CN102642155A - 一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法 - Google Patents

一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法 Download PDF

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Abstract

一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法。属于精密测量及加工技术领域。该方法借助图像辅助设备实现各种超精密加工、检测设备上安装零件非接触、无损伤调心。将待调心的微小零件安装在二维位移调心台面上，计算机系统捕获一幅图像a，假定该待调心的微小零件的回转中心坐标为(x c,y c)；求得外圆圆心的位置坐标(x 1,y 1)，将求得的外圆轮廓圆心特征点(x 1,y 1)标识在图像a上；将回转主轴旋转已知的角度θ，再捕获一幅新图像b；确定新图像b上的新位置坐标(x 2,y 2)及外圆轮廓半径；计算出待调心的微小零件的回转中心位置(x c,y c)；使得动态图像c上的待调心的微小零件的外圆圆心坐标(x 3,y 3)与回转中心坐标(x c,y c)的位置重合。本发明适合于易破损变形等微小零件的回转调心。

Description

一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法
技术领域
本发明涉及一种微小零件回转调心方法，属于精密测量及加工技术领域。
背景技术
在精密检测及加工过程中，一项非常重要的准备工作是调节被测量或被加工零件的回转中心与检测设备或加工机床的回转轴线一致。特别在微小零件的检测和加工时，其操作难度更大。如何精确、快速地检测出零件特征的回转中心与检测或加工设备的回转轴线的偏差量，并进一步通过调心装置将二者调节一致，成为一项很有意义的研究内容。
要实现零件的调心，实际上要解决两个问题，第一个问题是怎样检测零件当前的回转中心；第二个问题是用什么装置和机构实现调心。目前，国内外精密检测和加工设备上通常采用电感传感器或千分表等位移传感器接触零件外圆的方法来检测零件的回转中心，进而采用手动或电动的装置和结构进行。这对于一般的较大尺寸回转体零件而言，操作相对较为方便，使用也很简洁，仅需要调节使零件外圆表面在旋转过程中，传感器示数恒定（满足要求）即可。然而这些传感器一般尺寸较大，对零件表面的接触力也较大，这常常会对微小的零件，特别是微小非金属、有机材料及空心薄壁结构等零件表面有破坏作用，对非外圆零件的调节也难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法，该调心方法借助于图像辅助设备实现各种超精密加工、检测设备上安装零件的非接触、无损伤调心。
实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法，所述的回转调心方法是借助于图像辅助设备实现的，所述的图像辅助设备包括CCD视频显微镜、二维位移调心台面、回转主轴及计算机系统，二维位移调心台面安装在回转主轴上，二维位移调心台面通过回转主轴的转动驱动旋转，CCD视频显微镜通过数据线与计算机系统连接，CCD视频显微镜位于二维位移调心台面的正上方，所述的回转调心方法按以下步骤实现：
步骤一：首先将待调心的微小零件安装在二维位移调心台面上，并将回转主轴停止在任意一个位置上，计算机系统捕获一幅所述的待调心的微小零件的图像a，假定在图像a上待调心的微小零件的回转中心坐标为(x c, y c)；
步骤二：在图像a上选定外圆轮廓边缘上的三个特征点，由所选定的三个特征点，计算出此外圆轮廓的圆心位置及半径大小，并在上述初步确定了圆心、半径的基础上，在图像a上选取数个外圆轮廓边缘点，进一步用最小二乘拟合的方法精确求得外圆圆心的位置坐标 (x 1, y 1)，并将求得的外圆轮廓圆心特征点(x 1, y 1)标识在图像a上；
步骤三：将回转主轴按着顺时针或逆时针方向旋转一个已知的角度θ，再捕获一幅该待调心的微小零件的新图像b；
步骤四：根据步骤二中的方法确定特征点(x 1, y 1)在所述的新图像b上的新位置坐标(x 2, y 2)，并计算出外圆轮廓的半径大小；
步骤五：由二维刚体运动几何关系，有
Figure 2012101320313100002DEST_PATH_IMAGE002
将上式整理为矩阵形式，有
Figure 2012101320313100002DEST_PATH_IMAGE004
                            
其中，
Figure 2012101320313100002DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012101320313100002DEST_PATH_IMAGE008
于是
Figure 2012101320313100002DEST_PATH_IMAGE010
                         
