CN106767565A - 一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置和检测方法。机架上安装有导轨和输送模组，输送模组上安装有基准载物台，由电机带动输送模组上的基准载物台水平移动；相机和激光器安装在导轨的滑块上，相机镜头竖直向下并位于基准载物台水平移动区域的中间正上方，激光器镜头倾斜向下并朝向基准载物台水平移动区域的中间；由电机带动输送模组的基准载物台上的被测刹车片钢背片水平匀速移动，激光器发射出条纹激光，条纹激光跟随工件移动在表面从一端移动到另一端，由相机间隔采集获得移动过程中的多帧图像，对多帧图像处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果。本发明结构简单，操作方便，并可以推广到相似产品的平面度测量。

Description

一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及了一种检测装置和检测方法，尤其是涉及了一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置和检测方法。

背景技术

随着汽车产业的快速发展，对汽车关键零部件相关尺寸检测的要求也越来越高。刹车片钢背片是汽车关键零部件之一，是汽车刹车系统中极为重要的安全零件。刹车片钢背片的平面度是钢背片产品质量的一个非常重要的评定因素，直接关系到汽车行驶的安全，在产品出厂前要求100％全检。因此，对刹车片钢背产品的平面度进行快速、准确的自动化检测在提升产品质量稳定性方面起到极为重要的作用。

对钢背产品表面平面度检测通常采用百分表打表法手工测量，通过读出被测钢背表面上各点的最大与最小读数之差作为平面度误差值的测量结果。这种方法对平面度的评定不符合最小条件，效率低，对工人技能要求高，而且工人长时间工作易疲劳，检测结果受人为主观因素影响较强，精度难以保证。

发明内容

为了解决现有刹车片钢背片表面平面度测量操作稳定性不高，自动化程度低等技术问题，本发明提供了一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置和检测方法。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置：

装置包括机架、电机、输送模组、基准载物台、激光器、相机和激光器，机架上安装有导轨和输送模组，输送模组和电机连接，输送模组上安装有用于放置被测的刹车片钢背片的基准载物台，由电机带动输送模组上的基准载物台水平移动；导轨上嵌入安装有两块滑块，相机和激光器分别通过各自的支架连接安装在两块滑块上，相机镜头竖直向下并位于基准载物台水平移动区域的中间正上方，激光器镜头倾斜向下并朝向基准载物台水平移动区域的中间。

所述的输送模组包括轨道条、丝杠和移动块，轨道条通过两端的支撑块固定在机架上，基准载物台固定安装在移动块上端，移动块中部嵌入安装在轨道条中，底部与丝杠通过螺纹连接，轨道条平行于导轨，丝杠平行于轨道条地水平安装在轨道条两端的支撑块上，丝杠一端与电机的输出轴同轴连接，由电机带动输送模组上的丝杠旋转，进而带动移动块沿轨道条水平移动。激光器发出的条纹激光和输送模组的移动方向相垂直。

所述的丝杠两端附近设有用于检测移动块移动进而限制移动块移出的限位开关，限位开关与电机连接。

所述的支架包括夹具和支撑杆，支撑杆底端固定在滑块顶面，夹具一端可活动地套在支撑杆上，另一端装夹相机或者激光器。

通过移动两块滑块在导轨上的位置调整两块滑块之间的间距，进而调整调整相机和激光器之间的间距。

所述的相机照射的到基准载物台的视场正中心和激光器照射的到基准载物台的视场正中心重合。

所述夹具中部为可伸缩结构；夹具一端能够绕支撑杆转动，并且与支撑杆通过侧面径向插入的螺钉固定；夹具另一端能够绕自身中部在垂直于中部伸缩方向的平面转动。

二、一种用于刹车片钢背片平面度自动检测方法：

采用上述装置，将被测的刹车片钢背片固定放置在基准载物台上，由电机带动输送模组上的基准载物台水平匀速移动，进而带动被测的刹车片钢背片水平匀速移动；

在被测的刹车片钢背片移动过程中，激光器发射出一道固定位置的条纹激光，由于条纹激光的照射位置固定，使得条纹激光跟随被测的刹车片钢背片的移动在刹车片钢背片表面从一端移动到另一端，由相机进行间隔采集获得移动过程中的多帧图像，通过对多帧图像进行处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果。

