CN102589429A - 发动机缸体六面孔组位置度误差在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械量测量、视觉检测技术。为解决定位精度不高，从而直接影响到最终的测量精度的问题，本发明采取的技术方案是，发动机缸体六面孔组位置度误差在线检测方法，包括如下步骤：由两个面阵定位相机测量缸体底面定位销孔，对缸体精确定位；得到计算机图像坐标系与两个面阵CCD测量相机坐标系的透视映射关系，在缸体各个面上分别选取两个有代表性的被测孔，分别借助两个面阵CCD测量相机对被测孔进行成像测量；在测量过程中，利用专用标定靶标，标定各相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系；最后将各被测孔在靶标世界坐标系下的测量结果转换到被测缸体世界坐标系下，从而得到最终所需的测量结果。本发明主要应用于机械量测量。

Description

发动机缸体六面孔组位置度误差在线检测方法

技术领域

本发明涉及机械量测量、视觉检测技术，尤其是涉及发动机缸体六面孔组位置度误差在线检测方法。

背景技术

发动机缸体是发动机中的核心部件，其六面孔组均有着严格的位置度公差要求，直接关系着与缸盖等外围零件的装配质量以及最终产品质量。现代发动机生产线中缸体六面孔组位置测量普遍应用三坐标机。三坐标机的测量柔性好，但其检测效率低，而且对测试环境要求很高，不能直接应用于生产线上。这种情况难以满足生产线自动、快速、在线的检测要求。

视觉检测技术可以实现非接触测量，其测量效率和自动化程度高。采用多CCD相机组合的视觉检测技术可以实现发动机缸体六面孔组位置度误差的在线检测。但测量发动机缸体六个面上所有孔的位置需要排布很多的面阵CCD相机，成本高且应用中存在困难。这种方法不能直接应用。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种发动机缸体六面孔组位置度误差在线检测方法，实现对发动机缸体六面孔组位置度的自动快速在线测量。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，发动机缸体六面孔组位置度误差在线检测方法，包括如下步骤：由两个面阵定位相机测量缸体底面定位销孔，对缸体精确定位；在缸体各个面上分别选取两个有代表性的被测孔，利用两个面阵CCD测量相机对被测孔进行成像测量；标定各个面阵相机各自的内部参数，得到各个面阵相机计算机图像坐标系与相机坐标系的透视映射关系，在测量过程中，利用专用标定靶标，标定各相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系；测量时，通过定位相机检测被测缸体基准相对于靶标基准的变动量，获得被测缸体世界坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系；最后将各被测孔在靶标世界坐标系下的测量结果转换到被测缸体世界坐标系下，从而得到最终所需的测量结果。

标定各坐标系之间的坐标转换关系的具体步骤为：

相机坐标系为Oc-XcYcZc，计算机图像坐标系为O-UV，相机的透视投影变换模型为

$\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\left(s_x{d}_x\right)}^{-1}& 0& u_0\\ 0& {d_y}^{-1}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]$

式中，λ为比例因子，sx为计算机图像坐标水平方向与垂直方向的比例因子，dx为CCD水平方向相邻光敏单元中心距离，dy为CCD垂直方向相邻光敏单元中心距离，u0、v0为光轴与像平面交点的图像坐标，f为相机有效焦距。考虑到相机镜头的低次径向畸变，Oc-XcYcZc与O-UV之间的透视投影变换模型可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}f\frac{x_c}{z_c}=s_x{d}_x(u-u_0)(1+k_1{r}^2)\\ f\frac{y_c}{z_c}=d_y(v-v_0)(1+k_1{r}^2)\end{array}\right.$

式中，k1为镜头径向畸变系数，r为像平面上像点到光轴的距离；相机安装前，首先标定相机的内部参数，即上式中的f、sx、dx、dy、u0、v0、k1，从而得到计算机图像坐标系O-UV与相机坐标系Oc-XcYcZc的透视投影变换关系；安装相机时使相机光轴即相机坐标系的Zc轴垂直于被测孔所在平面；因此系统标定时，相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=R_{\mathrm{tc}}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T_{\mathrm{tc}}$

