CN104913739A - 一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法，包括如下步骤：步骤[1]制作标准轴，标定摄像机参数；步骤[2]获取曲轴零件图像；步骤[3]分析提取曲轴零件图像轴线特征；步骤[4]计算曲轴曲拐偏心参数；步骤[5]重复步骤[3]和步骤[4]，完成十组不同曲轴位姿图像的曲拐偏心参数求取，去除十个静态数据中的最大值和最小值，取剩余数据的平均值作为最终的曲拐偏心值。本发明还提供一种曲轴曲拐偏心的视觉测量装置，包括铝型材组成的长方体状机架及设置在机架上的垂直摄像机和水平摄像机。本发明降低了曲拐偏心的测量时间且提高了曲拐偏心的测量精度，提高了曲轴生产线加工效率，同时降低了对曲拐偏心的测量成本。

Description

一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法及装置

技术领域

本发明涉及工业零件检测领域，特别是一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法及装置。

背景技术

曲轴作为发动机的关键零件，两个轴颈高速旋转完成发动机的动力传送。其中曲拐偏心是曲轴质量检测的一个重点方向，主要用来衡量曲轴动平衡的质量。

加工现场对曲拐偏心的衡量参数，是以一个轴颈作为参考轴，另一个轴颈轴向相对参考轴经过单位距离时在径向偏移的距离。曲拐偏心参数直接影响曲轴装配过程和曲轴工作质量，曲拐偏心数值较大，易导致曲轴在服役过程中动不平衡、快速疲劳破损等问题，增大维护费用和提高事故风险。对曲轴曲拐偏心的精密测量，可以有效的保证曲轴组装过程和曲轴在服役期的运动稳定性。

曲轴零件应用广、数量多，曲拐偏心数值小、精度要求高，决定了其测量的必要性和高难度性。传统的曲拐偏心质量测量主要采用接触式三坐标测量机或专用测量设备(如曲拐偏心测定仪)完成，其测量步骤复杂、测量过程耗时长、测量效率低，且接触测量方式易导致曲轴零件的表面损伤，导致不合格曲轴产品。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明采用非接触式的视觉测量技术，提供了一种快速、精确的曲轴曲拐偏心的视觉测量方法及装置，，很好的解决了现有技术存在的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法，包括按顺序进行的如下步骤：

步骤[1]制作标准轴，标定摄像机参数：

1.1在直径为16mm的圆轴上分别沿90度正交方向交错开出5mm×5mm的两组方形孔；

1.2将标准轴上摄像机正面所对的半轴部分铣去，使标定所用的角点特征位于标定轴的中心轴面上；

1.3在标定轴一端设计重心调节质量块，使得标定轴在其作用下两组方形孔端面的方向分别为水平和竖直，与相对应摄像机的光轴保持垂直，以保证两个正交方向图像的准确性。

1.4轴向平移或旋转标准轴，共获取水平和垂直方向上的五组带有特征角点的标定图像，并进行角点检测，提取检测到特征角点的图像坐标值(C_1x，C_1y)、(C_2x，C_2y)；

1.5由公式(1)分别计算五组图像坐标之于零件尺寸的像素当量因子：

$K=\frac{l}{\sqrt{{(C_{1x}-C_{2x})}^2+{(C_{1y}-C_{2y})}^2}}(mm/pixel)$      公式(1)

(其中表示标定方格上两点的距离)

1.6去掉五组数据的最大值和最小值，求取剩下值的平均值作为最佳的像素当量因子，完成水平及垂直方向两个摄像机的参数标定。

步骤[2]曲轴零件图像获取：调整好曲轴零件的角度，保持曲轴零件位置不变，分别按顺序获取同一位姿水平和垂直方向上的曲轴零件轮廓图像，拍摄同一曲轴零件不同角度位姿的图像共十组。

步骤[3]曲轴零件图像轴线特征分析提取：

3.1对获取的曲轴零件图像进行边缘特征去噪拟合；

3.2曲轴零件图像轴向方向上的四条直线检测和提取：对边缘去噪拟合后的零件图像采用传统直线检测方式提取直线，在一幅图像上可获得直线特征共6条，分别是四条轴颈轮廓直线和两个轴肩端面在图像上呈现的直线两条；

