CN101825439B - 基于多相机组合的发动机缸体结合面孔组在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于视觉检测技术、机械零件检测。具体讲本发明涉及基于多相机组合的发动机缸体结合面孔组在线测量方法。为设计出一种基于多视觉传感器组合的发动机缸体结合面孔组快速测量方案，满足生产线上智能、快速、高精度、低成本的检测需要，本发明采用的技术方案是，以发动机底面的两个定位孔为基准建立测量坐标系，测量相机与步进电机驱动的高精度机械导轨相配合进行机械扫描实现发动机缸体结合面孔组圆孔图像采集，同时使用光栅尺上的高精度光栅传感器对测量相机采集行位置进行同步测量，最后通过计算机数字图像处理和空间坐标转换得到发动机缸体结合面孔组相对于测量坐标系的直径和位置测量结果。本发明主要应用于机械零件测量。

Description

基于多相机组合的发动机缸体结合面孔组在线测量方法

技术领域

本发明属于视觉检测技术、机械零件检测。具体讲本发明涉及基于多相机组合的发动机缸体结合面孔组在线测量方法。

背景技术

发动机缸体是发动机中绝大多数零件的定位零件。发动机缸体结合面孔组测量决定着发动机的总体耦合效应。发动机缸体结合面孔组主要分为两类：气缸孔、定位孔和联接孔。这些孔的尺寸、形状和位置均有严格的公差要求，对最终产品质量起到决定性的作用。

目前生产线上发动机缸体结合面孔组多采用三坐标机测量，受检测效率限制，只能进行很小批次的抽检，很难满足生产线上自动、快速、在线的检测要求。随着高精度加工制造业的发展，视觉检测技术能够实现智能、快速、高精度、低成本的检测要求。这就需要将视觉检测技术发展的最新成果应用于发动机缸体结合面孔组快速测量，研究基于多视觉传感器组合的发动机缸体结合面孔组快速测量方案，提高发动机缸体结合面孔组的检测效率。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于设计出一种基于多视觉传感器组合的发动机缸体结合面孔组快速测量方案，满足生产线上智能、快速、高精度、低成本的检测需要。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于多相机组合的发动机缸体结合面孔组在线测量方法，借助于由测量相机、定位相机、高精度机械导轨、步进电机驱动系统、光栅尺、照明系统和数据处理计算机组成的测量系统实现，发动机定位后，由定位相机测量发动机缸体底面两个定位孔的位置，以发动机底面的两个定位孔为基准建立测量坐标系，测量相机与步进电机驱动的高精度机械导轨相配合进行机械扫描实现发动机缸体结合面孔组圆孔图像采集，同时使用光栅尺上的高精度光栅传感器对测量相机采集行位置进行同步测量，最后通过计算机数字图像处理和空间坐标转换得到发动机缸体结合面孔组相对于测量坐标系的直径和位置测量结果。

所述定位相机选用2台面阵CCD相机，测量相机选用线阵CCD相机，标定时，整个检测系统建立以下五个坐标系：标定用靶标坐标系Ot-XtYtZt，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb，定位相机1图像坐标系O1-U1V1，定位相机2图像坐标系O2-U2V2，测量相机图像坐标系O-UV；其中测量相机图像V向坐标来源于精密光栅尺的测量结果；靶标坐标系Ot-XtYtZt以靶标底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于靶标底面的直线为Z轴建立右手坐标系，将靶标坐标系视为世界坐标系，分别对定位相机1、2和测量相机图像坐标系与靶标坐标系进行摄像机标定步骤，确定其之间的空间坐标转换关系：

${\mathrm{\λ}}_1\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ 1\end{array}\right]={M_1}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ ${\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\\ 1\end{array}\right]={M_2}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ $\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$

上式中，参数λ1为定位相机1投影比例因子，M₁ ^3×4为定位相机1投影矩阵，参数λ2为定位相机2投影比例因子，M₂ ^3×4为定位相机2投影矩阵，参数λ为测量相机投影比例因子，M^3×4为测量相机投影矩阵；

