CN104913737A - 基于线激光三维测量的零部件质量检验装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线激光三维测量的零部件质量检验装置及其检测方法，质量检验装置包括安装在导轨上能够沿导轨匀速滑动的移动平台，移动平台上固定待测零部件，导轨上方通过支架安装有摄像机以及若干个激光发射器；摄像机采集激光发射器投影到待测零部件表面并经表面调制后变形的图像，摄像机将采集到的图像数据传输至计算机进行分析处理。检测方法通过将激光发射器发出的线性条纹投射到待测零部件表面进行线性扫描，利用摄像机连续采集待测零部件上的图像信息，使所测得的三维点云数据与初始设计的三维图形在同一坐标系下进行对比分析，判断最大误差是否在最大允许误差范围内，将合格的零部件筛选出来。本发明的检测精度高，能够实现自动化、流水线生产。

Description

基于线激光三维测量的零部件质量检验装置及其检测方法

技术领域

本发明属于三维光学测量及零部件质量检测领域，具体涉及一种基于线激光三维测量的零部件质量检验装置及其检测方法。

背景技术

随着机械制造业的快速发展，许多制造业对其所加工零部件的质量控制提出了越来越高的要求。但是，目前大多数企业由于技术、成本等问题在零部件质量检测方面做得不够好。在零部件检验时，一种是使用感觉检验的方法，即检验人员只凭借视、听、触觉等直观感觉而基本不用检验设备来检验零件技术状况的方法。这种方法简便、费用低，但此法不能进行定量检验，不能用于检验精度要求较高的零件，并且要求检验人员具有丰富的经验。另一种是仪器、工具检验法，即使用一些量具、机械仪器等对零件进行检验的方法。总之，质量检测通常由工人师傅根据经验选用合适的量具、确定合理的测量方法进行测量检测，这样不仅测量速度慢、测量精度也无法保证。另外，对于一大批零部件，不可能全部测量，只能随机抽取部分零部件进行测量，然后以抽取样本中零部件的质量情况来估计总体的质量情况，质量检测效果较差。总结现有对汽车零部件进行检测的方法，存在以下不足：1)零部件质量检验需要人为的干预，自动化程度不高，效率较低。2)依靠工人师傅用量具及经验检测，不确定因素较大，检验精度较低。3)抗干扰性较弱、测量不稳定。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于线激光三维测量的零部件质量检验装置及其检测方法，在汽车零部件质量检测过程中，能够在确保检测精度及效率的前提下，不需要人为的干预，能够实现自动化、流水线生产，提高生产效率，降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明基于线激光三维测量的零部件质量检验装置采用的方案为：

包括安装在导轨上能够沿导轨匀速滑动的移动平台，移动平台上固定待测零部件，所述的导轨上方通过支架安装有摄像机以及若干个用于向待测零部件投射等间距线性条纹的激光发射器；摄像机与激光发射器的光心连线与未放置待测零部件的移动平台上表面平行，通过置于移动平台中央的标定板调节激光发射器和摄像机，使光线完整投射到标定板并确保摄像机能拍摄到完整光线；所述的摄像机采集激光发射器投影到待测零部件表面并经表面调制后变形的图像，摄像机将采集到的图像数据传输至计算机进行分析处理。

所述的激光发射器采用六个沿直线等间距布置的激光发射器。

所述的标定板采用500mm×500mm的黑白格子板，每个黑白格子的尺寸为10mm×10mm，黑白格子板的一个顶角上设有用于标定的原点作为方位点。

所述的摄像机为CCD相机。

本发明基于线激光三维测量的零部件质量检测方法采用的方案包括以下步骤：

步骤一、将摄像机以及若干个激光发射器通过支架安装在导轨的上方，摄像机与激光发射器的光心连线与未放置待测零部件的移动平台上表面平行，通过置于移动平台中央的标定板调节激光发射器和摄像机，使光线完整投射到标定板并确保摄像机能拍摄到完整光线；

