CN106091926B - 多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置与方法。包含装置实验台、方形框架、小型工件视觉采集组件、控制柜和蜂鸣器，不透光的方形框架覆盖装在装置实验台上形成内部暗箱环境，小型工件视觉采集组件置于内部暗箱环境内；对工业相机进行标定获得像素单量的值，放入标准测量工件，拍摄下轮廓图像，取测量点标记作为模板图像；放入待测工件，分别打开两侧平行光源多点光源异步曝光采集上、下轮廓图像，与模板图像进行匹配，将模板图像的测量点转移到下轮廓图像上，将上、下轮廓图像融合，计算下、上轮廓之间的距离判断获得结果。本发明能快速准确对小型复杂工件内槽尺寸进行多点位的尺寸检测，检查效率高，精度好。

Description

多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置与方法

技术领域

本装置涉及了一种工件检测装置与方法，尤其是涉及了基于机器视觉的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置与方法，可适用不同工件的内槽的尺寸的多点尺寸测量，对内槽轮廓结构复杂，内槽结构形状多样的工件同样适用。

背景技术

对于内槽工件，以汽车钥匙为例，需要检测的拐点多，利用传统的卡尺测量，会出现质量效率低且精度不高等问题，且容易损伤工件表面划伤等问题。采用机器视觉的测量方法，对工件的内槽尺寸进行进行检测，可以实现对大批量的工件的内槽多点位的尺寸快速精确的检测，为了避免二个平行光源的干扰，在每次检测过程采用了异步爆发的方式采集二张图片。制定标准的模块，将标准的工件的下轮廓图中需要测量的点phtoshop以黄色的点标记出来，利用图像匹配算法，提取需要测量的点转换到当前测量图像上，然后利用图像融合技术完成上下轮廓图像的融合，从而完成来对内槽的多个测量点的尺寸进行检测。

发明内容

本发明的目的是：传统的对小型工件内槽尺寸检测主要是各个拐点，角点的尺寸宽度，测量点较多，测量误差大，效率比较低，为了克服现有检测误差大、效率低，以人为因素决定产品质量的弊端，提供一种高效快速精准的内槽尺寸多点位检测装置和方法。

本发明采用下述技术方案：

一、一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置：

包含装置实验台和安装在装置实验台上的方形框架、小型工件视觉采集组件、控制柜和蜂鸣器，控制柜固定安装在装置实验台底部，不透光的方形框架覆盖装在整个装置实验台上形成内部暗箱环境，小型工件视觉采集组件安装在内部暗箱环境内装置实验台的顶面，方形框架一侧设有用于小型工件检测的出入口，蜂鸣器安装在方形框架顶部，蜂鸣器和小型工件视觉采集组件均与控制柜连接。

小型工件指的是中部带有类似条形槽结构的工件，如图4所示，例如汽车钥匙。

所述的小型工件视觉采集组件包括载物台伺服电机、活动板伺服电机、载物台、平行光源、相机支架和工业相机，载物台伺服电机和载物台均水平固定安装在装置实验台上表面，载物台伺服电机输出轴和水平滑动丝杆同轴连接，载物台伺服电机输出轴朝向方形框架的出入口，水平滑动丝杆螺纹套在载物台中；载物台沿水平滑动丝杆轴向的两侧均设有平行光源支架，平行光源支架上安装有平行光源，两侧的平行光源朝向载物台照射；载物台的侧方设有相机支架，工业相机安装在相机支架上，工业相机位于载物台正上方，工业相机的镜头朝下正下方载物台上的小型工件；载物台中部设有用于安装压力传感器的凹槽，压力传感器装入凹槽的底部，凹槽的侧壁设有用于小型工件插入安装的卡槽。

本发明还包括显示屏和计算机，计算机分别与显示屏、小型工件视觉采集组件和控制柜连接。

所述的方形框架包括塑料板、出口顶板和出口活动板，塑料板围在方形框架的顶面、前后两侧面和左右其中一侧面，方形框架左右另一侧面作为小型工件的出入口，并设有出口顶板和出口活动板，出口顶板固定在方形框架左右另一侧面的上部，出口活动板通过电机丝杠机构可上下活动地安装在在方形框架左右另一侧面的下部，出口活动板的上下端设有横梁，横梁之间连接有竖直安装的竖直滑动丝杆，竖直滑动丝杆和活动板伺服电机的输出轴同轴连接。