3.3曲轴零件图像中的两个轴线拟合提取：对所述单一轴颈上的两条轮廓直线特征，采用如下算法进行轴线拟合并提取：

(1)分别计算两条轴向轮廓直线在图像坐标系内的直线表示方程；

(2)由于直线特征检测误差的存在，在图像坐标精度内，同一轴颈上的两条直线轮廓可能不会精确平行，故采用如下的拟合算法完成轴线提取：

a、从轴颈对应轴肩端面的外法向方向开始，沿轴向以固定像素个数为步值做虚拟径向直线多条，所作直线将两条轴向轮廓直线分割成一系列成对的像素点，为适应不同分辨率摄像机的轴心直线拟合，提出一个由摄像机分辨率决定直线拟合步值和虚拟直线数目的数学公式(2)：

    公式(2)

其中Step表示单步像素值，Nums_L表示所作虚拟直线总数，L为曲轴两个轴颈中相对较长的一个，K为像素当量因子。

b、分别计算求取单对像素点连接线段的中点坐标；

c、采用最小二乘回归方法将所得中点像素点集拟合，得到单一轴颈的轴线。

(3)重复上述步骤完成曲轴两个轴颈的轴线信息提取。

步骤[4]曲轴曲拐偏心参数计算：

4.1单幅图像上曲轴曲拐偏心参数计算：由图像坐标系内两条轴颈轴线信息可知，若两条直线方程斜率相同，即两轴线平行，那么曲拐偏心为零；若两轴线不平行，可知在图像坐标系内两直线必相交，由推导式(1)获取在图像坐标系内两条类水平直线的偏心参数求解值：

其中两个直线方程来自图像坐标系的曲轴直线信息，θ_m代表两条直线夹角，e_p和e_m分别是图像坐标系和世界坐标系下(单方向)的曲轴曲拐偏心测量值。

4.2曲轴曲拐偏心参数的矢量合成：通过两幅正交曲轴图像计算的曲拐偏心，对曲轴同一位姿的一组曲拐偏心参数e₁、e₂进行空间坐标的矢量合成，由推导式(2)得到曲轴实际的曲拐偏心值e：

l₁为曲轴轴线在xoy面投影所得，l₂为曲轴轴线在xoz面投影所得，则投影轴线的空间矢量合成表示为设为一条沿空间x轴正向且长度为L的参考直线(因为由曲拐偏心参数合成所得，所以此处设置参考直线即可)，所得θ即为两轴颈轴心直线夹角，将曲拐偏心值e表示为L:e，即在曲轴上一个轴颈相对另一轴颈经过长度为L时的曲拐偏心值。

步骤[5]重复步骤[3]和步骤[4]，完成十组不同曲轴位姿图像的曲拐偏心参数求取，去除十个静态数据中的最大值和最小值，取剩余数据的平均值作为最终的曲拐偏心值。

优选的，步骤3.1中曲轴零件图像边缘特征去噪拟合步骤为：

(1)将曲轴零件图像中包含实体特征的最小区域作为后续处理区域；

(2)在时域内对所述后续处理区域进行轮廓像素阈值去噪，具体做法为：采用传统边缘提取方式将曲轴零件边缘提取出来，设置最小包含像素阈值，遍历图像中所有边缘特征，将遍历到的边缘内像素数量低于设置像素阈值的作为噪点处理，转为非实体像素格式；

(3)拟合检测到的边缘特征：对凹凸缺陷部位的特征作为畸变噪点，通过最短直线连接拟合；对未封闭的边缘轮廓，也采用最短直线连接拟合；

(4)将曲轴零件图像拟合后的边缘轮廓像素做标识显示处理，其余图像像素转为无关像素格式，完成边缘特征拟合。

为便于上述测量方法更快捷、有效的完成，本发明还提供一种曲轴曲拐偏心的视觉测量装置，包括铝型材组成的长方体状机架，机架底部设有底板，机架上侧面及右侧面分别设置有固定在摄像机安装板上的垂直摄像机和水平摄像机，机架左侧面底部与水平摄像机位置对应处设有垂直安装光源，底板上方与垂直摄像机位置对应处设有水平安装光源，水平安装光源的前后两侧分别设置有外V型铁和高度可调的内V型铁，内V型铁外侧设有挡板以限制曲轴零件的轴向运动，待测量曲轴零件可固定于外V型铁和内V型铁组成的支架上。

