CN105526885B - 一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明“一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法”属于精密机械与仪器技术领域，涉及到激光测量、图像处理方面的相关理论与知识。以坐标测量机为测量平台，采用一种复合测头来实现对锥孔锥角的测量。该复合测头由一台工业CCD摄像机和一个激光位移传感器组成，二者安装在一个专用夹具上。首先，通过标定CCD摄像机像面中心与激光位移传感器测量零位之间的空间位置几何关系，建立起复合测头内部数据融合的数学模型，从而实现二者测量数据之间的有机融合。然后，通过规划合理的测量路径及测量过程，完成对锥孔锥角的高精度测量。该测量方法在测量效率方面也具有突出的优势，由于是直接在锥孔上测量，不存在间接测量误差，效率比较高。

Description

一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法

技术领域

本发明“一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法”属于精密机械与仪器技术领域，涉及到激光测量、图像处理方面的相关理论与知识。

背景技术

锥孔在机械零件中十分常见，根据不同的加工精度要求，一般是在数控车床或数控磨床上加工完成。涉及到锥孔的配合有以下优点：(1)具有自动对心功能；(2)配合间隙(过盈量)可以方便地调整；(3)具有自锁功能，同时可以传递一定的扭矩。目前，常用的锥孔锥角测量方法有：(1)比较法，如量规法、涂色法。该类方法通常要求测量操作人员具有较丰富的经验，且只能实现定性检测，无法确切知道锥孔锥角的实际大小。(2)间接法，一般借助一些辅助设备或仪器，如：内径表、正弦规、表面轮廓仪、游标卡尺等，通过测量相关的其它几何参数，计算出锥孔锥角的大小。该类方法操作方便，但由于间接测量误差的引入，测量精度有限。(3)直接法，常用的测量仪器有工具显微镜、三坐标测量机等。该类方法所用设备造价较高，但具有很高的测量精度，也不存在间接测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法，该方法属于一种直接测量方法，克服了比较法、间接法用于锥孔锥角测量的一些不足之处。为达上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法，以坐标测量机为测量平台，采用一种复合测头来实现对锥孔锥角的测量。该复合测头由一台工业CCD摄像机和一个激光位移传感器组成，二者安装在一个专用夹具上。首先，通过标定CCD摄像机像面中心与激光位移传感器测量零位之间的空间位置几何关系，建立起复合测头内部数据融合的数学模型，从而实现二者测量数据之间的有机融合。然后，通过规划合理的测量路径及测量过程，完成对锥孔锥角的高精度测量。具体包括以下步骤：

(1)建立复合测头(工业CCD摄像机与激光位移传感器)的数据融合模型。通过测量同一实物基准(标准钢球)，标定出CCD摄像机像面中心与激光位移传感器测量零位之间的空间位置关系，从而建立起复合测头的数据融合模型。

(2)采用CCD摄像机对锥孔的大端圆(或者小端圆)进行测量，借助图像的边缘提取算法及圆的最小二乘拟合算法，得到大端圆(或者小端圆)的圆心坐标。

(3)驱动激光位移传感器定位于该圆心坐标处，按照设计好的测量路径在锥孔的锥面上测量位置相对称的两条母线，最小二乘法拟合得到它们的直线方程。

(4)根据直线的夹角公式即可求锥孔锥角的大小。

相对于现有技术，本发明测量方法的适用范围广，可实现对微型锥孔、大型锥孔的高精度检测，同时，该测量方法在测量效率方面也具有突出的优势，由于是直接在锥孔上测量，不存在间接测量误差，效率比较高。

附图说明

图1是本发明所采用的具体测量过程框图；

图2是复合测头的结构示意图；

图3是一个典型的带有锥孔零件的主视图；

图4是锥孔零件的俯视图；

图5是利用CCD测量锥孔的大端圆(或者小端圆)拟合得到的圆心位置；

图6是利用激光位移传感器测量锥孔对称的两条母线拟合得到的两条直线。

图中，1是CCD摄像机；2是CCD连接板；3是激光位移传感器；4是激光位移传感器连接板；5是镜头；6是复合测头支架。

具体实施方式

如图1所示，本发明以坐标测量机为测量平台，采用复合测头完成对锥孔锥角的精确测量。工业CCD摄像机1在像面方向具有很高的分辨率与测量精度，激光位移传感器3在其光轴方向具有很高的分辨率与测量精度，基于二者优势互补的思想，本发明利用CCD来测量锥孔大端圆(或小端圆)圆心的位置，然后引导激光位移传感器3实现对锥孔对称母线对的测量，依据直线的夹角公式，解出锥孔锥角的大小。具体的实施方式及步骤如下：