由此计算出待调心的微小零件的回转中心位置(x c, y c)；
步骤六：在动态图像c上标识出该待调心的微小零件的回转中心坐标(x c, y c)，并按步骤四计算的半径大小将一个理想圆标识在动态图像c上，这样，调节二维位移调整台面的位置，使得动态图像c上的待调心的微小零件的外圆轮廓边缘与标识的理想圆重合，待调心的微小零件的外圆圆心坐标(x 3, y 3)也即与待调心的微小零件的回转中心坐标 (x c, y c)的位置重合；此时，该待调心的微小零件即围绕其回转中心坐标(x c, y c)旋转，从而实现了待调心的微小零件的回转调心。
本发明的有益效果是：本发明采用CCD视频显微镜获取零件的回转过程中的图像，非接触、无损伤，尤其适合微小、易破损变形等零件的回转调心工作，这是本发明的特点之一；本发明仅需要捕获两个位置上的微小零件图像及知道相对角度差，即可以计算出回转中心位置，进而通过图像辅助实现微小零件的调心工作，操作快捷，迅速，这是本发明的突出特点之二。本发明通过CCD视频显微镜及计算机系统，可实现各种超精密加工、检测设备上安装零件时的调心工作，特别针对微小零件调心，本发明即节省时间，又具有较高的调心精度。
综上，本发明的调心方法，是借助于CCD视频显微镜（也可以采用其他图像设备）对被调心的微小零件上的特征点进行检测，通过计算得到特征点的回转中心，在图像上标记出该回转中心，并在图像辅助下完成被调心微小零件的调心工作。该方法具有不接触零件即不破坏微小零件表面、仅需简单的几步即可以完成调心操作，采用高精度的CCD视频显微镜可获得很高的调心精度等优点，既适用于直径几百微米至几毫米的微小零件的精确调心，又适用于较大零件的粗调心工作，可以极大地提高调心效率。
附图说明
图1为本发明方法的实施原理图；
图2为本发明在调心过程中图像上特征点变化和调节的原理图；
图3a是实现步骤二的图像（拾取待调心的微小零件2外圆轮廓的圆心）；
图3b是实现步骤四的图像，即旋转回转主轴一定角度(已知)，拾取第二位置上待调心的微小零件2外圆轮廓的圆心；通过上述两步，实际上就计算出了回转中心位置；
图3c是实现步骤六的图像；
    注：由图3a、图3b及图3c构成本发明在实际调心过程中的操作步骤图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1、图2、图3a、图3b及图3c所示，一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法，所述的回转调心方法是借助于图像辅助设备实现的，所述的图像辅助设备包括CCD视频显微镜1、二维位移调心台面3、回转主轴4及计算机系统5，二维位移调心台面3安装在回转主轴4上，二维位移调心台面3通过回转主轴4的转动驱动旋转，CCD视频显微镜1通过数据线与计算机系统5连接（通过计算机软件观察待调心的微小零件2的状态），CCD视频显微镜1位于二维位移调心台面3的正上方，所述的回转调心方法按以下步骤实现：
步骤一：首先将待调心的微小零件2安装在二维位移调心台面3上，并将回转主轴4停止在任意一个位置上，计算机系统5捕获一幅所述的待调心的微小零件2的图像a，假定在图像a上待调心的微小零件2的回转中心坐标为(x c, y c)(未知)；
步骤二：在图像a上选定外圆轮廓边缘上的三个特征点，由所选定的三个特征点，计算出此外圆轮廓的圆心位置及半径大小，并在上述初步确定了圆心、半径的基础上，在图像a上选取数个外圆轮廓边缘点，进一步用最小二乘拟合的方法精确求得外圆圆心的位置坐标（作为特征点）(x 1, y 1)（从而获得更好的调心效果），并将求得的外圆轮廓圆心特征点(x 1, y 1)标识在图像a上（第一位置）；
步骤三：将回转主轴4按着顺时针或逆时针方向旋转一个已知的角度θ，再捕获一幅该待调心的微小零件2的新图像b；
步骤四：根据步骤二中的方法确定特征点(x 1, y 1)在所述的新图像b上的新位置坐标(x 2, y 2)（第二位置），并计算出外圆轮廓的半径大小；
注：新图像b上确定待调心的微小零件2的外圆轮廓边缘上的新位置及特征点(x 2, y 2)，与步骤二中确定外圆圆心的位置坐标（作为特征点）(x 1, y 1)的方法相同；
步骤五：由二维刚体运动几何关系，有
将上式整理为矩阵形式，有
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
                            
