CN101182990B - 一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统。该系统包括机械臂安装座、机械臂、相机、光源架、机械臂数控模块、图像采集卡和计算机；机械臂安装座是内置步进电机和传动齿轮的便捷接口件，安装在机床主轴壳体或工作台上；可两维伸缩和绕两轴转动的机械臂安装于机械臂安装座上，其末端夹持相机；光源架安装在工件的上方；机械臂数控模块一端与机械臂连接，另一端与计算机连接；计算机还通过图橡采集卡与相机连接。测量系统只需用相机摄取被测物体图像，经图像分析，计算出测量结果，完全采用视像法，无需激光光源及激光测头、接触式触发测头等机构，省却昂贵的激光机构费用和不受接触式测量方法的限制。
Description
技术领域
本发明涉及在制品测量方法及其装置，具体涉及一种基于机器视觉的大型在制工件三维几何形状与尺寸检测系统的方法及其系统。
背景技术
目前机械制造业中零件的几何加工质量控制体系建立在加工后离机检测的基础上，且以接触式测量为主要方法。三坐标测量机等接触式测量设备虽然有很高的测量精度，但是工件必须撤离加工机床再安装在测量机上检测，一旦发现加工尺寸、形位精度不合格，装回到加工机床上重新加工时，定位和加工往往累积超差。事后的被动式检测既费时又效果差，使零件加工的返工和报废率很高。此外，一方面精密接触式测量设备需在测量室环境下使用，另一方面，工件的很多复杂表面，尤其内凹曲面或盲孔、窄槽等，接触式测量往往对之无能为力。加工与检测(尤其非接触式检测)在加工现场结合，是当今制造业的最薄弱之处，在加工位置的工件三维可视化、数字化几何检测是解决该类问题的关键技术之一。
近年来机器视觉技术的发展，数字化的视像识别与检测系统已经在许多行业得到实用并取得显著效益。在零件加工行业，商品化的二维视像检测仪器已经用于小物件的平面形状与尺寸测量，如国产的EP-1光学式投影仪的放大倍率有10X、20X和50X三档，对应的测量视场分别为30mm、15mm和6mm。投影仪的基本特征是具有内置光源、光学放大镜、透光的玻璃工作台面和大投影屏，实现将放在工作台上的被测物放大后在投影屏上观察、测量的功能。也已经有二维视像加一维(高度)接触式测量的三维几何测量仪器，但只适用于较小高度的测量，如日本三丰(Mitutoyo)Quick Vision系列视像测量机，最大检测高度小于250mm，采用接触式触头或激光实现高度方向测量，其基本特征是具有精密测量仪器级的大龙门机身、机架及其位移与控制系统、内置光源，除视像测头外还需加装接触式触发测头或激光测头、激光光源、激光全息光栅尺等精密部件。上述两类视像测量仪器都只能在测量室环境中使用，被测物体必须置于仪器自身的载物台上。目前尚无能在加工机床上应用的二维平面视像测量仪器，也没有只用视像法、适应大型工件三维测量的仪器，更没有直接在加工机床上应用的工件三维视像测量仪器。基于结构光调制原理的测量系统可能应用于大型物体的三维几何测量，但其系统构成和工作原理与本专利方法不同。结构光三维视觉系统最基本的特征是必须具有专门的条纹光光学投射器，它将一定模式的条纹结构光投射于物体的表面，形成由被测物体表面形状所调制的光条图像，处于另一位置的摄像机摄取被调制光条图像，经软件处理后得到三维点云图，由此重构出被测物体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实用、费用相对较低的可直接在加工机床上测量大型在制工件的系统。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，包括机械臂安装座、机械臂、相机、光源架、机械臂数控模块、图像采集卡和计算机；机械臂安装座是内置步进电机和传动齿轮的便捷接口件，安装在机床主轴壳体或工作台上，可驱动机械臂绕垂直或平行于安装座安装平面的轴转动；可两维伸缩和绕两轴转动的机械臂安装于机械臂安装座上，其末端夹持相机；光源架安装在工件的上方；机械臂数控模块一端与机械臂连接，另一端与计算机连接；计算机还通过图橡采集卡与相机连接。
为进一步实现本发明目的，所述便捷接口件为发兰盘或燕尾槽或铁磁性吸盘。
所述机械臂数控模块包括机械臂中的电机驱动元件和与计算机通讯的电路，用于实现计算机对机械臂的数控。
