CN105352449A - 一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统及测量检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属机器视觉领域，具体是一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统及测量检验方法。不仅实现了非接触测量，达到了良好的可靠性和测量精度，而且可以通过更换定位块的方法实现孔类、宽度等尺寸的测量，灵活地实现了多类型尺寸的测量。一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，包括底板、背光源支架、背光源、工作台、工作台支架、镜筒安装架和摄像头组件，底板上依次固定有背光源支架、工作台支架以及镜筒安装架。本发明能实现非接触测量，可以达到较好的可靠性和测量精度，可以更换定位块实现各种形状、各种规格大小的零件尺寸的测量。

Description

一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统及测量检验方法

技术领域

本发明属机器视觉领域，具体是一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统及测量检验方法。

背景技术

现代工业生产中涉及到各种各样的检验、生产监视及零件的识别应用，而当前大多数产业都是利用专用卡尺对工件进行测量，该测量方法属于接触式测量，有很多缺点，如卡尺在测量时要与工件接触，会对零件表面有一定的损坏；人为因素影响比较明显，测量时由于抖动、视力等因素会对测量结果造成重大影响，测量结果与实际尺寸可能存在较大偏差，严重有可能出现错误。于是人类开始探索非接触测量，目前广泛应用的非接触式尺寸测量方法主要有激光测量方法、气动式非接触式测量方法、电涡流式测量方法和影像式测量方法。激光测量方法是采用激光投射到工件上产生的阴影部分对应的宽度X直接反应被测工件的尺寸值，其中一激光检测装置安装在工件后方，该装置制作难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量，该测量限制条件，其中间不能有障碍物，要有接收器等。气动式非接触测量是将尺寸信号转化为测量管路内气体流量的变化，通过有刻度的玻璃管内的浮标来标值，但其主要测量孔径或半封闭结构的尺寸，不适宜测量外部尺寸，而且测头需要靠近工件，必须有一定的动作才能实现尺寸测量。电涡流式测量方法主要是应用电涡流技术，电涡流传感器无需接触被测件就可以测量目标物体的位置，但进行测量时装置必须近距离测量，不能进行较远距离测量，测量精度不高，且只适合于测量金属零件。影像式测量方法采用光学显微镜对待测物体进行高倍率光学放大成像，然后经过CCD摄像系统将放大后的物体影像送入计算机后，检测工件的轮廓和表面形状尺寸，但影像测量仪是基于CCD技术，成本高，且不能进行在线测量。综上所述，这些非接触式尺寸测量装置都存在各自的不足。

随着科学技术迅速发展，机器视觉技术主要在工业和医学等领域，正在向着动化和信息化方向迅速发展，由此使得工业中的重复性加工和测量任务能够轻松和快速的完成。机器视觉作为机器的眼睛替代人类的眼睛在工业检测领域进行生产检测越来越普遍，将成为未来自动化生产检测的一种必然趋势。最早提出机器视觉概念是在20世纪50年代；机器视觉的研究是从20世纪60年代中期美国学者L.R.罗伯兹关于理解多面体组成的积木世界研究开始的，机器视觉最早是在机器人的研究中发展起来的；20世纪70年代CCD图像传感器出现，CCD摄像机替代硅靶摄像机是机器视觉发展的一个重要转折点；20世纪80年代CPU、DSP等图像处理硬件技术的飞速进步，为机器视觉飞速发展提供了基础条件。目前大部分机器视觉技术都是基于CCD技术，但是CCD技术成本较高，而同规格的CMOS价格便宜，且经实验研究表明：基于CMOS的机器视觉系统测量精度能够达到μm级精度，满足绝大部分零件的尺寸测量精度要求。

虽然不少学者已经对基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统有了初步设计和应用，已经能够完成部分零件通孔和槽底宽度的测量，但其通用性差，存在适用测量的零件范围较窄等问题。