所述的塑料板、出口顶板和出口活动板均采用黑色塑料挡板。

所述的控制柜上设有打开按钮、关闭按钮和急停按钮的三个按钮，打开按钮、关闭按钮和急停按钮分别用于整个装置的开启、关闭和发生故障后紧急制动。

二、一种机器视觉的小型工件检测方法：

1)采用上述检测装置，对工业相机进行标定获得像素单量的值；

所述步骤1)中像素单量的值具体计算为：

Resolution＝A/B

其中，A表示已知物体的实际尺寸，B表示已知物体在图像中的尺寸。

2)将合格的标准测量工件安装到载物台上，仅打开载物台上方其中一侧的平行光源，通过工业相机拍摄带有标准测量工件下轮廓的图像，图像中沿标准测量工件下轮廓取测量点进行标记，作为模板图像；

3)将待测工件放入载物台的卡槽，压力传感器检测到待测工件的放入，控制柜接收到压力传感器的信号，控制柜发出控制信号控制载物台伺服电机和活动板伺服电机将载物台移动到工业相机的正下方，并下降出口活动板使得，方形框架内形成暗箱；

4)分别打开载物台上方两侧的平行光源通过多点光源异步曝光采集获得带有待测工件上轮廓的图像和带有待测工件下轮廓的图像，

具体是在载物台移动到原来位置后，控制柜发出控制信号打开载物台上方其中一侧的平行光源，工业相机采集下轮廓的图片传输到计算机，t1秒后控制柜发出控制信号关闭载物台上方的平行光源，打开载物台上方另一侧的平行光源，工业相机采集上轮廓的图片传输到计算机。

5)计算机对步骤4)采集获得的二张图像进行处理，依次采用BF matcher算法(暴力匹配算法)和KNN matacting算法(k最近邻分类匹配算法)针对带有待测工件下轮廓的图像和步骤2)的模板图像之间、带有待测工件上轮廓的图像和步骤2)的模板图像之间进行匹配；

6)将模板图像中的测量点变换转移到带有待测工件下轮廓的图像的对应位置上，进行图像融合，将带有待测工件下轮廓的图像和带有待测工件上轮廓的图像进行叠加融合，获得融合图像；

7)计算融合图像中测量点所在的下轮廓和上轮廓之间的实际测量距离D，再进行判断，获得待测工件是否合格的结果。

所述步骤7)中实际测量距离D计算具体为：查找融合图像中的上轮廓，计算融合图像中下轮廓的测量点到上轮廓的投影像素长度，作为各个测量点所对应的像素宽度C，将测量点所对应的像素宽度C乘以步骤1)的像素单量的值获得实际测量距离D，D＝C×Resoution。

所述步骤7)中判断方式为：将获得的实际测量距离D和待测工件所达标的标准值进行比较获得偏差值，若其中一个以上测量点所对应的偏差值大于等于标准偏差阈值Q，单位为mm，则待测工件不合格；若所有测量点所对应的偏差值小于标准偏差阈值Q，则待测工件合格。

本发明的有益效果是：

本发明克服了传统小型工件内槽尺寸检测拐点角点的尺寸宽度和测量点较多，测量误差大，效率比较低的技术问题，克服了检测误差大、效率低的问题，以人为因素决定产品质量的弊端，高效快速精准。

本发明装置是一种快速、准确的采集装置，能够快速对结构复杂测量点多的工件内槽的尺寸进行测量，根据实测值判断产品是否合格，从准确性和实时性两方面保证采集图像的有效性，具有实时采集、图像精度高、结构简单的特点。

附图说明

图1是本发明装置整体结构图。

图2是图1的局部放大图。

图3是本发明装置中载物台结构图。

图4是一种检测工件的示意图。

图5是载物台的剖视图。

图6是装置的线路连接图。

图7是整个发明装置方法的流程图。

图8是实验中测量工件的下轮廓图。

图9是实验中测量工件的上轮廓图。

图10是实验室中制作的模板图。

图11是实验中得到结果图。

图中：1：控制柜，2：蜂鸣器，3：载物台伺服电机，4：水平滑动丝杆，5：卡槽，6：压力传感器，7：载物台，8：平行光源，9：平行光源支架，10：相机支架，11：工业相机，12：活动板伺服电机，13：塑料板，14：出口顶板， 15：出口活动板，16：装置实验台，17：显示屏，18：计算机，19：竖直滑动丝杆，20：打开按钮，21：关闭按钮，22：急停按钮。