所述的条纹激光位于相机视场的正中心。

所述的基准载物台的上表面的边长尺寸大于被测的刹车片钢背片的尺寸。

所述通过对多帧图像进行处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果是采用以下处理方式：

1)针对每帧图像，先利用空间滤波和曲线拟合的方法提取其中的条纹激光所在位置；

2)针对每帧图像，再利用激光三角测量法处理获得刹车片钢背片上表面相对基准基准载物台上表面的厚度；

3)综合将步骤1)获得的每帧图像的厚度数据形成刹车片钢背片的厚度数据分布，利用最佳平面逼近法，将厚度数据分布利用最小二乘法拟合成理想的基准平面，计算条纹激光所在位置上的采样点到理想基准平面的平均距离来计算刹车片钢背片表面的平面度。

所述通过对多帧图像进行处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果具体是：

1)条纹激光提取

在提取条纹激光前，对图像进行滤波处理，通过中值滤波后，重复遍历图像2～3次空间滤波，去掉粗提取后留下的噪声点，获得条纹激光所占图像的区域；接着对条纹激光所占图像的区域进行亚像素精度级别提取，将其中的每个像素作细分，通过双线性插值法填充细分后区域；然后进行循环搜索，找到每一行的灰度极大值像素点，根据最小二乘原理针对灰度极大值像素点及其两侧相邻的两个像素点，通过抛物线拟合或高斯曲线进行二次曲线拟合，求出极大值点作为条纹激光的中心点；

2)采用以下公式计算获得条纹激光所在位置每一像素点处的刹车片钢背片的厚度：

其中，d₁—相机的CCD到成像透镜的距离(像距)，d₂—刹车片钢背片上表面到相机的成像透镜的距离(物距)，Δx—基准载物台(11)上表面的条纹激光相对刹车片钢背片上表面的条纹激光的横向距离，z—刹车片钢背片的厚度，θ—激光器照射方向与竖直面之间形成的入射角度，δ—横向距离Δx在图像上沿x轴方向所占像素的个数，u—每个像素所代表的基准载物台(11)表面的实际尺寸；

3)平面度误差计算

以基准载物台(11)的上表面为理想平面，理想平面采用以下公式：

z＝Ax+By+C

其中，A、B、C分别表示第一、第二、第三常数系数；

则刹车片钢背片的平面度误差采用以下公式计算：

f＝h_max-h_min

其中，h_max表示平面度最大误差值，h_min表示平面度最小误差值，i和j分别表示图像上沿横、纵方向像素点的序号，N和M分别表示图像上沿横、纵方向像素点的总数；

上述理想平面公式中的第一、第二、第三常数系数A、B、C采用以下公式表示的均方误差Q计算获得：

其中，y_j表示沿图像纵方向第j个像素点处的y轴坐标，x_i表示沿图像横方向第i个像素点处的x轴坐标，_yM表示沿图像纵方向第M个像素点处的y轴坐标，x_N表示沿图像横方向第N个像素点处的x轴坐标；

令进行求解，获得第一、第二、第三常数系数A、B、C，进而获得理想平面z＝Ax+By+C。

由于刹车片钢背片是具有厚度的，刹车片钢背片上表面和基准载物台上表面不在同一平面上，因此条纹激光照射到刹车片钢背片和基准载物台后形成的光亮处不成一条直线，而是一段中间较长的近似直线段及其两端的相距一定偏移的较短的直线段，如图4所示。

本发明所具有的优点和有益效果是：

本发明具备了非接触刹车片钢背片平面度测量，通过运动模组匀速运输钢背片，穿过检测位置，激光器作为光源，倾斜照射在钢背片上，相机正视钢背片来测量刹车片钢背片的表面平面度，操作简单，稳定性高。

本发明使用自动传输与图像处理方法，检测过程实现全自动化，提高了刹车片钢背片表面平面度检测的检测效率。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2是实施例采用的空间滤波3×3模板图。

