CN107617876A - 一种基于机器视觉监测的装配对中方法 - Google Patents
一种基于机器视觉监测的装配对中方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于机器视觉监测的装配对中方法，步骤a：在待装配孔内部、且朝向其前端安装第一阶梯靶标，得第一阶梯靶标1的轴线O1O2，步骤b：调整工业相机的光轴与轴线O1O2重合；步骤c：在待装配轴后端安装第二阶梯靶标，得轴线O3O4，使轴线O3O4与工业相机的光轴相重合，装配待装配孔和待装配轴。实现了装配对中情况的实时监控。
Description
技术领域
本发明属于智能装配技术领域，具体涉及一种基于机器视觉监测的装配对中方法。
背景技术
精密装配在航空、航天以及汽车制造过程中应用非常普遍，在精密装配的工作模式中，孔轴类精密装配作业占据整个装配作业的重要位置。装配之前，孔轴处于分离状态，装配时要求孔轴对中，装配对中误差过大就会加剧磨损，显著降低产品使用寿命，对产品的使用造成很大的危害。
目前许多对中装配操作任务由手工完成，手工装配不仅耗费大量的人力和时间，而且最终装配的工艺精度和可靠性都难以得到保证，这些将直接影响到产品最终的性能和质量。为保证产品的装配质量，提高产品的可靠性，延长产品使用寿命，孔轴类零件的自动化、高可靠、精密装配技术具有重要的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于机器视觉监测的装配对中方法，实现对装配对中情况的实时监控。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种基于机器视觉监测的装配对中方法，该方法包括如下步骤：
使用第一阶梯靶标和第二阶梯靶标，所述第一阶梯靶标和第二阶梯靶标均包括同轴设置、且位于前部的第一圆柱体和位于后部的第二圆柱体，且第一圆柱体的直径小于第二圆柱体的直径，所述第一圆柱体和第二圆柱体的前端面上、且绕其边缘一周均设置有4A个圆形图案，且对应端面上的圆形图案的圆心分别位于对应的圆的圆周上，所形成的对应的两个圆为同心圆，其中：A为大于1的自然数，且两个圆柱体前端面上A的取值可不相同；第一阶梯靶标中的第一圆柱体和第二圆柱体的前端面的中心分别为O1和O2，对应的第一阶梯靶标的轴线为O1O2；所述第二阶梯靶标中的第一圆柱体和第二圆柱体的前端面的中心分别为O3和O4，对应的第二阶梯靶标的轴线为O3 O4；
步骤a：在待装配孔内部、且朝向其前端安装第一阶梯靶标，且第一阶梯靶标的轴线O1O2与待装配孔处于共轴状态，用工业相机朝向阶梯靶标的图案面拍摄，得第一阶梯靶标图像，确定出第一阶梯靶标中两个圆柱体前端面的中心O1和O2，即得第一阶梯靶标的轴线O1O2；
步骤b：调整工业相机的位姿，使所述工业相机的光轴与第一阶梯靶标的轴线O1O2相重合，并拆卸第一阶梯靶标；
步骤c：将所述第二阶梯靶安装于待装配轴后端部，且使第二阶梯靶标的轴线与待装配轴的轴线共轴；用工业相机朝向第二阶梯靶标的图案面拍摄，得第二阶梯靶标图像，确定出第二阶梯靶标中两个圆柱体前端面的中心O3和O4，即得第二阶梯靶标的轴线O3O4；
调整安装有第二阶梯靶标的待装配轴，使轴线O3O4与工业相机的光轴相重合，此时，轴线O3O4与轴线O1O2相重合。
进一步地，该步骤b中调整工业相机的光轴与第一阶梯靶标的轴线O1O2相重合的具体过程如下：
使用四轴转台，所述工业相机放置于四轴转台上，通过自适应标定方法分别计算出第一阶梯靶标中两个圆柱体前端面图像的像素大小P1和P2，分别得到O1和O2距离光轴的实际偏移距离(ΔX1，ΔY1)和(ΔX2，ΔY2)；
P1＝D1/D1'；
P2＝D2/D2'；
ΔXi＝ΔXi'*Pi；
ΔYi＝ΔYi'*Pi；
其中：i＝1、2，D1和D2分别为第一阶梯靶标中第一圆柱体和第二圆柱体前端面上圆形图案的圆心所形成的圆的直径；D1'和D2'分别为第一阶梯靶标，在相机成像平面中第一圆柱体和第二圆柱体前端面上圆形图案的圆心所拟合形成的椭圆长轴的像素直径；
O1’(ΔX1',ΔY1')、O2’(ΔX2',ΔY2')分别为第一阶梯靶标的第一圆柱体和第二圆柱体前端面中心在相机成像平面上的距离工业相机光轴中心的像素坐标；O1(ΔX1,ΔY1)O2(ΔX2,ΔY2)为第一阶梯靶标中的第一圆柱体和第二圆柱体前端面中心在相机坐标系中相对于光轴的偏移坐标值；
调节水平位移台和升降台，使得点O2与光轴重合，控制水平旋转台转动β角度，俯仰旋转台转动α角度，使得工业相机的光轴和第一阶梯靶标轴线平行，再次移动水平位移台和升降台，使得第二圆柱体中心位于工业相机光轴上，计算此时第一阶梯靶标轴线与工业相机光轴之间的偏差，若ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2均小于0.1mm，则工业相机的光轴与第一阶梯靶标的轴线O1O2相重合；若不满足，继续调整四轴调整台，直到满足ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2均小于0.1mm为止。
