CN108801164B - 一种基于激光测试工件缝隙值的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测试工件缝隙值的方法及系统，用于解决现有缝隙测量中存在的测量精度低、自动判断能力不足的问题，包括有阶差缝隙判定方法和无阶差缝隙判定方法。有阶差缝隙判定方法为利用缝隙判定参数判断激光线扫描传感器测得二维轮廓数据中是否具有连续的三个平面，且中间的平面位于左右平面的下方，若存在则物体具有有阶差缝隙，缝隙大小等于轮廓数据中中间平面的长度值，即第一个平面与第二个平面交点B₁和第二个平面与第三个平面交点C₁的X轴数值的差值的绝对值。无阶差缝隙判定则通过逐点比较相邻两点的X轴数值大小是否大于缝隙距离判定参数，若存在相邻两点间距离D大于缝隙判定参数，则被测物体具有无阶差缝隙，缝隙大小等于D。

Description

一种基于激光测试工件缝隙值的方法及系统

技术领域

本发明属于测试计量技术领域，特别涉及一种基于激光测试工件缝隙值的方法及系统。

背景技术

对工件缝隙的检测，传统方法是利用卡尺和塞尺手动测试。测试时，用肉眼观察被测工件外形或拼接部位是否具有缝隙，然后通过观察所得的缝隙大致大小，选择满足测试范围和测量精度的卡尺和塞尺组合测试。这种测试方法测试步骤复杂，测试效率低，在测试过程中耗费了大量的人力。测试结果具有较大的人员误差。且测试过程中卡尺和塞尺易磨损被测工件，无法满足对缝隙的无损快速测量。

在各种新型测试方法中，激光因具有单色性好，相干性好，方向性好，亮度高的优点，是最为常用的光学测量方法。激光技术的应用，提供了一种非接触式的测量物体缝隙的方法。激光测试作为一种光源式的测试方法，利用接收到的光波在物体表面的反射与漫反射可以快速复现物体表面轮廓，且具有精度高、非接触的特点，使用激光传感器测量缝隙值在理论上具有极大的可行性。但是激光测量精度随工作环境的影响呈现剧烈的变化，要达到高精度的要求必须在测试仪和被测工件都固定的情况下进行，适用范围较小。若能够使用手持式激光测试仪测试工件缝隙，将改变传统激光测量对环境的严格限定。但是手持式激光缝隙测试仍存在以下问题：1.手持设备测试轴线与测试平面难以保持垂直的测试状态，导致测量的精度低；2.自动判断能力不足，在出现多个缝隙时，无法计算缝隙值的大小。

缝隙测试技术作为精密加工和测量的基础，在现代加工和检测领域中的作用越来越重要，如何快速、准确的测量缝隙值是一个值得研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光测试工件缝隙值的方法及系统，该方法用于解决现有缝隙测量中存在的测量精度低、自动判断能力不足的问题。

为实现上述发明目的，一方面，本发明一种基于激光测试工件缝隙值的方法，包括以下步骤：

(1)设置参数，所述参数包括缝隙判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

(2)利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件轮廓数据内所有采集点的总数；

(3)根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

(4)根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

(5)根据缝隙判定参数，采用有阶差缝隙判定方法判定步骤(4)得到的二维轮廓数据中是否具有有阶差缝隙，若有，则得到有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁；若无，则采用无阶差缝隙判定方法判定步骤(4)得到的二维轮廓数据中是否具有无阶差缝隙，若有，则得到无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂；

(6)计算有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁的X轴数据的差值或无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂的X轴数据的差值，并将其差值的绝对值作为缝隙值。

本发明有益效果：本发明由激光三角测距原理获取被测工件轮廓数据，并根据设置的缝隙判定参数能自动判断被测工件是否具有缝隙，及计算缝隙的大小。由于本方法采用对二维轮廓数据进行去跳变点处理，去除了激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对缝隙判定与计算造成的影响，同时，对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，解决了激光线扫描传感器因镜头与被测工件表面不垂直的情况导致激光线扫描传感器获取的二维轮廓图像出现倾斜现象引起缝隙计算误差较大的问题，改善了由于被测工件与传感器镜头不垂直，导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化导致测量精度低的情况；通过缝隙判定参数判定测量范围内的有阶差缝隙和无阶差缝隙来判定物体是否具有缝隙，计算缝隙起点和缝隙终点的X轴数据的差值，并将其差值的绝对值作为缝隙值，解决了出现多个缝隙时，无法计算缝隙大小的问题，本发明提供的方法测量精度高。

