CN108693635B - 汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器及设计方法 - Google Patents

汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器，所述光线变换器为多重可定向平面镜组，所述多重可定向平面镜组由多块平面反射镜组成，所述平面反射镜的数量由被检测对象表面的可划分的曲面数量决定；所述被检测对象的每一个面型均对应一块独立的平面反射镜，通过改变各平面发射镜的位姿，实现不同曲面的反射光聚焦于线扫成像系统成像面。本发明还涉及上述光线变换器的设计方法。本发明能够实现对高反光、多曲面产品的表面质量在线检测成像。

Description

汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器及设计方法
技术领域
本发明涉及高反光、多曲面汽车内饰件表面瑕疵在线检测技术领域，特别是涉及一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器及设计方法。
背景技术
随着科学技术和人民生活水平的不断提高，各类用于汽车等内饰的塑料工业配件取得了广泛的应用与发展。汽车等内饰塑料配件不仅能够通过注塑等加工工艺实现各种复杂曲面形状工件与成型，还具有高韧性、重复利用、耐油、耐污、低成本等特点，其优点是其它装饰材料不可比拟的。塑料配件能够有效提高各类工业产品外观、内饰的美观程度，提高各类产品的市场竞争力和商品价值，具有不可估量的市场前景。为了满足现代化人们的美观、舒适性要求，目前的工业塑料配件形状多变，且多为曲率复杂、面形多变的流线形外观，这些塑料配件在要求具备相当程度的机械性能和尺寸精度的前提下，还要求具备较高的外观质量要求，因此在注塑等加工工艺过程中所出现的杂质、缺料、熔接痕、流痕、斑点、气泡、气花、顶白、断裂、缩凹变形、暗斑、亮斑、烧焦、变色、油污、冷料、皮纹拉伤、拉丝、划伤等质量缺陷需进行识别、判断和分拣。
然而，由于塑料配件表面为由多曲面组成且具有高反光特性，目前的机器视觉系统难于完成对其瑕疵进行清晰成像，从而无法实现自动质量检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器及设计方法，能够实现对高反光、多曲面产品的表面质量在线检测成像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器，所述光线变换器为多重可定向平面镜组，所述多重可定向平面镜组由多块平面反射镜组成，所述平面反射镜的数量由被检测对象表面的可划分的曲面数量决定；所述被检测对象的每一个面型均对应一块独立的平面反射镜，通过改变各平面发射镜的位姿，实现不同曲面的反射光聚焦于线扫成像系统成像面。
所述平面反射镜检测的最大角度范围为2α，其中，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，且需满足α＜θ，θ为设定的阈值。
所述平面反射镜的尺寸通过如下约束关系确定：W＝2{ρsinα+[h+ρ·(1-cosα)]·tan(β+2α)}，其中，ρ为被检测曲面横截面的曲率半径、H为图像获取设备的安装高度，h为平面反射镜的安装高度，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，β角为光线入射角与α角之差，其值可由如下公式确定：
Figure BDA0001628042530000021
所述平面反射镜采用万向球铰和伸缩连杆进行安装，以便在检测过程中对光线变换器内的平面反射镜进行位姿调整，从而实现试件表面光照方向的调整。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器的设计方法，包括以下步骤：
(1)依据待测试件表面可划分的曲面数量，确定光线变换器的平面反射镜的数量；
(2)根据待测物体表面尺寸、曲率和位姿，确定各个平面反射镜的尺寸及空间位姿；为确定光线变换器各个平面反射镜的几何尺寸和空间位姿参数，以单个曲面几何中心为原点，分别建立笛卡尔空间坐标系，其中：O’点为曲面截面上照亮区域左极限位置，该点由平面镜左极限位置点M反射光线照亮，从而待测试件曲面反射光线射向图像获取设备的焦点F；根据几何光学定律逐步计算：入射光和反射光与物体表面O’处法线的夹角相同，O’点的y坐标为：-yO'＝tanβ·[H+ρ·(1-cosα)]＝ρsinα，其中：ρ表示曲面O’点的曲率半径，H表示图像获取设备的焦点F和O’点的Z向高度距离，h表示平面反射镜和O’点的Z向高度距离，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，β角为光线入射角与α角之差，其值可由如下公式确定：
Figure BDA0001628042530000022
各个待测曲面光照角度2α与镜面宽度W的约束关系为：W＝2{ρsinα+[h+ρ·(1-cosα)]·tan(β+2α)}；
(3)平面镜在yoz、xoy平面内与曲面平均曲率半径处法线正交，在xoz平面内姿态由图像获取设备视场方向和光源方向决定。
所述步骤(1)中为避免曲面过曝光现象的出现，单个平面反射镜所对应的检测曲面，其检测的最大角度范围为2α，且需满足α＜θ，θ设定的阈值；若不满足α＜θ，则将待测曲面等值划分，直至满足条件。
所述步骤(3)平面反射镜朝向待测曲面，固定角度的设定与试件所置空间位姿相匹配，在xoz平面内转过的角度能够实现光源对检测对象表面光照度和方向的补偿，保证图像获取设备所获得的试件表面图像采集区域的光照度和光线方向能够清晰成像。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可应用于高反光、多曲面汽车内饰件表面瑕疵在线检测，当待测物体表面是由不止一个复杂曲面构成且曲率又各不相同时，检测系统所要求反射镜的反射曲面的数学模型十分复杂，制造如此反射镜也极其困难。本发明通过采用一组平面镜替代理论上复杂的多曲面反射镜的方法，实现照明光线方向变换，不仅减少在线检测系统设计的复杂性，同时增加了光线变换器设计与制造的可实现性；同时，基于光的反射定律及光电图像传感器成像原理，通过调整光线变换器内部各个反射镜位姿的设定，可实现高反光、多曲面汽车内饰件表面在图像传感器中清晰成像，为准确识别材料表面的瑕疵，实现内饰件生产过程的在线监视与质量评估奠定基础。