3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，步骤c中，调整轴线O3O4与工业相机的光轴相重合的具体过程如下：
计算中心O3和O4在相机坐标系中距离光轴的实际偏移距离(ΔX3，ΔY3)和(ΔX4，ΔY4)
P3＝D3/D3'；
P4＝D4/D4'；
ΔXj＝ΔXj'*Pj；
ΔYj＝ΔYj'*Pj；
其中：j＝3、4，D3和D4分别为第二阶梯靶标中第一圆柱体和第二圆柱体前端面上圆形图案的圆心所形成的圆的直径；D3'和D4'分别为第二阶梯靶标在相机成像平面中第一圆柱体和第二圆柱体前端面上圆形图案的圆心所拟合形成的椭圆长轴的像素直径；
O3’(ΔX3',ΔY3')、O4’(ΔX4',ΔY4')分别为第二阶梯靶标中第一圆柱体和第二圆柱体前端面中心在相机成像平面上的距离相机光轴中心的像素坐标；O3(ΔX3，ΔY3)和O4(ΔX4，ΔY4)即在相机坐标系中相对于光轴的偏移坐标值；
调整待装配轴前后端在相机坐标系中相对于XOY面水平和竖直方向分别移动(ΔX3，ΔY3)和(ΔX4，ΔY4)，再次计算O3和O4的偏移距离，若ΔX3，ΔY3、ΔX4和ΔY4均小于0.1mm，则轴线O3O4与工业相机光轴重合，否则继续调整，直至满足ΔX3，ΔY3、ΔX4和ΔY4均小于0.1mm为止。
进一步地，该四轴转台包括用于放置工业相机的水平支撑板，所述水平支撑板的一端连接有一竖直板，所述竖直板与俯仰旋转台相连接，所述俯仰旋转台用于带动水平支撑板绕垂直于竖直板的水平轴顺时针或者逆时针转动；
还包括水平板，所述水平板的一端通过连接装置与竖直板相连接，所述水平板的另一端与水平旋转台相连接，所述水平旋转台用于带动水平板绕竖直轴顺时针或逆时针转动；
所述水平板的下端设置有剪式升降台，所述剪式升降台在竖直方向伸展或收缩，用于带动水平支撑板上升或下降；
所述剪式升降台的下端通过连接装置连接有水平位移台，所述水平位移台用于带动水平支撑板水平左右移动；所述水平位移台包括水平设置的丝杠，通过内置螺母丝杠机构将电机转动转化为水平位移台水平移动。
进一步地，该步骤a中轴线O1O2的确定过程如下：
步骤a1.对获得的第一阶梯靶标图像进行处理，得到边缘平滑过渡的第一阶梯靶标图像；
步骤a2.对步骤a1中边缘平滑过渡的第一阶梯靶标图像处理，获得第一阶梯靶标图像边缘轮廓集合，对边缘轮廓集合中的每个子集分别进行最小二乘椭圆拟合，得到一组拟合椭圆中心点集合；
步骤a3.使用一种基于正方形分布阵列的方法，在所述拟合椭圆中心点集合中找到一组4个点的正方形点阵列，以得到该正方形点阵列的中心，再根据第一圆柱体前端面上的圆的圆心和第二圆柱体前端面上的圆的圆心到第一阶梯靶标轴线的距离比值，将步骤a2中得到的拟合椭圆中心点集合分为第一圆柱体前端面点集和第二圆柱体前端面点集；
步骤a4.将步骤a3中的所述第一圆柱体前端面点集和第二圆柱体前端面点集，分别运用最小二乘法进行椭圆拟合，即得到对应的中心点O1和中心点；连接两个中心点O2，即得轴线O1O2。
进一步地，该步骤a3中的具体过程如下：
步骤a31.设处理后的阶梯靶标图像左上角第一个像素点为图像坐标系原点，水平向右为X轴正方向，竖直向下为Y轴正方向；在图像坐标系中，将所述拟合椭圆中心点按照距离图像坐标系原点由小到大的原则重新排序，获得有序点集Si(i＝1,2,3,4,5,6…)；
步骤a32.遍历有序点集Si，搜索满足正方形分布的坐标点，首先设S1为正方形的一个顶点Pt1，以顶点Pt1为对角线的一个点，遍历有序点集Si，在该对角线上寻找正方形的第二个顶点Pt2，该对角线的斜率k满足如下要求：0.5<k<3；
步骤a33.搜索正方形的第三个顶点，设Pt1和Pt2两点间对角线对应的一次函数为：y1＝ax+b，该对角线中点为其中：Pt1(m1,n1)和Pt2(m2,n2)；Pt1到M点的距离为L，过M点作Pt1与Pt2连线的中垂线，得到该中垂线的一次函数为：设中垂线上一点为：遍历有序点集Si，若存在Si满足则将Si设为Pt3点；
若Si不满足重新执行步骤d2，搜寻其他满足条件的Pt1、Pt2再执行步骤d3，直至存在Si满足则将Si设为Pt3点；
步骤a44.搜寻正方形的第四个顶点，以点Pt1，Pt3确定向量VecX，点Pt2，Pt3确定向量VecY，设Pt1为坐标原点，向量VecX所在方向为X轴，向量VecY所在方向为Y轴，构建新坐标系；由正方形顶点排列特性得到参考点Pt4’在新构建的坐标系中可表示为：Pt4’＝Pt1+VecY，遍历有序点集Si，保存满足的Si点集，设为点集Qi，点集Qi中满足||Pt4'-Qi||取得最小值的点即为Pt4点，若存在Pt4点则执行步骤a46，若不存在Pt4点，则执行步骤a45；