进一步，所述缝隙判定参数包括：基准线位置L_d、基准长度L_b、基准判定系数M_b、测量长度L_g、测量方向M_d、基准选取长度N_b、缝隙判定终点N_g、缝隙判定系数M_G、缝隙判定长度N_G、跳变判定系数M_B、跳变判定长度N_B、倾斜校准系数M_L和倾斜校准长度N_L。

采用上述进一步方案的有益效果是：跳变判定系数M_B、跳变判定长度N_B是去除采集数据本身跳变对缝隙判定和计算造成的影响；倾斜校准系数M_L和倾斜校准长度N_L是改善手持测试轴线与测试平面难以保持垂直的测试状态，导致测量的精度低的问题；基准位置等其他系数是选取唯一的缝隙进行计算，即通过该类系数确定测试范围内仅具有唯一一个缝隙并计算。可以自由改变缝隙判定参数用以测试不同类型的缝隙。

进一步，所述步骤(3)的根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理，其具体包括：

从二维轮廓数据中第N_B个采集点开始，分别逐点选取其前N_B个采集点和后N_B个采集点，其中,N_B为用于判定跳变点的比较点个数；

分别将前N_B个采集点和后N_B个采集点与该采集点进行比较，若均有N_B-2个以上的采集点与该采集点Z轴数据的差值的绝对值大于跳变判定系数M_B，则判定该采集点为跳变点；

将该跳变点用其前面N_B个采集点的Z轴数据平均值代替。

采用上述进一步方案的有益效果是：去掉了激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对缝隙判定与计算造成的影响，利用判断为跳变点的前N_B个采集点的Z轴数据的平均值替代跳变点，以达到去除跳变点的目的。

进一步，所述步骤(4)的根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，其具体包括：

若当前采集点与其前后采集点Z轴数据的差值的绝对值小于倾斜校准系数M_L，则判定该采集点为波动较小的采集点，从第二个采集点开始逐点判定采集点是否为波动较小的采集点，若存在连续N_L个Z轴数据波动较小的采集点，则将该N_L个采集点的X轴数据、Z轴数据依次分别记录在数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中；

利用最小二乘法拟合上述数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的采集点，求出斜率k和零点b的大小；设n为选取的采集点个数，此处n的大小等于倾斜校准长度N_L，则线性变换系数斜率k计算式为：

零点b计算式为：

其中，X_L[i]为数组中第i个元素的X轴数据，Z_L[i]为数组中第i个元素的Z轴数据；；

倾斜夹角α大小由α＝a tan(k)计算；

利用旋转算法将数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的数据逐点变换，令x为X轴数据，z为Z轴数据，x'为旋转后的X轴数据，z'为旋转后的Z轴数据，由欧拉旋转定理可知，旋转后采集点的X轴数据计算式为：

x'＝x cos(α)+z sin(α)

旋转后采集点的Z轴数据计算式为：

z'＝-x sin(α)+z cos(α)。

采用上述进一步方案的有益效果是：激光线扫描传感器因镜头与被测工件表面不垂直的情况导致激光线扫描传感器获取的二维轮廓图像出现倾斜现象引起缝隙计算误差较大的问题。倾斜校准首先需要对倾斜二维轮廓图像和未倾斜的二维轮廓图像进行对比分析得出两者的相互关系，然后利用数学计算方式对倾斜的二维轮廓图像数据进行还原。改善了由于被测工件与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的测试结果误差较大的情况。

进一步，所述步骤(5)的判定有阶差缝隙具体过程包括：

(51)确定有阶差缝隙判定基准值GAvg1：

若当前采集点与前后采集点的Z轴数据差值的绝对值小于基准判定系数M_b，则认定该点为波动较小的点，从基准线与轮廓线交点最近的采集点开始向设置好的测量方向M_d出发，选取连续N_b个Z轴数据波动较小的采集点，并求出其Z轴数据均值GAvg1作为有阶差缝隙判定基准值GAvg1，假设起点为S，则GAvg1计算方式：

其中，N_b为基准选取长度，即选择用于判定基准线波动较小的采集点个数；

Z[i]为采集点i的Z轴数值大小；

(52)寻找有阶差缝隙起始点B₁点：

遍历测量长度L_g范围内有阶差缝隙判定基准值GAvg1采集点之后的采集点，寻找采集点B₁，该采集点B₁的Z轴数值小于GAvg1，且与GAvg1的差值的绝对值大于缝隙判定系数M_G，并将该采集点B₁点为有阶差缝隙起点；

(53)寻找有阶差缝隙终点C₁点：

从设置好的测量方向M_d出发遍历测量长度L_g范围内有阶差缝隙起始点B₁之后的采集点，寻找采集点C₁，该采集点C₁的Z轴数值大于有阶差缝隙起始点B₁点Z轴数值，且与B₁点Z轴数值的差值的绝对值大于缝隙判定系数M_G，假设C₁点为轮廓数据中的有阶差缝隙终点；