具体实施方式

结合下面附图及实施例进一步说明本装置的技术方案。

如图1所示，本发明包含装置实验台16和安装在装置实验台16上的方形框架、小型工件视觉采集组件、控制柜1、蜂鸣器2、显示屏17和计算机18，控制柜1固定安装在装置实验台16底部，不透光的方形框架覆盖装在整个装置实验台16上形成内部暗箱环境，小型工件视觉采集组件安装在内部暗箱环境内装置实验台16的顶面，方形框架一侧设有用于小型工件检测的出入口，蜂鸣器 2安装在方形框架顶部。如图6所示，蜂鸣器2和小型工件视觉采集组件均与控制柜1连接，计算机18分别与显示屏17、小型工件视觉采集组件和控制柜1连接。

控制柜主要通过PLC控制伺服电机3通过滑动丝杆4带动载物台7左右移动，以便待测工件的取放。蜂鸣器2用于筛选不合格样品的时候进行报警。

如图2所示，小型工件视觉采集组件包括载物台伺服电机3、活动板伺服电机12、载物台7、平行光源8、相机支架10和工业相机11，载物台伺服电机3 和载物台7均水平固定安装在装置实验台16上表面，载物台伺服电机3输出轴和水平滑动丝杆4同轴连接，载物台伺服电机3输出轴朝向方形框架的出入口，水平滑动丝杆4螺纹套在载物台7中，通过载物台伺服电机3运行带动载物台7 沿水平滑动丝杆4轴向水平移动。

载物台7沿水平滑动丝杆4轴向的两侧均设有平行光源支架9，平行光源支架9上安装有平行光源8，两侧的平行光源8均平行于水平滑动丝杆4且位于载物台7上方，两侧的平行光源8朝向载物台7照射；两个平行光源8在平行光源支架9上可±90°调节朝向载物台7照射的光照角度，以满足对不同内槽轮廓的打光要求。

控制两个平行光源8的打开和关闭，确保每次采集中，二次采集图片的异步曝光。二个平行光源通过螺栓固定在支架21上，平行光源可调节偏转角度适应不同的工件打光要求。

载物台7的侧方设有相机支架10，工业相机11安装在相机支架10上，工业相机11位于载物台7正上方，工业相机11的镜头朝下正下方载物台7上的小型工件；如图3所示，载物台7中部设有用于安装压力传感器6的凹槽，压力传感器6装入凹槽的底部，用于检测待测工件是否完成取放，凹槽的侧壁设有用于小型工件插入安装的卡槽5，载物台7的截面如图5所示。

方形框架包括塑料板13、出口顶板14和出口活动板15，塑料板13围在方形框架的顶面、前后两侧面和左右其中一侧面，方形框架左右另一侧面作为小型工件的出入口，并设有出口顶板14和出口活动板15，出口顶板14固定在方形框架左右另一侧面的上部，出口活动板15通过电机丝杠机构可上下活动地安装在在方形框架左右另一侧面的下部，出口活动板15的上下端设有横梁，横梁之间连接有竖直安装的竖直滑动丝杆19，竖直滑动丝杆19和活动板伺服电机 12的输出轴同轴连接，通过活动板伺服电机12运动带动出口活动板15上下升降移动，使得方形框架左右另一侧面的下部形成小型工件的出入口。

活动板伺服电机12通过滑动丝杆带动出口活动板15上下移动，完成装置的打开和闭合，确保检测过程中处于完全封闭的状态。

当载物台7向外移动时，活动板伺服电机12带动出口活动板15向上移动，放入被测工件后，载物台7回到原处，活动板伺服电机12带动出口活动板15 向下运动，确定检测环境处于完全封闭的状态，没有环境光的干扰。

塑料板13、出口顶板14和出口活动板15均采用黑色塑料挡板，使工作环境避免环境光的干扰，此外与外部环境隔离，防止粉尘进入影响拍摄精度。

控制柜1上设有打开按钮20、关闭按钮21和急停按钮22的三个按钮，三个按钮控制对装置的打开和关闭。

如图7所示，本发明的实施例及其具体实施过程如下：

1)采用检测装置，利用opencv开源的库函数对工业相机进行标定计算获得像素单量的值：

Resolution＝A/B

其中，A表示已知物体的实际尺寸，单位为mm，B表示已知物体在图像中通过图像处理软件求解得到的尺寸，单位为pixel，那么像素单量的值Resolution 的单位为mm/pixel。实验采用了7×7的点阵标定板，求得的像素单量的值为 Resolution＝0.04293029。

2)按下控制柜1上的打开按钮，启动整个装置，此时控制器就给载物台伺服电机3一个信号，就带动载物台7向左移动15cm，同时伺服电机12通过滑动丝杆19带动塑料板13向上移动25cm，然后把待测工件放在载物台卡槽上固定。