步骤a35.如果以S1点作为第一个顶点Pt1，不存在另外3个点满足步骤a32、a33、a34，则遍历点集Si，依次令Si(i＝2,3,4…)为Pt1，再继续步骤a32、a33、a34；
步骤a36.将搜寻到的满足正方形分布的4个坐标点作为采集的阶梯靶标图像的参照点，计算椭圆圆心Si(i＝1，2，3…)到参照点的距离Gi(i＝1，2，3…)，并求得所有椭圆圆心到参照点的距离和的均值Ver；
若Gi>Ver，且则该点属于外圆；
若Gi<Ver且则该点属于内圆；
其中比例值P为阶梯靶标的内外圆半径之比；
得到内圆点集和外圆点集，内圆点集为第一圆柱体前端面点集内圆点集为第二圆柱体前端面点集；
其中：内圆为第一圆柱体前端面上的圆形图案的圆心形成的圆，外圆为第二圆柱体前端面上的前端面上的圆形图案的圆心形成的圆。
步骤a37.若阶梯靶标倾斜角度过大，前端面对后端面的圆形图案遮挡，经过分类处理后只能得到第一圆柱体前端面点集，则再次遍历点集Si剔除得到的第一圆柱体前端面点集，即可得到第二圆柱体前端面点集。
进一步地，该步骤a1的具体过程如下：对获得到阶梯靶标图像进行二值化处理，得到二值化阶梯靶标图像；对二值化阶梯靶标图像进行滤波处理，使用n*n的像素矩形沿着二值化阶梯靶标图像水平向右和竖直向下两个方向移动，将中心像素灰度值替换为相邻n*n像素矩形框内像素灰度的平均值，得到边缘平滑过渡的二值化阶梯靶标图像；其中n为大于0的自然数。
进一步地，每一个所述圆形图案内均设置有光源，该第一圆柱体和第二圆柱体的前端面上均贴合安装有挡光板，每一个挡光板上均对应开设有圆孔，所述圆孔的位置与对应的圆形图案相一致，且圆孔的直径小于圆形图案的直径。
本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法具有如下优点：1.实时监控当前装配轴的偏转和偏移情况，实现装配过程的实时测量与调控，保证了装配的精度。2.轴线确定过程数学推导简单，计算复杂度低，图像处理效率高且稳定。
附图说明
图1是本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法中第一阶梯靶标和第二阶梯靶标的结构示意图；
图2是本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法中工业相机与装配有第一阶梯靶标的待装配孔排布的结构示意图；
图3是本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法中工业相机、待装配孔、装配有第二阶梯靶标的待装配轴排布的结构示意图；
图4是本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法中第一阶梯靶标成像平面图；
图5是本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法中阶梯靶标成像平面坐标系；
图6是本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法中四轴转台的结构示意图；
其中：1.第一阶梯靶标；1-1.第一圆柱体；1-2.第二圆柱体；1-3.圆形图案；3.竖直板；4.水平板；5.挡光板6.丝杠；7.工业相机；8.第二阶梯靶标；9.水平位移台；10.剪式升降台；11.水平旋转台；12.俯仰旋转台。
具体实施方式
本发明一种基于机器视觉监测的装配对中方法，该方法包括如下步骤：
如图1所示，使用第一阶梯靶标1和第二阶梯靶标8，第一阶梯靶标1和第二阶梯靶标8均包括同轴设置、且位于前部的第一圆柱体1-1和位于后部的第二圆柱体1-2，且第一圆柱体1-1的直径小于第二圆柱体1-2的直径，第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2的前端面上、且绕其边缘一周均设置有4A个圆形图案1-3，且对应端面上的圆形图案1-3的圆心分别位于对应的圆的圆周上，所形成的对应的两个圆为同心圆，其中：A为大于1的自然数，且两个圆柱体前端面上A的取值可不相同；第一阶梯靶标1中的第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2的前端面的中心分别为O1和O2，对应的第一阶梯靶标1的轴线为O1O2；第二阶梯靶标8中的第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2的前端面的中心分别为O3和O4，对应的第二阶梯靶标8的轴线为O3O4；每一个所述圆形图案内均设置有光源，第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2的前端面上均贴合安装有挡光板5，每一个所述挡光板5上均对应开设有圆孔，所述圆孔的位置与对应的圆形图案相一致，且圆孔的直径小于圆形图案的直径。在拍摄时，显示出圆形图案；