在专利名为：“一种基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统及测量检验方法”，申请号为：“201110421930.0”的专利中提出了解决上述问题的方案。然而在该专利的测量系统中存在以下几个问题：1）摄像头位置不固定，测量时容易发生偏摆；2）被测工件的位置不能调整，并且背光源也不能灵活调整，得不到最佳的背光角度，较难获得清晰轮廓图像；3）工作台无法自由移动，不能测量较大尺寸变化的零件；4）工作台上的定位块不能方便更换，较难实现不同规格大小的零件尺寸测量。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中的不足，提出了一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统及方法，不仅实现了非接触测量，达到了良好的可靠性和测量精度，而且可以通过更换定位块的方法实现孔类、宽度等尺寸的测量，灵活地实现了多类型尺寸的测量。同时，测量平台的设计更适于定位块的变更，避免了所测零件受限的问题。且该发明结构简单，成本低，工作效率高，灵活，对于零件的较小外廓、通孔、槽宽的尺寸都能实现精确测量，另外对于槽宽较大的零件也可以通过沿竖直轨道上下移动工作台进行二次测量实现精确测量。

本发明采取以下技术方案：一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，包括底板、背光源支架、背光源、工作台、工作台支架、镜筒安装架和摄像头组件，底板上依次固定有背光源支架、工作台支架以及镜筒安装架。

背光源支架底部设有与底板连接的支架固定板，支架固定板两侧对称设有两条弧形的光源水平角度调节槽，光源水平角度调节槽内设有与底板固定的螺钉，背光源支架顶部通过螺钉连接有可转动的背光源托板，背光源托板上固定有背光源。

工作台支架的竖直面两侧设有竖直导轨，工作台可沿竖直导轨上下滑动，滑动至需要位置时，工作台可通过紧固件固定在工作台支架上，工作台上可固定相应的定位块，定位块用于固定待测零件；

镜筒安装架顶部通过弯板固定有摄像头组件，摄像头组件包括物镜、镜筒、目镜和CMOS相机，CMOS相机带有USB接口，USB口直插型CMOS相机通过相机安装环固定在目镜上，镜筒中心线、定位块和背光源处于同一条直线上。

所述一侧的竖直导轨内镶嵌有镶条，镶条通过螺钉与工作台顶紧。当竖直导轨与工作台之间出现磨损，可通过锁紧螺钉的方法弥补磨损部分，磨损严重时，可更换镶条。

所述工作台上设有螺纹孔，定位块通过螺纹孔及螺栓与工作台固定连接，通过更换不同结构或形状的定位块，以满足不同零件测量方式的需要。

所述竖直导轨通过螺钉与工作台支架固定连接，是为当轨道与滑块之间出现磨损时，可通过锁紧螺钉的方法弥补磨损部分。

底板上对称设有手柄，便于设备的移动。

一种实现的机器视觉零件外形、外廓尺寸测量检验方法，具体步骤如下：

（A1）调节安装所有零部件，摄像头组件安装于镜筒安装架上，通过弯板以及镜筒安装架连接的螺钉的调节控制摄像焦距以获取清晰的图像。

(A2）将待测工件通过合适的定位块固定在工作台上，通过调节工作台支架上的竖直导轨对工作台进行竖直方向上的调节使工件处于测量的合适位置，通过5V直流电对背光源进行供电。

（A3）系统连接好后采集图像，建立灰度直方图，进行直方图均衡化，中值滤波处理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合。

（A4）通过采用HALCON提供的子程序首先对使用的相机进行标定，即可以建立像素值与尺寸值之间的对应关系；然后再次调用HALCON中的子程序计算出边缘轮廓的像素值，再根据标定的结果，即可完成零件的尺寸测量。

本发明不但能实现外形轮廓尺寸测量及公差带判定，也能完成微、细通孔孔径的测量，在工作台上安装不同的定位块可以满足各种形状、规格大小的工件测量，定位块的形状可以根据所测工件的形状制作，并可配备相应的定位板将工件固定。

本发明进一步改进的是，机器视觉零件尺寸测量系统包括底板、镜筒安装架、弯板、工作台及其支架、背光源、背光源托板、背光源支架、竖直调节导轨、成像系统等；所述成像系统包括摄像头组件、镜筒安装架；所述摄像头组件包括目镜、物镜、镜筒、CMOS相机，所述CMOS相机带有USB接口，USB口直插型CMOS相机通过相机安装环固定在摄像头组件尾端；所述摄像头组件通过镜筒安装架上的V型槽和具有弹性的弯板固定于镜筒安装架上，镜筒安装架通过螺钉固定在底板上；成像的清晰度可以通过调节弯板与镜筒安装架之间的螺钉对镜筒进行前后调节，从而改变被测工件与成像系统的距离来实现。所述工作台支架固定安装在底板上，所述工作台通过竖直调节导轨安装在工作台支架上，可以根据所测工件的不同测量位置在竖直调节导轨上进行上下调节；所述背光源通过螺钉安装在背光源托板上，所述背光源托板固连在背光源支架上，所述背光源支架通过螺钉安装在底板上，通过背光源托板与背光源之间的螺钉可以实现背光源两个方向的摆动，通过背光源支架与底板之间的螺钉可以实现背光源水平面的角度调整，背光源两个方向的角度调整可以调节出最佳背光源的射入角度，便于获得清晰可靠的图像轮廓。