将合格的标准测量工件安装到载物台7上，仅打开载物台7上方其中一侧的平行光源8，通过工业相机11拍摄带有标准测量工件下轮廓的图像，图像中沿标准测量工件下轮廓取测量点进行标记，作为模板图像，见附图10，本实验中测量工件的测量点有八个。

3)开始工件的测量，初始时出口活动板15升到上部，载物台7水平伸出到方形框架的出入口处，将待测工件放入载物台7的卡槽，压力传感器检测到待测工件的放入，控制柜1接收到压力传感器的信号，控制柜1发出控制信号控制载物台伺服电机3向左运动15cm，带动载物台回原位置，控制活动板伺服电机3带动出口活动板15向下移动25cm，此时整个检测完全完全封闭，确保检测环境没有环境光干扰。

4)分别打开载物台7上方两侧的平行光源8通过多点光源异步曝光采集获得带有待测工件上轮廓的图像和带有待测工件下轮廓的图像，见附图8。

具体是在载物台移动到原来位置后，控制柜发出控制信号打开载物台上方其中一侧的平行光源，工业相机采集下轮廓的图片传输到计算机，2秒后控制柜发出控制信号关闭载物台上方的平行光源，打开载物台上方另一侧的平行光源，工业相机采集上轮廓的图片，见附图9传输到计算机。

5)计算机对步骤4)采集获得的二张图像进行处理，依次采用BF matcher算法和KNN matacting算法针对带有待测工件下轮廓的图像和步骤2)的模板图像之间、带有待测工件上轮廓的图像和步骤2)的模板图像之间进行匹配；若匹配成功，继续进行下一步骤；若匹配不成功，则该待测工件不合格。

6)将模板图像中8个已标记的测量点变换转移到带有待测工件下轮廓的图像的对应位置上，进行图像融合，将带有待测工件下轮廓的图像和带有待测工件上轮廓的图像进行叠加融合，获得融合图像，结果如图11所示，图中的星号表示测量点，分别为a,b,c,d,e,f,g,h八个点；

7)采用以下方式计算融合图像中测量点所在的下轮廓和上轮廓之间的实际测量距离D：查找融合图像中的上轮廓，计算融合图像中下轮廓的测量点到上轮廓的投影像素长度，作为各个测量点所对应的像素宽度C，将测量点所对应的像素宽度C乘以步骤1)的像素单量的值获得实际测量距离D，D＝C×Resolution ，由此可以得到所有测量点的宽度值，本实验室测得的样品八个点a,b,c,d,e,f,g,h 分别是:2.98mm，3.08mm，3.05mm，3.01mm，3.01mm，3.08mm，3.08mm，3.48mm。

再进行判断，获得待测工件是否合格的结果：将获得的实际测量距离D和待测工件所达标的标准值进行比较获得偏差值，若其中一个以上测量点所对应的偏差值大于等于标准偏差阈值0.05，单位为mm，则待测工件不合格。计算机会发出控制信号，通过蜂鸣器进行报警，筛选出不合格的工件；

本样品八个测量点的测量值和标准值偏差均小于0.05mm，若所有测量点所对应的偏差值小于标准偏差阈值0.05mm，则待测工件合格，控制柜发出控制信号，伺服电机控制载物台向外移动15cm，另外一个伺服电机控制遮光挡板向上移动25cm。

由此，重复3)～7)，可反复对工件的内槽多个测量点的尺寸宽度进行快速精确的测量。

由此可见，本发明能够克服传统小型工件内槽尺寸检测拐点角点的尺寸宽度和测量点较多，测量误差大，效率比较低的技术问题，克服了检测误差大、效率低的问题，具有高效快速精准等技术效果。

Claims (9)

1.一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置，其特征在于：包含装置实验台(16)和安装在装置实验台(16)上的方形框架、小型工件视觉采集组件、控制柜(1)和蜂鸣器(2)，控制柜(1)固定安装在装置实验台(16)底部，不透光的方形框架覆盖装在整个装置实验台(16)上形成内部暗箱环境，小型工件视觉采集组件安装在内部暗箱环境内的装置实验台(16)的顶面，方形框架一侧设有用于小型工件检测的出入口，蜂鸣器(2)安装在方形框架顶部，蜂鸣器(2)和小型工件视觉采集组件均与控制柜(1)连接；