式中，zc不需要求解，同时由于安装相机时的约束，Ttc平移矢量待求解的未知数个数为2，Rtc旋转矩阵的自由度为1；

在靶标上每个CCD相机的视场范围内需至少设置两个标定特征点；选用一个与被测缸体型号相同的缸体作为标定靶标，在其被测孔内楔入特征孔图案的靶标块；利用三坐标机测得各特征孔中心在靶标世界坐标系下的位置坐标，将各特征孔中心坐标作为标准数据通过优化求解标定得到相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系；

靶标世界坐标系表示为Ot-XtYtZt，被测缸体世界坐标系表示为Oe-XeYeZe，Oe-XeYeZe与Ot-XtYtZt之间的坐标转换关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_e\\ y_e\\ z_e\end{array}\right]=R_{\mathrm{te}}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T_{\mathrm{te}}$

式中，旋转矩阵 $R_{\mathrm{te}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ γ为旋转角，Tte为平移矢量；利用靶标特征孔标定计算得到旋转矩阵Rte和平移矢量Tte，即得到被测缸体世界坐标系Oe-XeYeZe与靶标世界坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系。

被测孔楔入靶标块特征孔图案为中间一大圆，周遭均布4个直径相同的小圆。

本发明的技术特点及效果：

本发明提出多相机组合测量方案，给出了发动机缸体六面孔组位置误差在线检测方法。与传统的三坐标检测方法相比，本发明在检测发动机缸体全部六个面孔组位置时自动化程度高，采用的相机数量少，测量效率更高，而且能实现对缸体全部六个面孔组位置度误差的在线检测，适宜生产现场使用。

附图说明

图1测量方案顶视图。

图2测量方案底视图。

图3技术方案测量模型。

图4缸体被测孔锲入靶标块特征孔分布图案。

具体实施方式

发动机缸体加工时，首先加工底平面和底平面上的两个定位销孔，并以此为基准加工其余表面和孔组，即发动机缸体以“一面两销”为基准。缸体抽检时，也是检验各孔与一面两销基准的位置关系，以验证缸体是否合格。因此测量缸体时，首先需要对缸体进行定位，即建立缸体的基准坐标系。由于定位销孔加工时存在误差，应用传统的机械定位方法时，定位精度不高，从而直接影响到最终的测量精度。本发明应用两个面阵相机对缸体底面上的两个定位销孔分别成像，监测定位基准的变动量，实现对缸体的精确定位。

发动机缸体六个面上孔组很多，而且检测各孔要求的相对测量精度较高。因此测量时需要排布很多的面阵CCD相机，成本高且应用中存在困难。考虑到发动机缸体的生产实际，缸体同一面上的孔组由同一台机床一次加工完成。因此当某台机床的加工误差超差时，该机床加工的缸体同一面上的孔组位置度误差是一致的，即只需检测其中2～3个孔的位置误差即可反映生产线上对应机床的工作情况，从而对生产线的生产加工提供指导。因此本发明并不测量缸体六个面上所有孔的位置度，只对缸体每个面选取两个有代表性的被测孔，测量其相对缸体基准的位置，从而实现对缸体六面孔组位置度误差的在线检测。

本发明整体技术方案表述如下。如附图1和附图2所示，由两个面阵定位相机测量缸体底面定位销孔，对缸体精确定位。同时各个面上分别选取两个有代表性的被测孔，应用两个面阵CCD测量相机分别对其成像测量。在各相机安装前，首先标定各相机的内部参数，得到计算机图像坐标系与相机坐标系的透视映射关系。在系统标定过程中，利用本发明设计的专用标定靶标，标定各相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系。测量时，通过定位相机检测被测缸体基准相对于靶标基准的变动量，获得被测缸体世界坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系。最后将各被测孔在靶标世界坐标系下的测量结果转换到被测缸体世界坐标系下，从而得到最终所需的测量结果。

