CN108088387A - 基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统 - Google Patents

基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统 Download PDF

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张圣明
吴明雄
何春桥
赖俊霖
李佳鑫
谢志江
皮阳军
宋代平
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Abstract

本发明公开了一种基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，包括六自由度并联机构、设置于六自由度并联机构顶部的上平台和用于对待测齿轮投影并采集数字光栅的光学系统；所述上平台上还设置有用于安装待测齿轮的固定装置和连接于固定装置与上平台之间可用于驱动固定装置绕待测齿轮的中心轴线转动的旋转装置；能够驱动待测齿轮六自由度精确运动，保证测量精度较高，并且易于驱动待测齿轮全方位转动，保证能够测量齿轮全貌；结构简单实用，利于推广。

Description

基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统
技术领域
本发明涉及测量领域，具体涉及一种基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统。
背景技术
齿轮测量是齿轮质量监测的重要手段，其测量方法分为接触式测量和非接触式测量。传统的齿轮测量方法大部分属于接触式测量，如三坐标测量机等。但因其测量速度慢，其接触式探头会对被测物体表面产生作用力而改变其形貌，引起测量误差。测头本身具有一定立体尺寸，故其也不适用于小模数齿轮测量。
随着机器视觉和计算机技术的发展，出现了以光学测量为代表的非接触式测量。光学三维测量技术按照成像照明方式的不同通常可以分为被动三维测量和主动三维测量两大类。主动三维测量技术采用不同的投射装置向待测齿轮投射不同种类的结构光，并拍摄经待测齿轮表面调制而发生变形的结构光图像，然后从携带待测齿轮表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维形貌数据。
以相位测量轮廓术(PMP)为例，PMP基本思想是通过有一定相位差的多幅光栅条纹图像计算图像中每个像素的相位值，然后根据相位值计算物体的高度信息。此方法至少需要三幅光栅图像才能进行相位计算，且待测齿轮在拍摄过程中需要保持稳定姿态。由于齿轮本身具有三维立体形状，故在某个特定的角度，齿轮的正面能够被投影仪投出的数字光栅束所覆盖，而其背面会被阴影所遮挡，因此无法获取被遮挡部分的三维型貌信息。而在工业CCD摄像机采集图像的过程中，在某个特定角度也只能得到齿轮部分的三维型貌信息，因此要完成整个齿轮的测量工作，必须从多个方位进行测量和三维点云计算后，将各个方向的测量结果进行拼接，最终实现一个齿轮完整的三维重建工作。因此，齿轮测量过程中必须保证其能实现六个自由度(X、Y、Z、θX、θY、θZ)的自由运动。由于各式齿轮大部分都具中心轴线，且有一个方向的尺寸远小于其它两个方向的尺寸，要能实现其外型完整的三维重建过程，X、Y、Z、θX、θY五个方向只需在小范围内移动，而其绕中心轴线方向(如θz方向)必须要实现360°旋转。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，能够驱动待测齿轮六自由度精确运动，保证测量精度较高，并且易于驱动待测齿轮全方位运动，保证测量结果准确。
本发明的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，包括六自由度并联机构、设置于六自由度并联机构顶部的上平台和用于对待测齿轮投影并采集数字光栅的光学系统；所述上平台上还设置有用于安装待测齿轮的固定夹具组件和连接于固定夹具组件与上平台之间可用于驱动固定夹具组件绕待测齿轮的中心轴线转动的旋转装置。
进一步，所述光学系统包括数字光栅投影仪、工业CCD相机、用于支撑数字光栅投影仪和工业CCD相机的光学元件安装台和位于光学元件安装台下侧的支撑箱体，所述支撑箱体与设置于六自由度并联机构底部的下平台通过连接杆一体成型。