步骤二、将待测零部件固定于移动平台上，通过激光发射器发出等间距线性条纹投射到待测零部件表面；

步骤三、控制移动平台匀速移动，使得激光发生器发出的线性条纹对移动平台上待测零部件表面进行线性扫描；

步骤四、通过摄像机连续采集待测零部件上的图像信息，并将图像数据输入到计算机中进行分析处理；

步骤五、根据三角测量原理及摄像机拍摄图片的像素坐标与待测零部件空间中世界坐标的对应关系，计算获得世界坐标系下待测零部件的三维坐标；

步骤六、对世界坐标系下待测零部件的三维坐标进行飞点剔除、点云拼接以及融合处理，获得待测零部件完整的三维点云数据；

步骤七、将三维点云数据利用计算机经过非均匀有理B样条构造出光滑的曲面，得到测量获得的待测零部件三维模型；

步骤八、在计算机中将测量获得的待测零部件三维模型与初始设计的三维模型在同一坐标系下进行对比分析，显示待测零部件各处误差云图；

步骤九、通过误差云图判断最大误差是否在最大允许误差范围内，若在其设置的允许范围内，则通过筛选机构将合格的零部件筛选出来。

所述的步骤五中摄像机拍摄图片的像素坐标与待测零部件空间中世界坐标的对应关系是指通过旋转阵和平移阵的坐标变换，结合使用标定板获取的标定数据，确定摄像机拍摄图片的像素坐标与空间中世界坐标的对应关系。

所述的步骤六中飞点剔除通过比较距离偏差E(pi)与给定阈值E的大小进行飞点剔除。

所述的步骤六中点云拼接是利用移动最小二乘曲面对要拼接的两片点云进行拟合，确定对应点集进行拼接；所述的融合处理是指根据点云中一点的法向量方向确定两片点云的重叠点，并取均值进行融合处理。

与现有技术相比，本发明基于线激光三维测量的零部件质量检验装置具有的优点如下：

1)本发明的检验装置针对零部件生产线设计，能够实现零部件生产过程中自动地进行质量检测，并能迅速将合格的零件筛选出来，提高了零部件的检测效率；

2)本发明检验装置的激光发射器和摄像机固定不动，待测零部件随移动平台运动，只需标定一个光平面，标定较简单，数据冗余少，工作效率较高；

3)本发明的检验装置使用激光发射器投射光线，摄像机采集图像，质量检验精度高；

4)本发明检验装置在测量过程中不需保持测头与待测零部件相对静止，对振动不敏感，抗干扰性和稳定性较好。

与现有技术相比，本发明基于线激光三维测量的零部件质量检测方法通过将激光发射器发出的线性条纹投射到待测零部件表面，由待测零部件表面形状形成所调制的三维光条图像，然后控制载有待测零部件的移动平台以设定速度匀速运动，对待测零部件表面进行线性扫描，利用摄像机连续采集待测零部件上的图像信息，并将图像信息传给计算机进行分析处理，获得世界坐标系下待测零部件的三维点云数据。将三维点云数据利用非均匀有理B样条构造出光滑的曲面，使所测得的三维点云数据与初始设计的三维图形在同一坐标系下进行对比分析，判断最大误差是否在最大允许误差范围内，若在其设置的允许范围内，则通过筛选机构将合格的零部件筛选出来。本发明零部件质量检测方法在确保检测精度及效率的前提下，不需要人为的干预，能够实现自动化、流水线生产，提高了生产效率，降低了生产成本。

附图说明

图1本发明零部件质量检验平台结构图；

图2本发明激光三维快速测量装置的结构示意图；

图3本发明摄像机采集到的经物体表面调制变形的线形图；

图4本发明三角测量的原理图；

图5本发明黑白格子标定版示意图；

图6本发明测量方法的工作流程图；

附图中：1-导轨；2-移动平台；3-支架；4-摄像机；5-激光发射器；6-标定板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明基于线激光三维测量的零部件质量检验装置，包括激光发射器5、摄像机4、导轨1、移动平台2、支架3、标定板6以及计算机；

激光发射器5，采用六个直线布置的激光发射器5，相邻两个间距为H，用于向待测零部件投射六条等间距H的线性条纹；摄像机4即高速CCD相机，与六个激光发射器5共线布置，用于采集激光发射器5投影到待测汽车零部件表面，并经表面调制后变形的图像；计算机图像信号输入端与CCD相机的图像信号输出端相连接，用于分析处理摄像机获取的图形信息；导轨1，用于安装移动平台2，通过控制导轨上的移动平台2以特定的速度匀速移动，便于线激光对待测零部件进行扫描；移动平台2，用于放置待测零部件，由计算机控制其移动速度；支架3，用于安装激光发射器5和摄像机4，并且可以调节激光发射器5和摄像机4的高度；标定板6，用于标定测量系统中摄像机4和光源的参数。