优选的，摄像机安装板设有滑轨，可通过滑轨调节摄像机的位置。

本发明的积极效果：通过本发明方法步骤，可以完成对曲轴曲拐偏心参数的非接触视觉测量，该方法成功解决了传统检测方式的不足，且具有如下优点：首先，对曲轴曲拐偏心快速、高效的视觉测量，大幅降低测量过程所耗时间，提高曲轴零件生产效率。其次，采用非接触视觉测量方式，大幅度降低测量成本，主要体现在：非接触视觉测量系统稳定，使用周期长；在相同时间内，一个工人可以完成两个或者四个工人的测量工作，减少人力资源开支。最后，本发明所述视觉测量方式将曲拐偏心参数的测量精度提高到像素精度，得到的高精度测量结果保证了曲轴零件的装配过程和工作时的性能稳定。

此外，本发明所使用的测量装置中铝型材结构机架和位置可调的V型铁等部件，使得操作平台对不同规格的曲轴零件视觉检测有更好的适应性，该平台也可用于非曲轴类零件检测，如方形、锥形零件。具有很好的可变性；而两个相互正交的摄像机安装方式，保证了曲拐偏心的测量精度，通过正交图像的偏心参数合成曲轴实际的曲拐偏心值，避免了单个相机在测量方向上的不全面缺陷。

附图说明

图1是本发明所述曲轴曲拐偏心的视觉测量装置的结构示意图；

图2是本发明所述标准轴的结构示意图；

图3是本发明所述中心调节质量块的结构示意图；

图4是本发明曲轴零件图像中提取的直线特征示意图；

图5是本发明所述曲轴曲拐偏心的视觉测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

参照图1，为方便曲轴曲拐偏心的测量，本发明优选实施例首先提供一种曲轴曲拐偏心的视觉测量装置，包括铝型材组成的长方体状机架1，机架1底部设有底板2，机架1上侧面及右侧面分别设置有固定在摄像机安装板3上的垂直摄像机4和水平摄像机5，机架1左侧面底部与水平摄像机5位置对应处设有垂直安装光源6，底板2上方与垂直摄像机4位置对应处设有水平安装光源7，水平安装光源7的前后两侧分别设置有外V型铁8和高度可调的内V型铁9，内V型铁9外侧设有挡板以限制曲轴零件的轴向运动，待测量曲轴零件可固定于外V型铁和内V型铁组成的支架上。

摄像机安装板3设有滑轨，可通过滑轨调节摄像机的位置。

参照图5，基于上述测量装置，本发明优选实施例提供一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法，详述如下：

(一)、双摄像机参数标定

1、本实施例针对所述曲轴曲拐偏心的视觉测量设计一个标准轴，用作双摄像机标定使用。该标准轴作为标靶轴，类似于传统平面标定所用的标定板，能为摄像机提供高精度的标定参数。标准轴结构如图2所示，详细叙述如下：

(1)在直径为16mm的主轴10上分别沿90度正交方向交错开出5mm×5mm的竖直方形孔11和水平方形孔12，方形孔经背部白光照射后在图像上呈内白外黑的方形特征；

(2)为适应本发明使用实体图像轮廓特征的需求，将标准轴上摄像机正面所对的半轴部分铣去，使标定所用的角点特征位于标定轴的中心轴面上。

(3)由于标准轴在水平摄像机方向的右半部分实体被铣去，导致主轴重心由竖直方向向左偏移，水平和竖直方向上的摄像机光轴都与对应的标定孔平面不再垂直，导致标定错误。故在标定轴一端设计重心调节质量块13，如图3所示，该重力调节质量块的重心沿竖直方向向右偏移，与原主轴重心合成，使得标定轴在其作用下两组方形孔端面的方向分别为水平和竖直，与相对应摄像机的光轴保持垂直，从而保证两个正交方向图像的准确性。