测量缸体时，需要找到被测缸体坐标系和标定时靶标坐标系间的坐标转换关系，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb以被测缸体底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于被测缸体底面的直线为Z轴建立右手坐标系，靶标坐标系与被测缸体坐标系之间只存在坐标原点在XOY平面上的平移和绕Z轴的旋转，假设被测缸体左侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt1，yt1，0)，右侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt2，yt2，0)，绕Z轴的旋转角度为θ，可以得到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb和靶标坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T,$ 其中 $T=\left[\begin{array}{c}{x}_{t1}\\ y_{t1}\\ 0\end{array}\right],$ $R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_{t2}-y_{t1}}{x_{t2}-x_{t1}}$

由以上坐标转换关系，可以将测量相机图像坐标(u，v)统一到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\·\mathrm{\λ}\·M_{3\×4}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]$

标定出投影比例因子λ₁、λ₂、λ和旋转矩阵R、平移矢量T、投影矩阵M1、M2、M，即可完成对发动机缸体结合面孔组的快速精确测量。

本发明可以产生如下的有益效果：

本发明采用多摄像机组合视觉测量技术实现发动机缸体结合面孔组的快速测量。在满足测量精度要求的前提下，可以实现智能、快速的在线测量。尤其对于传统测量方法难以快速检测的孔组位置度测量，本发明的技术优势更为明显。

附图说明

图1测量模型示意图。

图2测量方案顶视图。

图3测量方案底视图。

具体实施方式

本发明设计的测量系统由线阵CCD测量相机、面阵CCD定位相机、高精度机械导轨、步进电机驱动系统、光栅尺、LED照明系统和数据处理计算机等部分组成。发动机定位后，由面阵CCD定位相机测量发动机缸体底面两个定位孔的位置。以发动机底面的两个定位孔为基准建立测量坐标系，线阵CCD测量相机与步进电机驱动的高精度机械导轨相配合进行机械扫描实现发动机缸体结合面孔组圆孔图像采集，同时使用高精度的光栅传感器对线阵CCD采集行位置进行同步测量，最后通过计算机数字图像处理和空间坐标转换得到发动机缸体结合面孔组相对于测量坐标系的直径和位置测量结果。

线阵CCD作一维测量时可以获得很高的分辨率，这种方案既可提高测量精度和速度，又可以降低项目实施成本。为提高图像采集的质量，便于后续图像处理，采用高亮度LED照明系统进行照明。线阵CCD通过图像采集卡与计算机相连，以扫描方式完成图像采集。计算机对采集到的图像进行处理，可测量出圆孔图像的直径和圆心位置坐标。

系统测量模型如附图1所示。定位相机选用2台面阵CCD相机。测量相机选用线阵CCD相机。标定时，整个检测系统建立以下五个坐标系。标定用靶标坐标系Ot-XtYtZt，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb，定位相机1图像坐标系O1-U1V1，定位相机2图像坐标系O2-U2V2，测量相机图像坐标系O-UV。其中测量相机图像V向坐标来源于精密光栅尺的测量结果。靶标坐标系Ot-XtYtZt以靶标底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于靶标底面的直线为Z轴建立右手坐标系。将靶标坐标系视为世界坐标系，分别对定位相机1、2和测量相机图像坐标系与靶标坐标系进行摄像机标定步骤，确定其之间的空间坐标转换关系。

${\mathrm{\λ}}_1\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ 1\end{array}\right]={M_1}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ ${\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\\ 1\end{array}\right]={M_2}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ $\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$

测量缸体时，需要找到被测缸体坐标系和标定时靶标坐标系间的坐标转换关系。被测缸体坐标系Ob-XbYbZb以被测缸体底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于被测缸体底面的直线为Z轴建立右手坐标系。靶标坐标系与被测缸体坐标系之间只存在坐标原点在XOY平面上的平移和绕Z轴的旋转。假设被测缸体左侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt1，yt1，0)，右侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt2，yt2，0)，绕Z轴的旋转角度为θ，可以得到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb和靶标坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系如下。

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T,$ 其中 $T=\left[\begin{array}{c}{x}_{t1}\\ y_{t1}\\ 0\end{array}\right],$ $R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_{t2}-y_{t1}}{x_{t2}-x_{t1}}$