步骤a：如图2所示，在待装配孔内部、且朝向其前端安装第一阶梯靶标1，且第一阶梯靶标1的轴线O1O2与待装配孔处于共轴状态，用工业相机7朝向阶梯靶标1的图案面拍摄，得第一阶梯靶标图像，确定出第一阶梯靶标中两个圆柱体前端面的中心O1和O2，即得第一阶梯靶标1的轴线O1O2；
轴线O1O2的确定过程如下：
步骤a1.对获得的第一阶梯靶标图像进行处理，得到边缘平滑过渡的第一阶梯靶标图像；步骤a1的具体过程如下：对获得到阶梯靶标图像进行二值化处理，采用最大类间方差法计算阈值，以得到二值化阶梯靶标图像。得到二值化阶梯靶标图像；对二值化阶梯靶标图像进行滤波处理，使用n*n的像素矩形沿着二值化阶梯靶标图像水平向右和竖直向下两个方向移动，将中心像素灰度值替换为相邻n*n像素矩形框内像素灰度的平均值，得到边缘平滑过渡的二值化阶梯靶标图像；其中n为大于0的自然数。
步骤a2.对步骤a1中边缘平滑过渡的第一阶梯靶标图像采用Canny算子处理，获得第一阶梯靶标图像边缘轮廓集合，对边缘轮廓集合中的每个子集分别进行最小二乘椭圆拟合，得到一组拟合椭圆中心点集合。
步骤a3.使用一种基于正方形分布阵列的方法，在所述拟合椭圆中心点集合中找到一组4个点的正方形点阵列，以得到该正方形点阵列的中心，再根据第一圆柱体前端面上的圆的圆心和第二圆柱体前端面上的圆的圆心到第一阶梯靶标轴线的距离比值，将步骤a2中得到的拟合椭圆中心点集合分为第一圆柱体前端面点集和第二圆柱体前端面点集；
步骤a4.将步骤a3中的所述第一圆柱体前端面点集和第二圆柱体前端面点集，分别运用最小二乘法进行椭圆拟合，即得到对应的中心点O1和中心点；连接两个中心点O2，即得轴线O1O2。
步骤a3中的具体过程如下：
步骤a31.设处理后的阶梯靶标图像左上角第一个像素点为图像坐标系原点，水平向右为X轴正方向，竖直向下为Y轴正方向；在图像坐标系中，将所述拟合椭圆中心点按照距离图像坐标系原点由小到大的原则重新排序，获得有序点集Si(i＝1，2，3，4，5，6…)；
步骤a32.遍历有序点集Si，搜索满足正方形分布的坐标点，首先设S1为正方形的一个顶点Pt1，以顶点Pt1为对角线的一个点，遍历有序点集Si，在该对角线上寻找正方形的第二个顶点Pt2，该对角线的斜率k满足如下要求：0.5<k<3；
步骤a33.搜索正方形的第三个顶点，设Pt1和Pt2两点间对角线对应的一次函数为：y1＝ax+b，该对角线中点为其中：Pt1(m1,n1)和Pt2(m2,n2)；Pt1到M点的距离为L，过M点作Pt1与Pt2连线的中垂线，得到该中垂线的一次函数为：设中垂线上一点为：遍历有序点集Si，若存在Si满足则将Si设为Pt3点；
若Si不满足重新执行步骤d2，搜寻其他满足条件的Pt1、Pt2再执行步骤d3，直至存在Si满足则将Si设为Pt3点；
步骤a44.搜寻正方形的第四个顶点，以点Pt1，Pt3确定向量VecX，点Pt2，Pt3确定向量VecY，设Pt1为坐标原点，向量VecX所在方向为X轴，向量VecY所在方向为Y轴，构建新坐标系；由正方形顶点排列特性得到参考点Pt4’在新构建的坐标系中可表示为：Pt4’＝Pt1+VecY，遍历有序点集Si，保存满足的Si点集，设为点集Qi，点集Qi中满足||Pt4'-Qi||取得最小值的点即为Pt4点，若存在Pt4点则执行步骤a46，若不存在Pt4点，则执行步骤a45；
步骤a35.如果以S1点作为第一个顶点Pt1，不存在另外3个点满足步骤a32、a33、a34，则遍历点集Si，依次令Si(i＝2,3,4…)为Pt1，再继续步骤a32、a33、a34；
步骤a36.将搜寻到的满足正方形分布的4个坐标点作为采集的阶梯靶标图像的参照点，计算椭圆圆心Si(i＝1，2，3…)到参照点的距离Gi(i＝1，2，3…)，并求得所有椭圆圆心到参照点的距离和的均值Ver；
若Gi>Ver，且则该点属于外圆；
若Gi<Ver且则该点属于内圆；
其中比例值P为阶梯靶标的内外圆半径之比；
得到内圆点集和外圆点集，内圆点集为第一圆柱体1-1前端面点集，外圆点集为第二圆柱体1-2前端面点集；
其中：内圆为第一圆柱体1-1前端面上的圆形图案的圆心形成的圆，外圆为第二圆柱体1-2前端面上的前端面上的圆形图案的圆心形成的圆。
步骤a37.若阶梯靶标倾斜角度过大，前端面对后端面的圆形图案遮挡，经过分类处理后只能得到第一圆柱体1-1前端面点集，则再次遍历点集Si剔除得到的第一圆柱体1-1前端面点集，即可得到第二圆柱体1-2前端面点集。