所述相机5机械地安装在机械臂的末端。
所述计算机为通用的个人计算机或工控机。
所述相机为大尺寸、高分辨率的CCD或CMOS数字工业相机，包括成像畸变小的远心、变焦或变倍镜头。
所述机械臂包括依次连接的机械臂接口、大臂、关节、小臂和相机座；机械臂接口上端与机械臂安装座用滚动轴承连接，大臂的滚珠丝杠与机械臂安装座的输出轴通过联轴器连接，由机械臂安装座中的电机带动大臂及小臂旋转；大臂的滚珠丝杠上配合有可在其上移动的大滑板及其驱动电机，实现大臂的伸缩；关节安装在大臂末端，设有铰链轴及驱动电机，可带动小臂转动；小臂通过关节与大臂连接，小臂中有齿轮轴，底部有齿的带电机滑块可在齿轮轴上移动，实现小臂伸缩；小臂末端安装可调的相机座。
在所述相机座与相机之间加装数控相机云台。
所述光源架包括刚性杆、光源、刚性杆座和调光器，通过位于四角的刚性杆座组成方形结构；刚性杆一侧固定LED光源，刚性杆两端为螺纹段，旋入刚性杆座的螺纹通孔中，可调节框架大小；通过旋动刚性杆可以调节光源条的照射角度；调光器与各条光源相连，用于调节光强。
所述光源架安装在工件的上方是指光源架用柔性的绳索或链吊装在机械臂上，或安装在机床内壁，或直接放置在加工机床工作台上，或者直接放置在工件上。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)本发明测量系统只需用相机摄取被测物体图像，经图像分析，计算出测量结果。因完全采用视像法，故无需激光光源及激光测头、接触式触发测头等基于其他测量方法的机构，省却昂贵的激光机构费用和不受接触式测量方法的限制。
(2)携载相机的灵巧轻型数控机械臂可便捷安装在加工机床上，无需另设机身、机架。数控机械臂是个轻质的多关节机器人，虽然其本身不行走，但可随机床主轴大范围三维移动，自身还可多向转动和伸缩，非测量时段可自行折起以保护相机和避免干涉加工。
(3)工件不必撤离加工机床，相机由灵巧机械臂携载，可对在加工位置的工件进行摄像，由其图像可计算出几何测量值。
(4)携载相机的机械臂安装在机床主轴壳体上随主轴移动，可以实现对机床所能加工最大工件的测量。即便工件尺寸比较大，也可由分区域多次摄取的图像拼接成完整图像，并计算出几何测量值。
(5)相机由灵巧机械臂携载，可对在加工位置的工件进行多方位摄像；经图像处理可以重建出被测工件的三维立体，从而可以在加工机床上实现工件的三维测量。
附图说明
图1是本发明基于机器视觉的大型在制品几何测量系统示意框图；
图2是图1中机械臂的组成和运动示意图；
图3是图1中贴附在工件被测表面的薄片标志及利用其进行图像拼接的示意图；
图4是图1中光源架的组成示意图；
图5是图1中测量系统的工作流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表达的范围。
如图1所示：基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统包括工件1、加工机床工作台2、机械臂安装座3、机械臂4、相机5、光源架吊索6、光源架7、机械臂数控模块8、图像采集卡9、显示屏10和计算机11。安装在加工机床工作台2上的工件1保持在加工位置，刀具退到加工区外适当距离。机械臂安装座3是内置步进电机和传动齿轮的便捷接口件，安装在机床主轴壳体或工作台上，可驱动机械臂4绕垂直或平行于安装座安装平面的轴转动；可两维伸缩和绕两轴转动的机械臂4固装于机械臂安装座3上，其末端夹持相机5；光源架7安装在工件的上方；机械臂数控模块8附置于机械臂安装座3外壳体上或单置于计算机11附近，其电路一端与机械臂4连接，另一端与计算机11连接；计算机11还通过图橡采集卡9与相机5连接。具体说，机械臂安装座3的一端是与具体机床主轴壳体或工作台相适配的便捷接口件，如用2～4个螺钉固定的发兰盘，或燕尾沟槽、或铁磁性吸盘，座中内置步进电机和传动齿轮，通过联轴器将其齿轮轴与机械臂4中大臂13的丝杠联结，机械臂安装座3的另一端与机械臂4的接口12用滚珠轴承连接。机械臂安装座3静止，其中的步进电机可驱动机械臂4旋转。机械臂4可两维伸缩和两向转动，其末端夹持相机5。机械臂数控模块8是一个盒体，包括机械臂安装座3中和机械臂4中各步进电机的驱动器和控制电路，与计算机11连线通讯，用于实现计算机11对机械臂4的数控。