CN105091778B - 基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法及装置 - Google Patents
基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法及装置，属于异形导轨单面特征的检测方法及装置。包括一个带直线模组的基座平台，伺服电机驱动移动平台在基座平台的直线模组上移动，被测工件放置在移动平台上的两个定位支架上，跟随移动平台移动；激光线结构光位移传感器固定在传感器支架上，激光线结构光平面与水平面垂直，与被测工件垂直，其中心法线与水平面成角度β。本发明采用激光线结构光位移传感器进行测量，实现了在线非接触测量，并且快速获取足够的测量点，提高了测量速度和精度；丰富了测量结果，能够提供侧面直线度曲线、侧面扭曲度曲线、表面轮廓示意图。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对外形不规则的异形导轨单面特征的检测方法及装置，特别涉及基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法及装置。
背景技术
随着工业自动化水平的提高，越来越多的领域需求高质量的导轨，因此导轨质量检测越来越重要，尤其是外形不规则的异形导轨单面特征的检测。
长期以来，针对导轨的检测都依赖人工进行操作，表面缺陷和边缘缺失靠目测，直线度靠人工平台塞尺测量，扭曲度靠人工角度尺测量，这种人工测量方式比较原始，准确性和效率不高，阻碍了快速生产。
近年来，有一些针对导轨平面进行直线度测量的方法，其中大部分是针对电梯T型导轨，测量方法比较简单，测量结果比较单一。下面是其中几个代表性专利：
在刘洪云申请的“T型导轨直线性激光检测仪”申请号200510047341.5中，使用点激光束作为准直线，需要导轨副配合，测量对象为导轨的平面，只能得到直线度；
在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所申请的“一种测量超长导轨直线度的方法”申请号201210487923.5中，使用点激光束的反射角度进行测量，光程较长，反射角受干扰影响较大，只能得到直线度；
在上海应用技术学院申请的“基于机器视觉的直线度自动测量方法”申请号200910201025.7中，使用普通光摄像后进行图像分析的方法，受环境光影响较大，只能得到直线度；
在长江润发机械股份有限公司申请的“电梯导轨直线度全自动检测机”申请号200910162503.8中，采用的是点激光束进行测量，测量对象是导轨的平面，测量位置会在移动过程中因重力下沉变化。
发明内容
本发明提供一种基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法及装置，以解决现有方法测量对象规则、测量结果单一、并且自动化水平较低的问题。用于测量表面不规则的异形导轨的单面特征，包括表面轮廓图、直线度曲线、扭曲度曲线，实现对异形导轨快速测量。
本发明采用的技术方案是：本发明的检测装置包含一个带直线模组的基座平台；伺服电机驱动移动平台在基座平台的直线模组上移动，被测工件放置在移动平台上的两个定位支架上，跟随移动平台移动；激光线结构光位移传感器固定在传感器支架上，激光线结构光平面与水平面垂直，与被测工件垂直，其中心法线与水平面成角度β，可以通过传感器支架进行调节；在移动平台的移动过程中，工件始终处于传感器量程内。
本发明的检测方法包括如下步骤：
(一)将工件放置到位后，移动平台带动工件从端头开始进行测量，直到测量至另一个端头；
(二)移动平台每移动固定距离触发一次激光线结构光位移传感器，同时测量上表面和侧表面的单个截面内的位移数据；
(三)分析本截面内的位移数据；
(四)通过分析上表面数据，得到侧表面的上边缘位置值，得到上表面竖直方向的特征值，可以修正重力弯曲引入的误差；
(五)通过分析侧表面数据，结合上表面竖直方向的特征值，得到特定区域内的水平方向特征值；
(六)通过分析侧表面数据，结合上表面竖直方向的特征值，得到特定区域内的扭曲角度特征值；
(七)在工件跟随移动平台的移动过程中，通过连续等距离触发测量，不断重复(二)、(三)、(四)、(五)、(六)步骤，得到整个工件的轮廓数据以及每个截面的特征值；
(八)将所有截面的测量数据进行汇总，并按照移动方向绘图，即可得到整个工件测量面的轮廓示意图；
(九)将侧面特定区域的水平方向特征值按照移动方向绘制曲线，即是工件在水平方向的直线度曲线；
(十)将侧面特定区域的扭曲角度特征值按照移动方向绘制曲线，即是工件侧面的扭曲度曲线；
(十一)通过轮廓示意图可以直观显示表面状况，通过直线度曲线和扭曲度曲线，可以对本次测量的工件进行评价。
