CN101419063A - 基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多孔径拼接技术的非接触圆柱度测量方法和系统。该系统主要由数字光栅投射系统、图像采集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统、计算机软件处理系统组成。测量首先对系统进行深度和横向标定，然后，通过多视角重叠扫描机构进行被测圆柱各个视角的条纹图像采集，经过图像处理后，获得各视角三维数据。对各视角三维数据利用多孔径拼接技术实现完整的圆柱面形拼接，从而依据GPS(几何产品技术规范)实现圆柱度精确评定。该系统可以实现基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触式测量和评定，有效地解决了目前圆柱度测量存在的采样点不足、评定结果不统一等问题。测量系统能够达到较高的测量精度，且具有较好的重复性。

Description

基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法和系统

技术领域

本发明涉及一种圆柱度测量方法和系统，特别是一种基于多孔径拼接技术，采用数字光栅条纹投射测量方式，实现圆柱度非接触精密测量的方法和系统。

背景技术

在现代工业生产中，圆柱形零件不但要求保证其尺寸精度，对它的形状和位置精度也有很高的要求，它直接影响配合表面的配合性质，回转表面的定位精度，进而影响整个机器的回转精度、旋转件的振动、噪声、润滑及零件的使用寿命等。因此，对零件的回转面进行圆柱度误差测量是检验该类零件加工质量的重要指标之一。

圆柱度误差测量技术目前大都是采用人工的、被动的、接触式的方法，测量仍采用以圆度测量技术为基础的近似测量方法。其不足表现在：采样点数过少，不能满足新一代GPS(几何产品规范，Geometrical Product Specifications and Verification)标准规定的理想采样点数量(采样密度)要求，从而导致信息量不足，影响测量精度和重复精度；评定结果不能综合反映圆柱体形貌误差特征，误差评定与功能规范脱节，评定方法缺乏统一的认证准则。另外，对于几何特征需要精密测控的场合，接触式测头测力易引起表面的损伤和变形，以及偏差人工无法补偿等问题更为突出。因此，圆柱度误差的高精度计量和准确评定已成为计量领域中难以解决的问题之一，迫切需要高精度、高效率、非接触、面阵传感的圆柱度测量方法及应用技术。

伴随研究的深入，已有一些技术策略可供选择，在以光学方法为代表的非接触式测量中，传感器无需与物面接触，且可以方便地以面阵传感方式实现测量，无疑会极大地提高测量效率，且能满足国标要求的采样密度。但由于测量有效孔径的限制，对于回转体的测量，如何获得高精度的整体形貌成为问题的关键。

发明内容

本发明目的在于针对现有圆柱度测量方法的不足，结合圆柱体几何特征，提出一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法和系统，具有满足ISO和国标采样密度要求、提供完整面形特征、评定结果统一的特点。同时，本发明测量系统具有较好的重复性和不确定度。

为达到上述目的，本发明的构思是：利用数字光栅条纹投射测量方式获得整个圆柱体多个单视角面形(各视角间有重叠区)信息，运用多孔径拼接信息融合技术将其在圆柱坐标系下拼接得到完整的圆柱表面信息，依据GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度的数字化、规范化评定。其工作流程图如图1所示。

