CN208780144U - 一种连接孔在线视觉检测*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种连接孔在线视觉检测***，包括机床、待测量工件、视觉成像***及电脑，机床包括主轴一、主轴二及工作台，工作台上设有用于夹紧待测量工件的夹紧装置，主轴一连接刀具，主轴一用于加工待测量工件，主轴二连接视觉成像***，主轴二用于驱动视觉成像***检测待测量工件，视觉成像***包括刀柄、相机支架、工业数字相机及镜头；主轴二通过刀柄连接相机支架，相机支架用于固定工业数字相机及镜头，机床控制电脑及视觉成像***均连接电脑。本实用新型提供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***，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。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种连接孔在线视觉检测***，属于工业零部件检测设备技术领域。
背景技术
在传统的航空制造工艺中，复杂曲面零件的装配连接孔大多采用钻模板钻孔、划线钻孔等手工制孔方式，其生产准备周期长、劳动强度大、效率低、孔位精度不高。现今航空领域中大量采用复合材料，手工制孔还容易造成复材分层、孔缘出现毛刺豁口、圆孔不圆等诸多问题，严重影响装配质量。手工制孔工艺下的连接孔检测也主要是采用孔径规等通用量具或专用明胶板等人工比对方式。
随着对航空装配质量要求的不断提高，复杂曲面零件如蒙皮、骨架上的大量连接孔不再使用传统工艺在装配现场制孔，而是采用高精度数控机床在零件制造过程中进行独立制孔。然而，对于数控加工的高精度要求连接孔，已有的人工比对式检测方式已不再适用。由于航空零部件上的连接孔尺寸小、数量多，一般为Φ2~8mm的浅圆柱通孔，单个零件上就可能有成百上千个之多，且一般分布于复杂自由曲面薄壁结构上，三坐标测量机、激光跟踪仪、结构光扫描仪等目前通用的数字化检测手段已不能满足如此大量小尺寸连接孔的高效率、高精度检测要求。因此，随着技术的发展，迫切需要一种能够满足高效率、高精度的新型连接孔检测***。
实用新型内容
为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种连接孔在线视觉检测***。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
一种连接孔在线视觉检测***，包括机床、待测量工件、视觉成像***及电脑，机床包括主轴一、主轴二及工作台，工作台上设有用于夹紧待测量工件的夹紧装置，主轴一连接刀具，主轴一用于加工待测量工件，主轴二连接视觉成像***，主轴二用于驱动视觉成像***检测待测量工件，主轴一及主轴二均连接机床控制电脑；
视觉成像***包括刀柄、相机支架、工业数字相机及镜头；主轴二通过刀柄连接相机支架，相机支架用于固定工业数字相机及镜头，机床控制电脑及视觉成像***均连接电脑。
作为本是实用新型的优化方案，前述的一种连接孔在线视觉检测***，相机支架包括相互连接的夹持部及相机固定部，夹持部连接刀柄，相机固定部连接工业数字相机及镜头，工业数字相机连接电脑。
作为本是实用新型的优化方案，前述的一种连接孔在线视觉检测***，视觉成像***还包括光源，光源连接于镜头。
作为本是实用新型的优化方案，前述的一种连接孔在线视觉检测***，光源是环形光源，光源与镜头同心设置。
作为本是实用新型的优化方案，前述的一种连接孔在线视觉检测***，光源是LED光源。
作为本是实用新型的优化方案，前述的一种连接孔在线视觉检测***，夹紧装置是机械夹紧装置、液压夹紧装置、启动夹紧装置或电磁夹紧装置中的任意一种。
作为本是实用新型的优化方案，前述的一种连接孔在线视觉检测***，夹持部的截面是圆形。
作为本是实用新型的优化方案，前述的一种连接孔在线视觉检测***，工业数字相机是CCD相机。
本实用新型所达到的有益效果：