步骤b：调整工业相机7的位姿，使工业相机7的光轴与第一阶梯靶标1的轴线O1O2相重合，并拆卸第一阶梯靶标1；
具体过程如下：使用四轴转台，如图4、5和6所示，工业相机7放置于四轴转台上，通过自适应标定方法分别计算出第一阶梯靶标1中两个圆柱体前端面图像的像素大小P1和P2，分别得到O1和O2距离光轴的实际偏移距离(ΔX1，ΔY1)和(ΔX2，ΔY2)；
P1＝D1/D1'；
P2＝D2/D2'；
ΔXi＝ΔXi'*Pi；
ΔYi＝ΔYi'*Pi；
其中：i＝1、2，D1和D2分别为第一阶梯靶标中第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2前端面上圆形图案的圆心所形成的圆的直径；D1'和D2'分别为第一阶梯靶标，在相机成像平面中第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2前端面上圆形图案的圆心所拟合形成的椭圆长轴的像素直径；
O1’(ΔX1',ΔY1')、O2’(ΔX2',ΔY2')分别为第一阶梯靶标的第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2前端面中心在相机成像平面上的距离工业相机光轴中心的像素坐标；O1(ΔX1,ΔY1)O2(ΔX2,ΔY2)为第一阶梯靶标中的第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2前端面中心在相机坐标系中相对于光轴的偏移坐标值；XY为成像平面坐标系，Z为相机光轴，为靶标轴线方向，为靶标前后端面的实际长度；
ΔXi、ΔYi为靶标前后端面中心在相机坐标系中相对光轴的距离偏差，为在YOZ平面中的投影，为在XOZ平面中的投影。
调节水平位移台9和升降台10，使得点O2与光轴重合，控制水平旋转台4转动β角度，俯仰旋转台12转动α角度，使得工业相机的光轴和第一阶梯靶标轴线平行，再次移动水平位移台9和升降台10，使得第二圆柱体1-2中心位于工业相机光轴上，计算此时第一阶梯靶标轴线与工业相机光轴之间的偏差，若ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2均小于0.1mm，则工业相机的光轴与第一阶梯靶标1的轴线O1O2相重合；若不满足，继续调整四轴调整台，直到满足ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2均小于0.1mm为止。
步骤c：如图3所示，将第二阶梯靶8安装于待装配轴后端部，且使第二阶梯靶标8的轴线与待装配轴的轴线共轴；用调整待装配轴，以能采集到清晰的图像为准。工业相机7通过待装配孔和待装配轴的通孔朝向第二阶梯靶标8的图案面拍摄，得第二阶梯靶标图像，确定出第二阶梯靶标中两个圆柱体前端面的中心O3和O4，即得第二阶梯靶标8的轴线O3O4；轴线O3O4的确定过程与轴线O1O2的确定过程相同，具体确定过程参照轴线O1O2的处理过程。
调整安装有第二阶梯靶标8的待装配轴，使轴线O3O4与工业相机7的光轴相重合，此时，轴线O3O4与轴线O1O2相重合，得出待装配轴与待装配孔共轴；向待装配孔方向移动装配轴，移动过程中实时调整待装配轴位姿，可采用数控调整系统，使轴线O3O4与工业相机7的光轴处于重合状态，装配后，拆卸第二阶梯靶标8。
具体过程如下：计算中心点O3和O4在相机坐标系中距离光轴的实际偏移距离(ΔX3，ΔY3)和(ΔX4，ΔY4)；
P3＝D3/D3'；
P4＝D4/D4'；
ΔXj＝ΔXj'*Pj；
ΔYj＝ΔYj'*Pj；
其中：j＝3、4，D3和D4分别为第二阶梯靶标中第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2前端面上圆形图案的圆心所形成的圆的直径；D3'和D4'分别为第二阶梯靶标在相机成像平面中第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2前端面上圆形图案的圆心所拟合形成的椭圆长轴的像素直径；
O3’(ΔX3',ΔY3')、O4’(ΔX4',ΔY4')分别为第二阶梯靶标中第一圆柱体1-1和第二圆柱体1-2前端面中心在相机成像平面上的距离相机光轴中心的像素坐标；O3(ΔX3，ΔY3)和O4(ΔX4，ΔY4)即在相机坐标系中相对于光轴的偏移坐标值；
调整待装配轴前后端在相机坐标系中相对于XOY面水平和竖直方向分别移动(ΔX3，ΔY3)和(ΔX4，ΔY4)，再次计算O3和O4的偏移距离，若ΔX3，ΔY3、ΔX4和ΔY4均小于0.1mm，则轴线O3O4与工业相机光轴重合，否则继续调整，直至满足ΔX3，ΔY3、ΔX4和ΔY4均小于0.1mm为止。XY为成像平面坐标系，Z为相机光轴。