2、轴向平移或旋转标准轴，共获取五组带有特征角点的标定图像，并进行角点检测，提取检测到特征角点的图像坐标值(C_1x，C_1y)、(C_2x，C_2y)；

3、由公式(1)计算图像坐标之于零件尺寸的像素当量因子：

4、去掉五组数据的最大值和最小值，求取剩下值的平均值作为最佳的像素当量因子，完成两个摄像机的参数标定。

(二)、曲轴零件图像获取

1、标定后系统空间位姿不变，将曲轴零件放置于V型铁支架上，双摄像机光轴方向正对的零件后方开白色面光源；

2、旋转调整好曲轴角度后，保持曲轴位置不变，分别按顺序获取水平和垂直方向上同一位姿的零件轮廓图像：水平方向拍摄图像时，竖直安装的背面光源开，水平安装的背面光源关；竖直方向拍摄图像时，竖直安装的背面光源关，水平安装的背面光源开。

3、拍摄同一零件不同角度位姿的图像共十组。

(三)、曲轴零件图像轴线特征分析提取

1、曲轴零件图像边缘特征去噪拟合。本实施例采用一种高效的曲轴边缘去噪拟合算法，为后续步骤提供清晰的曲轴实体轮廓图像，详细叙述如下：

(1)将曲轴图像中包含实体特征的最小区域作为后续处理区域；

(2)在时域内对所述区域进行轮廓像素阈值去噪，具体做法时：采用传统边缘提取方式将曲轴零件边缘提取出来，设置最小包含像素阈值，遍历图像中所有边缘特征，将遍历到的边缘内像素数量低于设置像素阈值的作为噪点处理，转为非实体像素格式；

(3)拟合检测到的边缘特征：对凹凸缺陷部位的特征作为畸变噪点，通过最短直线连接拟合；对未封闭的边缘轮廓，也采用最短直线连接拟合。

(4)将曲轴零件图像拟合后的边缘轮廓像素做标识显示处理(黑色)，其余图像像素转为无关像素格式(白色)，完成边缘特征拟合。

2、曲轴零件图像轴向方向上的四条直线检测和提取：对边缘去噪拟合后的零件图像采用传统直线检测方式提取直线，在一幅图像上可获得直线特征共6条，如图4所示，分别是四条轴颈轮廓直线和两个轴肩端面在图像上呈现的直线特征两条。

3、曲轴零件图像中的两个轴线拟合提取。对所述单一轴颈上的两条轮廓直线特征，采用如下算法进行轴线拟合并提取：

(1)分别计算两条轴向轮廓直线在图像坐标系内的直线表示方程；

(2)由于直线特征检测误差的存在，在图像坐标精度内，同一轴颈上的两条直线轮廓可能不会精确平行，本实施例采用针对曲轴零件单一轴颈轴线的拟合算法完成轴线提取；详细叙述如下：

A、从轴颈对应轴肩端面的外法向方向开始(以检测到的端面直线可以判断起始点)，沿轴向以固定像素个数为步值做虚拟径向直线多条，所作直线将两条轴向轮廓直线分割成一系列成对的像素点。为适应不同分辨率摄像机的轴心直线拟合，提出一个由摄像机分辨率决定直线拟合步值和虚拟直线数目的数学公式(2)：

其中Step表示单步像素值，Nums_L表示所作虚拟直线总数，L为曲轴两个轴颈中相对较长的一个，K为像素当量因子。

B、分别计算求取单对像素点连接线段的中点坐标；

C、采用最小二乘回归方法将所得中点像素点集拟合，得到单一轴颈的轴线。

(3)完成曲轴两个轴颈的轴线信息提取。

(四)、曲轴曲拐偏心参数计算

1、单幅图像上曲轴曲拐偏心参数计算。由图像坐标系内两条轴颈轴线信息可知，若两条直线方程斜率相同，即两轴线平行，那么曲拐偏心为零；本发明重点解决两轴线不平行的情况，即精确计算曲拐偏心的参数值。详细叙述如下：