(54)判定采集点C₁为有阶差缝隙终点：

从设置好的测量方向M_d出发比较测量长度L_g范围内的采集点C₁之后连续的N_G个采集点是否均满足Z轴数值减去B₁点Z轴数值大于M_G，若满足，则判定C₁点为轮廓数据中的有阶差缝隙终点，判定二维轮廓数据中具有有阶差缝隙；

(55)判定无阶差缝隙过程为：

寻找无阶差缝隙起点B₂和终点C₂，遍历基准线位置L_d起到测量方向M_d距离为测量长度L_g的二维轮廓数据，逐点比较二维轮廓数据中相邻两采集点的X轴数值的差值，若存在某相邻两采集点的X轴数值的差值的绝对值大于M_G，则判定此相邻的两采集点为缝隙的起始点B₂与终点C₂，判定二维轮廓数据中具有无阶差缝隙。

采用上述进一步方案的有益效果是：在测量范围内对不同的缝隙类型进行判断，能够自动判断缝隙位置并计算缝隙大小。

进一步，所述步骤(6)之后还包括：系数校准步骤，对得到的缝隙值进行系数校准，计算公式为：

Gv'＝k_G×Gv+b_G

其中，k_G为缝隙值系数校准的斜率值，b_G为缝隙值系数校准的零点值。

采用上述进一步方案的有益效果是：仪器长期使用过程中，因各种元器件发生物理上的变化，会导致仪器测试值与鉴定时出现变化，为了改善该状况，设计在计算台阶值后再进行系数校准。

另一方面，本发明还提供了一种基于激光测试工件缝隙值的系统，包括：

参数设置模块，用于设置参数，所述参数包括缝隙判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

工件轮廓获取模块：用于利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件轮廓数据内所有采集点的总数；

去跳变点模块，用于根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

倾斜校准模块，用于根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

缝隙判定模块，用于根据缝隙判定参数，采用有阶差缝隙判定方法判定二维轮廓数据中是否具有有阶差缝隙，若有，则得到有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁；若无，则采用无阶差缝隙判定方法判定二维轮廓数据中是否具有无阶差缝隙，若有，则得到无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂；

缝隙值计算模块，用于计算有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁的X轴数据的差值或无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂的X轴数据的差值，并将其差值的绝对值作为缝隙值。

进一步，还包括：倾斜校准模块，用于对得到的缝隙值进行系数校准。

附图说明

图1是本发明基于激光测试工件缝隙值的方法流程图；

图2是本发明跳变点示意图；

图3是本发明跳变点判定与处理流程图；

图4是本发明选取连续波动较小的数据采集点流程图；

图5是本发明缝隙的两种类型示意图，其中，

(a)有阶差缝隙示意图；

(b)无阶差缝隙示意图；

图6缝隙测试示意图；

图7是本发明计算缝隙值的流程图。

图8是本发明实施例具有光斑跳变的被测物轮廓曲线图；

图9是本发明实施例跳变校准后的轮廓数据；

图10是本发明实施例倾斜校准前的轮廓数据；

图11是本发明实施例倾斜校准后的轮廓数据。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例一

当两个物体靠得很近但又没有直接接触时,它们之间的距离就叫缝隙。缝隙的运算也包括两部分，分别是缝隙的判定和缝隙大小计算。

本发明缝隙判定和缝隙大小计算的思路为：有阶差缝隙判定方法为利用缝隙判定参数判断激光线扫描传感器测得二维轮廓数据中是否具有连续的三个平面，且中间的平面位于左右平面的下方，若存在则物体具有有阶差缝隙，缝隙大小等于轮廓数据中中间平面的长度值，即第一个平面与第二个平面交点B₁和第二个平面与第三个平面交点C₁的X轴数值的差值的绝对值。无阶差缝隙判定则通过逐点比较相邻两点的X轴数值大小是否大于缝隙距离判定参数，若存在相邻两点间距离D大于缝隙判定参数，则被测物体具有无阶差缝隙，缝隙大小等于D。

针对现有手持式激光测试缝隙存在的以下问题：1.手持设备测试轴线与测试平面难以保持垂直的测试状态，导致测量的精度低；2.自动判断能力不足，在出现多个缝隙时，无法计算缝隙值的大小。