图3是本发明激光器光照和相机采集的三角测量原理图。

图4是实施例采集的条纹激光示意图。

图中：1、相机，2、滑块，3、导轨，4、电机，5、夹具，6、支撑杆，7、激光器，8、输送模组，9、机架，10、刹车片钢背片，11、基准载物台，12、支撑座，13、限位开关。

具体实施过程

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括机架9、电机4、输送模组9、基准载物台11、激光器7、相机1和激光器7，机架9通过四角的支撑座12支撑在工作台上，机架9上安装有导轨3和输送模组9，输送模组9和电机4连接，输送模组9上安装有用于放置被测的刹车片钢背片10的基准载物台11，电机为输送模组提供动力，由电机4带动输送模组9上的基准载物台11水平移动。

具体地，导轨3上嵌入安装有两块滑块2，相机1和激光器7分别通过各自的支架连接安装在两块滑块2上，支架包括夹具5和支撑杆6，支撑杆6底端固定在滑块2顶面，夹具5一端可活动地套在支撑杆6上，另一端装夹相机1或者激光器7。通过移动两块滑块2在导轨3上的位置调整两块滑块2之间的间距，进而调整调整相机1和激光器7之间的间距。

本发明的相机1镜头竖直向下并位于基准载物台11水平移动区域的中间正上方，使得相机拍摄的视野覆盖基准载物台11水平移动的整个区域，激光器7镜头倾斜向下并朝向基准载物台11水平移动区域的中间。

如图1所示，输送模组9包括轨道条、丝杠和移动块，轨道条通过两端的支撑块固定在机架9上，基准载物台11固定安装在移动块上端，移动块中部嵌入安装在轨道条中，底部与丝杠通过螺纹连接，轨道条平行于导轨3，丝杠平行于轨道条地水平安装在轨道条两端的支撑块上，丝杠一端与电机4的输出轴同轴连接，由电机4带动输送模组9上的丝杠旋转，进而带动移动块沿轨道条水平移动。丝杠两端附近设有用于检测移动块移动进而限制移动块移出的限位开关13，限位开关13与电机4连接，限位开关13将检测获得的移动块移到所对应位置的信号发送给电机，电机停止运行。

具体实施的夹具中部为可伸缩结构；夹具一端能够绕支撑杆转动，并且与支撑杆通过侧面径向插入的螺钉固定；夹具另一端能够绕自身中部在垂直于中部伸缩方向的平面转动，以适应不同检测环境下激光器和相机不同的安装角度需求。

本发明的实施例如下：

采用上述装置，将被测的刹车片钢背片10固定放置在基准载物台11上，下位机接收到上位机的控制信号控制电机运动，由电机4带动输送模组9上的基准载物台11水平匀速移动，进而带动被测的刹车片钢背片10水平匀速移动。

相机在被检刹车片钢背片通过检测区域时，对激光轮廓条纹进行连续拍照，上位机采样图像数据并对数据进行数字图像处理。具体地，在被测的刹车片钢背片10移动过程中，激光器7向其视场区域中心发射出一道固定位置的条纹激光，条纹激光跟随被测的刹车片钢背片10的移动在刹车片钢背片10表面从一端移动到另一端，由相机1进行间隔采集获得移动过程中的多帧图像，通过对多帧图像采用以下方式进行处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果。

(1)激光中心条纹提取

激光器输出的激光束是一种结构比较特殊的高斯光束。在激光器的线结构光传感器形成一个有一定厚度的光平面，该光平面与被测物表面相交所形成的光线条被称为光条(条纹激光)。

将提取后的图像进行二值化处理，将条纹激光的中心的灰度值置为纯白色，其他像素点的灰度值均置为纯黑色。此时的图像中，虽然中值滤波消除了大部分的椒盐噪声，但是由被测工件表面的反光、自然光的影响、来自激光自身的散斑噪声等干扰引起的噪声却难以消除，从而形成了粗提取后的噪声。