两轴线不平行，可知在图像坐标系内两直线必相交，由推导式(1)可得到在图像坐标系内两条类水平直线的偏心参数求解值(由于在图像坐标系中曲轴轴向水平放置，不会出现斜率不存在的情况，故以下推导过程成立)：

其中两个直线方程来自图像坐标系的曲轴直线信息，θ_m代表两条直线夹角，e_p和e_m分别是图像坐标系和世界坐标系下(单方向)的曲轴曲拐偏心测量值。

2、曲轴曲拐偏心参数的矢量合成。通过两幅正交曲轴图像计算的曲拐偏心，是曲轴在两个正交方向上投影所得，对曲轴同一位姿的一组曲拐偏心参数e₁、e₂进行空间坐标的矢量合成，得到曲轴实际的曲拐偏心值e，详见推导式(2)所示：

l₁为曲轴轴线在xoy面投影所得，l₂为曲轴轴线在xoz面投影所得，则投影轴线的空间矢量合成表示为设为一条沿空间x轴正向且长度为L的参考直线(因为由曲拐偏心参数合成所得，所以此处设置参考直线即可)，所得θ即为两轴颈轴心直线夹角，将曲拐偏心值e表示为L:e，即在曲轴上一个轴颈相对另一轴颈经过长度为L时的曲拐偏心值。

(五)、重复步骤(三)和步骤(四)，完成十组不同曲轴位姿图像的曲拐偏心参数求取，去除十个静态数据中的最大值和最小值，取剩余数据的平均值作为最佳的曲拐偏心值。

通过上述方法步骤，完成了对曲轴曲拐偏心参数的非接触视觉测量，该方法成功解决了传统检测方式的不足。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法，其特征在于：包括按顺序进行的如下步骤：

步骤[1]制作标准轴，标定摄像机参数：

1.1在直径为16mm的圆轴上分别沿90度正交方向交错开出5mm×5mm的两组方形孔；

1.2将标准轴上摄像机正面所对的半轴部分铣去，使标定所用的角点特征位于标定轴的中心轴面上；

1.3在标定轴一端设计重心调节质量块，使得标定轴在其作用下两组方形孔端面的方向分别为水平和竖直，与相对应摄像机的光轴保持垂直，以保证两个正交方向图像的准确性。

1.4轴向平移或旋转标准轴，共获取水平和垂直方向上的五组带有特征角点的标定图像，并进行角点检测，提取检测到特征角点的图像坐标值(C_1x，C_1y)、(C_2x，C_2y)；

1.5由公式(1)分别计算五组图像坐标之于零件尺寸的像素当量因子：

$K=\frac{l}{\sqrt{{(C_{1x}-C_{2x})}^2+{(C_{1y}-C_{2y})}^2}}(mm/pixel)$     公式(1)

(其中表示标定方格上两点的距离)

1.6去掉五组数据的最大值和最小值，求取剩下值的平均值作为最佳的像素当量因子，完成水平及垂直方向两个摄像机的参数标定。

步骤[2]曲轴零件图像获取：调整好曲轴零件的角度，保持曲轴零件位置不变，分别按顺序获取同一位姿水平和垂直方向上的曲轴零件轮廓图像，拍摄同一曲轴零件不同角度位姿的图像共十组。

步骤[3]曲轴零件图像轴线特征分析提取：

3.1对获取的曲轴零件图像进行边缘特征去噪拟合；

3.2曲轴零件图像轴向方向上的四条直线检测和提取：对边缘去噪拟合后的零件图像采用传统直线检测方式提取直线，在一幅图像上可获得直线特征共6条，分别是四条轴颈轮廓直线和两个轴肩端面在图像上呈现的直线两条；

3.3曲轴零件图像中的两个轴线拟合提取：对所述单一轴颈上的两条轮廓直线特征，采用如下算法进行轴线拟合并提取：

(1)分别计算两条轴向轮廓直线在图像坐标系内的直线表示方程；

(2)由于直线特征检测误差的存在，在图像坐标精度内，同一轴颈上的两条直线轮廓可能不会精确平行，故采用如下的拟合算法完成轴线提取：

a、从轴颈对应轴肩端面的外法向方向开始，沿轴向以固定像素个数为步值做虚拟径向直线多条，所作直线将两条轴向轮廓直线分割成一系列成对的像素点，为适应不同分辨率摄像机的轴心直线拟合，提出一个由摄像机分辨率决定直线拟合步值和虚拟直线数目的数学公式(2)：