由于只是确定相机位置，控制精度不必太高，可以开环数控。光源架7用柔性的绳索6或链吊装在机械臂上，也可以机械地安装在机床内壁上或直接放置在机床工作台上实现对工件的照明。安装在机械臂4末端的相机5直接摄取工件图像，采用大尺寸、高分辨率的CCD(或CMOS)数字工业相机、成像畸变小的远心、变焦或变倍镜头，通过图橡采集卡9进行相机和计算机11之间的信息转换和传输。计算机11为通用的个人计算机或工控机，用于对机械臂进行数控和接收图像采集卡传来的图像信息并进行后续图像处理，计算和输出测量结果。显示屏10为与通用计算机配用的通用显示屏，用于显示人机交互界面和测量结果。
相机与工件的三维长距离相对位移由加工机床主轴相对机床工作台移动来实现，机械臂4本身可携载相机在中小范围(行程200mm以内)内移动或转动。如图2所示，机械臂4由机械臂接口12、大臂13、关节14、小臂15和相机座16等部件组成。机械臂接口12上端与机械臂安装座3用滚动轴承连接，大臂13的滚珠丝杠与机械臂安装座3的输出轴通过联轴器连接，由机械臂安装座3中的步进电机带动大臂13及小臂15作φ1旋转；大臂13的滚珠丝杠上配合有可在其上移动的大滑板及其步进驱动电机，大滑板的移动体现为大臂13的伸缩(行程L1)；关节14为安装在大臂13末端的铰链轴及步进驱动电机，可带动小臂15作φ2转动(φ2与φ1的转轴正交)；小臂15通过关节14与大臂连接，小臂15中有齿轮轴，底部有齿的滑块(带步进电机)可在齿轮轴上移动，实现小臂伸缩(行程L2)；小臂末端安装可调的相机座16，为叉式或卡式机械件，用螺钉紧固。为使相机5有更多自由度，可在相机座16与相机5之间加装数控相机云台(通用件)。机械臂零件用高强度比的轻质不锈金属制造。大臂13截面为U形，在非测量时段关节14可将小臂15向上转动直至完全套进大臂13之内(即φ2接近0°)，可避免干涉加工和保护相机。
如图3所示，当被测工件1比较大，无法一次拍摄L×H全面积，需要多次拍摄局部图像。如果工件被测表面本身缺乏区域识别标志，可外贴薄片标志17以利于分区拍摄和准确拼接图像(图3中工件被测表面分成l1×h1、l2×h2、l3×h3、l4×h4共4个区域拍摄后拼成L×H全图)。外加薄片标志17可以是设计成各种几何图案(有多个直线相交点或曲线拐点)、采用薄而韧的材料冲压或线切割成镂空薄片(对钢铁被测物体，可采用厚度1mm以下的铁磁性材料)。根据对工件的分块区域，把薄片标志17吸附或粘贴在各块区域边缘附近，使相邻块的图像包含同一个或数个标志图案，利用标志图案的特征，将各相邻块的图像准确拼接，得到被测工件的完整图像。此外，选定一个特定图案的镂空标志片，准确测定其尺寸，用作摄像系统的快速标定之标准尺寸(也可以采用其它材质的标定块)。
如图4所示，光源架7包括刚性杆18、光源19、刚性杆座20和调光器21，通过位于四角的刚性杆座20组成方形结构；刚性杆一侧固定LED光源条19，光源条19也可以是其他高照度光源，如卤素灯、无极灯等。刚性杆18两端为外螺纹圆柱段，旋入刚性杆座20的螺纹通孔中，可调节框架大小。通过旋动刚性杆可以调节光源条19的照射角度(图中各θ角)。为防止螺纹退松，刚性杆端可加螺母压紧。根据工件材质和表面光亮状况，选择LED的颜色和照射角度。根据欲摄像面积的大小，选择光源的形状和尺寸。光源表面可以加装磨砂玻璃或薄塑料片以获得漫光效果。为减轻光源架7的重量，刚性杆18和刚性杆19用轻质材料如铝或塑料制造。调光器21与各条光源相连，用于调节光强。
光源架7可用软索6吊装，或通过任两个相邻的刚性杆座机械地安装在机床内壁上，或直接置于工件上。如用软索吊装可直接调整索长；如直接放在工作台上，可在数个刚性杆座20底面加设高度调整螺钉；如安装在机床内壁，在机床内壁用螺钉附装两个有一定长度的滑槽座，使用两根可伸缩杆与之配合并滑动升降，可伸缩杆另一端与光源架刚性杆座20机械连接。非测量时段将光源架缩进折起或取下以避免干涉加工。
此外，也可以把多个条状LED或许多个小灯泡状LED并接固定在柔性塑料条上，塑成所需形状和大小的光源框。
采用已商品化的图像处理软件平台，二次开发图像拼接和三维重建及二维与三维测量软件。