圆柱度非接触测量系统主要由数字光栅条纹投射系统、图像采集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统和多孔径拼接信息融合软件系统组成，如图2所示。数字光栅条纹投射系统中由计算机(9)实时生成标准余弦数字光栅，并由一台投影仪DLP(4)投射到待测物面，能够任意改变光栅节距及频率。图像采集系统则是通过一台CCD(含光学镜头)(3)来完成，经图像采集卡(6)实现图像的模数(A/D)转换，监视器(7)用作信号的实时监测。采集到的图像以二进制数据文件格式保存于计算机，计算机按专用的图像处理软件系统对其进行处理，包括包裹相位求解、相位展开、相位分割、标定板控制点提取等。多视角重叠扫描机构由传感器架(5)和载物台(2)两部分构成，可实现五自由度运动(①载物台旋转、②载物台平移、③传感器水平移动、④传感器竖直移动、⑤传感器俯仰运动)，运动机构的控制是利用计算机为上位机，通过可编程控制器PLC(10)和驱动控制器(12)驱动步进电机来实现。在系统的测量过程中，可以采用上位计算机直接自动控制或采用触摸人机界面(11)进行手动操作。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于首先对测量系统进行标定，随后进行图像采集及条纹图像处理，通过控制二维图像传感器和被测圆柱体的相对运动进行重叠扫描，依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据；其次，基于多孔径拼接融合技术实现多视角面形数据的精确拼接，获得整体圆柱面形数据；进而，依据几何产品技术规范GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度的数字化评定，并参照提出圆柱度测量面形半径误差评定指标。

上述获得被测圆柱体的多个单视角面形数据的方式是通过数字光栅条纹投射测量方法来实现，利用面阵CCD图像传感器(3)采集投射到物体上的条纹图像，经过位相求解操作得到包含物体三维信息的绝对位相，从而依据测量系统的标定参数获得单视角的空间三维面形数据。

上所述依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据是利用多视角重叠扫描原理，通过分析被测圆柱体几何特征确定相邻视角重叠区域的大小及视角数目，控制载物台(2)按照确定的角度旋转，依次完成传感器与被测圆柱间的相对运动，从而实现各个单视角的测量。

上述获得整体圆柱面形数据利用多孔径拼接技术实现，即利用相邻视角重叠区面形信息建立相对空间位置关系，通过坐标变换将各个单视角三维面形统一于同一坐标系下，从而获得最终的整个圆柱面数据，其关键在于依据拼接数学模型进行误差求解与坐标变换的迭代操作。

一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，应用于上述的测量方法，其特征在于包括数字光栅条纹投射系统、图像采集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统，这些系统通过计算机(9)连接成一个自动的圆柱度非接触式测量系统。

上述数字光栅条纹投射系统由所述计算机连接一个数字投影装置DLP构成；计算机实时绘制模拟的余弦光栅条纹，通过数字投影装置DLP将其投射到待测物面，光栅节距和条纹频率能够任意改变，以适应直径不同的被测零件。

上述图像采集系统由一个含光学镜头的CCD连接一个图像采集卡和一个监视器组成，所述图像采集卡连接所述计算机；采集到的图像以二进制数据文件形式存储于计算机。

上述多视角重叠扫描机构及控制系统是：由设置所述CCD(3)和DLP投影仪(4)的一个传感器架(5)及一个载物台(2)构成多视角重叠扫描机构，所述传感器架(5)和载物台(2)通过一个驱动控制器(12)和一个可编程控制器PLC(10)连接所述计算机(9)和一个人机界面(11)；传感器架(5)的调整以及载物台(2)的平动和旋转由计算机(9)通过可编程控制器PLC(10)和驱动控制器(12)自动控制，同时，各项控制的手动操作可以直接通过人机界面(11)触摸屏进行。

本发明方法及系统与现有技术相比，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1、可以实现圆柱度误差的非接触自动测量；2、利用多孔径拼接技术可以实现圆柱体整体面形的精确测量，有效地解决了现有圆柱度测量方法中存在的采样点不足问题；3、测量系统标定引入逆向标定策略，利用专门设计的标定板可以同时进行系统的横向和深度标定，提高了标定的可操作性和检测精度；4、由于测量获得的是整体面形数据，可以提出新的圆柱度评定评价指标，这将是对现有的误差评定方法及指标有效地补充；5、整个测量系统具有测量精度高，重复性好，实现了圆柱度误差的数字化评定；6、测量装置结构简单紧凑，操作方便，自动化程度较高，成本低，利于普及；7、该测量系统和方法还可以用于其它形位误差的测量，具有很好的应用价值。