本发明所述的机器视觉的零件尺寸测量系统，经过实验分析，该系统重复性精度高，线性度好，系统测量精度受时间和温度的影响小，测量精度能够达到微米级测量精度要求；该系统能够用于不同形状、不同规格的零件尺寸测量，用途广泛；该系统还能够用于在线零件尺寸测量，经济方便。

本发明的有益效果是：本发明能实现非接触测量，可以达到较好的可靠性和测量精度，可以更换定位块实现各种形状、各种规格大小的零件尺寸的测量，且该发明结构简单，制造成本低，工作效率高，灵活，不但能实现外形轮廓尺寸、槽宽壁厚的测量，也能完成小通孔孔径测量，通过二次测量法也可实现较大槽宽的精确测量。

与背景技术相比，本发明具有以下优点：

一、摄像头位置固定，光轴固定，测量时不会发生偏摆；

二、工作台上下移动都是在竖直导轨上滑动，不是原来简单的在槽里移动，位置精度提高；

三、工作台的上、下移动，而光源和摄像头不移动，测量时可以适应较大尺寸变化零件的测量；

四、对不同种类的零件，改变工装后能够很快适应该仪器的测量；

五、背光源在两个方向上可旋转调整，从而改变背光源的角度，采集到最优、最合适的图像；

六、工作台上定位块的更换实现不同规格大小的零件的测量，增强了其通用性。

附图说明

图1是机器视觉的自动零件尺寸测量系统的总体框架图；

图2是机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统的结构示意图；

图3是实施例1中被测工件固定在工作台上的示意图；

图4是实施例2中被测工件固定在工作台上的示意图；

图5是实施例1中通过最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合得到的图像；

图6是实施例2中通过最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合得到的图像；

图7是背光源支架竖直面转动图I；

图8是背光源支架竖直面转动图II；

图9是背光源支架水平面转动图I；

图10是背光源支架水平面转动图II；

图11是背光源支架水平面转动图III；

图12是背光源支架水平面转动图IV；

图13是背光源支架未转动时竖直方向示意图；

图14是背光源支架未转动时水平方向示意图；

图15是工作台支架示意图I；

图16是工作台支架示意图II；

图17是工作台支架示意图III；

图18是实施例3中拍摄槽口下边缘时在工作台上的示意图；

图19是实施例3中拍摄槽口上边缘时在工作台上的示意图；

图20是实施例3中拍摄槽口下边缘的图像；

图21是实施例3中拍摄槽口上边缘的图像；

图中1-底板，2-背光源支架,2.1-支架固定板，2.2-光源水平角度调节槽，3-背光源托板，4-背光源，5-定位块，6-工作台，7-竖直导轨，8-工作台支架，9-物镜，10-镜筒，11-弯板，12-镜筒安装架，13-目镜，14-手柄，15-CMOS相机，16-镶条。

具体实施方式

图1给出了机器视觉的自动零件尺寸测量系统的总体框架图。图像采集、处理部分能够在系统调好后，完成对所测零件待测尺寸边缘轮廓的图像采集，采集图像的二值化、滤波处理，然后通过边缘检测，得到零件所测尺寸轮廓图像的边缘；标定部分通过特征提取、计算出所测对象边缘轮廓的像素值，通过与标定值进行相应的计算，即可根据该像素值得出零件的尺寸。

如图2所示，一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，包括底板1、背光源支架2、背光源4、工作台6、工作台支架8、镜筒安装架12和摄像头组件，底板1上依次固定有背光源支架2、工作台支架8以及镜筒安装架12。

如图8-14所示，背光源支架2底部设有与底板连接的支架固定板2.1，支架固定板2.1两侧对称设有两条弧形的光源水平角度调节槽2.2，光源水平角度调节槽2.2内设有与底板1固定的螺钉，背光源支架2顶部通过螺钉连接有可转动的背光源托板3，背光源托板3上固定有背光源4。