本发明被测工件为一种直线导轨，其上、下面为平面，侧面为异形面。
本发明一种实施方式是，包括下列步骤：
(一)工件放置到位后，移动平台带动工件从一端测量至另一个端，总共触发N次；
(二)每触发一次激光线结构光位移传感器，可同时测量上表面和侧表面的单个截面，得到编号y的M个位移数据Z(0，y)-Z(M，y)；
(三)计算本截面内数据的一阶导数曲线通过分析导数曲线拐点得到分界点a、b、c、d、e；
(四)其中上表面数据包含Z(0，y)-Z(a，y)，沿竖直方向进行投影计算Yi＝Zi×cosβ得到Y0-Ya，求出均值提取Yy作为本截面在竖直方向的特征值；
(五)选取侧表面数据Z(c，y)-Z(d，y)表征工件侧面，沿水平方向进行投影计算Xi＝Zi×sinβ得到Xc-Xd，求出均值提取Xy作为侧表面水平方向的特征值；
(六)利用最小二乘法对侧表面数据为Z(c，y)-Z(d，y)进行直线拟合运算Zy＝Kyx+By，其中Ky是直线的斜率，By是常量，计算得到斜率对应的扭曲角θy＝tan-1Ky，提取θy作为本截面的扭曲角特征值；
(七)在工件移动测量过程中，通过连续等距离触发测量，不断重复(二)、(三)、(四)、(五)、(六)步骤，得到M·N个轮廓点数据Z(x，y)以及N个截面的特征值Xy和θy；
(八)将所有截面的测量数据Z(0，0)-Z(M，N)描绘到三维坐标系中，即可得到导轨测量面的轮廓示意图；
(九)将侧表面水平方向特征值Xy作为纵轴，工件移动位移作为横轴，即可得到工件在水平方向的直线度曲线；
(十)将侧表面中间部分的扭曲角特征值θy作为纵轴，工件移动位移作为横轴，即可得到工件侧面的扭曲度曲线；
(十一)通过轮廓示意图可以直观显示表面状况，通过直线度曲线和扭曲度曲线，可以对本次测量的工件进行评价。
本发明的有益效果在于：
1，本发明采用激光线结构光位移传感器进行测量，实现了在线非接触测量，并且快速获取足够的测量点，提高了测量速度和精度；
2，本发明的检测方法尤其适用于非平面工件，并且不会受重力弯曲影响，具体方法为传感器的激光线结构光平面与水平面垂直，与被测工件垂直，其中心法线与水平面成一定角度；
3，本发明丰富了测量结果，能够提供侧面直线度曲线、侧面扭曲度曲线、表面轮廓示意图。
附图说明
图1是本发明的检测装置结构示意图；
图2是为本发明的检测方法示意图；
图3是本发明检测方法的单轮廓数据及分界位置示意图；
图4是本发明检测导轨侧表面轮廓图；
图5是侧面直线度曲线图；
图6是侧面扭曲度曲线图。
具体实施方式
包括如下步骤：
(一)将工件放置到位后，移动平台带动工件从端头开始进行测量，直到测量至另一个端头；
(二)移动平台每移动固定距离触发一次激光线结构光位移传感器，同时测量上表面和侧表面的单个截面内的位移数据；
(三)分析本截面内的位移数据；
(四)通过分析上表面数据，得到侧表面的上边缘位置值，得到上表面竖直方向的特征值，可以修正重力弯曲引入的误差；
(五)通过分析侧表面数据，结合上表面竖直方向的特征值，得到特定区域内的水平方向特征值；
(六)通过分析侧表面数据，结合上表面竖直方向的特征值，得到特定区域内的扭曲角度特征值；
(七)在工件跟随移动平台的移动过程中，通过连续等距离触发测量，不断重复(二)、(三)、(四)、(五)、(六)步骤，得到整个工件的轮廓数据以及每个截面的特征值；
(八)将所有截面的测量数据进行汇总，并按照移动方向绘图，即可得到整个工件测量面的轮廓示意图；
(九)将侧面特定区域的水平方向特征值按照移动方向绘制曲线，即是工件在水平方向的直线度曲线；
(十)将侧面特定区域的扭曲角度特征值按照移动方向绘制曲线，即是工件侧面的扭曲度曲线；
(十一)通过轮廓示意图可以直观显示表面状况，通过直线度曲线和扭曲度曲线，可以对本次测量的工件进行评价。
下面结合附图进一步说明本发明，其中被测工件为一种直线导轨，其上下面为平面，侧面为异形面。
如图1和图2所示，本发明的检测装置包含一个带直线模组的基座平台1；伺服电机驱动移动平台7在基座平台1的直线模组上移动，被测导轨5放置在移动平台7上的两个定位支架6上，跟随移动平台7移动；激光线结构光位移传感器3固定在传感器支架2上，激光线结构光平面4与水平面垂直，与被测导轨垂直，其中心法线与水平面成一定角度，本实例选β；在移动平台的移动过程中，工件始终处于传感器量程内。定义激光线结构光中心法线为z轴，工件轴向为y轴，与zy平面垂直的方向为x轴，空间点的测量数据表示为Z(x，y)。
检测方法包含如下步骤：
(一)工件放置到位后，移动平台带动工件从一端测量至另一个端，总共触发N次；
(二)每触发一次激光线结构光位移传感器，可同时测量上表面和侧表面的单个截面，得到编号y的M个位移数据Z(0，y)-Z(M，y)(图3)；
(三)计算本截面内数据的一阶导数曲线通过分析导数曲线拐点得到分界点a、b、c、d、e(图3)；
