CN102538707B - 一种对工件进行三维定位的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对工件进行三维定位的装置及方法，装置包括光源，及置于光源出射面上的准直镜，在准直镜透光光帘下方设有一被检物，被测物下方、透光光帘光束垂直面上设置有一远心镜头，远心镜头下方设置有CCD探测器，CCD探测器与处理器及计算机连接。方法包括：1)搭建光路；2)将被检物夹持在机械联动台上，X、Y轴步进移动，使被检物置于光帘中；3)被检物投影像成像于CCD探测器输出到计算机；4)绕Y轴旋转被检物一周得到360/n个投影像成像于CCD探测器上输出到计算机；5)计算机标定值与在线测定值进行比对，补偿误差，即得到被检测物准确的三维定位。其原理简单、可实施性强、精度高以及稳定性好，可实现对工件三维定位。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域的工件定位装置，特别是一种对工件进行三维定位的装置及定位方法。
背景技术
在大批量的工业生产中，生产过程的高度自动化和产品质量的日益提高，要求有更高效，更精确和高速度的检测识别手段。光学检测技术能够保证工业现场环境下的可靠性，提高生产自动化程度，大大提高生产效率。因此，在现在自动化生产过程中，光学检测被广泛地用于产品的识别、质量控制、测量检验，自动化装备等领域。
工件的识别定位初期主要采用人工识别的方法，随着现代制造技术的进步，在大批量生产的情况下人工识别已无法满足高效率高精度的要求。近年来，在工件三维定位方面大多采用双目立体视觉技术来实现工件的定位。该技术是基于视差原理并利用两个摄像机，一般是左右设置，从两个方向获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应但的位置偏差，来获取物体三维几何信息。该技术对于成像模型的建立，以及图像提取算法要求很高，处理比较繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种对工件进行三维定位的装置及方法，采用单个线扫描CCD探测器配合相应的光学系统和机械运动，实现对物体的快速扫描定位。其原理简单、可实施性强、精度高以及稳定性好，可实现全自动化的对工件进行三维定位，无需人工干预，适合在线测量。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种对工件进行三维定位的装置，包括光源，及置于光源出射面上的准直镜，在准直镜透光光帘下方设置有一被检测物体，被检测物体下方、透光光帘光束垂直面上设置有一远心镜头，远心镜头下方设置有CCD探测器，所述CCD探测器与处理器连接，处理器连接计算机。
本发明装置进一步的特征在于：
所述光源为半导体激光器一字线光源或LED光源。
所述准直镜由凸透镜和凹透镜构成。
所述远心镜头由凸透镜组合构成。
本发明还给出了一种对工件进行三维定位的方法，该方法包括下述步骤：
1)搭建光路，将光源设置于准直镜的焦点处，使光源发出的光束通过准直镜后形成平行光束；平行光束通过远心镜头后到达CCD探测器上，CCD探测器与处理器连接，处理器与计算机连接；
2)将被检测物体夹持在机械联动旋转台上，通过机械联动台的X、Y轴的步进移动，使被检测物体置于平行光束光帘中；
3)被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中；
4)绕Y轴旋转被检测物体一周，该被检测物体旋转一周得到360/n个被检测物体的投影像，其中，360/n为旋转台的旋转精度；通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中；
5)计算机将事先标定好被检测物体的三维定位标准值与在线检测量步骤3)、4)中得到的测定值进行比对，所得到的误差即为定位误差，补偿误差，即得到被检测物准确的三维定位。
所述步骤4)进一步为：
1)绕Y轴旋转被检测物体一周，该被检测物体旋转一周得到360/n个被检测物体的投影像，其中，360/n为旋转台的旋转精度；被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中存储为A值；
2)步进Y轴，被检测物体移动一个微小位移量，被检测物体绕Y轴旋转一周后，被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中存储为值；
3)依次类推，继续步进Y轴，直至被检测物体整体轮廓截面成像于CCD探测器上，计算机中存储为N值；
4)计算机中存储A、B.....N值组合得到物体的三维轮廓。
本发明提供的物体三维定位方法，使用光束出射端出射的平行光垂直照射到带有远心镜头成像镜的CCD传感器上，将被定位物体置于光束出射端与CCD传感器之间形成的平行光光帘中，通过物体在光帘中的旋转和步进运动，使被测物体在CCD探测器上的投影位置发生变化，比对定位的参考投影位置与实时测得的投影位置超差，补偿误差量，即可得到准确的物体三维定位。根据旋转角度，投影位置，步进位置参数还可以得到物体的三位轮廓扫描坐标。该方法简单实用，测量精度高，且不受物体表面形状、材质、光洁度、色泽等因素的影响。
附图说明
图1是本发明装置的光路结构示意图；
图2是本发明方法的光路示意图。