如图1所示，一种基于激光测试缝隙工件缝隙的方法，该方法能自动判断被测工件是否有缝隙，并且自动测量该缝隙宽度的方法包括以下步骤：

(1)设置参数，所述参数包括缝隙判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；如下表1：

表1

(2)利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件轮廓数据内所有采集点的总数；

(3)根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

为了去掉激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对缝隙判定与计算造成的影响，对获取工件轮廓数据模块得到的二维轮廓数据进行去跳变处理，包括对跳变点进行判定和去除跳变点，即：

从二维轮廓数据中第N_B个采集点开始，分别逐点选取其前N_B个采集点和后N_B个采集点，其中，N_B为用于判定跳变点的比较点个数；

分别将前N_B个采集点和后N_B个采集点与该采集点进行比较，若均有N_B-2个以上的采集点与该采集点Z轴数据的差值的绝对值大于基准判定系数M_B，则判定该采集点为跳变点；跳变点示意图如图2所示，当d₁大于M_B时则判定E₁为跳变点，同理d₂大于M_B时则判定E₂为跳变点。

跳变点判定与处理流程如图3所示，具体过程为：

选取采集点i,i＝N_B，计算采集点i与其之前的N_B个采集点Z轴的数据差值的绝对值，记录大于M_B点的点数为N_f；

若N_f大于N_B-2，计算采集点i与其之后的N_B个采集点Z轴的数据差值的绝对值，记录大于M_B点的点数为N_b；若N_b大于N_B-2，则将此采集点i判定为跳变点，采用跳变点i前N_B个采集点的Z轴数值平均值替换跳变点Z轴数值。

(4)根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

为了改善由于被测工件与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的缝隙计算误差较大的问题。对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，即在发明中利用最小二乘法计算得到的被测工件轮廓的倾斜角度，然后通过欧拉公式进行角度变换，得到与垂直测试所得轮廓数据相似的轮廓数据。如图4所示，倾斜校准步骤，其具体包括：

确定一段Z轴数据波动较小的采集点。若当前采集点与其前后采集点Z轴数据的差值的绝对值小于M_L，则判定其为波动较小的采集点。从第二个采集点开始逐点判定采集点是否为波动较小的采集点。若存在连续的N_L个采集点Z轴波动数据较小，则将X轴数据、Z轴数据依次分别记录在数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中。

利用最小二乘法拟合上述数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的采集点，求出斜率k和零点b的大小。设n为选取的采集点个数，此处n的大小等于N_L。则线性变换系数斜率k可由公式(1)计算：

与零点b可由公式(2)计算：

其中，X_L[i]为数组中第i个元素的X轴数据，Z_L[i]为数组中第i个元素的Z轴数据；

倾斜夹角通过拟合二维直线线可以得到，结果为α＝a tan(k)。

利用旋转算法将数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的数据逐点变换，令x为X轴数据，z为Z轴数据，x'为旋转后的X轴数据，z'为旋转后的Z轴数据，由欧拉旋转定理可知，旋转后采集点的X轴数据计算可由公式(3)计算为：

x'＝x cos(α)+z sin(α) (3)

旋转后采集点的Z轴数据计算可由公式(4)计算：

z'＝-x sin(α)+z cos(α) (4)

将采集点的数据按公式(3)、(4)逐点旋转后可得与X轴平行的数据点。

(5)根据设置的缝隙判定参数，采用有阶差缝隙判定方法判定步骤(4)得到的二维轮廓数据中是否具有有阶差缝隙，若有，则得到有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁；若无，则采用无阶差缝隙判定方法判定步骤(4)得到的二维轮廓数据中是否具有无阶差缝隙，若有，则得到无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂；

本步骤中，设计在测量长度范围内对缝隙进行判定，起点为基准线与轮廓线交点最近的数据采集点。终点与该交点相距N_g个采集点，测试方向向左时取左边采集点，测试方向向右时取右边的采集点。基准面无论如何选取只取上方。

通过分析归纳激光线扫描传感器数据采集过程中缝隙数据规律可将缝隙数据分为两类。

第一类在测试的工件缝隙深度较浅时，能够接收到返回的激光数据，此时缝隙模型如图5(a)所示，缝隙B₁C₁之间仍然具有数据采集点；

第二类为测试缝隙深度较深时，激光线扫描传感器不能接收到返回的激光数据，此时缝隙模型如图5(b)所示，缝隙B₂C₂之间不具有数据采集点。

定义第一类缝隙为有阶差缝隙，第二类缝隙为无阶差缝隙。

移动基准线位置L_d，使其位于轮廓显示中的缝隙位置外，然后根据缝隙轮廓设置合适的基准长度L_b，基准面方向B_d，测量长度L_g(满足测量长度范围内仅有一个缝隙)、测量方向M_d等变量。如图6，基准位置为圆圈部分，设置合适的测量长度与测试方向测试方框内的缝隙大小。