由于各CCD测量相机的工作情况都是独立的，互不影响。现以其中一个相机为例，推导本方法的标定模型和测量模型。

如附图3所示，相机坐标系为Oc-XcYcZc，计算机图像坐标系为O-UV，相机的透视投影变换模型为

$\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\left(s_x{d}_x\right)}^{-1}& 0& u_0\\ 0& {d_y}^{-1}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]$

式中，λ为比例因子，sx为计算机图像坐标水平方向与垂直方向的比例因子，dx为CCD水平方向相邻光敏单元中心距离，dy为CCD垂直方向相邻光敏单元中心距离，u0、v0为光轴与像平面交点的图像坐标，f为相机有效焦距。考虑到相机镜头的低次径向畸变，Oc-XcYcZc与O-UV之间的透视投影变换模型可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}f\frac{x_c}{z_c}=s_x{d}_x(u-u_0)(1+k_1{r}^2)\\ f\frac{y_c}{z_c}=d_y(v-v_0)(1+k_1{r}^2)\end{array}\right.$

式中，k1为镜头径向畸变系数，r为像平面上像点到光轴的距离。相机安装前，首先标定相机的内部参数，即上式中的f、sx、dx、dy、u0、v0、k1，从而得到计算机图像坐标系O-UV与相机坐标系Oc-XcYcZc的透视投影变换关系。安装相机时使相机光轴即相机坐标系的Zc轴垂直于被测孔所在平面。因此系统标定时，相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=R_{\mathrm{tc}}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T_{\mathrm{tc}}$

式中，zc不需要求解，同时由于安装相机时的约束，Ttc平移矢量待求解的未知数个数为2，Rtc旋转矩阵的自由度为1。

综合以上公式，方程中待求解的参数有4个。因此标定相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系时，靶标上至少需要设置2个标定特征点。选用一个与被测缸体型号相同的缸体作为标定靶标，在其被测孔内楔入如附图4所示的特征孔图案。利用三坐标机测得各特征孔中心在靶标世界坐标系下的位置坐标，将其作为标准数据。因此在每个相机的视场有5个特征圆，可以通过优化求解标定得到相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系。

测量时，首先定位相机对被测缸体定位销孔成像，获得被测缸体相对于标定靶标基准的变动量。如附图3所示，靶标世界坐标系表示为Ot-XtYtZt，被测缸体世界坐标系表示为Oe-XeYeZe，Oe-XeYeZe与Ot-XtYtZt之间的坐标转换关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_e\\ y_e\\ z_e\end{array}\right]=R_{\mathrm{te}}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T_{\mathrm{te}}$

式中，旋转矩阵 $R_{\mathrm{te}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ γ为旋转角，Tte为平移矢量。利用靶标特征孔标定计算得到旋转矩阵Rte和平移矢量Tte，即得到被测缸体世界坐标系Oe-XeYeZe与靶标世界坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系。

在各相机安装前，相机内部参数已应用现有的标定方法得到。根据测量需求安装好各相机后，首先需要进行测量系统的标定。将所设计的靶标经滚道滑动到测试位置，并下落在系统的三点定位机构上。各相机对靶标上所对应的特征孔成像，底面两定位相机对靶标底面上的定位销孔成像，提取各孔图像中心，将各孔中心图像坐标及其世界坐标代入，标定出各相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系。

测量时，将被测缸体经滚道滑动到测试位置，并下落在系统的三点定位机构上。各相机对被测缸体上对应的被测孔成像，同时底面定位相机对被测缸体底面上的定位销孔成像。首先求解靶标世界坐标系与被测缸体世界坐标系的坐标转换关系，然后通过空间坐标转换得到被测缸体所有六个面被测孔相对于被测缸体世界坐标系的位置测量结果。

