点云数据；标定单元用于标定接触式传感器单元和视觉传感器单元的相对位置关系，标定单元包括尖锐物体靶标、接触式传感器单元测头和标准环规；其中，数据处理单元用于处理所得相对位置关系及端面点云数据，得到回转体的同轴度误差评价参数，数据处理单元可选用Visio Studio或Matlab平台。

一种回转体同轴度误差检测方法，包括以下步骤：

S1、将回转体的孔的轴线作为基准轴线，把接触式传感器单元和视觉传感器单元的测量统一在同一个空间坐标系下，建立以转台的回转轴线为Z轴的统一坐标系，回转体同轴度误差检测方法适用于Visio Studio或Matlab平台；

S1中，利用尖锐物体靶标、接触式传感器测头和标准环规进行标定，得到视觉传感器单元和接触式传感器单元的相对位置及二者之间的坐标关系，其步骤如下：

S101、利用接触式传感器单元的测头在视觉传感器中成像，通过图像信息及各轴位置信息确定相对高度关系；

S102、基于三角形外接圆法的测量原理，得到孔表面截面圆测量数学模型，利用内径已知的标准环规进行标定，得到内测部件在统一坐标系下的位置关系；

S103、利用尖锐物体靶标经过转台转动后，得到在两视觉传感器采集到的图像，求解两个视觉传感器成像区域边界到回转轴线的距离，确定视觉传感器单元在统一坐标系下的位置；

在转台上固定某一尖锐物体靶标，并使得其尖端能够在左侧视觉传感器中成像，然后转台旋转180度，旋转后的物体在右侧视觉传感器中成像，由几何关系可确定了视觉传感器单元在统一坐标系中的位置；

S2、测量孔的截面圆圆心坐标：接触式传感器单元在轴的带动下进入到零件内部的某一高度位置，对孔表面进行接触式测量，同时与转台旋转相配合，得到该截面的多个测量点数据，结合转台旋转角度，计算得到该截面圆圆心坐标；

S3、测量轴的截面圆圆心坐标：视觉传感器单元在轴带动下移动到某一高度，获取零件轴表面的轮廓形状，利用图像处理技术得到边缘直线方程，同时配合转台的旋转以及旋转角度信息，计算得到当前高度的截面圆圆心坐标，对S2和S3中出现的孔和轴的不同高度的截面圆进行测量，得到圆心坐标，根据不同高度的截面圆圆心坐标即可得到实际被测轴线以及拟合计算出基准轴线；

S4、拟合孔的轴线的直线方程：上下移动接触式传感器单元测量多个截面圆圆心坐标，根据同轴度误差检测行业标准，利用最小二乘法拟合出孔的轴线在统一坐标系下的直线方程；

S5、计算同轴度误差值：通过前面步骤得到了基准轴线的直线方程，以及轴的截面圆圆心依次连接而成的实际被测轴线，根据同轴度误差的定义，直接计算得到同轴度误差值。

上述基于多传感器的回转体同轴度误差检测方法，能够在工业现场实现在线测量，尤其适合薄壁轴孔类回转体同轴度测量，多传感器的回转体同轴度误差检测方法，包括以下步骤：

S01、搭建基于多传感器的回转体同轴度误差检测方法，调节视觉测量单元，使回转体零件可以在两个视觉传感器中清晰成像。

S02、利用尖锐物体靶标和标准环规对接触式传感器单元、视觉测量单元和转台转动单元构成的多传感器测量***进行标定，得到接触式传感器单元***和视觉测量单元***与转台回转轴线的相对位置关系；

S03、视觉传感器测量单元获取回转体外端面点云数据，拟合轴孔类回转体轴端面上的圆心；接触测量单元获取回转体内端面点云数据，拟合轴孔类回转体孔端面上的圆心；因此，分别计算得到在同一坐标系的一个轴线方程和多个轴截面圆圆心坐标；

S04、利用传感器测头在视觉传感器中成像，根据图像信息及各轴位置信息确定相对高度关系。

S05、通过基于三角形外接圆法的测量原理，可以得到孔表面截面圆测量数学模型，如图2所示，由几何关系可以得到含有未知数L的半径表达多项式，其推导过程如下：

利用内径已知的标准环规，内径为R₀，可以得到方程：

R(L)＝R₀

带入测量数据，利用Matlab对方程进行求解，能够得到的值。这样就得到了接触式传感器测头测量起点到转台回转轴线的距离，也就确定了内测部件在统一坐标系中的位置。

S06、利用靶标经过转台转动后，得到在两视觉传感器采集到的图像，分别以采集到的两幅图像的左上角为原点建立像素坐标系O1X1Y1和O2X2Y2，由几何关系可得：

d＝l_0l+l₀-l_0r

首先移动带动视觉传感器前后移动的Y轴，移动到两视觉传感器都能采集到零件边缘图像的位置，记下当前位置，并且在每次进行该型号零件轴的截面圆圆心测量时，Y轴都要运动到该位置。然后取下零件，在转台上固定某一尖锐物体，并使得其尖端能够在左侧视觉传感器中成像。原理图如图5。左侧视觉传感器采集物体图像，经过图像处理技术得到尖锐物体尖端点到成像区域的边界的距离l_rl，然后转台旋转180度，旋转后的物体在右侧视觉传感器中成像，同样利用图像处理技术得到图中的l_rr，转物体前后的尖端点到回转轴线的距离是相等的，根据这一性质，由几何关系可得：