1. 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***，解决手工制孔生产准备周期长、劳动强度大、效率低、孔位精度不高等问题。
2. 在刀具和视觉成像***装夹后，只需进行一次坐标系参数核定，避免重复标定核对；
3. 在零件的一次装夹下完成加工和检测，避免了重复装夹产生的误差；
4. 基于零件设计坐标系建立起加工质量评价模型，加工质量评价要素包括：孔位中心偏差、X向偏差、Y向偏差、Z向偏差、孔径值、椭圆度；
5. 建立起一套完整的连接孔视觉检测***，包含检测路径规划程序和在线检测***；
6. 通过具体零件核验，与三坐标检测结果相比对，视觉检测精度更高。
附图说明
图1是本实用新型整体结构图；
图2是本实用新型视觉成像***结构图；
图3是本实用新型***工作原理图；
图4是本实用新型***通讯原理图；
图5是本实用新型***各坐标关系及标定样板实物图；
图6是本实用新型标定圆孔图像处理流程图；
图7是本实用新型检测数控代码示意图；
图8是本实用新型连接孔加工质量评价模型；
图9是本实用新型连接孔检测***功能模块分解；
图10是本实用新型软件主要功能主要界面；
图11是本实用新型实物零件模型图；
图12是本实用新型连接孔的重复测量偏差分布；
图13是本实用新型CMM与VIHAPIS测量的孔位偏差对比；
图中附图标记的含义：1-主轴一；3-工作台；2-主轴二；3-夹紧装置；4-待测量工件；6-视觉成像***；61-刀柄；62-相机支架；621-夹持部；622-相机固定部；63-工业数字相机；64-镜头；65-光源。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1所示：本实施例公开了一种连接孔在线视觉检测***，包括机床、待测量工件4、视觉成像***6及电脑，机床包括主轴一1、主轴二2及工作台，工作台上设有用于夹紧待测量工件4的夹紧装置3，主轴一1连接刀具，主轴一1用于加工待测量工件4，主轴二2连接视觉成像***6，主轴二2用于驱动视觉成像***6检测待测量工件4，主轴一1及主轴二2均连接机床控制电脑。
如图2所示：具体的，本实施例的视觉成像***6包括刀柄61、相机支架62、工业数字相机63及镜头64；主轴二2通过刀柄61连接相机支架62，相机支架62用于固定工业数字相机63及镜头64，机床控制电脑及视觉成像***6均连接电脑。
本实施例的相机支架62包括相互连接的夹持部621及相机固定部622，夹持部621连接刀柄61，相机固定部622连接工业数字相机63及镜头64，工业数字相机63连接电脑。
为了提升工业数字相机63的拍摄清晰度，本实施例的视觉成像***6还包括光源65，光源65连接于镜头64，光源65优选环形光源，并且光源65与镜头64最好是同心设置。
光源65优选功耗较低、亮度较高的LED光源。
本实施例的夹紧装置3可选用机械夹紧装置、液压夹紧装置、启动夹紧装置或电磁夹紧装置中的任意一种，只需能够达到将待测量工件4固定于机床的工作台即可。
夹持部621的截面是圆形，圆形能够配合现有技术中的刀夹使用，例如钻头刀夹、铣刀刀夹等，其夹持部位的截面均是圆形，无需特意制作新的刀夹，这样能够提升视觉成像***6的通用性。
本实施例的工业数字相机63优选CCD相机。
如图3所示：测量时，首先在机床控制电脑输入加工程序，然后在主轴一1通过刀具加工工件，该过程与现有技术中的零部件加工没有区别。加工完成之后，工作台将加工完成的待测量工件4移动至主轴二2，在该过程中，夹紧装置3不松开。可节省检测定位标定时间，提高生产和检测的效率以及检测精度，在零件的一次装夹下完成加工和检测，避免了重复装夹产生的误差。
此时开始检测路径规划，检测路径规划部分主要功能是利用待测量工件4的加工路径和三维数模生成视觉检测路径规划文件，其中的加工路径及三维数模在主轴一1进行加工之前已经输入至机床控制电脑，属于现有技术的常规手段。
检测路径规划文件中包含了待测连接孔的理论信息（孔位、孔向和孔径）及检测顺序信息。在线检测部分，首先执行***参数标定操作，确定视觉成像***6中工业数字相机63的成像参数及工业数字相机63相对主轴二2末端的位姿参数，相当于主轴一1加工过程中的对刀操作。