利用两个面阵CCD测量相机对被测孔进行成像测量首先根据被测孔中心在计算机图像坐标系下的坐标得到在靶标世界坐标系下的测量结果，经过坐标系转换，转换到被测缸体世界坐标系下，从而得到最终所需的测量结果。

Claims (3)

1.一种发动机缸体六面孔组位置度误差在线检测方法，其特征是，包括如下步骤：由两个面阵定位相机测量缸体底面定位销孔，对缸体精确定位；在缸体各个面上分别选取两个有代表性的被测孔，利用两个面阵CCD测量相机对被测孔进行成像测量；标定各个面阵相机各自的内部参数，得到各个面阵相机计算机图像坐标系与相机坐标系的透视映射关系，在测量过程中，利用专用标定靶标，标定各相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系；测量时，通过定位相机检测被测缸体基准相对于靶标基准的变动量，获得被测缸体世界坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系；最后将各被测孔在靶标世界坐标系下的测量结果转换到被测缸体世界坐标系下，从而得到最终所需的测量结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，标定各坐标系之间的坐标转换关系的具体步骤为：相机坐标系为Oc-XcYcZc，计算机图像坐标系为O-UV，相机的透视投影变换模型为

$\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\left(s_x{d}_x\right)}^{-1}& 0& u_0\\ 0& {d_y}^{-1}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]$

式中，λ为比例因子，sx为计算机图像坐标水平方向与垂直方向的比例因子，dx为CCD水平方向相邻光敏单元中心距离，dy为CCD垂直方向相邻光敏单元中心距离，u0、v0为光轴与像平面交点的图像坐标，f为相机有效焦距。考虑到相机镜头的低次径向畸变，Oc-XcYcZc与O-UV之间的透视投影变换模型可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}f\frac{x_c}{z_c}=s_x{d}_x(u-u_0)(1+k_1{r}^2)\\ f\frac{y_c}{z_c}=d_y(v-v_0)(1+k_1{r}^2)\end{array}\right.$

式中，k1为镜头径向畸变系数，r为像平面上像点到光轴的距离；相机安装前，首先标定相机的内部参数，即上式中的f、sx、dx、dy、u0、v0、k1，从而得到计算机图像坐标系O-UV与相机坐标系Oc-XcYcZc的透视投影变换关系；安装相机时使相机光轴即相机坐标系的Zc轴垂直于被测孔所在平面；因此系统标定时，相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=R_{\mathrm{tc}}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T_{\mathrm{tc}}$

式中，zc不需要求解，同时由于安装相机时的约束，Ttc平移矢量待求解的未知数个数为2，Rtc旋转矩阵的自由度为1；

在靶标上每个CCD相机的视场范围内需至少设置两个标定特征点；选用一个与被测缸体型号相同的缸体作为标定靶标，在其被测孔内楔入特征孔图案的靶标块；利用三坐标机测得各特征孔中心在靶标世界坐标系下的位置坐标，将各特征孔中心坐标作为标准数据通过优化求解标定得到相机坐标系与靶标世界坐标系的坐标转换关系；

靶标世界坐标系表示为Ot-XtYtZt，被测缸体世界坐标系表示为Oe-XeYeZe，Oe-XeYeZe与Ot-XtYtZt之间的坐标转换关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_e\\ y_e\\ z_e\end{array}\right]=R_{\mathrm{te}}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T_{\mathrm{te}}$

式中，旋转矩阵 $R_{\mathrm{te}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ γ为旋转角，Tte为平移矢量；利用靶标特征孔标定计算得到旋转矩阵Rte和平移矢量Tte，即得到被测缸体世界坐标系Oe-XeYeZe与靶标世界坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，被测孔楔入靶标块特征孔图案为中间一大圆，周遭均布4个直径相同的小圆。

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