附图说明
图1是本发明设计的光线变换器应用于检测系统结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明所设计的光线变换器成像原理图；
图4是本发明所设计的光线变换器内部反光镜位姿计算原理示意图；
图中：光线变换器1，多重可定向平面镜组2，线扫成像系统3，光源4，可移动电控平台5，计算机系统6，检测对象7，平面反射镜8，万向球铰9，伸缩连杆10。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的第一实施方式涉及一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器，所述光线变换器为多重可定向平面镜组2；如图1-3所示，所述光线变换器1可通过与线扫成像系统3、光源4、可移动电控平台5及计算机系统6协同，实现高反光、多曲面汽车内饰件表面的清晰成像；所述成像过程中，光源4出射的光束，先通过光线变换器1反射，照射到被检测对象7的表面，再反射到线扫成像系统3成像。
所述多重可定向平面镜组2由多块平面反射镜8组成，所述平面反射镜8的数量由被检测对象表面的可划分的曲面数量决定；所述被检测对象的每一个面型均对应一块独立的平面反射镜，通过改变各平面发射镜的位姿，实现不同曲面的反射光聚焦于线扫成像系统成像面。
其中，所述平面反射镜检测的最大角度范围为2α，其中，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，且需满足α＜θ，θ为设定的阈值，可由光线变换器的复杂程度、精度、材料表面光滑程度确定。
所述平面反射镜的尺寸通过如下约束关系确定：W＝2{ρsinα+[h+ρ·(1-cosα)]·tan(β+2α)}，其中，ρ为被检测曲面横截面的曲率半径、H为图像获取设备的安装高度，h为平面反射镜的安装高度，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，β角为光线入射角与α角之差，其值可由公式确定：
Figure BDA0001628042530000041
所述平面反射镜8采用万向球铰9和伸缩连杆10进行安装，以便在检测过程中对光线变换器内的平面反射镜进行位姿调整，从而实现试件表面光照方向的调整。本实施方式中的平面镜组：数量与待测曲面数一致，GCC-10212系列紫外铝反射镜，紫外区反射率：95％，材料:K9，外形尺寸公差：+0.0/-0.15，厚度：±0.1，平行度：＜3’，S1面型：λ/4@633nm，光洁度：IV级。万向球铰：QJ系列，可定向，材质：304，转动角度：±30°，可承载转动载荷：30N，连杆直径：
Figure BDA0001628042530000042
伸缩连杆：YQ液压系列，可锁紧定位，行程：0–200mm，直径：
Figure BDA0001628042530000043
缸筒外径：22mm。
本发明的第二实施方式涉及一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器的设计方法，包括以下步骤：
(1)依据待测试件表面可划分的曲面数量，确定光线变换器内反光镜组所包括的平面反光镜的数量；曲面确定过程中为避免试件曲面过曝光现象的出现，单个平面镜所对应的检测曲面，其检测的最大角度范围为2α(2α为检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角)，且需满足α＜θ，θ的取值由光线变换器的复杂程度、精度、材料表面光滑程度确定；若不满足α＜θ，则将待测曲面等值划分，依次方法，直至满足条件。
(2)根据待测物体表面尺寸、曲率和位姿，通过所述相应的模型计算公式，确定各个反射平面镜的尺寸及空间位姿；
(3)为确定光线变换器各个平面镜几何尺寸和空间位姿参数，以单个曲面几何中心为原点，分别建立笛卡尔空间坐标系，如图4所示：其中：O’点为曲面截面上照亮区域左极限位置，该点由平面镜左极限位置点(M点)反射光线照亮，从而待测试件曲面反射光线射向相机的焦点(F点)；
(4)根据几何光学定律逐步计算：入射光和反射光与物体表面O’处法线的夹角相同，O’点的y坐标为：
-yo'＝tanβ·[H+ρ·(1-cosα)]＝ρsinα
其中：ρ表示曲面O’点的曲率半径，H表示相机焦点和O’点的Z向高度距离，h表示平面镜和O’点的Z向高度距离，2α为检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，β角为光线入射角与α角之差，可得：
Figure BDA0001628042530000051
(5)各个待测曲面光照角度2α与镜面宽度W(长度同理可求)的约束关系为：
W＝2{ρsinα+[h+ρ·(1-cosα)]·tan(β+2α)}
(6)平面镜在yoz、xoy平面内与曲面平均曲率半径处法线正交，在xoz平面内姿态由相机视场方向和光源方向决定。平面镜朝向待测曲面，固定角度的设定与试件所置空间位姿相匹配，在xoz平面内转过的角度能够完实现光源对检测对象表面光照度和方向的补偿，保证CCD所获得的试件表面图像采集区域的光照度和光线方向能够清晰成像。
不难发现，本发明通过采用一组平面镜替代理论上复杂的多曲面反射镜的方法，实现照明光线方向变换，不仅减少在线检测系统设计的复杂性，同时增加了光线变换器设计与制造的可实现性；同时，基于光的反射定律及光电图像传感器成像原理，通过调整光线变换器内部各个反射镜位姿的设定，可实现高反光、多曲面汽车内饰件表面在图像传感器中清晰成像，为准确识别材料表面的瑕疵，实现内饰件生产过程的在线监视与质量评估奠定基础。