进一步，所述光学元件安装台的台面设置有多个等距排列的安装槽，所述数字光栅投影仪和工业CCD相机底部均设置有与安装槽配合的定位凸起。
进一步，所述固定夹具组件的下端固定外套设置有法兰盘，所述法兰盘适形、固定于旋转装置的旋转圈。
进一步，所述上平台和下平台均为近似三角形结构，所述六自由度并联机构包括六根伸缩杆，两根伸缩杆形成一V形支腿，三个V形支腿的下端分别铰接安装于下平台对应角，单个V形支腿两上端分别铰接安装于上平台的两个角。
进一步，所述支撑箱体为长方形箱体，所述支撑箱的底部和靠近下平台的侧面敞开，所述下平台与支撑箱体的底部之间还设置有X形结构的斜撑杆。
进一步，所述斜撑杆端部与支撑箱体的内壁之间还固定设置有三角形肋板。
进一步，所述支撑箱体的个侧壁沿横向设置有条形孔，所述条形孔沿竖向并列分布设置为多个。
进一步，所述上平台和下平台均设置有减重孔。
进一步，所述固定夹具组件由上外下依次包括压板、支撑套、锁紧螺母、竖向布置的螺杆和设置于支撑套顶端面的夹持卡爪；所述夹持卡爪为三个并沿支撑套的周向均匀间隔设置，支撑套上端面面沿轴向向内凹陷形成用于夹持卡爪沿径向滑动的径向U形槽，所述夹持卡爪适形嵌入U形槽且夹持卡爪侧壁设置有沿径向分布的限位条形槽，对应径向U形槽的两内侧壁部分凸起形成适形嵌入限位条形槽的条形凸起，三个夹持卡爪的径向内端面形成上大下小的部分圆锥驱动面，所述螺杆外圆固定外套设置有外圆为上大下小圆锥面的驱动套，三个夹持卡爪内端顶面分别固定设置有楔形凸起，位于不同夹持卡爪的三个楔形凸起径向外侧壁共同形成上小下大的部分圆锥抵紧面，该部分圆锥抵紧面在部分圆锥驱动面受到向下驱动时沿径向向外抵紧于待测齿轮的内圆；所述螺杆的上端沿径向贯穿设置有用于向下压紧压板的卡销。
进一步，位于下平台的减重槽位于中间的圆形孔和三个周向分布于下平台各角的梯形孔。
本发明具有如下优点：
将传统的多自由度并联机构运用于结构光测量领域；为齿轮测量及其三维重建提供了硬件上的支持；结构简单实用，在传统的六自由度并联机构上增加传动机构和卡盘卡爪，可实现待测齿轮6个自由度上的运动，并实现了齿轮测量在θz上的360°自由旋转，保证工业CCD摄像机能从待测齿轮的各个角度采集其图像，获得待测齿轮完整的三维型貌信息；在其调整位姿过程中，可以在多个自由度上进行耦合运动，灵活调整位姿。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中下平台和光学元件安装台的结构示意图；
图3为本发明中测量的测程图；
图4为本发明中固定夹具组件的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为本发明中下平台和光学元件安装台的结构示意图，图3为本发明中测量的测程图，图4为本发明中固定夹具组件的结构示意图，如图所示，本实施例中的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，结合传统的六自由度并联机构，调整待测齿轮六个自由度上的位姿，解决采用数字光栅测量齿轮三维型貌过程中存在的诸如投影阴影、单次只能测量齿轮部分型貌以及六自由度平台在θZ方向上运动角度局限的问题，实现一次装夹过程便能完成待测齿轮完整的三维型貌测量。
该测量系统具体包括：下平台(1)、伸缩杆(2)、上平台(3)、转动装置(4)、法兰盘(5)、固定夹具组件(6)、夹持卡爪(7)、待测齿轮(8)、轴端挡圈(9)、齿轮轴(10)、数字光栅投影仪(11)、工业CCD摄像机(12)。
下平台(1)，伸缩杆(2)，上平台(3)，(1)(2)(3)及其相互间的连接件构成六自由度并联机构，使得上平台能够实现X、Y、Z、θX、θY、θZ六个自由度上的运动。
转动装置(4)通过安装孔安装于上平台(3)上，且转动装置与上平台同轴心安装，转动装置内部通过动力系统进行驱动，使得转动装置能够绕自身轴线实现360°旋转。
法兰盘(5)通过安装孔安固定在转动装置(4)上，法兰盘与转动装置(4)同轴线安装，法兰盘上表面布置有安装孔。
固定装置与夹持卡爪(7)组成齿轮轴固定夹具组件，固定夹具组件通过安装孔固定在法兰盘(5)上，固定夹具组件与法兰盘同轴线安装。