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
于是
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
                         
由此计算出待调心的微小零件2的回转中心位置(x c, y c)；
步骤六：在动态图像c上标识出该待调心的微小零件2的回转中心坐标(x c, y c)，并按步骤四计算的半径大小将一个理想圆标识在动态图像c上，这样，调节二维位移调整台面3的位置，使得动态图像c上的待调心的微小零件2的外圆轮廓边缘与标识的理想圆重合，待调心的微小零件2的外圆圆心坐标(x 3, y 3)也即与待调心的微小零件2的回转中心坐标 (x c, y c)的位置重合；此时，该待调心的微小零件2即围绕其回转中心坐标(x c, y c)旋转，从而实现了待调心的微小零件2的回转调心。
实施例：下面结合图1、图3a、图3b及图3c说明，以直径1mm的微球（待调心的微小零件2）为实例具体说明调心过程，关键的三步骤包括a) 拾取第一位置上待调心的微小零件2上的外圆轮廓的圆心；b) 旋转回转主轴4一定角度(已知)，拾取第二位置上待调心的微小零件2外圆轮廓的圆心；通过上述两步，实际上就计算出了回转中心位置，所以 c) 在图像上标识的辅助下调节待调心的微小零件2，使其外圆轮廓中心与回转中心重合，即完成调心。上述过程的调心精度与CCD视频显微镜1的放大倍数及精度有关。对于1mm微球，在放大200倍的情况下通常的调心精度可小于10μm，整个调节过程不超过3分钟，能够满足便捷性要求。

Claims (1)

1.一种基于图像辅助的微小零件回转调心方法，其特征是：所述的回转调心方法是借助于图像辅助设备实现的，所述的图像辅助设备包括CCD视频显微镜（1）、二维位移调心台面（3）、回转主轴（4）及计算机系统（5），二维位移调心台面（3）安装在回转主轴（4）上，二维位移调心台面（3）通过回转主轴（4）的转动驱动旋转，CCD视频显微镜（1）通过数据线与计算机系统（5）连接，CCD视频显微镜（1）位于二维位移调心台面（3）的正上方，所述的回转调心方法按以下步骤实现：
步骤一：首先将待调心的微小零件（2）安装在二维位移调心台面（3）上，并将回转主轴（4）停止在任意一个位置上，计算机系统（5）捕获一幅所述的待调心的微小零件（2）的图像a，假定在图像a上待调心的微小零件（2）的回转中心坐标为(x c, y c)；
步骤二：在图像a上选定外圆轮廓边缘上的三个特征点，由所选定的三个特征点，计算出此外圆轮廓的圆心位置及半径大小，并在上述初步确定了圆心、半径的基础上，在图像a上选取数个外圆轮廓边缘点，进一步用最小二乘拟合的方法精确求得外圆圆心的位置坐标 (x 1, y 1)，并将求得的外圆轮廓圆心特征点(x 1, y 1)标识在图像a上；
步骤三：将回转主轴（4）按着顺时针或逆时针方向旋转一个已知的角度θ，再捕获一幅该待调心的微小零件（2）的新图像b；
步骤四：根据步骤二中的方法确定特征点(x 1, y 1)在所述的新图像b上的新位置坐标(x 2, y 2)，并计算出外圆轮廓的半径大小；
步骤五：由二维刚体运动几何关系，有
Figure 2012101320313100001DEST_PATH_IMAGE002
将上式整理为矩阵形式，有
Figure 2012101320313100001DEST_PATH_IMAGE004
                            
其中，
Figure 2012101320313100001DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012101320313100001DEST_PATH_IMAGE008
于是
Figure 2012101320313100001DEST_PATH_IMAGE010
                         
由此计算出待调心的微小零件（2）的回转中心位置(x c, y c)；
步骤六：在动态图像c上标识出该待调心的微小零件（2）的回转中心坐标(x c, y c)，并按步骤四计算的半径大小将一个理想圆标识在动态图像c上，这样，调节二维位移调整台面（3）的位置，使得动态图像c上的待调心的微小零件（2）的外圆轮廓边缘与标识的理想圆重合，待调心的微小零件（2）的外圆圆心坐标(x 3, y 3)也即与待调心的微小零件（2）的回转中心坐标 (x c, y c)的位置重合；此时，该待调心的微小零件（2）即围绕其回转中心坐标(x c, y c)旋转，从而实现了待调心的微小零件（2）的回转调心。
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