使用的四轴转台包括用于放置工业相机7的水平支撑板2，所述水平支撑板2的一端连接有一竖直板3，所述竖直板3与俯仰旋转台12相连接，所述俯仰旋转台12用于带动水平支撑板2绕垂直于竖直板3的水平轴顺时针或者逆时针转动；还包括水平板4，所述水平板4的一端通过连接装置与竖直板3相连接，水平板4的另一端与水平旋转台11相连接，所述水平旋转台11用于带动水平板4绕竖直轴顺时针或逆时针转动；水平板4的下端设置有剪式升降台10，剪式升降台10在竖直方向伸展或收缩，用于带动水平支撑板2上升或下降；剪式升降台5的下端通过连接装置连接有水平位移台9，所述水平位移台9用于带动水平支撑板2水平左右移动；水平位移台9包括水平设置的丝杠6，通过内置螺母丝杠机构将电机转动转化为水平位移台9水平移动。本发明由“西北工业大学研究生创意创新种子基金资助。”
步骤a1的具体过程如下：对获得到阶梯靶标图像进行二值化处理，得到二值化阶梯靶标图像；对二值化阶梯靶标图像进行滤波处理，使用n*n的像素矩形沿着二值化阶梯靶标图像水平向右和竖直向下两个方向移动，将中心像素灰度值替换为相邻n*n像素矩形框内像素灰度的平均值，得到边缘平滑过渡的二值化阶梯靶标图像；其中n为大于0的自然数。
Claims (8)
1.一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
使用第一阶梯靶标(1)和第二阶梯靶标(8)，所述第一阶梯靶标(1)和第二阶梯靶标(8)均包括同轴设置、且位于前部的第一圆柱体(1-1)和位于后部的第二圆柱体(1-2)，且第一圆柱体(1-1)的直径小于第二圆柱体(1-2)的直径，所述第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)的前端面上、且绕其边缘一周均设置有4A个圆形图案(1-3)，且对应端面上的圆形图案(1-3)的圆心分别位于对应的圆的圆周上，所形成的对应的两个圆为同心圆，其中：A为大于1的自然数，且两个圆柱体前端面上A的取值可不相同；第一阶梯靶标(1)中的第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)的前端面的中心分别为O1和O2，对应的第一阶梯靶标(1)的轴线为O1O2；所述第二阶梯靶标(8)中的第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)的前端面的中心分别为O3和O4，对应的第二阶梯靶标(8)的轴线为O3O4；
步骤a：在待装配孔内部、且朝向其前端安装第一阶梯靶标(1)，且第一阶梯靶标(1)的轴线O1O2与待装配孔处于共轴状态，用工业相机(7)朝向阶梯靶标(1)的图案面拍摄，得第一阶梯靶标图像，确定出第一阶梯靶标中两个圆柱体前端面的中心O1和O2，即得第一阶梯靶标(1)的轴线O1O2；
步骤b：调整工业相机(7)的位姿，使所述工业相机(7)的光轴与第一阶梯靶标(1)的轴线O1O2相重合，并拆卸第一阶梯靶标(1)；
步骤c：将所述第二阶梯靶(8)安装于待装配轴后端部，且使第二阶梯靶标(8)的轴线与待装配轴的轴线共轴；用工业相机(7)通过待装配孔和待装配轴的通孔朝向第二阶梯靶标(8)的图案面拍摄，得第二阶梯靶标图像，确定出第二阶梯靶标中两个圆柱体前端面的中心O3和O4，即得第二阶梯靶标(8)的轴线O3O4；
调整安装有第二阶梯靶标(8)的待装配轴，使轴线O3O4与工业相机(7)的光轴相重合，此时，轴线O3O4与轴线O1O2相重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，所述步骤b中调整工业相机的光轴与第一阶梯靶标的轴线O1O2相重合的具体过程如下：
使用四轴转台，所述工业相机(7)放置于四轴转台上，通过自适应标定方法分别计算出第一阶梯靶标(1)中两个圆柱体前端面图像的像素大小P1和P2，分别得到O1和O2距离光轴的实际偏移距离(ΔX1，ΔY1)和(ΔX2，ΔY2)；
P1＝D1/D1'；
P2＝D2/D2'；
ΔXi＝ΔXi'*Pi；
ΔYi＝ΔYi'*Pi；
其中：i＝1、2，D1和D2分别为第一阶梯靶标中第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)前端面上圆形图案的圆心所形成的圆的直径；D1'和D2'分别为第一阶梯靶标，在相机成像平面中第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)前端面上圆形图案的圆心所拟合形成的椭圆长轴的像素直径；
