CN107869957B - 一种基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置和方法，装置包括：两个激光发射器和光幕，所述两个激光发射器形成的直线与所述光幕平行，被测圆柱位于所述两个激光发射器与所述光幕之间，所述激光发射器朝被测物发射线形激光束，受被测物遮挡在所述光幕上形成阴影区域；图像传感器，所述图像传感器用于捕捉所述光幕上的所述阴影区域；另外，还具备上位机，所述上位机根据所述传感器所捕捉的图像，计算被测的圆柱截面的尺寸。采用本发明的基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置和方法，能够进行精确的尺寸测量。

Description

一种基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置和方法

技术领域

本发明涉及光学仪器测量领域，尤其涉及一种基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置和方法。

背景技术

目前，基于CCD成像的机器视觉检测和测量技术以图像为检测媒介，具有非接触、检测速度快、精度高和检测标准一致性好等优点，广泛地应用于社会化大生产过程中。在速度快、环境差，特别是人工难以克服的工况下，尤其具有应用必要性和优势。

目前国内的径锻机很多，径锻机的尺寸控制通常停留在通过机器设定和手工测量控制尺寸的应用现状水平。人工测量环节存在误差大，且人工在高热条件下测量存在安全隐患；同时由于测量精度较低，生产工艺控制存在较大的尺寸冗余，造成原料和后续加工产能浪费的问题。这样的背景下，设计具有高精度的在线测量系统具有很大现实意义和经济价值。

发明内容

为解决上述问题，针对上述测量需求，即被测对象存在被测空间位置及尺寸变化的情况，本发明提供一种基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置和方法。

为实现上述目的，本发明的基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置，包括：两个激光发射器和光幕，所述两个激光发射器形成的直线与所述光幕平行，被测圆柱位于所述两个激光发射器与所述光幕之间，所述激光发射器朝被测物发射线性激光束，并在所述光幕上形成阴影区域；图像传感器，所述图像传感器用于捕捉所述光幕上的所述阴影区域；另外，还具备上位机，所述上位机根据所述传感器所捕捉的图像，计算被测的圆柱截面的尺寸。

本发明还提供一种基于成像系统的圆柱截面尺寸测量方法，基于上述基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置，具备以下步骤：

步骤一，记录初始参数，所述初始参数包括所述两个激光发射器的间距，所述激光发射器与所述光幕之间的距离，以及所述两个激光器在所述光幕上的投影位置、所述两个激光器与被测圆柱截面圆心的连线的延长线在与所述光幕的交点位置；

步骤二，两个所述激光发射器分别发光，所述图像传感器分别捕捉两次所述光幕上的成像，并传输给所述上位机；

步骤三，所述上位根据两次成像的图像，计算被测圆柱的截面尺寸。

具体的，所述步骤三具体包括以下步骤：

步骤3.1,根据两幅成像图像，分别获取两个激光发生器在所述光幕上投影的边界位置；

步骤3.2，根据步骤3.1中的边界位置，分别计算光源与对应两个边界夹角的角度；

步骤3.3，根据步骤3.2中的角度，分别计算光源过圆心直线方程，并根据两条直线方程计算交点位置；

步骤3.4，根据步骤3.2中的角度、以及步骤3.3中的交点位置，计算被测圆柱体截面的半径。

本发明的本发明的基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置和方法，该计算方法通过两组点光源的空间映射关系，最直接的定位了圆柱的位置，并且通过光源投影表征出来，已知位置点和圆柱边界表征位置点的相互位置关系为计算圆柱直径提供了充要的计算数据。通过两个光源从原理上矫正了由于胚料位置偏差引起直接测量的偏差，两个点电源的集成设计简化背光成像方案。本发明的应用和实施，通过机器视觉检测方案实现了圆柱在线测量手段，为圆柱的尺寸控制提供了有效依据，也同时减小了人工测量存在的人为误差和安全隐患。