如图15、16、17所示，工作台支架8的竖直面两侧设有竖直导轨7，工作台6可沿竖直导轨7上下滑动，滑动至需要位置时，工作台6可通过紧固件固定在工作台支架8上，工作台6上可固定相应的定位块5，定位块5用于固定待测零件；

镜筒安装架12顶部通过弯板11固定有摄像头组件，摄像头组件包括物镜9、镜筒10、目镜13和CMOS相机15，CMOS相机15，CMOS相机15带有USB接口，USB口直插型CMOS相机通过相机安装环固定在目镜13上，镜筒中心线、定位块和背光源处于同一条直线上。

如图15、16、17所示，所述一侧的竖直导轨7内镶嵌有镶条16，镶条16通过螺钉与工作台顶紧。

所述工作台6上设有螺纹孔，定位块通过螺纹孔及螺钉与工作台6固定连接。

所述竖直导轨7通过螺钉与工作台支架8固定连接。

底板1上对称设有手柄14。

一种实现的机器视觉零件外形、外廓尺寸测量检验方法，具体步骤如下：

（A1）调节安装所有零部件，摄像头组件安装于镜筒安装架上，通过弯板以及镜筒安装架连接的螺钉的调节控制摄像焦距以获取清晰的图像；

(A2）将待测工件通过合适的定位块固定在工作台上，通过调节工作台支架上的竖直导轨对工作台进行竖直方向上的调节使工件处于测量的合适位置，通过5V直流电对背光源进行供电；

（A3）系统连接好后采集图像，建立灰度直方图，进行直方图均衡化，中值滤波处理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合；

（A4）通过采用HALCON提供的子程序首先对使用的相机进行标定，即可以建立像素值与尺寸值之间的对应关系；然后再次调用HALCON中的子程序计算出边缘轮廓的像素值，再根据标定的结果，即可完成零件的尺寸测量。

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

下面列举两个测量实施例1、2、3对本发明做更详细叙述。

实施例1

微细通孔孔径的测量方法。一种机器视觉零件尺寸测量系统由底板、镜筒安装架、弯板、工作台及其支架、背光源、背光源托板、背光源支架、竖直调节导轨、成像系统等组成，成像系统由摄像头组件和摄像头安装块组成，USB口直插型CMOS相机通过相机安装环固定在摄像头组件尾端。摄像头组件安装于镜筒安装架上，如图3所示被测工件通过定位块固定在工作台上，工作台可沿竖直导轨上下移动使所测工件边缘轮廓成像在图像的中间区域，由此可适应不同零件的尺寸测量要求；成像的清晰度可以通过调整安装块与摄像头安装块的安装位置，从而改变被测工件与成像系统的距离来实现。

具体测量方法为：安装调整好所有零部件后，连接系统，采集图像，建立灰度直方图，进行直方图均衡化，中值滤波处理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合得到如图5所示图像；通过采用HALCON提供的子程序首先对使用的相机进行标定，即可以建立像素值与尺寸值之间的对应关系；然后再次调用HALCON中的子程序计算出边缘轮廓的像素值，再根据标定的结果，即可完成零件的尺寸测量。

实施例2

梯形槽槽底宽度的测量方法。一种机器视觉零件尺寸测量系统由底板、镜筒安装架、弯板、工作台及其支架、背光源、背光源托板、背光源支架、竖直调节导轨、成像系统等组成，成像系统由摄像头组件和镜筒安装架组成，摄像头组件包括目镜、物镜、镜筒和CMOS相机，所述背光源支架通过螺钉安装在基板上，所述背光源托板固连在背光源支架上，所述背光源通过螺钉安装在背光源托板上，所述工作台支架固定安装在底板上，所述工作台通过竖直调节导轨安装在工作台支架上，所述工作台支架固定安装在底板上，所述工作台通过竖直调节导轨安装在工作台支架上，如图4所示被测工件通过不同的定位块固定在工作台上。测量梯形槽槽底宽度时可通过背光源支架与基板之间的螺钉和背光源与背光源托板之间的螺钉的调节对背光源亮度进行微调，工作台支架上有竖直导轨，工作台在竖直导轨上移动找出最佳测量位置，最终测量得到如图6所示图像。通过采用HALCON提供的子程序首先对使用的相机进行标定，即可以建立像素值与尺寸值之间的对应关系；然后再次调用HALCON中的子程序计算出边缘轮廓的像素值，再根据标定的结果，即可完成零件的尺寸测量。