Claims (6)

1.一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器，其特征在于，所述光线变换器为多重可定向平面镜组，所述多重可定向平面镜组由多块平面反射镜组成，所述平面反射镜的数量由被检测对象表面的可划分的曲面数量决定；所述被检测对象的每一个曲面均对应一块独立的平面反射镜，通过改变各平面发射镜的位姿，使得光源出射的光束，先通过所述光线变换器反射，照射到所述被检测对象的表面，再反射到图像获取设备成像，实现不同曲面的反射光聚焦于线扫成像系统成像面；所述平面反射镜的尺寸通过如下约束关系确定：W＝2{ρsinα+[h+ρ·(1-cosα)]·tan(β+2α)}，其中，W为平面反射镜的镜面宽度，ρ为被检测曲面横截面的曲率半径、H为图像获取设备的安装高度，h为平面反射镜的安装高度，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，而β由下式决定：
Figure FDA0002465660770000011
2.根据权利要求1所述的汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器，其特征在于，所述平面反射镜检测的最大角度范围为2α，其中，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，且需满足α＜θ，θ为设定的阈值。
3.根据权利要求1所述的汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器，其特征在于，所述平面反射镜采用万向球铰和伸缩连杆进行安装，以便在检测过程中对光线变换器内的平面反射镜进行位姿调整，从而实现被检测对象的表面光照方向的调整。
4.一种汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)依据被检测对象表面可划分的曲面数量，确定光线变换器的平面反射镜的数量；
(2)根据被检测对象表面尺寸、曲率和位姿，确定各个平面反射镜的尺寸及空间位姿；为确定光线变换器各个平面反射镜的几何尺寸和空间位姿参数，以单个曲面几何中心为原点，分别建立笛卡尔空间坐标系，其中：O’点为曲面截面上照亮区域左极限位置，O’点由平面镜左极限位置点M反射光线照亮，从而被检测对象的曲面反射光线射向图像获取设备的焦点F；根据几何光学定律逐步计算：入射光和反射光与物体表面O’处法线的夹角相同，O’点的y坐标为：-yO'＝tanβ·[H+ρ·(1-cosα)]＝ρsinα，其中：ρ表示曲面O’点的曲率半径，H表示图像获取设备的焦点F和O’点的Z向高度距离，h表示平面反射镜和O’点的Z向高度距离，2α为平面反射镜对应的检测曲面的横截面曲线所对应的弦心角，β角为光线入射角与α角之差，其值可由如下公式确定：
Figure FDA0002465660770000021
各个待测曲面光照角度2α与平面反射镜的镜面宽度W的约束关系为：W＝2{ρsinα+[h+ρ·(1-cosα)]·tan(β+2α)}；
(3)平面镜在yoz、xoy平面内与曲面平均曲率半径处法线正交，在xoz平面内姿态由图像获取设备视场方向和光源方向决定，使得光源出射的光束，先通过所述光线变换器反射，照射到所述被检测对象的表面，再反射到图像获取设备成像。
5.根据权利要求4所述的汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中为避免曲面过曝光现象的出现，单个平面反射镜所对应的检测曲面，其检测的最大角度范围为2α，且需满足α＜θ，θ为设定的阈值；若不满足α＜θ，则将待测曲面等值划分，直至满足条件。
6.根据权利要求4所述的汽车内饰件表面瑕疵在线检测的光线变换器的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)平面反射镜朝向待测曲面，固定角度的设定与被检测对象所置空间位姿相匹配，在xoz平面内转过的角度能够实现光源对被检测对象表面光照度和方向的补偿，保证图像获取设备所获得的被检测对象表面图像采集区域的光照度和光线方向能够清晰成像。
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