为保证视觉成像***6能采集到每个待测连接孔图像数据，利用检测路径规划文件和***标定参数，解算出视觉成像***6每个拍摄位姿对应的机床数控信息；然后执行图像自动采集操作，采集所有被测连接孔的图像；最后通过对采集到的图像进行处理和分析，获得连接孔加工质量评价结果。
图4为图像自动采集模块的***通信示意图。本模块设计的目的是利用数控代码控制机床带动视觉传感器到达预定位姿，然后自动采集图像。其中机床带动视觉成像***6到达预定位姿与主轴一1驱动刀具进行切削加工原理相同。
具体通讯步骤为：
（1）以在机检测***软件所在电脑为服务器端、以机床控制电脑作为客户端建立TCP/IP 通讯连接（现有技术）
（2）数控机床执行数控代码到达指定位置后，电脑发送到达命令字给服务器端，同时机床会执行延时操作数秒；
（3）机床延时期间，服务器端电脑收到命令字后控制工业数字相机63对当前被测连接孔拍照，拍照结束后服务器端电脑向客户端电脑返回拍摄结束命令字；
（4）机床延时结束后执行后续代码，到达下一个位置，重复步骤（2）、（3）操作，直到程序结束，所有检测图像采集完成。
***标定：本实施例***中坐标系关系如图5（a）所示，其中Cm是机床主轴坐标系，Cc 表示相机坐标系，Cp 是标定物坐标系，Tc-p是工业数字相机63坐标系到标定物坐标系的刚体变换矩阵（4×4齐次矩阵，后同），Tp-m是标定物（相当于待测量工件4）坐标系到机床主轴二坐标系的刚体变换矩阵，Tc-m是工业数字相机63坐标系到机床主轴二2坐标系的变换矩阵。***标定的目的是：获得视觉成像***6的参数（内参数），以实现实际尺度下的孔位、孔径检测；获得工业数字相机63坐标系和机床主轴坐标系之间的变换关系，以保证相机按规划位姿拍摄被测连接孔的图像。
工业数字相机63的成像参数标定：工业数字相机63参数标定算法采用张氏经典平面标定法，因为标定物需要在机床上装夹找正，本***专门设计了如图5（b）所示的标定物，标定物表面经过特殊处理以方便在机床上装夹找正，而阵列圆孔则用于工业数字相机63成像参数标定。标定物圆孔与待检测圆孔特征类似，属于表面边缘特征，而非由光照对比度差异形成的边缘特征，因此常规的标定板图像处理方法无法适应本***的标定图像。为此，本文提出了一种带有鲁棒估计的局部环带边缘提取算法。
如图6所示，此算法流程如下：（1）将高斯滤波后的源图像进行二值化处理，分析二值化图像中的圆孔信息获得标定孔的预定位结果；（2）利用标定孔预定位信息在源图像数据上建立连接孔边缘的环形感兴趣区域（ROI），利用Canny 算子[5]对ROI内的图像进行边缘提取操作，获得初始边缘；（3）将初始边缘轮廓点进行鲁棒估计筛选，然后将筛选点经亚像素定位处理，获得轮廓点最终位置；
将最终的轮廓点进行椭圆拟合，完成椭圆中心的定位。1.2相机与机床主轴关系标定图 5（a）中相机坐标系与机床主轴坐标系间的变换关系也称手眼关系。为了保证相机能采集到被检测孔的图像，需要控制机床主轴带动相机运动到预定位置，而机床运动信息的计算依赖于精确的手眼关系。工业数字相机63成像参数标定算法中每张标定图像会获得相应的Tc-p信息，而标定物事先已经在机床找正，依据拍摄每张标定图像时的机床读数可获得Tp-m的准确信息，需要求解的手眼关系Tc-m 可以依据公式（1）计算出。
Tc-m=Tp-m·Tc-p 公式（1）
理论上一张图像就可获得手眼关系，但为抑制可能的手眼关系计算偏差，本文对所有图像产生的手眼关系进行鲁棒估计，剔除存在较大误差的手眼关系矩阵，然后取平均值。