所述固定夹具组件由上外下依次包括压板61、支撑套62、锁紧螺母63、竖向布置的螺杆64和设置于支撑套62顶端面的夹持卡爪7；所述夹持卡爪7为三个并沿支撑套62的周向均匀间隔设置，支撑套62上端面面沿轴向向内凹陷形成用于夹持卡爪7沿径向滑动的径向U形槽，所述夹持卡爪7适形嵌入U形槽且夹持卡爪7侧壁设置有沿径向分布的限位条形槽65，对应径向U形槽的两内侧壁部分凸起形成适形嵌入限位条形槽65的条形凸起(未画出)，三个夹持卡爪7的径向内端面形成上大下小的部分圆锥驱动面68，所述螺杆64外圆固定外套设置有外圆为上大下小圆锥面的驱动套66，三个夹持卡爪7内端顶面分别固定设置有楔形凸起67，位于不同夹持卡爪7的三个楔形凸起67径向外侧壁共同形成上小下大的部分圆锥抵紧面69，该部分圆锥抵紧面69在部分圆锥驱动面68受到向下驱动时沿径向向外抵紧于待测齿轮的内圆；所述螺杆64的上端沿径向贯穿设置有用于向下压紧压板61的卡销；利于提高齿轮安装的精确和稳固性，保证测量精度高；同时装拆方便，减小对齿轮损伤。
待测齿轮(8)、轴端挡圈(9)、齿轮轴(10)构成待测齿轮系统，待测齿轮(8)与齿轮轴(10)同轴线装配，待测齿轮上端用轴端挡圈(9)进行轴向固定。齿轮轴(10)下端由固定夹具组件进行夹持固定。
数字光栅投影仪(11)、工业CCD相机(12)、光学元件安装平台(13)、光学元件支撑箱体(14)组成待测齿轮三维型貌计算系统；光学元件支撑箱体(14)与六自由度并联机构下平台(1)固接，光学元件安装平台(13)固定在光学元件支撑箱体(14)上，光学元件安装平台(13)上有等距排列的安装槽，数字投影仪(11)与工业CCD相机(12)通过安装槽固定在光学元件安装平台(13)上。通过数字光栅投影、图像采集、机器视觉处理，求出物体三维信息。
所述一种基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统实现待测齿轮在X、Y、Z、θX、θY、θZ六个自由度上位姿调整的方式为：
所述六自由度并联机构的自由度F＝6,该机构中的六个电推缸(2)由伺服电机进行控制，通过控六个电推缸不同的伸长长度，便可得到以上平台为中心的X、Y、Z、θX、θY、θZ六个自由度一定范围内的运动。
转动装置(4)安装于上平台(3)上，其内部动力传动系统进行驱动，使得转动装置能够绕θZ方向360°旋转，故转动装置(4)除能实现与上平台X、Y、Z、θX、θY相同的运动效果外，还能实现θZ方向上360度旋转。
法兰盘(5)与转动装置(4)固定安装，由固定装置(6)和夹持卡爪7(7)组成的固定夹具组件与法兰盘(5)固定安装，待测齿轮(8)、轴端挡圈(9)、齿轮轴(10)组成的待测齿轮系统有固定夹具组件进行夹持固定，因此待测齿轮系统和转动装置(4)具有相同的运动效果，即在X、Y、Z、θX、θY一定范围内的运动，在θZ方向上360°旋转运动。
所述一种基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统光学测量部分包括：数字光栅(DPL)投影仪(11)、工业CCD相机(12)、待测齿轮系统。数字光栅投影仪(11)的投影镜头与待测齿轮(8)保持同一高度，工业CCD相机镜头与待测齿轮(8)保持同一高度。
所述的采基于数字光栅的面测量方法对待测齿轮(8)进行测量，其原理为：
测量时使用数字光栅投影仪投射一组光强呈正弦分布的光栅图像。由3种不同频率的四步相移图像组成，使用CCD相机同时拍摄图像，根据四步相移法计算相位主值，并根据多频外差原理进行相位展开，求出绝对相位。最后利用已经标定的系统参数和所求得的绝对相位重建被测物体表面的三维点云数据。获取被测物体三维信息的基本思想是利用数字光栅提供景物中的几何信息，根据投影机，相机，结构光，待测物体之间的几何关系，来确定物体的具体三维信息。具体实现方式为：
标定:相机成像过程中涉及四个坐标系：世界坐标系——Xw,Yw,Zw、摄像机坐标系——Xw,Yw,Zw、Oxy——(图像坐标系)、Ouv——像素坐标系。空间任意一点P在世界坐标系下的坐标为PW＝(XW,YW,ZW)T，在相机坐标系下的坐标为PC＝(XC,YC,ZC)T，点P在图像平面上的理想投影点为P′在图像坐标系下的坐标为Pu＝(xu,yu)T，在像素坐标系下的坐标为Pf＝(u,v)T。
世界坐标系表示拍摄环境中相机所在位置，世界坐标即使所需求的三维参数。