(四)其中上表面数据包含Z(0，y)-Z(a，y)(图3)，沿竖直方向进行投影计算Yi＝Zi×cosβ得到Y0-Ya，求出均值提取Yy作为本截面在竖直方向的特征值；
(五)选取侧表面数据Z(c，y)-Z(d，y)(图3)表征工件侧面，沿水平方向进行投影计算Xi＝Zi×sinβ得到Xc-Xd，求出均值提取Xy作为侧表面水平方向的特征值；
(六)利用最小二乘法对侧表面数据为Z(c，y)-Z(d，y)进行直线拟合运算Zy＝Kyx+By，其中Ky是直线的斜率，By是常量，计算得到斜率对应的扭曲角θy＝tan-1Ky，提取θy作为本截面的扭曲角特征值；
(七)在工件移动测量过程中，通过连续等距离触发测量，不断重复(二)、(三)、(四)、(五)、(六)步骤，得到M·N个轮廓点数据Z(x，y)以及N个截面的特征值Xy和θy；
(八)将所有截面的测量数据Z(0，0)-Z(M，N)描绘到三维坐标系中，即可得到导轨测量面的轮廓示意图(图4)；
(九)将侧表面水平方向特征值Xy作为纵轴，工件移动位移作为横轴，即可得到工件在水平方向的直线度曲线(图5)；
(十)将侧表面中间部分的扭曲角特征值θy作为纵轴，工件移动位移作为横轴，即可得到工件侧面的扭曲度曲线(图6)；
(十一)通过轮廓示意图可以直观显示表面状况，通过直线度曲线和扭曲度曲线，可以对本次测量的工件进行评价。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(一)将工件放置到位后，移动平台带动工件从端头开始进行测量，直到测量至另一个端头；
(二)移动平台每移动固定距离触发一次激光线结构光位移传感器，同时测量上表面和侧表面的单个截面内的位移数据；
(三)分析本截面内的位移数据；
(四)通过分析上表面数据，得到侧表面的上边缘位置值，得到上表面竖直方向的特征值，可以修正重力弯曲引入的误差；
(五)通过分析侧表面数据，结合上表面竖直方向的特征值，得到特定区域内的水平方向特征值；
(六)通过分析侧表面数据，结合上表面竖直方向的特征值，得到特定区域内的扭曲角度特征值；
(七)在工件跟随移动平台的移动过程中，通过连续等距离触发测量，不断重复(二)、(三)、(四)、(五)、(六)步骤，得到整个工件的轮廓数据以及每个截面的特征值；
(八)将所有截面的测量数据进行汇总，并按照移动方向绘图，即可得到整个工件测量面的轮廓示意图；
(九)将侧面特定区域的水平方向特征值按照移动方向绘制曲线，即是工件在水平方向的直线度曲线；
(十)将侧面特定区域的扭曲角度特征值按照移动方向绘制曲线，即是工件侧面的扭曲度曲线；
(十一)通过轮廓示意图可以直观显示表面状况，通过直线度曲线和扭曲度曲线，可以对本次测量的工件进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法，其特征在于，被测工件为一种直线导轨，其上、下面为平面，侧面为异形面。
3.根据权利要求2所进的一种基于激光线结构光的异形导轨单面特征检测方法，其特征在于，包括下列步骤：
(一)工件放置到位后，移动平台带动工件从一端测量至另一个端，总共触发N次；
(二)每触发一次激光线结构光位移传感器，可同时测量上表面和侧表面的单个截面，得到编号y的M个位移数据Z(0，y)-Z(M，y)；
(三)计算本截面内数据的一阶导数曲线通过分析导数曲线拐点得到分界点a、b、c、d、e；
(四)其中上表面数据包含Z(0，y)-Z(a，y)，沿竖直方向进行投影计算Yi＝Zi×cosβ得到Y0-Ya，求出均值提取Yy作为本截面在竖直方向的特征值；
(五)选取侧表面数据Z(c，y)-Z(d，y)表征工件侧面，沿水平方向进行投影计算Xi＝Zi×sinβ得到Xc-Xd，求出均值提取Xy作为侧表面水平方向的特征值；
(六)利用最小二乘法对侧表面数据为Z(c，y)-Z(d，y)进行直线拟合运算Zy＝Kyx+By，其中Ky是直线的斜率，By是常量，计算得到斜率对应的扭曲角θy＝tan-1Ky，提取θy作为本截面的扭曲角特征值；
(七)在工件移动测量过程中，通过连续等距离触发测量，不断重复(二)、(三)、(四)、(五)、(六)步骤，得到M·N个轮廓点数据Z(x，y)以及N个截面的特征值Xy和θy；
(八)将所有截面的测量数据Z(0，0)-Z(M，N)描绘到三维坐标系中，即可得到导轨测量面的轮廓示意图；
(九)将侧表面水平方向特征值Xy作为纵轴，工件移动位移作为横轴，即可得到工件在水平方向的直线度曲线；
(十)将侧表面中间部分的扭曲角特征值θy作为纵轴，工件移动位移作为横轴，即可得到工件侧面的扭曲度曲线；
(十一)通过轮廓示意图可以直观显示表面状况，通过直线度曲线和扭曲度曲线，可以对本次测量的工件进行评价。
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