本系统工作流程如图5所示：在机床停止加工时实施工件测量，刀具退出加工区域。首先根据被测工件大小和形状及检测要求，确定分区摄像次数和各次摄像时的相机工作距离和方位；根据被测材质和表面反光状况选择光源并调好光源架大小；使机械臂和光源架安装或释放就位；如需分区域摄取多幅图像而工件表面本身特征标志不足，则在被测表面增贴标志薄片；启动机床，由数控机床主轴带着机械臂和光源架作三维平移，使相机初步移到首次拍摄位置；在被测表面区域放置标定片，拍摄包含标定片的区域图像；根据标定片图像调节光源高度、照射角和光强；根据标定片图像通过PC机数控调整相机相对被测面的距离与方位，直到由标定片图像分析测量的几何值符合期望值，拍摄工件第一幅图像；由PC机数控机械臂移动或转动，依次拍摄工件各区域平面图像或体视图像；通过计算机软件进行图像处理和拼接、三维重建，计算并输出测量结果。计算机图像处理软件是在商品化图像处理软件平台上自行二次开发，包括数控机床坐标系、相机坐标系、图像坐标系之间的变换、相机内外参数标定、测量系统标定、图像二值化、图像平滑去噪、图像边缘锐化和提取、图像匹配和拼接、三维点云生成、密化插值、立体重建、测量计算等功能。
Claims (8)
1.一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于该系统包括机械臂安装座、机械臂、相机、光源架、机械臂数控模块、图像采集卡和计算机；机械臂安装座是内置步进电机和传动齿轮的便捷接口件，安装在机床主轴壳体上，可驱动机械臂绕垂直或平行于安装座安装平面的轴转动；
所述机械臂包括依次连接的机械臂接口、大臂、关节、小臂和相机座；机械臂接口上端与机械臂安装座用滚动轴承连接，大臂的滚珠丝杠与机械臂安装座的输出轴通过联轴器连接，由机械臂安装座中的电机带动大臂及小臂旋转；大臂的滚珠丝杠上配合有可在其上移动的大滑板及其驱动电机，实现大臂的伸缩；关节安装在大臂末端，设有铰链轴及驱动电机，可带动小臂转动；小臂通过关节与大臂连接，小臂中有齿轮轴，底部有齿的带电机滑块可在齿轮轴上移动，实现小臂伸缩；小臂末端安装可调的相机座；可两维伸缩和绕两轴转动的机械臂安装于机械臂安装座上；机械臂末端夹持相机，机械臂携载相机在行程200mm以内移动或转动；
所述光源架包括刚性杆、光源、刚性杆座和调光器，通过位于四角的刚性杆座组成方形结构；刚性杆一侧固定LED光源，刚性杆两端为螺纹段，旋入刚性杆座的螺纹通孔中，可调节框架大小；通过旋动刚性杆可以调节光源条的照射角度；调光器与各条光源相连，用于调节光强；光源架安装在工件的上方；机械臂数控模块一端与机械臂连接，另一端与计算机连接；计算机还通过图橡采集卡与相机连接；相机分区域多次摄取的图像拼接成完整图像，并由计算机计算出几何测量值。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于所述便捷接口件为发兰盘或燕尾槽或铁磁性吸盘。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于所述机械臂数控模块包括机械臂中的电机驱动元件和与计算机通讯的电路，用于实现计算机对机械臂的数控。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于所述相机机械地安装在机械臂的末端。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于所述计算机为通用的个人计算机或工控机。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于所述相机为大尺寸、高分辨率的CCD或CMOS数字工业相机，包括成像畸变小的远心、变焦或变倍镜头。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于在所述相机座与相机之间加装数控相机云台。
8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于所述光源架安装在工件的上方是指光源架用柔性的绳索或链吊装在机械臂上，或安装在机床内壁，或直接放置在加工机床工作台上，或者直接放置在工件上。
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