视觉检测数控代码生成：视觉成像***6可以看作是将一把刀具安装到机床刀柄上，但由于视觉成像***6的轴线无法像刀具轴线一样与机床主轴坐标系Z轴形成同轴关系，因此本文的检测***无法直接使用连接孔加工时的数控代码，而需要重新计算视觉检测数控代码。在视觉成像***6的轴线和待测孔的法矢量对齐的情况下，视觉成像***6拍摄的待测孔图像成像效果最好，也最有利于图像处理，本文称之为被测孔的正位图像。为保证清晰成像，相机需要和待测孔保持固定距离d，该值由相机标定步骤得到。记待测孔孔轴矢量齐次坐标为Vh= ijk0 TT，待测孔孔轴矢量在视觉成像***6坐标系下的齐次坐标为Vc=¬00−10 TT，待测孔在零件设计坐标系下的孔心位置齐次坐标为Ph Ph = ¬Xh Yh Zh 1TT，待测孔孔位坐标在相机坐标系下的齐次坐标为Pc = ¬ 00d 1 TT。记机床主轴坐标系到零件设计坐标系的转换为Tm-h，整个坐标转换数学表达形式为：
Vh=Tm-h·Tc-m·Vc 公式（2）
Ph=Tm-h·Tc-m·Pc 公式（3）
式中：Tm-h 矩阵是需要求解的变换矩阵，而不同机床构型导致求解的运动分量不同。本文已经开发了针对AC双摆头机床、A摆头C转台机床和斜 45°B 摆头C 转台机床的解算程序。以A摆头C转台机床为例，需要求解的机床数控分量为（X，Y，Z，C，A），则Tm-h可表示为：
Tm−h = TXYZTRCTRA ·T m−h = TXYZTRCTRA ·T m−h = TXYZTRCTRA 公式（4）式中：TRA为绕A轴的旋转变换矩阵，TRC为绕C轴的旋转变换矩阵，TXYZ为平移变换矩阵。
结合公式（2）和（4），首先求解出数控分量（C,A），然后利用公式（3）和（4）求解出数控分量（X，Y，Z），获得相机拍摄每个连接孔时机床数控机构的运动信息。运动信息以数控代码的形式给出，如图7所示。
连接孔加工质量评价：连接孔加工质量评价是为了得到待测孔的孔位、孔径检测结果。对于采集的检测图像，利用已经获得的***中各个坐标系之间的准确变换关系，求解出每个待测孔的理论成像信息，利用该信息在图像上划分感兴趣区域（ROI），可减少图像处理工作量、提高处理速度。对于每个孔的检测图像，其处理流程与标定板圆孔处理流程类似，但考虑到连接孔实际检测环境，检测图像处理中使用Deriche算子替代Canny算子进行边缘提取。Deriche算子能有效地削减零件的表面纹理对边缘提取的干扰，保证边缘提取稳定性和准确性。图像处理结束获得的被测孔椭圆信息是在图像二维平面上，而连接孔加工质量评价目标是得到零件设计坐标系下的加工质量评价结果，故本文建立了如图8所示的评价模型。
利用二维图像信息评价连接孔加工质量误差：被测连接孔是曲面法向孔，被测孔的孔径较小可以看作是位于小平面内的平面孔，同时相机是正位拍摄待测孔，因此连接孔边缘所在小平面与图像平面是平行关系，利用拍摄距离这一固定参数，得到连接孔在相机坐标系下的实际孔位和孔径参数；数控代码计算步骤中，拍摄每个待测孔时相机坐标系与零件坐标系的变换关系是确定和已知的，利用该变换关系将被测孔在相机坐标系下的孔位、孔径参数转换到零件坐标系下，对比被测孔理论孔位和孔径参数，就可以获得被测孔的加工质量评价结果。
软件功能模块简介：本***基于Visual Studio 2013平台，以组件模块化思路开发，图9为***软件模块分解图，分为路径规划（图 10（a）为软件检测路径规划预览界面）和在线检测（图 10（b）为在线检测启动界面）两部分。为方便***软件的开发、维护和更新，将***按模块功能不同开发为独立的程序。***模块与模块之间通过***参数文件和自定义格式的数据文件实现信息交流和数据传递。***检测时以工程化思路管理每次检测操作的数据，即每次检测对应一个检测工程目录来保存所有与此次检测相关的文件数据。2***快速标定方法为方便操作者快速简便地完成标定操作，***参数标定程序（见图 10（c））利用图像自动采集机制，结合图像处理模块和***参数计算模块实现了一种快速标定方法：（1）采集标定图像前先编制好采集标定图像所用的标定数控代码；（2）利用标定代码执行图像自动采集操作，采集所有标定图像；（3）开启相机参数标定线程，自动完成***所有参数标定。3并行处理图像机制***检测时，图像自动采集程序作为独立程序会在后台保持运行，采集图像数据并保存到检测图像文件夹中。在线图像处理程序有一单独的线程负责实时监控检测图像文件夹中图像数量变化情况，一旦检测到有新的图像输入就开启子线程对图像进行处理分析，处理结束的加工质量评价结果会在主界面线程中实时更新。图10（d）为在线图像处理程序的工作界面，程序展示了源图像和图像处理结果，检测结果列表中同步更新了所有的检测结果。