本发明基于线激光三维测量的零部件质量检验装置工作原理为：

本发明中将激光发射器5发出的线性条纹投射到待测零部件表面，在表面形成由待测零部件表面形状所调制三维光条图像，然后通过控制载有待测零部件的移动平台3以设定速度匀速运动，对待测零部件表面进行线性扫描，利用CCD相机连续采集待测零部件上的图像信息，并将其传给计算机进行分析处理，获得世界坐标系下待测零部件的三维点云数据。将三维点云数据利用非均匀有理B样条构造出光滑的曲面，将所测得的三维点云数据与初始设计的三维图形在同一坐标系下进行对比分析，判断最大误差是否在最大允许误差范围内，若在其设置的允许范围内，则通过筛选机构将合格的零部件筛选出来。

参见图6，本发明基于线激光三维测量的零部件质量检测方法，具体实施步骤如下：

(1)采用500mm*500mm的黑白格子板对测量系统进行标定，如图5所示，其中黑白格子尺寸为10mm*10mm，调整标定板6的位置使六只激光发射器5发出的光线能投射到标定板6上，并且调节摄像机4在不同的位置拍摄标定板6，拍摄时保证激光线投射在标定板6中心区域。然后，通过标定板6上尺寸为10mm*10mm的黑白格子和摄像机4采集到的图片确定世界坐标系下X、Y方向上10mm对应采集到图像上相应方向坐标上N_xi、N_yi像素，最终六只激光发射器5投射到标定板6上的线性条纹确定X、Y方向从像素坐标系到世界坐标系的转换系数K_xi、K_yi,i＝1、2、3、4、5、6；从像素坐标系到世界坐标系转换系数K_xi、K_yi,i＝1、2、3、4、5、6，通过以下3个计算公式获得：

[x_c y_c z_c]^T＝T+R[x y z]^T      (1)

$\begin{array}{cc}\stackrel{\·}{x}=d\frac{x_c}{z_c}& \stackrel{\·}{y}=d\frac{y_c}{z_c}\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{cc}u=n_{xi}\×\stackrel{\·}{x}+U_0& v=n_{yi}\×\stackrel{\·}{y}+V_0\end{array}---\left(3\right)$

其中：(x,y,z)为世界坐标系中坐标，(x_c,y_c,z_c)为摄像机坐标系中坐标，旋转矩阵为R，平移矩阵为T，图像坐标系对应点的坐标为摄像机焦距为d，(u,v)为图像坐标系中对应的行列坐标值，(U₀,V₀)为像素坐标系中图像坐标系原点的坐标。n_xi，n_yi为图像坐标系中水平和垂直方向单位距离内的像素数，即：n_xi＝N_xi/10，n_yi＝N_yi/10，i＝1、2、3、4、5、6。旋转矩阵R和平移矩阵T具体表示形式为：

$\begin{array}{cc}R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]& T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]\end{array}---\left(4\right)$

因此，从世界坐标系到摄像机坐标系的转换公式，即式(1)可具体表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]---\left(5\right)$

(2)将激光发射器5发出的线性条纹投射到待测零部件表面，如图2所示；

(3)通过控制移动平台2匀速移动，使得激光发生器5发出的线性条纹对移动平台2上待测零部件表面进行线性扫描；

(4)利用CCD相机采集待测零部件表面的图像信息，得到经表面调制后的条纹L₁～L₆，如图3所示。将CCD相机采集的图像信息输入计算机进行处理分析。

(5)根据三角测量原理从采集的图像信息中获得待测零部件高度值。再结合系统标定参数获取图片上像素坐标与待测零部件世界坐标的对应关系。当激光发射器5发出的光投射到参考平面时，会有部分光发生反射，反射的光通过透镜在光敏面上成像显示。当被测零部件置于参考平面上时，显示的像素点位置会发生变化，这一变化量反映了零部件高度变化。如图4所示，被测零部件的高度值h，即，被测零部件在世界坐标系中的Z坐标的计算公式为：