附图说明

图1为本发明的基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置的结构示意图；

图2为本发明的测量方法的流程图；

图3为图2的步骤三的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。

如图1所示，两个激光发射器1与光幕3之间垂直距离相等，即两个激光发射器1(两个光源)之间的连线与光幕3平行，图1中，L₁和L₂分别表示两个激光发射器1的位置，对应的，在光幕3上的垂直投影位置为L₁’和L₂’。

被测圆柱体2位于两个激光发射器1和光幕3之间，被测圆柱体2的截面为圆形，圆心为O，两个激光发射器1的光源与圆心之间的连线与光幕3相交于P和P’点。

另外还具备图像传感器4，图像传感器4从光幕3的反面采集激光发射器1照射被测圆柱体2后在光幕3上形成的成像的图像，并将捕捉的图像传输给上位机5，上位机5根据所接受的图像，结合具体参数，计算被测圆柱体2的截面尺寸。

基于上述装置，本发明还提供一种被测圆柱体2的截面尺寸的计算方法，流程图如图2所示，并结合图1进行说明。

步骤一S1，在上位机3中记录初始参数，初始参数包括两个激光发射器1的间距，即点L₁与L₂的距离，激光发射器与光幕之间的距离，即点L₁与L₁’的距离，以及图像传感器的分辨率，以及两个激光器1在光幕上的投影位置L₁’与L₂’、两个激光器与被测圆柱截面圆心的连线的延长线在与光幕的交点位置P和P’；

步骤二S2，两个激光发射器1依次发光，图像传感器4分别捕捉两次光幕3上的阴影区域，并传输给上位机5；

步骤三S3，上位5根据两次成像的图像，计算被测圆柱的截面尺寸，

具体的，步骤三S3的计算方法包括以下步骤：

步骤3.1S31,根据两幅成像图像，分别获取两个激光发生器在光幕上投影的边界位置，图中，左侧激光发射器在光幕3上的边界的两个点为B和D，右侧激光发射器在光幕3上形成的便捷的两个点为A和C。本实施方式中的坐标轴定义标准为，图1所示截面中，以光幕3所在直线为X轴，激光发射器1到光幕3的垂直方向为Y轴，进行计算。

步骤3.2S32，根据步骤3.1S31中的边界位置，根据解析几何原理，分别计算光源与对应两个边界夹角的角度，即计算∠BL₁D和；∠AL₂C的角度，具体的，

△ACL₂被L₂L₂'分成两个直角三角形，即△AL₂'L₂和△CL₂'L₂，其中线段L₂L₂'长度为d，线段L₂'A及线段L₂'C可以通过两点间距离公式获得：

d(L₂'A)＝abs(L₂'.x-A.x)

d(L₂'C)＝abs(L₂'.x-C.x)；

d(L₂'A)为L₂'A的长度，d(L₂'C)为L₂'C的长度，abs为绝对值函数，L₂'.x为点L₂'在x轴上的位置，A.x为点A在x轴上的位置，C.x为点C在x轴上的位置。

从而，

则∠A和∠C，计算为：

∠A＝atan(d(L₂A)/d)

∠C＝atan(d(L₂C)/d)

其中，d(L₂A)为线段L₂A的长度，d(L₂C)为线段L₂C的长度。

直角△AL₂'L₂和△CL₂'L₂中∠AL₂L₂'和∠CL₂L₂'分别和∠A、∠C互补；

∠AL₂L₂'＝90°-∠A；

∠CL₂L₂'＝90°-∠C；

因此，∠AL₂C＝∠AL₂L₂'+∠CL₂L₂'；

同理可以计算∠BL₁D的角度。

步骤3.3S33，根据步骤3.2S32中的角度，分别计算光源过圆心直线方程，并根据两条直线即L₁P和L₂P’方程计算交点位置；

在△ACL₂中，L₂P'为∠AL₂C的角平分线，∠L₂P'L₂'为△L₂AP'的一个外角，∠L₂P'L₂'计算为：

∠L₂P'L₂'＝∠A+(∠A L₂L₂'+∠CL₂L₂')/2＝3/2∠A+1/2∠C-90°

直角三角形△L₂L₂'P'中直角边L₂'P'长度可以计算为：

d(L₂'P')＝d/tan(∠L₂P'L₂')