构建xyz坐标系，x轴方向沿输送模组9移动方向，y轴方向平行于激光器7发出的条纹激光，z轴方向垂直于x轴方向和y轴方向，z轴方向沿垂直于基准载物台11表面的方向。

取如图2所示的3×3模板窗口对图像进行空间滤波。在图像中遍历取得个点像素值，若位于模板中心的像素点的像素值为1(白色)，则根据下式消除该点像素值P：

P＝(a-1)²+(b-1)²+(c-1)²+(d-1)²+(e-1)²+(f-1)²

若P＝6，则模板中的参数a，b，c，d，e，f均为0，可判断该点为噪声并将该像素值置为0(黑色)；

若P＝4，则该点是光条界面的中心点，保留该点像素值；

若P＝3，则继续计算P₁：

P₁＝(a-1)²+(b-1)²+(c-1)²

若P₁＝2，则该像素点与前一行图像中值为1的像素点均为噪声，并将两像素点值置为0；

若P₁＝3，该像素点可能是光条中心线的起始点，也可能是两个相邻噪声点的第一个，忽略对该像素点的处理，继续下一次遍历。

重复遍历图像2～3次，就能够去掉粗提取后留下的噪声，最终保存下来的便是条纹激光所占的图像区域，如图4所示。

经过处理后，坐标精度是像素级，还需对条纹激光所占的图像区域的中心点进行亚像素精度级别提取。

对于一幅分辨率为m×n的数字图像，对其做亚像素的k细分(k表示平方k等份)，则会产生新的分辨率M×N，即M＝km，N＝kn。原图像中相邻的4个像素区域变成新的(k+1)·(k+1)个区域，可以通过双线性插值法填充新的(k+1)·(k+1)区域。

对填充后新区域进行循环搜索，找到每一行的灰度极大值像素点，行是沿输送模组9的移动方向，设该点为M₀(x₀,y₀)，灰度值为g₀。选取M₀的左侧邻点M_-2(x_-2,y₀)，M_-1(x_-1,y₀)和右侧邻点M₁(x₁,y₁)，M₂(x₂,y₀)，设其灰度值分别为g_-2，g_-1，g₁，g₂，然后根据最小二乘原理对通过抛物线拟合或高斯曲线拟合进行二次曲线拟合，可求出极大值点在x轴的坐标x₀'，则(x₀',y)即为条纹激光的中心点。在条纹激光中心点的坐标求出后，在后续平面度计算步骤中代入理想平面方程，得到这个中心点对应的刹车片厚度，x，y的坐标值是对图像中刹车片上的点的位置进行坐标区分。

(2)厚度计算

测量装置原理图如图3所示。图3中，激光器以θ角度入射到工件和基准平面所在区域，由于工件与基准平面之间存在高度差，此时数字相机拍摄到的目标和基准平面上的激光光束条纹出现续断落差，由图示光路采用公式：

其中，d₁—相机的CCD到成像透镜的距离(像距)，d₂—刹车片钢背片上表面到相机的成像透镜的距离(物距)，Δx—基准载物台(11)上表面的条纹激光相对刹车片钢背片上表面的条纹激光的横向距离，z—刹车片钢背片的厚度，θ—激光器照射方向与竖直面之间形成的入射角度，δ—横向距离Δx在图像上沿x轴方向所占像素的个数，u—每个像素所代表的基准载物台(11)表面的实际尺寸；

由上述计算公式推导可得工件厚度计算公式如下：

(3)平面度误差评定

平面度误差是指被测实际平面对其理想平面的最大变动量为最小。因此，在获取平面度误差时，寻找符合最小条件的理想平面是解决问题的关键。设理想平面方程为：

z＝Ax+By+C

其中，E表示测量得到的厚度与理想平面厚度的差值。

当E为最小时所对应的平面即为理想平面。令：

被测表面的平面度误差为：

f＝h_max-h_min

考虑到实际工件表面上各点与基准平面的偏离是由随机因素引起的，以各采样点对于基准平面的偏离值的平方和为最小来确定基准平面。

令均方误差为：

令即可求出A、B、C的值得到理想平面z＝Ax+By+C。

(4)实施例结果

实施例所用相机为MER-500-7UM/UC，分辨率为2592×1944像素，像素尺寸为2.2μm，镜头型号为CF50HA-1，焦距为50mm。

实施例在目标激光条纹(中间条纹段)上取11个采样点，数据如下表所示：

表1实验数据

标号	数据(像素)
		1	159.663
2	157.951
		3	156.24
4	154.528
		5	152.817
6	151.105
		7	149.394
8	147.683
		9	145.971
10	144.260
		11	142.548
平均值	151.105