相机坐标系的坐标原点OC是相机的光心，ZC轴垂直于成像平面，ZC轴正方向选择的是使相机前所有的点坐标为正数。
图像坐标系是以透镜光轴与成像平面的交点为原点O(即主点)，以平行于相机坐标系XC与YC轴的方向作为x和y轴建立的平面直角坐标系。
像素坐标系u和v轴分别与图像物理坐标系的x和y轴平行。对于数字图像，图像像素坐标系为直角坐标系。
世界坐标系上的点PW(XW,YW,ZW)T与其投影坐标(u,v)的投影关系为：
可简写为：
其中，s为尺度因子；和分别为空间点P和其像点的齐次坐标；R和T分别为从世界坐标系到摄像机坐标系的旋转和平移变换矩阵；ax＝f*sx，ay＝f*sy，f为焦距，sx、sy为图像平面x,y方向单位距离上的像素数；MC＝[R t]为外部参数矩阵，AC为内部参数矩阵。
M＝A[R t]为投影矩阵,内部参数矩阵MC＝[R t]和外参数矩阵AC可以通过系统标定得出。
同理对投影仪进行标定，获取投影机的内参数AP与外参数MP。
结构光生成：水平方向光栅条纹图像12幅，不同频率3组，每组不同相移的4幅图像；竖直方向光栅条纹图像12幅，不同频率3组，每组不同相移的4幅图像。光栅条纹图像由计算机生成并发送到投影仪，其灰度分布可表示为：
I(u,v)＝a+bcos(θ(u,v))
θ(u,v)＝φ(u,v)+α
其中，(u,v)表示投影面投影像素单元的坐标，I(u,v)为(u,v)点的灰度值，a和b分别为正弦光栅的直流基波分量(光强背景值)和振幅(调制光强)，θ(u,v)为I(u,v)对应的光栅相位，φ为待求相位主值，α为相位位移。
相位计算：采用标准的四步相移法计算光栅图像的相位主值。利用频率相同四幅光栅图像计算出一幅相位主值图像，四幅光栅图像的光强表达式为：
Ii(u,v)＝a+bcos(θi(u,v))
则光栅图像的相位主值为：
最终，12幅水平条纹光栅图像计算出3幅水平相位主值图像，12幅竖直条纹光栅图像计算出3幅竖直相位主值图像。
相位展开：利用三频外差原理计算其绝对相位值Φ(u,v)。最终，根据上步计算出的3幅水平相位主值图像计算出1幅水平绝对相位值图像，根据上步计算出的3幅竖直相位主值图像计算出1幅竖直绝对相位值图像。
DMD图像坐标计算：根据一个方向的绝对相位值，可以确定DMD图像中的一条垂直线或水平线；则根据水平和垂直两个方向的绝对相位值，可以确定DMD图像中的一个点。通过竖直和水平光栅条纹的CCD图像(相机图像)中的点(uc,vc)，可以确定DMD图像(投影仪图像)中对应的一个点(up,vp)，该点坐标可用如下公式计算。
其中，Φv和Φh分别为CCD光栅图像中(uc,vc)点处竖直和水平方向的绝对相位值，Nv和Nv分别为竖直和水平CCD光栅图像中光栅条纹数，H和W分别为CCD光栅图像竖直和水平方向分辨率。
重建三维坐标：根据矫正后的CCD图像和DMD图像坐标(uc,vc)和(up,vp)，以及预先相机标定出的系统内参和外参，根据下式计算出对应的三维坐标(世界坐标)。
sc[uc,vc,1]＝ACMC[Xw,Yw,Zw,1]T 确定相机光心与像点的一条线
sp[up,vp,1]＝ApMp[Xw,Yw,Zw,1]T 确定光机光心与像点的一条线
其中，SC,SP分别为相机和投影仪的比例因子，(uc,vc)和(up,vp)是相机和投影仪的图像坐标，AC,Ap分别为相机和投影仪的内参数，MC,Mp分别为相机和投影仪的外参数矩阵。该公式中(XW,YW,ZW)，sc,sp,up和vp是未知的，而两个公式中有七个线性无关方程，因此联立两式可以唯一的确定出被测点的三维坐标(XW,YW,ZW)。
求出待测齿轮的点云分布，获得其外表面的三维型貌信息。将各个角度测得的三维型貌信息进行拼接，得到完整的齿轮三维型貌信息。
利用基于数字光栅的面测量方法进行待测齿轮的三维全貌测量，其测量步骤包括：
(1)将待测齿轮通过固定夹具组件进行固定，调整待测齿轮的高度，使得待测齿轮中间轴面与数字光栅投影仪、工业CCD相机大致位于同一平面。
(2)调整数字光栅投影仪和工业CCD相机之间的位置，保证工业CCD相机能采集到数字光栅投影仪在待测齿轮上有效投影部分。
(3)对摄数字光栅投影仪和工业CCD相机进行标定。
(4)数字投影仪投射至少三种不同频率的光到待测齿轮表面，工业CCD相机同时采集经待测齿轮调制而得的图像。
(5)求解计算，得到该测量角度下待测齿轮的三维型貌信息。