$\frac{\stackrel{\‾}{B_{1}D}}{\stackrel{\‾}{BE}}=\frac{CD}{CE}=\frac{l_2-\stackrel{\‾}{{\mathrm{DA}}_1}}{l_1+\stackrel{\‾}{AE}}---\left(6\right)$

其中 $\stackrel{\‾}{B_{1}D}=xsin\mathrm{\β},\stackrel{\‾}{BE}=\stackrel{\‾}{BA}sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\θ}),\stackrel{\‾}{{\mathrm{DA}}_1}=xcos\mathrm{\β},\stackrel{\‾}{AE}=\stackrel{\‾}{BA}cos(\mathrm{\α}+\mathrm{\θ}),\stackrel{\‾}{BA}=\frac{h}{cos\mathrm{\θ}}.$

透镜成像计算公式为：

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}---\left(7\right)$

其中，物距为u，像距为v，焦距为f。当入射光点在待测零部件上时，u＝l₁，v＝l₂，因此，被测零部件高度h的计算公式为：

其中，在光路确定之后参数l₁，l₂，α，β，θ，f都是已知的，知道光敏单元上的位移x，就可以确定待测零部件的高度h。实际平面在参考平面下时取“-”，在参考平面上时取“+”。

(6)将获得的三维点云数据进行飞点剔除、点云拼接以及融合处理，获得待测零部件完整的三维点云数据。根据距离偏差E(p_i)与给定阈值E的比较进行飞点剔除，其算法公式为：

$E\left(p_i\right)=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{(||p_i-c_j||-\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}||p_i-c_j||)}^2}---\left(9\right)$

其中，p_i是点云数据中任意一点，k是临近点个数，c_j是p_i点k邻域内一点(j＝1,...,k)，若点p_i的距离偏差E(p_i)大于给定阈值E，则将该点视为飞点，并将其剔除，否则将其保留。

利用移动最小二乘曲面对需要拼接的点云P和Q重叠区域进行拟合得到的2片曲面P(u,v)和Q(u,v)，并确定初始对应点集，然后根据曲率约束去除错误对应点集，确定最终对应点集。计算获得点云P中的点p_i的法向量N_pi，其在法向量方向与点云Q交于q_i点，然后对重叠点p_i点和q_i点做平均得新点云d_i，最终拼接融合为完整的一个模型。

(7)在计算机中利用非均匀有理B样条(NURBS)将所测得的三维点云数据处理构造出光滑的曲面。由三维点云数据构造光滑曲面的公式为：

$P(x,y)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{w}_{i,j}{p}_{i,j}{N}_{i,p}\left(x\right)N_{j,p}\left(y\right)}{\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{w}_{i,j}{N}_{i,p}\left(x\right)N_{j,p}\left(y\right)}---\left(10\right)$

其中：p_i,j(i＝0,1,...,m；j＝0,1,...,n)是控制顶点，它呈拓扑矩阵形式，形成一个控制网格；w_i,j为与顶点p_i,j对应的权值；N_i,p(x)和N_j,p(y)分别为参数x向p次和参数y向q次的规范B样条基函数，它们是由x向和y向的节点矢量U＝(x₀,x₁,...,x_m-p+1)与V＝(y₀,y₁,...,y_n-q+1)按deBoor-Cox递推公式决定。

N_i,p(x)的递推公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_{i,0}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1,x_i\≤x\≤x_{i+1}\\ 0,x\≥x_{i+1}\end{array}\right.\\ N_{i,p}\left(x\right)=\frac{x-x_i}{x_{i+p}-x_i}{N}_{i,p-1}\left(x\right)+\frac{N_{i,p+1}\left(x\right)-x}{N_{i,p+1}\left(x\right)-x_{i+1}}{N}_{i+1,p-1}\left(x\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中，规定0/0＝0。N_j,p(y)的递推公式与上式类似。

(8)将测量获得的待测零部件三维模型与初始设计的三维模型在同一坐标系下进行对比分析，获取最大误差E_max，其计算公式为：

E_max＝|M₂-M₁|        (12)