检测结果与讨论：为了验证视觉检测***的检测精度，对图11所示的飞机骨架零件进行了重复精度验证，并与三坐标测量机（CMM）的检测结果进行了对比，结果如图12、13。
与三坐标测量机测量结果对比验证对图11所示的带有118个连接孔的航空零件分别使用VIHAPIS***和三坐标测量机进行测量，对各自的偏差平均值和标准差进行统计（三坐标测量机检测的平均值和标准值分别为0.0745mm和0.0299mm，VIHAPIS***检测的平均值和标准值分别为0.0421mm和 0.0223mm），并对两种方法的孔位偏差值进行分布比对，结果如图13所示。通过分析***的重复测量精度，并对比三坐标测量机测量结果，可以看出本文研发的连接孔在机检测***VIHAPIS具有较高的精确度（重复性测量偏差不大于0.01mm），而与三坐标测量机测量结果相比偏差均小于0.1mm。由于本文检测方法为在机原位检测，无须搬运和重新装夹找正，因此在测量的现场性、稳定性和测量效率（每孔的检测时间小于5s）等方面较三坐标测量方法具有综合优势。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，包括机床、待测量工件（4）、视觉成像***（6）及电脑，所述机床包括主轴一（1）、主轴二（2）及工作台，所述工作台上设有用于夹紧待测量工件（4）的夹紧装置（3），所述主轴一（1）连接刀具，主轴一（1）用于加工待测量工件（4），所述主轴二（2）连接视觉成像***（6），主轴二（2）用于驱动视觉成像***（6）检测待测量工件（4），所述主轴一（1）及主轴二（2）均连接机床控制电脑；
所述视觉成像***（6）包括刀柄（61）、相机支架（62）、工业数字相机（63）及镜头（64）；所述主轴二（2）通过刀柄（61）连接相机支架（62），所述相机支架（62）用于固定工业数字相机（63）及镜头（64），机床控制电脑及所述视觉成像***（6）均连接电脑。
2.根据权利要求1所述的一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，所述相机支架（62）包括相互连接的夹持部（621）及相机固定部（622），所述夹持部（621）连接刀柄（61），所述相机固定部（622）连接工业数字相机（63）及镜头（64），所述工业数字相机（63）连接电脑。
3.根据权利要求1所述的一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，所述视觉成像***（6）还包括光源（65），所述光源（65）连接于镜头（64）。
4.根据权利要求3所述的一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，所述光源（65）是环形光源，光源（65）与镜头（64）同心设置。
5.根据权利要求3或4所述的一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，所述光源（65）是LED光源。
6.根据权利要求1所述的一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，所述夹紧装置（3）是机械夹紧装置、液压夹紧装置、启动夹紧装置或电磁夹紧装置中的任意一种。
7.根据权利要求2所述的一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，所述夹持部（621）的截面是圆形。
8.根据权利要求1所述的一种连接孔在线视觉检测***，其特征在于，所述工业数字相机（63）是CCD相机。
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2018
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