(6)调整六自由度并联机构和转动装置，调整待测齿轮位姿。
(7)重复(4)，(5)，(6)，获取待测齿轮不同角度的三维型貌信息。
(8)将求得的不同角度的三维型貌信息进行拟合，得出待测齿轮完整的三维型貌信息。
本发明结构具有如下特点：
(1)将传统的多自由度并联机构运用于结构光测量领域；
(2)为齿轮测量及三维重建提供了硬件上的支持；
(3)结构简单实用，在传统的多自由度并联机构上增加传动机构和卡盘卡爪，变可实现待测齿轮6个自由度上的运动；
(4)实现了齿轮测量在θz上的360°自由旋转，保证工业CCD摄像机能从待测齿轮的各个角度采集其图像，获得待测齿轮完整的三维型貌信息；
(5)在其调整位姿过程中，可以在多个自由度上进行耦合运动，灵活调整位姿；
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：包括六自由度并联机构、设置于六自由度并联机构顶部的上平台和用于对待测齿轮投影并采集数字光栅的光学系统；所述上平台上还设置有用于安装待测齿轮的固定夹具组件和连接于固定夹具组件与上平台之间可用于驱动固定夹具组件绕待测齿轮的中心轴线转动的旋转装置。
2.根据权利要求1所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述光学系统包括数字光栅投影仪、工业CCD相机、用于支撑数字光栅投影仪和工业CCD相机的光学元件安装台和位于光学元件安装台下侧的支撑箱体，所述支撑箱体与设置于六自由度并联机构底部的下平台通过连接杆一体成型。
3.根据权利要求2所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述光学元件安装台的台面设置有多个等距排列的安装槽，所述数字光栅投影仪和工业CCD相机底部均设置有与安装槽配合的定位凸起。
4.根据权利要求3所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述固定夹具组件的下端固定外套设置有法兰盘，所述法兰盘适形固定于旋转装置的旋转圈。
5.根据权利要求2所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述支撑箱体为长方形箱体，所述支撑箱的底部和靠近下平台的侧面敞开，所述下平台与支撑箱体的底部之间还设置有X形结构的斜撑杆。
6.根据权利要求5所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述斜撑杆端部与支撑箱体的内壁之间还固定设置有三角形肋板。
7.根据权利要求8所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述支撑箱体的各侧壁沿横向设置有条形孔，所述条形孔沿竖向并列分布设置为多个。
8.根据权利要求7所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述上平台和下平台均设置有减重孔。
9.根据权利要求1所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：所述固定夹具组件由上外下依次包括压板、支撑套、锁紧螺母、竖向布置的螺杆和设置于支撑套顶端面的夹持卡爪；所述夹持卡爪为三个并沿支撑套的周向均匀间隔设置，支撑套上端面面沿轴向向内凹陷形成用于夹持卡爪沿径向滑动的径向U形槽，所述夹持卡爪适形嵌入U形槽且夹持卡爪侧壁设置有沿径向分布的限位条形槽，对应径向U形槽的两内侧壁部分凸起形成适形嵌入限位条形槽的条形凸起，三个夹持卡爪的径向内端面形成上大下小的部分圆锥驱动面，所述螺杆外圆固定外套设置有外圆为上大下小圆锥面的驱动套，三个夹持卡爪内端顶面分别固定设置有楔形凸起，位于不同夹持卡爪的三个楔形凸起径向外侧壁共同形成上小下大的部分圆锥抵紧面，该部分圆锥抵紧面在部分圆锥驱动面受到向下驱动时沿径向向外抵紧于待测齿轮的内圆；所述螺杆的上端沿径向贯穿设置有用于向下压紧压板的卡销。
10.根据权利要求8所述的基于数字光栅的六自由度齿轮测量系统，其特征在于：位于下平台的减重孔位于中间的圆形孔和三个周向分布于下平台各角的梯形孔。
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