附图说明

图1是本发明测量方法的工作流程图。

图2是本发明系统的构成示意图。

图3是本发明系统的多孔径拼接技术原理图。

图4是本发明系统的标定原理意图。

图5是图2的数字光栅条纹投射测量几何光学原理图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：参见图1，一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，首先，对测量系统进行标定，随后进行图像采集及条纹图像处理，通过控制二维图像传感器和被测圆柱体的相对运动进行重叠扫描，依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据；其次，基于多孔径拼接融合技术实现多视角面形数据的精确拼接，获得整体圆柱面形数据；进而，依据几何产品技术规范GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度的数字化评定，并参照提出圆柱度测量面形半径误差评定指标。

具体操作方式如下：1、本实施例利用多孔径拼接技术获取被测圆柱体的360°面形信息，通过多视角(子孔径)拼接实现测量，拼接原理图如图3所示。测量前需要根据单视角测量的有效区域确定重叠区圆周角及单视角数目。测量过程中，CCD在完成一个视角的面形数据采集后，相对于工件绕z轴按一定角度的转动，依次完成各视角的测量，并保证相邻视角满足重叠区域大小。利用重叠区域面形信息求解各单视角之间的相对空间位置关系，据此以坐标变换方式将各视角面形统一于同一坐标系下。由于多种误差因素的影响，实际运动量是名义量与误差量的叠加。误差量可表示为向量(Δx，Δy，Δz，Δα，Δβ，Δγ)，各分量分别为关于三个坐标轴的移动与转动误差。因此，必须补偿检测仪器与待测表面之间相对机械运动误差的影响，才能实现精确的圆柱面形拼接。通过几何关系分析可建立圆柱坐标系下的拼接模型如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\\ z_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\\ \mathrm{\θ}\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cccccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0& -z\sin \mathrm{\θ}& z\cos \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}/\mathrm{\ρ}& \cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\ρ}& 0& -z\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\ρ}& -z\sin \mathrm{\θ}/\mathrm{\ρ}& 1\\ 0& 0& 1& \mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}& -\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\\ \mathrm{\Δ\α}\\ \mathrm{\Δ\β}\\ \mathrm{\Δ\γ}\end{array}\right]$

其中，空间某点的坐标按照名义运动量进行坐标变换后为(ρ，θ，z)，实测坐标为(ρ₀，θ₀，z₀)，其增量即是由误差运动引起。由于多孔径拼接技术须根据点位置坐标(即θ、z坐标)在相邻视角重叠区内确定匹配点。由上式可以看出误差向量将会引起点匹配误差，本发明采用迭代方法，可使点匹配误差逐次减小，直至完全消除。

2、多视角拼接过程通过圆柱坐标下接迭代方法来实现，如图3所示，测量系统由视角1运动到视角2，由于拼接模型中测量点的径向尺寸ρ对Δz、Δγ的变化不敏感，故不将其计入，误差运动分量可表示为(Δx，Δy，Δa，Δβ)，这样，可以将多孔径拼接技术的原理表示为：(ρ_i1，θ_i1，z_i1)＝(ρ_i2，θ_i2，z_i2)·T_A。其中，坐标变换算子T_A与运动误差向量(Δx_a，Δy_a，Δα_a，Δβ_a)构成一一映射关系。T_A的求解可采用迭代方法实现，若以重叠区中坐标分量θ及z相同的点作为匹配点，则有：(ρ_i1，θ_i2，z_i2)＝(ρ_i2，θ_i2，z_i2)·T_B。同样，T_B与向量(Δx_b，Δy_b，Δα_b，Δβ_b)构成一一映射，通过在重叠区取若干点代入上式形成线性方程组，易求得算子T_B，T_B是算子T_A的近似值，可以构造以下迭代过程求解T_A的精确解，该过程可描述为：