其中，M₁为设计值，M₂为测量值。

(9)根据各点最大误差在计算机中显示待测零部件各处误差云图，判断最大误差是否在最大允许误差范围内，若在其设置的允许范围内，则通过筛选机构将合格的零部件筛选出来，若误差过大，则在不合格零件上标记最大误差所在位置。

Claims (8)

1.一种基于线激光三维测量的零部件质量检验装置，其特征在于：包括安装在导轨（1）上能够沿导轨（1）匀速滑动的移动平台（2），移动平台（2）上固定待测零部件，所述的导轨（1）上方通过支架（3）安装有摄像机（4）以及若干个用于向待测零部件投射等间距线性条纹的激光发射器（5）；摄像机（4）与激光发射器（5）的光心连线与未放置待测零部件的移动平台（2）上表面平行，通过置于移动平台（2）中央的标定板（6）调节激光发射器（5）和摄像机（4），使光线完整投射到标定板（6）并确保摄像机能拍摄到完整光线；所述的摄像机（4）采集激光发射器投影到待测零部件表面并经表面调制后变形的图像，摄像机（4）将采集到的图像数据传输至计算机进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的基于线激光三维测量的零部件质量检验装置，其特征在于：所述的激光发射器（5）采用六个沿直线等间距布置的激光发射器。

3.根据权利要求1所述的基于线激光三维测量的零部件质量检验装置，其特征在于：所述的标定板（6）采用500mm×500mm的黑白格子板，每个黑白格子的尺寸为10mm×10mm，黑白格子板的一个顶角上设有用于标定的原点作为方位点。

4.根据权利要求1所述的基于线激光三维测量的零部件质量检验装置，其特征在于：所述的摄像机（4）为CCD相机。

5.一种基于线激光三维测量的零部件质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将摄像机（4）以及若干个激光发射器（5）通过支架（3）安装在导轨（1）的上方，摄像机（4）与激光发射器（5）的光心连线与未放置待测零部件的移动平台（2）上表面平行，通过置于移动平台（2）中央的标定板（6）调节激光发射器（5）和摄像机（4），使光线完整投射到标定板（6）并确保摄像机能拍摄到完整光线；

步骤二、将待测零部件固定于移动平台（2）上，通过激光发射器（5）发出等间距线性条纹投射到待测零部件表面；

步骤三、控制移动平台（2）匀速移动，使得激光发生器（5）发出的线性条纹对移动平台上待测零部件表面进行线性扫描；

步骤四、通过摄像机（4）连续采集待测零部件上的图像信息，并将图像数据输入到计算机中进行分析处理；

步骤五、根据三角测量原理及摄像机（4）拍摄图片的像素坐标与待测零部件空间中世界坐标的对应关系，计算获得世界坐标系下待测零部件的三维坐标；

步骤六、对世界坐标系下待测零部件的三维坐标进行飞点剔除、点云拼接以及融合处理，获得待测零部件完整的三维点云数据；

步骤七、将三维点云数据利用计算机经过非均匀有理B样条构造出光滑的曲面，得到测量获得的待测零部件三维模型；

步骤八、在计算机中将测量获得的待测零部件三维模型与初始设计的三维模型在同一坐标系下进行对比分析，显示待测零部件各处误差云图；

步骤九、通过误差云图判断最大误差是否在最大允许误差范围内，若在其设置的允许范围内，则通过筛选机构将合格的零部件筛选出来。

6.根据权利要求5所述的基于线激光三维测量的零部件质量检测方法，其特征在于：所述的步骤五中摄像机（4）拍摄图片的像素坐标与待测零部件空间中世界坐标的对应关系是指通过旋转阵和平移阵的坐标变换，结合使用标定板（6）获取的标定数据，确定摄像机（4）拍摄图片的像素坐标与空间中世界坐标的对应关系。

7.根据权利要求5所述的基于线激光三维测量的零部件质量检测方法，其特征在于：所述的步骤六中飞点剔除通过比较距离偏差E(pi)与给定阈值E的大小进行飞点剔除。

8.根据权利要求5所述的基于线激光三维测量的零部件质量检测方法，其特征在于：所述的步骤六中点云拼接是利用移动最小二乘曲面对要拼接的两片点云进行拟合，确定对应点集进行拼接；所述的融合处理是指根据点云中一点的法向量方向确定两片点云的重叠点，并取均值进行融合处理。