由以上坐标转换关系，可以将测量相机图像坐标(u，v)统一到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb下。

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\·\mathrm{\λ}\·M_{3\×4}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]$

标定出投影比例因子λ₁、λ₂、λ和旋转矩阵R、平移矢量T、投影矩阵M1、M2、M，即可完成对发动机缸体结合面孔组的快速精确测量。

测量前，系统首先需要进行摄像机标定和全局标定，找到由发动机缸体底面两定位孔为基准建立的测量坐标系与测量相机和定位相机坐标系之间的坐标转换关系。

测量时，将发动机缸体缓慢放置于测试台上，使得发动机缸体底面的两个定位孔分别位于两个定位相机的视场中。定位相机对定位孔成像，测量相机在精密导轨的引导下对发动机缸体结合面孔组进行扫描成像。相机通过图像采集卡与计算机相连，计算机对采集到的图像数据进行处理，通过坐标转换，求得发动机缸体结合面圆孔的直径及其位置度误差。

Claims (1)

1.一种基于多相机组合的发动机缸体结合面孔组在线测量方法，其特征是：借助于由测量相机、定位相机、高精度机械导轨、步进电机驱动系统、光栅尺、照明系统和数据处理计算机组成的测量系统实现，发动机定位后，由定位相机测量发动机缸体底面两个定位孔的位置，以发动机缸体底面两个定位孔为基准建立测量坐标系，测量相机与步进电机驱动的高精度机械导轨相配合进行机械扫描实现发动机缸体结合面孔组圆孔图像采集，同时使用光栅尺上的高精度光栅传感器对测量相机采集行位置进行同步测量，最后通过计算机数字图像处理和空间坐标转换得到发动机缸体结合面孔组相对于测量坐标系的直径和位置测量结果，所述定位相机选用2台面阵CCD相机，测量相机选用线阵CCD相机，标定时，整个检测系统建立以下五个坐标系：标定用靶标坐标系O_t-X_tY_tZ_t，被测缸体坐标系O_b-X_bY_bZ_b，定位相机1图像坐标系O₁-U₁V₁，定位相机2图像坐标系O₂-U₂V₂，测量相机图像坐标系O-UV；其中测量相机图像V向坐标来源于精密光栅尺的测量结果；靶标坐标系O_t-X_tY_tZ_t以靶标底面两定位孔中心连线为X_t轴，以过左侧定位孔中心且垂直于靶标底面的直线为Z_t轴建立右手坐标系，将靶标坐标系视为世界坐标系，分别对定位相机1、定位相机2和测量相机图像坐标系与靶标坐标系进行摄像机标定步骤，确定其之间的空间坐标转换关系：

上式中，参数λ₁为定位相机1投影比例因子， 

为定位相机1投影矩阵，参数λ₂为定位相机2投影比例因子， 

为定位相机2投影矩阵，参数λ为测量相机投影比例因子，M^3×4为测量相机投影矩阵；

测量缸体时，需要找到被测缸体坐标系和标定用靶标坐标系间的坐标转换关系，被测缸体坐标系O_b-X_bY_bZ_b以发动机缸体底面两个定位孔中心连线为X_b轴，以过左侧定位孔中心且垂直于被测缸体底面的直线为Z_b轴建立右手坐标系，靶标坐标系与被测缸体坐标系之间只存在坐标原点在X_bOY_b平面上的平移和绕Z_b轴的旋转，假设被测缸体左侧定位孔在靶标坐标系O_t-X_tY_tZ_t下的坐标为(x_t1，y_t1，0)，右侧定位孔在靶标坐标系O_t-X_tY_tZ_t下的坐标为(x_t2，y_t2，0)，绕Z轴的旋转角度为θ，可以得到被测缸体坐标系O_b-X_bY_bZ_b和靶标坐标系O_t-X_tY_tZ_t的坐标转换关系如下：

其中

由以上坐标转换关系，可以将测量相机图像坐标(u，v)统一到被测缸体坐标系O_b-X_bY_bZ_b下： 

标定出投影比例因子λ₁、λ₂、λ和旋转矩阵R、平移矢量T、投影矩阵 

M^3×4，即可完成对发动机缸体结合面孔组的快速精确测量。 

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