(ρ_i1，θ_i1，z_i1)^(k)＝T_A ^(k)·(ρ_i2，θ_i2，z_i2)

(ρ_i1，θ_i1，z_il)＝T_B(^k+1)·(ρ_i1，θ_i1，z_i1)^(k)

在上述迭代过程中，随着迭代次数的增加，视角2测得得面形逐渐靠近视角1的面形，直至求解到足够精度的(Δx_a，Δy_a，Δα_a，Δβ_a)后，对视角2面形数据进行坐标变换，实现两相邻视角正确拼接。推广到多个视角上，即可实现整个面形的精确拼接。

3、测量系统采用数字相移光栅投射方法获得被测圆柱单视角面形数据，当余弦光栅投射到被测物面上后，CCD拍摄到的图像强度分布可以表示为：

其中，I为记录到的光强分布，a(i，j)表示背景光强，b(i，j)表示调制度，

是条纹位相。

本系统基于时域相位分析技术利用多步相移法求解位相，通过DLP投影仪投射一组以α_i＝i2π/N，(i＝0，1…，N-1)为相移量的光栅到被测物面上后，CCD拍摄到N幅变形条纹图像。令I_i表示第i幅条纹图像强度分布：

则可计算该视角物体的位相为：

由于在求解过程中使用了Arctangent函数，造成抽取出的相位信息被截在(-π，π]，所以必须进行解包裹来回复真实的绝对相位。为此，采用变频条纹结合时域解包裹技术计算绝对位相，即投射一系列频率不同的多组条纹图像到物体表面，以有效地提高位相解包裹操作的可靠性。

4、测量系统标定采用逆向标定策略来实现，标定原理如图4所示。参考面采用黑白网格构成的标定板，将标定板沿深度方向从初始位置h＝0处作多次平移，在每一已知深度位置，投射N幅互有相移余弦数字光栅于标定板，取白方格区域的相位为有效相位，并进行整个参考面的最小二乘拟合。依据系统几何关系图5，其中R为参考平面，I为虚拟平面，可以推导出相位与深度的映射关系为：Δφ(i，j)＝[a(i，j)h(i，j)]/[1+b(i，j)h(i，j)]。参考平面移动后其相位与初始位置相位(基准相位)之间的位相差为Δφ，由于每次移动量h已知，将每次平移测量结果代入上式，即可获得系统特征参数a和b。因此，在计算物面深度时，只需求出待测点的相位分布Δφ(i，j)就可以算出h(i，j)，h即为深度方向z值的大小。将黑白网格的角点作为控制点，可以进行摄像机横向标定。由此，数字光栅条纹投射一次就实现了深度——相位和图像像素——横向坐标的标定。

5、测量系统误差分析，系统主要受到噪声、CCD摄像机畸变、数字投影仪非线性因素的影响。由于采用了多步相移的方法求解位相，本系统噪声的影响可以有效地抑制。本发明中对参考面的横向坐标进行了成像误差补偿，以消除CCD摄像机畸变的影响。对于数字投影仪的非线性，采用统计分析的方法从条纹图的标准化累积直方图中计算出gamma值，实现非线性校正。实际上，被测物体通常是在投射中心区域，因此，CCD摄像机的畸变及投射条纹非线性的影响均可以得到有效抑制。

6、对本发明获得的圆柱体面型数据，既可采用GPS标准规范的操作算子(分离、提取、拟合、滤波估值)，给出圆柱度最小区域法(MZC)、最小外接柱法(MCC)、最大内切柱法(MIC)、最小二乘法(LSM)四种评定结果。同时，又可用本发明提出的评价指标，如半径误差的PV值、RMS值、C-map(误差分布等高图)、以及表面功率谱密度等予以评定。