O1’(ΔX1',ΔY1')、O2’(ΔX2',ΔY2')分别为第一阶梯靶标的第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)前端面中心在相机成像平面上的距离工业相机光轴中心的像素坐标；O1(ΔX1,ΔY1)O2(ΔX2,ΔY2)为第一阶梯靶标中的第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)前端面中心在相机坐标系中相对于光轴的偏移坐标值；
调节水平位移台(9)和升降台(10)，使得点O2与光轴重合，控制水平旋转台(4)转动β角度，俯仰旋转台(12)转动α角度，使得工业相机的光轴和第一阶梯靶标轴线平行，再次移动水平位移台(9)和升降台(10)，使得第二圆柱体(1-2)中心位于工业相机光轴上，计算此时第一阶梯靶标轴线与工业相机光轴之间的偏差，若ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2均小于0.1mm，则工业相机的光轴与第一阶梯靶标(1)的轴线O1O2相重合；若不满足，继续调整四轴调整台，直到满足ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2均小于0.1mm为止。
3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，步骤c中，调整轴线O3O4与工业相机(7)的光轴相重合的具体过程如下：
计算中心O3和O4在相机坐标系中距离光轴的实际偏移距离(ΔX3，ΔY3)和(ΔX4，ΔY4)
P3＝D3/D3'；
P4＝D4/D4'；
ΔXj＝ΔXj'*Pj；
ΔYj＝ΔYj'*Pj；
其中：j＝3、4，D3和D4分别为第二阶梯靶标中第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)前端面上圆形图案的圆心所形成的圆的直径；D3'和D4'分别为第二阶梯靶标在相机成像平面中第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)前端面上圆形图案的圆心所拟合形成的椭圆长轴的像素直径；
O3’(ΔX3',ΔY3')、O4’(ΔX4',ΔY4')分别为第二阶梯靶标中第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)前端面中心在相机成像平面上的距离相机光轴中心的像素坐标；O3(ΔX3，ΔY3)和O4(ΔX4，ΔY4)即在相机坐标系中相对于光轴的偏移坐标值；
调整待装配轴前后端在相机坐标系中相对于XOY面水平和竖直方向分别移动(ΔX3，ΔY3)和(ΔX4，ΔY4)，再次计算O3和O4的偏移距离，若ΔX3，ΔY3、ΔX4和ΔY4均小于0.1mm，则轴线O3O4与工业相机光轴重合，否则继续调整，直至满足ΔX3，ΔY3、ΔX4和ΔY4均小于0.1mm为止。
4.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，所述四轴转台包括用于放置工业相机(7)的水平支撑板(2)，所述水平支撑板(2)的一端连接有一竖直板(3)，所述竖直板(3)与俯仰旋转台(12)相连接，所述俯仰旋转台(12)用于带动水平支撑板(2)绕垂直于竖直板(3)的水平轴顺时针或者逆时针转动；
还包括水平板(4)，所述水平板(4)的一端通过连接装置与竖直板(3)相连接，所述水平板(4)的另一端与水平旋转台(11)相连接，所述水平旋转台(11)用于带动水平板(4)绕竖直轴顺时针或逆时针转动；
所述水平板(4)的下端设置有剪式升降台(10)，所述剪式升降台(5)在竖直方向伸展或收缩，用于带动水平支撑板(2)上升或下降；
所述剪式升降台(10)的下端通过连接装置连接有水平位移台(9)，所述水平位移台(9)用于带动水平支撑板(2)水平左右移动；所述水平位移台(9)包括水平设置的丝杠(6)，通过内置螺母丝杠机构将电机转动转化为水平位移台(9)水平移动。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，所述步骤a中轴线O1O2的确定过程如下：
步骤a1.对获得的第一阶梯靶标图像进行处理，得到边缘平滑过渡的第一阶梯靶标图像；
步骤a2.对步骤a1中边缘平滑过渡的第一阶梯靶标图像处理，获得第一阶梯靶标图像边缘轮廓集合，对边缘轮廓集合中的每个子集分别进行最小二乘椭圆拟合，得到一组拟合椭圆中心点集合；
步骤a3.使用一种基于正方形分布阵列的方法，在所述拟合椭圆中心点集合中找到一组4个点的正方形点阵列，以得到该正方形点阵列的中心，再根据第一圆柱体前端面上的圆的圆心和第二圆柱体前端面上的圆的圆心到第一阶梯靶标轴线的距离比值，将步骤a2中得到的拟合椭圆中心点集合分为第一圆柱体前端面点集和第二圆柱体前端面点集；