(1)复合测头的组建与标定

如图2所示，CCD摄像机1与激光位移传感器2由专用夹具安装、固定，保证二者的光轴平行，CCD摄像机1和激光位移传感器2安装在复合测头支架6上，复合测头支架6上设置有放置CCD摄像机镜头5的凹槽，CCD摄像机1上与复合测头支架6之间通过CCD连接板2连接，激光位移传感器4设置在凹槽的上方，激光位移传感器4与复合测头支架6之间通过激光位移传感器连接板4连接，通过标定CCD的像面中心与激光位移传感器3的测量零位之间的空间位置关系，实现二者测量数据的有机融合。这里用于标定的实物基准是半径为r₀ 的标准钢球，将复合测头安装于坐标测量机上，使其光轴平行于Z轴。被测工件置于工作台上，开启照明底光，用CCD测量标准球的最大外圆，在对图像进行滤波去噪、边缘提取后得到标准球最大外圆一系列边缘点的坐标值，利用圆的最小二乘拟合算法得到该最大外圆的圆心坐标(x₁,y₁)，并记下此刻Z轴光栅位置z₁，标准球的球心坐标可记为(x₁,y₁,z₁)。然后，用激光位移传感器3测量球冠上两条十字交叉的圆弧，利用求解圆弧曲线极值的方法得到标准球最高点坐标，则CCD的像面中心与激光位移传感器的测量零位之间的空间位置关系可描述为：

(2)CCD测量锥孔大端圆(或小端圆)

利用CCD测量锥孔大端圆或者小端圆的目的在于找到大端圆或者小端圆的圆心坐标。附图3、4给出了锥孔零件的典型结构，但不限于该结构，本发明所述方法同样适用于锥孔是盲孔、阶梯孔的情况。

如图5所示，在获取到锥孔端圆的图像之后，对图像进行滤波、边缘提取，得到一组端圆边缘点坐标(x_i,y_i)i＝1,2,...N。假设端圆的方程为：(x-a)²+(y-b)²-r²＝0

令，A＝-2a,B＝-2b,C＝a²+b²-r²，上式可转化为：

x²+y²+Ax+By+C＝0

定义目标函数：

因为，故存在极小值点，联立方程组，并求解：

所以，最终拟合得到的圆心坐标及半径为：

(3)激光位移传感器3测量锥孔的对称母线对

在用CCD精确测得了锥孔端圆圆心位置之后，依据已标定过的CCD与激光位移传感器3之间的空间位置关系，驱动激光位移传感器移动到该圆心处，在XOZ平面内，联动X、Z轴，完成对锥孔两条对称母线的测量。为了提高测量的准确度，可多测几对母线对，这样就相应地得到多个锥孔锥角计算值，取它们的均值作为最终锥孔锥角的测量值。不失一般性，假设由激光位移传感器测得的某一条母线的数据为(x_i,z_i)i＝1,2,...N，采用最小二乘法拟合这些测量点的坐标得到母线的直线方程。假设该母线的方程为：z＝k₁x+b₁，

定义目标函数，即每个测量点到该直线的距离残差的平方和：

求解方程组：

同理，拟合得到与之对称的母线方程：

z＝k₂x+b₂

则根据两直线夹角公式，锥孔锥角可表示为：

为了增加测量的准确度，可以多测几组锥角值，取其均值作为最终的测量结果。

Claims (2)

1.一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，标定复合测头，建立复合测头内部测量零位之间的数学模型：CCD 摄像机与激光位移传感器组成复合测头，CCD 摄像机与激光位移传感器的光轴平行，复合测头安装在坐标测量机上，复合测头光轴平行于 Z 轴，在坐标测量机上设置一个标定用的标准钢球，标准钢球的半径为 r₀，用 CCD 摄像机测量标准钢球的最大外圆，并得出最大外圆的圆心坐标（x₁、y₁、z₁），用激光位移传感器测得标准钢球的最高点坐标（x₂、y₂、z₂），则 CCD 摄像机与激光位移传感器的测量零位之间的空间位置关系为：

步骤二，利用CCD摄像机测得锥孔端圆的圆心坐标（a、b），端圆的方程为：

步骤三，驱动激光位移传感器定位于端圆圆心坐标位置，锥孔的锥面上测量两条位置对称的母线，一条母线的直线方程为：另一条与之对称的母线直线方程可表示为： 根据两直线夹角公式，得到锥孔锥角可表示为：即得出锥孔锥角的值；

步骤四，为提高测量的准确度，重复步骤三，多测几对母线对，得到多组母线对的直线方程，进而得到几组锥孔锥角的值，取其均值作为最终的测量结果。

2. 根据权利要求 1 所述的一种基于复合测头的锥孔锥角高精度检测方法，其特征在于：利用CCD 摄像机测得锥孔端圆的圆心坐标（a、b）是指，在获取到锥孔端圆的图像之后，对图像进行滤波、边缘提取，得到一组端圆边缘点坐标 (x_i， y_i)，；假设端圆的方程为：，令，，

上式可转化为：，定义目标函数：

因为，故存在极小值点，联立方程组，并求解：

得到：

这里，

所以，最终拟合得到的圆心坐标及半径为：