根据上述原理，就得到了两个视觉传感器成像区域边界到转台回转轴线的距离d_l和d_r，也就确定了外测部件在统一坐标系中的位置。

S07、利用接触式传感器及转台测量截面圆圆心坐标模型，如图7所示，根据三个测点计算截面圆圆心坐标过程如下：

三个测点坐标：

带入圆方程：

解得圆心坐标：

S08、根据k不同高度截面圆圆心坐标序列，拟合孔轴线，拟合过程如下：

算术平均中心点O₀(x₀,y₀,z₀)的坐标为：

设直线LEO的直线方程为：

利用最小二乘法拟合得到l、m、n：

S09、利用视觉传感器测量轴截面圆圆心，模型图如图8所示，可以得到图中A、B两点在坐标系中的横坐标x_A、x_B，以及C、D两点的纵坐标y_C和y_D，设P点坐标为(x_P,y_P)，将A、B、C、D四点坐标带入圆方程可得方程组：

解得：

S10、计算同轴度过程如下：

某圆心点O′_i(x′_i,y′_i,z′_i)到直线LEO的距离为：

d_i＝l_i·sinθ_i

其中，

可以求得k个距离(d₁,d₂,…,d_k)，其中的最大值为d_max，则同轴度误差值为：

φf＝2d_max。

综上所述，该回转体同轴度误差检测方法，首先根据被测回转体的尺寸调整测量装置于合适的位置，之后根据本发明提出的标定方法建立统一的坐标系***，接触式传感器在轴的带动下进入到零件内部的某一高度位置，对孔表面进行接触式测量，同时与转台旋转相配合，得到该截面的多个测量点数据，两视觉传感器在轴带动下移动到某一高度，获取零件轴表面的轮廓形状，利用图像处理技术得到边缘直线方程，同时配合转台的旋转以及旋转角度信息，计算得到当前高度的截面圆圆心坐标，进一步分别计算得到在同一坐标系的一个轴线方程和多个轴截面圆圆心坐标，给出同轴度误差评价参数，本发明操作简单高效、测量速度快、测量精度高且环境适应性强，能够在工业现场实现在线测量，适合轴孔类回转体的同轴度测量，得到的轴孔类回转体的同轴度误差评价参数，包括两轴线的位置坐标。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种回转体同轴度误差检测方法，其特征在于：包括转台转动单元、接触式传感器单元、视觉传感器单元、标定单元和数据处理单元；其中转台转动单元用于固定被测工件并实现带动工件旋转；其中，接触式传感器单元用于获取轴孔类回转体内测孔的端面点云数据；其中，视觉传感器单元用于获取轴孔类回转体轴的端面点云数据；标定单元用于标定接触式传感器单元和视觉传感器单元的相对位置关系；其中，数据处理单元用于处理所得相对位置关系及端面点云数据，得到回转体的同轴度误差评价参数；

其检测方法，包括以下步骤：

S1、将回转体的孔的轴线作为基准轴线，把接触式传感器单元和视觉传感器单元的测量统一在同一个空间坐标系下，建立以转台的回转轴线为Z轴的统一坐标系；

S2、测量孔的截面圆圆心坐标：接触式传感器单元在轴的带动下进入到零件内部的某一高度位置，对孔表面进行接触式测量，同时与转台旋转相配合，得到该截面的多个测量点数据，结合转台旋转角度，计算得到该截面圆圆心坐标；

S3、测量轴的截面圆圆心坐标：视觉传感器单元在轴带动下移动到某一高度，获取零件轴表面的轮廓形状，利用图像处理技术得到边缘直线方程，同时配合转台的旋转以及旋转角度信息，计算得到当前高度的截面圆圆心坐标；

S4、拟合孔的轴线的直线方程：上下移动接触式传感器单元测量多个截面圆圆心坐标，根据同轴度误差检测行业标准，利用最小二乘法拟合出孔的轴线在统一坐标系下的直线方程；

S5、计算同轴度误差值：通过前面步骤得到了基准轴线的直线方程，以及轴的截面圆圆心依次连接而成的实际被测轴线，根据同轴度误差的定义，直接计算得到同轴度误差值；

所述S1中，利用尖锐物体靶标、接触式传感器测头和标准环规进行标定，得到视觉传感器单元和接触式传感器单元的相对位置及二者之间的坐标关系，其步骤如下：

S101、利用接触式传感器单元的测头在视觉传感器中成像，通过图像信息及各轴位置信息确定相对高度关系；

S102、基于三角形外接圆法的测量原理，得到孔表面截面圆测量数学模型，利用内径已知的标准环规进行标定，得到内测部件在统一坐标系下的位置关系；

S103、利用尖锐物体靶标经过转台转动后，得到在两视觉传感器采集到的图像，求解两个视觉传感器成像区域边界到回转轴线的距离，确定视觉传感器单元在统一坐标系下的位置。

2.根据权利要求1所述的一种回转体同轴度误差检测方法，其特征在于：得到的轴孔类回转体的同轴度误差评价参数，包括两轴线的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的一种回转体同轴度误差检测方法，其特征在于：对所述S2和S3中出现的孔和轴的不同高度的截面圆进行测量，得到圆心坐标，根据不同高度的截面圆圆心坐标即可得到实际被测轴线以及拟合计算出基准轴线。

4.根据权利要求1所述的一种回转体同轴度误差检测方法，其特征在于：所述回转体同轴度误差检测方法适用于Visio Studio或Matlab平台。