步骤a4.将步骤a3中的所述第一圆柱体前端面点集和第二圆柱体前端面点集，分别运用最小二乘法进行椭圆拟合，即得到对应的中心点O1和中心点；连接两个中心点O2，即得轴线O1O2。
6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，所述步骤a3中的具体过程如下：
步骤a31.设处理后的阶梯靶标图像左上角第一个像素点为图像坐标系原点，水平向右为X轴正方向，竖直向下为Y轴正方向；在图像坐标系中，将所述拟合椭圆中心点按照距离图像坐标系原点由小到大的原则重新排序，获得有序点集Si(i＝1,2,3,4,5,6…)；
步骤a32.遍历有序点集Si，搜索满足正方形分布的坐标点，首先设S1为正方形的一个顶点Pt1，以顶点Pt1为对角线的一个点，遍历有序点集Si，在该对角线上寻找正方形的第二个顶点Pt2，该对角线的斜率k满足如下要求：0.5<k<3；
步骤a33.搜索正方形的第三个顶点，设Pt1和Pt2两点间对角线对应的一次函数为：y1＝ax+b，该对角线中点为其中：Pt1(m1,n1)和Pt2(m2,n2)；Pt1到M点的距离为L，过M点作Pt1与Pt2连线的中垂线，得到该中垂线的一次函数为：设中垂线上一点为：遍历有序点集Si，若存在Si满足则将Si设为Pt3点；
若Si不满足重新执行步骤d2，搜寻其他满足条件的Pt1、Pt2再执行步骤d3，直至存在Si满足则将Si设为Pt3点；
步骤a44.搜寻正方形的第四个顶点，以点Pt1，Pt3确定向量VecX，点Pt2，Pt3确定向量VecY，设Pt1为坐标原点，向量VecX所在方向为X轴，向量VecY所在方向为Y轴，构建新坐标系；由正方形顶点排列特性得到参考点Pt4’在新构建的坐标系中可表示为：Pt4’＝Pt1+VecY，遍历有序点集Si，保存满足的Si点集，设为点集Qi，点集Qi中满足||Pt4'-Qi||取得最小值的点即为Pt4点，若存在Pt4点则执行步骤a46，若不存在Pt4点，则执行步骤a45；
步骤a35.如果以S1点作为第一个顶点Pt1，不存在另外3个点满足步骤a32、a33、a34，则遍历点集Si，依次令Si(i＝2,3,4…)为Pt1，再继续步骤a32、a33、a34；
步骤a36.将搜寻到的满足正方形分布的4个坐标点作为采集的阶梯靶标图像的参照点，计算椭圆圆心Si(i＝1，2，3…)到参照点的距离Gi(i＝1，2，3…)，并求得所有椭圆圆心到参照点的距离和的均值Ver；
若Gi>Ver，且则该点属于外圆；
若Gi<Ver且则该点属于内圆；
其中比例值P为阶梯靶标的内外圆半径之比；
得到内圆点集和外圆点集，内圆点集为第一圆柱体(1-1)前端面点集内圆点集为第二圆柱体(1-2)前端面点集；
其中：内圆为第一圆柱体(1-1)前端面上的圆形图案的圆心形成的圆，外圆为第二圆柱体(1-2)前端面上的前端面上的圆形图案的圆心形成的圆。
步骤a37.若阶梯靶标倾斜角度过大，前端面对后端面的圆形图案遮挡，经过分类处理后只能得到第一圆柱体(1-1)前端面点集，则再次遍历点集Si剔除得到法人第一圆柱体(1-1)前端面点集，即可得到第二圆柱体(1-2)前端面点集。
7.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，步骤a1的具体过程如下：对获得到阶梯靶标图像进行二值化处理，得到二值化阶梯靶标图像；对二值化阶梯靶标图像进行滤波处理，使用n*n的像素矩形沿着二值化阶梯靶标图像水平向右和竖直向下两个方向移动，将中心像素灰度值替换为相邻n*n像素矩形框内像素灰度的平均值，得到边缘平滑过渡的二值化阶梯靶标图像；其中n为大于0的自然数。
8.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉监测的装配对中方法，其特征在于，每一个所述圆形图案内均设置有光源，所述第一圆柱体(1-1)和第二圆柱体(1-2)的前端面上均贴合安装有挡光板(5)，每一个所述挡光板(5)上均对应开设有圆孔，所述圆孔的位置与对应的圆形图案相一致，且圆孔的直径小于圆形图案的直径。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Cheng Yunyong Inventor after: Shi Yaoyao Inventor after: Zhang Ming Inventor after: Tang Hong Inventor after: Li Junjie Inventor before: Cheng Yunyong Inventor before: Shi Yaoyao Inventor before: Zhang Ming Inventor before: Tang Hong Inventor before: Li Junjie |