参见图2，本基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，包括数字光栅条纹投射系统、图像采集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统，这些系统通过计算机9连接成一个自动的圆柱度非接触式测量系统。数字光栅条纹投射系统由所述计算机9连接一个数字投影装置DLP 4构成；计算机9实时绘制模拟的余弦光栅条纹，通过数字投影装置DLP 4将其投射到待测物面，光栅节距和条纹频率能够任意改变，以适应直径不同的被测零件。图像采集系统由一个含光学镜头的CCD 3连接一个图像采集卡6和一个监视器7组成，所述图像采集卡6连接所述计算机9；采集到的图像以二进制数据文件形式存储于计算机9。多视角重叠扫描机构及控制系统是：由设置所述CCD 3和DLP投影仪4的一个传感器架5及一个载物台2构成多视角重叠扫描机构，所述传感器架5和载物台2通过一个驱动控制器12和一个可编程控制器PLC 10连接所述计算机9和一个人机界面11；传感器架5的调整以及载物台2的平动和旋转由计算机9通过可编程控制器PLC 10和驱动控制器12自动控制，同时，各项控制的手动操作可以直接通过人机界面11触摸屏进行。

Claims (8)

1.一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于首先对测量系统进行标定，随后进行图像采集及条纹图像处理，通过控制二维图像传感器和被测圆柱体的相对运动进行重叠扫描，依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据；其次，基于多孔径拼接融合技术实现多视角面形数据的精确拼接，获得整体圆柱面形数据；进而，依据几何产品技术规范GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度的数字化评定，并参照提出圆柱度测量面形半径误差评定指标。

2.根据权利要求1所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于所述获得被测圆柱体的多个单视角面形数据的方式是通过数字光栅条纹投射测量方法来实现，利用面阵CCD图像传感器(3)采集投射到物体上的条纹图像，经过位相求解操作得到包含物体三维信息的绝对位相，从而依据测量系统的标定参数获得单视角的空间三维面形数据。

3.根据权利要求1所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于所述依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据是利用多视角重叠扫描原理，通过分析被测圆柱体几何特征确定相邻视角重叠区域的大小及视角数目，控制载物台(2)按照确定的角度旋转，依次完成传感器与被测圆柱间的相对运动，从而实现各个单视角的测量。

4.根据权利要求1所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于所述获得整体圆柱面形数据利用多孔径拼接技术实现，即利用相邻视角重叠区面形信息建立相对空间位置关系，通过坐标变换将各个单视角三维面形统一于同一坐标系下，从而获得最终的整个圆柱面数据，其关键在于依据拼接数学模型进行误差求解与坐标变换的迭代操作。

5.一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，应用于权利要求1所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于包括数字光栅条纹投射系统、图像采集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统，这些系统通过计算机(9)连接成一个自动的圆柱度非接触式测量系统。

6.根据权利要求5所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，其特征在于所述数字光栅条纹投射系统由所述计算机(9)连接一个数字投影装置DLP(4)构成；计算机(9)实时绘制模拟的余弦光栅条纹，通过数字投影装置DLP(4)将其投射到待测物面，光栅节距和条纹频率能够任意改变，以适应直径不同的被测零件。

7.根据权利要求5所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，其特征在于所述图像采集系统由一个含光学镜头的CCD(3)连接一个图像采集卡(6)和一个监视器(7)组成，所述图像采集卡(6)连接所述计算机(9)；采集到的图像以二进制数据文件形式存储于计算机(9)。

8.根据权利要求5所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，其特征在于所述多视角重叠扫描机构及控制系统是：由设置所述CCD(3)和DLP投影仪(4)的一个传感器架(5)及一个载物台(2)构成多视角重叠扫描机构，所述传感器架(5)和载物台(2)通过一个驱动控制器(12)和一个可编程控制器PLC(10)连接所述计算机(9)和一个人机界面(11)；传感器架(5)的调整以及载物台(2)的平动和旋转由计算机(9)通过可编程控制器PLC(10)和驱动控制器(12)自动控制，同时，各项控制的手动操作可以直接通过人机界面(11)触摸屏进行。

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