图中：1、光源；2、准直镜；3、被检测物体；4、远心镜头；5、CCD探测器；6、处理器；7、计算机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，该对工件进行三维定位的装置，包括光源1，及置于光源1出射面上的准直镜2，在准直镜2透光光帘下方设置有一被检测物体3，被检测物体3下方、透光光帘光束垂直面上设置有一远心镜头4，远心镜头4下方设置有CCD探测器5，所述CCD探测器5与处理器6连接，处理器6连接计算机7。
本发明中，光源1为半导体激光器一字线光源或LED光源。准直镜2由凸透镜和凹透镜构成。远心镜头4由凸透镜组合构成。
如图2所述，本发明的对工件进行三维定位的方法，该方法包括下述步骤：
1)搭建光路，将光源设置于准直镜的焦点处，使光源发出的光束通过准直镜后形成平行光束；平行光束通过远心镜头后到达CCD探测器上，CCD探测器与处理器连接，处理器与计算机连接；
2)将被检测物体夹持在机械联动旋转台上，通过机械联动台的X、Y轴的步进移动，使被检测物体置于平行光束光帘中；
3)被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中；
4)绕Y轴旋转被检测物体一周，该被检测物体旋转一周得到360/n个被检测物体的投影像，其中，360/n为旋转台的旋转精度，本实施例n为720；通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中；
5)计算机将事先标定好被检测物体的三维定位标准值与在线检测量步骤3)、4)中得到的测定值进行比对，所得到的误差即为定位误差，补偿误差，即得到被检测物准确的三维定位。
本发明如果将投影在X轴的位置，旋转角度，Y轴步进的位置，三个参数结合起来，可以再现物体的三维轮廓。其过程为重复步骤1)-步骤3)，自步骤4)起进一步为：
1)绕Y轴旋转被检测物体一周，该被检测物体旋转一周得到360/n个被检测物体的投影像，被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中存储为A值；其中，360/n为旋转台的旋转精度，本实施例n为720；n的取值按照被检测物体的三维定位的精度等级可以设定其大小，n值越大，精度越高；
2)步进Y轴，被检测物体移动一个微小位移量，被检测物体绕Y轴旋转一周后，被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中存储为B值。
3)依次类推，继续步进Y轴，直至被检测物体整体轮廓截面成像于CCD探测器上，计算机中存储为N值；
4)计算机中存储A、B.....N值组合得到物体的三维轮廓。
本发明的光路原理是：
物体三维定位的方法是基于线扫描CCD探测物体投影轮廓成像后的边缘感光位置，计算投影像尺寸，从而得到物体与光帘相交截面的投影尺寸，旋转物体，可得到物体与光帘相交截面的轮廓尺寸。将物体在光帘中步进移动，每步进一次旋转一周，即可得到整个物体轮廓的投影尺寸，将所得数据与标定好的参考数据比对，补偿超差部分，则可得到准确的三维定位。
光源光经准直镜变成平行光束，出射的平行光垂直入射到带有远心镜头的成像镜上，最终到达CCD探测器上。将被定位物体夹持在机械联动旋转台上，分别在X，Y轴方向上步进送入光束出射端与CCD传感器之间形成的平行光光帘中，通过对物体投影像边缘的感光位置探测，与标定的参考位置比对得到定位误差。补偿误差量，可进行准确定位。如果将投影在X轴的位置，旋转角度，Y轴步进的位置，三个参数结合起来，可以再现物体的三维轮廓。
Claims (2)
1.一种对工件进行三维定位的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1）搭建光路，将光源设置于准直镜的焦点处，使光源发出的光束通过准直镜后形成平行光束；平行光束通过远心镜头后到达CCD探测器上，CCD探测器与处理器连接，处理器与计算机连接；
2）将被检测物体夹持在机械联动旋转台上，通过机械联动台的X、Y轴的步进移动，使被检测物体置于平行光束光帘中；
3）被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中；
4）绕Y轴旋转被检测物体一周，该被检测物体旋转一周得到360/n个被检测物体的投影像，其中，360/n为旋转台的旋转精度；通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中；
5）计算机将事先标定好被检测物体的三维定位标准值与在线检测量步骤3）、4）中得到的测定值进行比对，所得到的误差即为定位误差，补偿误差，即得到被检测物准确的三维定位。
2.根据权利要求1所述的一种对工件进行三维定位的方法，其特征在于，所述步骤4）进一步为：
1）绕Y轴旋转被检测物体一周，该被检测物体旋转一周得到360/n个被检测物体的投影像，其中，360/n为旋转台的旋转精度；被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中存储为A值；
2）步进Y轴，被检测物体移动一个微小位移量，被检测物体绕Y轴旋转一周后，被检测物体的投影像通过远心镜头成像于CCD探测器上，经处理器输出到计算机中存储为B值；
3）依次类推，继续步进Y轴，直至被检测物体整体轮廓截面成像于CCD探测器上，计算机中存储为N值；
4）计算机中存储A、B.....N值组合得到物体的三维轮廓。
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