所述的小型工件视觉采集组件包括载物台伺服电机(3)、活动板伺服电机(12)、载物台(7)、平行光源(8)、相机支架(10)和工业相机(11)，载物台伺服电机(3)和载物台(7)均水平固定安装在装置实验台(16)上表面，载物台伺服电机(3)输出轴和水平滑动丝杆(4)同轴连接，载物台伺服电机(3)输出轴朝向方形框架的出入口，水平滑动丝杆(4)螺纹套在载物台(7)中；载物台(7)沿水平滑动丝杆(4)轴向的两侧均设有平行光源支架(9)，平行光源支架(9)上安装有平行光源(8)，两侧的平行光源(8)朝向载物台(7)照射；载物台(7)的侧方设有相机支架(10)，工业相机(11)安装在相机支架(10)上，工业相机(11)位于载物台(7)正上方，工业相机(11)的镜头朝正下方载物台(7)上的小型工件；载物台(7)中部设有用于安装压力传感器(6)的凹槽，压力传感器(6)装入凹槽的底部，凹槽的侧壁设有用于小型工件插入安装的卡槽(5)。

2.根据权利要求1所述的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置，其特征在于：还包括显示屏(17)和计算机(18)，计算机(18)分别与显示屏(17)、小型工件视觉采集组件和控制柜(1)连接。

3.根据权利要求1所述的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置，其特征在于：所述的方形框架包括塑料板(13)、出口顶板(14)和出口活动板(15)，塑料板(13)围在方形框架的顶面、前后两侧面和左右其中一侧面，方形框架左右另一侧面作为小型工件的出入口，并设有出口顶板(14)和出口活动板(15)，出口顶板(14)固定在方形框架左右另一侧面的上部，出口活动板(15)通过电机丝杠机构可上下活动地安装在方形框架左右另一侧面的下部，出口活动板(15)的上下端设有横梁，横梁之间连接有竖直安装的竖直滑动丝杆(19)，竖直滑动丝杆(19)和活动板伺服电机(12)的输出轴同轴连接。

4.根据权利要求3所述的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置，其特征在于：所述的塑料板(13)、出口顶板(14)和出口活动板(15)均采用黑色塑料挡板。

5.根据权利要求1所述的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测装置，其特征在于：所述的控制柜(1)上设有打开按钮(20)、关闭按钮(21)和急停按钮(22)三个按钮。

6.一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测方法，其特征在于，该方法步骤如下：

1)采用权利要求1-5任一所述检测装置，对工业相机进行标定获得像素单量的值；

2)将合格的标准测量工件安装到载物台(7)上，仅打开载物台(7)上方其中一侧的平行光源(8)，通过工业相机(11)拍摄带有标准测量工件下轮廓的图像，图像中沿标准测量工件下轮廓取测量点进行标记，作为模板图像；

3)将待测工件放入载物台(7)的卡槽，压力传感器检测到待测工件的放入，控制柜(1)接收到压力传感器的信号，控制柜(1)发出控制信号控制载物台伺服电机(3)和活动板伺服电机(12)将载物台(7)移动到工业相机(11)的正下方，并下降出口活动板(15)使得方形框架内形成暗箱；

4)分别打开载物台(7)上方两侧的平行光源(8)通过多点光源异步曝光采集获得带有待测工件上轮廓的图像和带有待测工件下轮廓的图像；

5)计算机对步骤4)采集获得的二张图像进行处理，依次采用BF matcher算法和KNNmatacting算法针对带有待测工件下轮廓的图像和步骤2)的模板图像之间、带有待测工件上轮廓的图像和步骤2)的模板图像之间进行匹配；

6)将模板图像中的测量点变换转移到带有待测工件下轮廓的图像的对应位置上，进行图像融合，将带有待测工件下轮廓的图像和带有待测工件上轮廓的图像进行叠加融合，获得融合图像；

7)计算融合图像中测量点所在的下轮廓和上轮廓之间的实际测量距离D，再进行判断，获得待测工件是否合格的结果。

7.根据权利要求6所述的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤1)中像素单量的值具体计算为：

Resolution＝A/B

其中，A表示已知物体的实际尺寸，B表示已知物体在图像中的尺寸。

8.根据权利要求6所述的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤7)中实际测量距离D计算具体为：查找融合图像中的上轮廓，计算融合图像中下轮廓的测量点到上轮廓的投影像素长度，作为各个测量点所对应的像素宽度C，将测量点所对应的像素宽度C乘以步骤1)的像素单量的值获得实际测量距离D，D＝C*Resolution 。

9.根据权利要求6所述的一种多点光源异步曝光的小型工件内槽尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤7)中判断方式为：将获得的实际测量距离D和待测工件所达标的标准值进行比较获得偏差值，若其中一个以上测量点所对应的偏差值大于等于标准偏差阈值Q，单位为mm，则待测工件不合格；若所有测量点所对应的偏差值小于标准偏差阈值Q，则待测工件合格。