实施例3

弹体导带槽宽的测量方法。一种机器视觉零件尺寸测量系统由底板、镜筒安装架、弯板、工作台及其支架、背光源、背光源托板、背光源支架、竖直调节导轨、成像系统等组成，成像系统由摄像头组件和镜筒安装架组成，摄像头组件包括目镜、物镜、镜筒和CMOS相机，所述背光源支架通过螺钉安装在基板上，所述背光源托板固连在背光源支架上，所述背光源通过螺钉安装在背光源托板上，所述工作台支架固定安装在底板上，所述工作台通过竖直调节导轨安装在工作台支架上，所述工作台支架固定安装在底板上，所述工作台通过竖直调节导轨安装在工作台支架上。测量弹体导带槽宽，首先将弹体置于工作台上，紧靠在测量V型基准内，能够保证弹体的精确定位，接下来沿竖直导轨移动工作台使弹体导带槽的下边缘位于图像的中心位置，拍摄槽口下边缘的图像，如图18所示；然后沿竖直导轨移动工作台使弹体导带槽的上边缘位于图像的中心位置，拍摄槽口上边缘的图像，如图19所示。

对采集到的图像，建立灰度直方图，进行直方图均衡化，滤波处理，阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合，可得到图20、21所示图像。

Claims (6)

1.一种机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，其特征在于：包括底板（1）、背光源支架（2）、背光源（4）、工作台（6）、工作台支架（8）、镜筒安装架（12）和摄像头组件，底板（1）上依次固定有背光源支架（2）、工作台支架（8）以及镜筒安装架（12），

背光源支架（2）底部设有与底板连接的支架固定板（2.1），支架固定板（2.1）两侧对称设有两条弧形的光源水平角度调节槽（2.2），光源水平角度调节槽（2.2）内设有与底板（1）固定的螺钉，背光源支架（2）顶部通过螺钉连接有可转动的背光源托板（3），背光源托板（3）上固定有背光源（4）；

工作台支架（8）的竖直面两侧设有竖直导轨（7），工作台（6）可沿竖直导轨（7）上下滑动，工作台（6）可通过紧固件固定在工作台支架（8）上，工作台（6）上可固定相应的定位块（5）；

镜筒安装架（12）顶部通过弯板（11）固定有摄像头组件，摄像头组件包括物镜（9）、镜筒（10）、目镜（13）和CMOS相机（15），CMOS相机（15）上带有USB接口，USB口直插型CMOS相机通过相机安装环固定在目镜（13）上，镜筒中心线、定位块和背光源处于同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，其特征在于：所述一侧的竖直导轨（7）内镶嵌有镶条（16），镶条（16）通过螺钉与工作台顶紧。

3.根据权利要求1或2所述的机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，其特征在于：所述工作台（6）上设有螺纹孔，定位块通过螺纹孔及螺栓与工作台（6）固定连接。

4.根据权利要求3所述的机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，其特征在于：所述竖直导轨（7）通过螺钉与工作台支架（8）固定连接。

5.根据权利要求4所述的机器视觉零件外形、外廓尺寸测量系统，其特征在于：底板（1）上对称设有手柄（14）。

6.一种基于权利要求5实现的机器视觉零件外形、外廓尺寸测量检验方法，其特征在于：具体步骤如下：

（A1）调节安装所有零部件，摄像头组件安装于镜筒安装架上，通过弯板以及镜筒安装架连接的螺钉的调节控制摄像焦距以获取清晰的图像；

(A2）将待测工件通过合适的定位块固定在工作台上，通过调节工作台支架上的竖直导轨对工作台进行竖直方向上的调节使工件处于测量的合适位置，通过5V直流电对背光源进行供电；

（A3）系统连接好后采集图像，建立灰度直方图，进行直方图均衡化，中值滤波处理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合；

（A4）通过采用HALCON提供的子程序首先对使用的相机进行标定，即可以建立像素值与尺寸值之间的对应关系；然后再次调用HALCON中的子程序计算出边缘轮廓的像素值，再根据标定的结果，即可完成零件的尺寸测量；只要所有位置不发生变化，当放置任一待测工件到测量位置时，该位置由定位块来限定，就可快速的完成该零件对应尺寸的测量。