则计算P'坐标(P'.x，P'.y)为

P'.x＝L2'.x-d(L2'P')

P'.y＝L2'.y

同理计算P点坐标P.x和P.y

进一步的获得线段L₁P和L₂P'的直线方程l₁和l₂。

l₁:(x-L₁.x)/(y-L₁.y)＝(P.x-L1.x)/(P.y-L1.y)

l₂:(x-L₂.x)/(y-L₂.y)＝(P'.x-L2.x)/(P'.y-L2.y)；

从而，解直线方程l₁和l₂的二元方程，可以得到交点(即圆心O)的位置O(x,y)。

步骤3.4S34，根据步骤3.2S32中的角度、以及步骤3.3S33中的交点位置，计算被测圆柱体截面的半径R。

以O(x,y)到线段AL₂为例

A点坐标(A.x，A.y)，L2点坐标(L₂.x，L₂.y)

线段AL₂的直线方程：(x-L₂.x)/(y-L₂.y)＝(A.x-L₂.x)/(A.y-L₂.y)转化为ax+by+c＝0的形式，其中：

a＝A.y-L₂.y

b＝A.x-L₂.x；

c＝L₂.x×(A.y-L₂.y)+A.y×(A.x-L₂.x)

所述两个激光发射器形成的直线与所述光幕平行，被测圆柱位于所述两个激光发射器与所述光幕之间，所述激光发射器朝被测物发射线性激光光束，并在所述光幕上形成阴影区域；图像传感器，所述图像传感器用于捕捉所述光幕上的所述阴影区域；另外，还具备上位机，所述上位机根据所述传感器所捕捉的图像，计算被测的圆柱截面的尺寸。

以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于成像系统的圆柱截面尺寸测量方法，其特征在于，应用于基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置，所述基于成像系统的圆柱截面尺寸测量装置包括：两个激光发射器和光幕，所述两个激光发射器的连线形成的直线与所述光幕平行，被测圆柱位于所述两个激光发射器与所述光幕之间，所述两个激光发射器朝被测物发射线形激光束，并在所述光幕上形成阴影区域；图像传感器，所述图像传感器用于捕捉所述光幕上的所述阴影区域；另外，还具备上位机，所述上位机根据所述图像传感器所捕捉的图像，计算被测的圆柱截面的尺寸；所述圆柱截面尺寸测量方法具备以下步骤：

步骤一，记录初始参数，所述初始参数包括所述两个激光发射器的间距，所述两个激光发射器与所述光幕之间的距离，以及所述两个激光发射器在所述光幕上的投影位置、所述两个激光发射器与被测圆柱截面圆心的连线的延长线在与所述光幕的交点位置；

步骤二，两个所述激光发射器分别发光，所述图像传感器分别捕捉两次所述光幕上的阴影区域，并传输给所述上位机；

步骤三，所述上位机根据两次成像的图像，计算被测圆柱的截面尺寸。

2.如权利要求1所述的基于成像系统的圆柱截面尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下步骤：

步骤3.1,根据两幅成像图像，分别获取所述两个激光发射器在所述光幕上投影的边界位置；

步骤3.2，根据步骤3.1中的边界位置，分别计算光源与对应两个边界夹角的角度；

步骤3.3，根据步骤3.2中的角度，分别计算光源过圆心直线方程，并根据两条直线方程计算交点位置；

步骤3.4，根据步骤3.2中的角度、以及步骤3.3中的交点位置，计算被测圆柱截面的半径。

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