       公式(2)

其中Step表示单步像素值，Nums_L表示所作虚拟直线总数，L为曲轴两个轴颈中相对较长的一个，K为像素当量因子。

b、分别计算求取单对像素点连接线段的中点坐标；

c、采用最小二乘回归方法将所得中点像素点集拟合，得到单一轴颈的轴线。

(3)重复上述步骤完成曲轴两个轴颈的轴线信息提取。

步骤[4]曲轴曲拐偏心参数计算：

4.1单幅图像上曲轴曲拐偏心参数计算：由图像坐标系内两条轴颈轴线信息可知，若两条直线方程斜率相同，即两轴线平行，那么曲拐偏心为零；若两轴线不平行，可知在图像坐标系内两直线必相交，由推导式(1)获取在图像坐标系内两条类水平直线的偏心参数求解值：

其中两个直线方程来自图像坐标系的曲轴直线信息，θ_m代表两条直线夹角，e_p和e_m分别是图像坐标系和世界坐标系下(单方向)的曲轴曲拐偏心测量值。

4.2曲轴曲拐偏心参数的矢量合成：通过两幅正交曲轴图像计算的曲拐偏心，对曲轴同一位姿的一组曲拐偏心参数e₁、e₂进行空间坐标的矢量合成，由推导式(2)得到曲轴实际的曲拐偏心值e：

l₁为轴曲轴线在xoy面投影所得，l₂为曲轴轴线在xoz面投影所得，则投影轴线的空间矢量合成表示为设为一条沿空间x轴正向且长度为L的参考直线(因为由曲拐偏心参数合成所得，所以此处设置参考直线即可)，所得θ即为两轴颈轴心直线夹角，将曲拐偏心值e表示为L:e，即在曲轴上一个轴颈相对另一轴颈经过长度为L时的曲拐偏心值。

步骤[5]重复步骤[3]和步骤[4]，完成十组不同曲轴位姿图像的曲拐偏心参数求取，去除十个静态数据中的最大值和最小值，取剩余数据的平均值作为最终的曲拐偏心值。

2.根据权利要求1所述的一种曲轴曲拐偏心的视觉测量方法，其特征在于：步骤3.1中曲轴零件图像边缘特征去噪拟合步骤为：

(1)将曲轴零件图像中包含实体特征的最小区域作为后续处理区域；

(2)在时域内对所述后续处理区域进行轮廓像素阈值去噪，具体做法为：采用传统边缘提取方式将曲轴零件边缘提取出来，设置最小包含像素阈值，遍历图像中所有边缘特征，将遍历到的边缘内像素数量低于设置像素阈值的作为噪点处理，转为非实体像素格式；

(3)拟合检测到的边缘特征：对凹凸缺陷部位的特征作为畸变噪点，通过最短直线连接拟合；对未封闭的边缘轮廓，也采用最短直线连接拟合；

(4)将曲轴零件图像拟合后的边缘轮廓像素做标识显示处理，其余图像像素转为无关像素格式，完成边缘特征拟合。

3.一种曲轴曲拐偏心的视觉测量装置，包括铝型材组成的长方体状机架，其特征在于：机架底部设有底板，机架上侧面及右侧面分别设置有固定在摄像机安装板上的垂直摄像机和水平摄像机，机架左侧面底部与水平摄像机位置对应处设有垂直安装光源，底板上方与垂直摄像机位置对应处设有水平安装光源，水平安装光源的前后两侧分别设置有外V型铁和高度可调的内V型铁，内V型铁外侧设有挡板以限制曲轴零件的轴向运动，待测量曲轴零件可固定于外V型铁和内V型铁组成的支架上。

4.根据权利要求3所述的一种曲轴曲拐偏心的视觉测量装置，其特征在于：摄像机安装板设有滑轨，可通过滑轨调节摄像机的位置。