标定后，每单位像素所代表的尺寸u＝0.0199mm。利用贝塞尔公式，由参与误差求得测量结果的标准差为：

其中，δ—横向距离Δx在图像上沿x轴方向所占像素的个数，表示δ像素个数的平均值，i表示所取点的标号，n表示总的取点个数。

本实施例采用的系统的测量准确度接近0.1mm，基本满足测量精度要求。可见本发明具有其突出显著的技术效果。

Claims (10)

1.一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置，其特征在于：包括机架(9)、电机(4)、输送模组(9)、基准载物台(11)、激光器(7)、相机(1)和激光器(7)，机架(9)上安装有导轨(3)和输送模组(9)，输送模组(9)和电机(4)连接，输送模组(9)上安装有用于放置被测的刹车片钢背片(10)的基准载物台(11)，由电机(4)带动输送模组(9)上的基准载物台(11)水平移动；导轨(3)上嵌入安装有两块滑块(2)，相机(1)和激光器(7)分别通过各自的支架连接安装在两块滑块(2)上，相机(1)镜头竖直向下并位于基准载物台(11)水平移动区域的中间正上方，激光器(7)镜头倾斜向下并朝向基准载物台(11)水平移动区域的中间。

2.根据权利要求1所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置，其特征在于：所述的输送模组(9)包括轨道条、丝杠和移动块，轨道条通过两端的支撑块固定在机架(9)上，基准载物台(11)固定安装在移动块上端，移动块中部嵌入安装在轨道条中，底部与丝杠通过螺纹连接，轨道条平行于导轨(3)，丝杠平行于轨道条地水平安装在轨道条两端的支撑块上，丝杠一端与电机(4)的输出轴同轴连接，由电机(4)带动输送模组(9)上的丝杠旋转，进而带动移动块沿轨道条水平移动，激光器(7)发出的条纹激光和输送模组(9)移动方向相垂直。

3.根据权利要求2所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置，其特征在于：所述的丝杠两端附近设有用于检测移动块移动进而限制移动块移出的限位开关(13)，限位开关(13)与电机(4)连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置，其特征在于：所述的支架包括夹具(5)和支撑杆(6)，支撑杆(6)底端固定在滑块(2)顶面，夹具(5)一端可活动地套在支撑杆(6)上，另一端装夹相机(1)或者激光器(7)。

5.根据权利要求1所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置，其特征在于：通过移动两块滑块(2)在导轨(3)上的位置调整两块滑块(2)之间的间距，进而调整调整相机(1)和激光器(7)之间的间距。

6.根据权利要求1所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置，其特征在于：所述的相机(1)照射的到基准载物台(11)的视场正中心和激光器(7)照射的到基准载物台(11)的视场正中心重合。

7.根据权利要求1所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测装置，其特征在于：所述夹具中部为可伸缩结构；夹具一端能够绕支撑杆转动，并且与支撑杆通过侧面径向插入的螺钉固定；夹具另一端能够绕自身中部在垂直于中部伸缩方向的平面转动。

8.应用于权利要求1-7任一所述装置的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测方法，其特征在于：采用权利要求1-7任一所述装置，将被测的刹车片钢背片(10)固定放置在基准载物台(11)上，由电机(4)带动输送模组(9)上的基准载物台(11)水平匀速移动，进而带动被测的刹车片钢背片(10)水平匀速移动；在被测的刹车片钢背片(10)移动过程中，激光器(7)发射出一道固定位置的条纹激光，条纹激光跟随被测的刹车片钢背片(10)的移动在刹车片钢背片(10)表面从一端移动到另一端，由相机(1)进行间隔采集获得移动过程中的多帧图像，通过对多帧图像进行处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果。

9.根据权利要求8所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测方法，其特征在于：所述通过对多帧图像进行处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果是采用以下处理方式：

1)针对每帧图像，先利用空间滤波和曲线拟合的方法提取其中的条纹激光所在位置；

2)针对每帧图像，再利用激光三角测量法处理获得刹车片钢背片上表面相对基准基准载物台上表面的厚度；

3)综合将步骤1)获得的每帧图像的厚度数据形成刹车片钢背片的厚度数据分布，利用最佳平面逼近法，将厚度数据分布利用最小二乘法拟合成理想的基准平面，计算条纹激光所在位置上的采样点到理想基准平面的平均距离来计算刹车片钢背片表面的平面度。

10.根据权利要求8所述的一种用于刹车片钢背片平面度自动检测方法，其特征在于：所述通过对多帧图像进行处理获得刹车片钢背片平面度的检测结果具体是：

1)条纹激光提取

在提取条纹激光前，对图像进行滤波处理，通过中值滤波后，重复遍历图像2～3次空间滤波，去掉粗提取后留下的噪声点，获得条纹激光所占图像的区域；接着对条纹激光所占图像的区域进行亚像素精度级别提取，将其中的每个像素作细分，通过双线性插值法填充细分后区域；然后进行循环搜索，找到每一行的灰度极大值像素点，根据最小二乘原理针对灰度极大值像素点及其两侧相邻的两个像素点，通过抛物线拟合或高斯曲线进行二次曲线拟合，求出极大值点作为条纹激光的中心点；

2)采用以下公式计算获得条纹激光所占的图像区域中每一像素点处的刹车片钢背片的厚度：

$z=\mathrm{\Δ}x\cot \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\δud}}_2}{d_1\tan \mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}}$

其中，d₁—相机的CCD到成像透镜的距离(像距)，d₂—刹车片钢背片上表面到相机的成像透镜的距离(物距)，Δx—基准载物台(11)上表面的条纹激光相对刹车片钢背片上表面的条纹激光的横向距离，z—刹车片钢背片的厚度，θ—激光器照射方向与竖直面之间形成的入射角度，δ—横向距离Δx在图像上沿x轴方向所占像素的个数，u—每个像素所代表的基准载物台(11)表面的实际尺寸；

3)平面度误差计算

以基准载物台(11)的上表面为理想平面，理想平面采用以下公式：

z＝Ax+By+C

其中，A、B、C分别表示第一、第二、第三常数系数；

则刹车片钢背片的平面度误差采用以下公式计算：

f＝h_max-h_min

$h_{max}=\underset{1\≤j\≤M}{\underset{1\≤i\≤N}{\max }}(z_{i,j}-{\mathrm{Ax}}_i-{\mathrm{By}}_j-C)$

$h_{min}=\underset{1\≤j\≤M}{\underset{1\≤i\≤N}{min}}(z_{i,j}-{\mathrm{Ax}}_i-{\mathrm{By}}_j-C)$

其中，h_max表示平面度最大误差值，h_min表示平面度最小误差值，i和j分别表示图像上沿横、纵方向像素点的序号，N和M分别表示图像上沿横、纵方向像素点的总数；

上述理想平面公式中的第一、第二、第三常数系数A、B、C采用以下公式表示的均方误差Q计算获得：

$Q={\∫}_{y_j}^{y_M}{\∫}_{x_i}^{x_N}\left(z\right(x,y)-Ax-By-C)dxdy$

其中，y_j表示沿图像纵方向第j个像素点处的y轴坐标，x_i表示沿图像横方向第i个像素点处的x轴坐标，y_M表示沿图像纵方向第M个像素点处的y轴坐标，x_N表示沿图像横方向第N个像素点处的x轴坐标；

令进行求解，获得第一、第二、第三常数系数A、B、C，进而获得理想平面z＝Ax+By+C。