缝隙判定利用设置的缝隙判定参数：缝隙判定长度N_G、缝隙判定系数M_G实现轮廓数据中缝隙的定位。其中N_G为用于缝隙判定的采集点个数，常设置为10；M_G为用于判定缝隙起始位置的距离。缝隙的判定首先假定缝隙为有阶差缝隙，然后在二维轮廓数据中寻找是否符合该类缝隙条件的缝隙位置，若不存在则假定轮廓数据中具有无阶差缝隙，然后寻找二维轮廓数据中是否具有该类缝隙。具体判定方法图7所示，具体如下：

有阶差缝隙判定方法：

(51)确定有阶差缝隙判定基准值GAvg1。以M_G为判断条件，若当前采集点与前后采集点的Z轴数据差值绝对值小于M_b，则认定该点为波动较小的点。从基准线与轮廓线交点最近的采集点开始向设置好的测量方向出发选取具有N_b个连续的Z轴波动较小的采集点，并求出其均值GAvg1作为有阶差缝隙判定基准值，假设起点为S，则GAvg1计算方式如公式(5)所示。

其中，N_b为基准选取长度，即选择用于判定基准线波动较小的采集点个数；Z[i]为采集点i的Z轴数值大小；

(52)寻找有阶差缝隙起始点B₁点。遍历测量长度范围内有阶差缝隙判定基准值采集点之后的采集点(基准方向向左，向左遍历，基准方向向右，向右遍历)，寻找一点B₁，采集点B₁的Z轴数值小于GAvg1，且与GAvg1的差值的绝对值大于缝隙判定系数M_G。假设B₁点为轮廓数据中的有阶差缝隙起点。

(53)寻找有阶差缝隙终点C₁点。从设置好的测量方向出发遍历测量长度范围内有阶差缝隙起始点B₁之后的采集点，寻找一点C₁，采集点C₁的Z轴数值大于有阶差缝隙起始点B₁点Z轴数值，且与B₁点Z轴数值的差值的绝对值大于M_G。假设C₁点为轮廓数据中的有阶差缝隙终点。

(54)判定采集点C₁为有阶差缝隙终点。从设置好的测量方向M_d出发比较测量长度L_g范围内的采集点C₁之后连续的N_G个采集点是否同样满足Z轴数值减去B₁点Z轴数值大于M_G。若其之后连续N_G个采集点Z轴数值均满足上述条件，判定C₁点为轮廓数据中的有阶差缝隙终点，判定轮廓数据中具有有阶差缝隙值。

无阶差缝隙判定方法：

(55)寻找无阶差缝隙起点B₂和终点C₂，遍历基准线位置L_d起到测量方向M_d距离为测量长度L_g的二维轮廓数据，逐点比较轮廓数据中相邻的两点X轴数值的差值，若存在某相邻两点数值差值的绝对值大于缝隙判定系数M_G，则判定此相邻的两点为缝隙的起始点B₂与终点C₂，判定轮廓数据中具有无阶差缝隙值。

缝隙判定方法中步骤(51)到步骤(54)为有阶差缝隙判定方法，步骤(55)为无阶差缝隙判定方法。判定过程为：在步骤(51)中若未找出连续的N_b个波动较小的采集点，则跳到步骤(55)进行无阶差缝隙判定。若能够确定有阶差缝隙判定基准值GAvg1，则进行步骤(52)，若未寻找到有阶差缝隙起始点B₁点，则认为采集数据不具有有阶差缝隙，跳到步骤(55)进行无阶差缝隙判定。若找到B₁点则进行步骤(53)。在步骤(53)中对B₁点之后的采集点进行距离判定，若存在一点C₁其Z轴数值与B₁的差值大于M_G，则进行步骤(54)，否则以B₁为起点重复步骤(51)，在步骤(54)中，若能够确定C₁为有阶差缝隙终点，则判定轮廓数据中具有有阶差缝隙，缝隙起点为B₁终点为C₁，否则以C₁为起点重复步骤(51)，若遍历所有采集点无法找到满足条件的有阶差缝隙，则跳到步骤(55)进行无阶差缝隙判定。

(6)计算有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁的X轴数据的差值或无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂的X轴数据的差值，并将其差值的绝对值作为缝隙值；其具体公式为：

有阶差缝隙值＝|X[B₁]-X[C₁]|

无阶差缝隙值＝|X[B₂]-X[C₂]|

其中，X[B₁]为采集点B₁的X轴数值大小；X[C₁]为采集点C₁的X轴数值大小；X[B₂]为采集点B₂的X轴数值大小,X[C₂]为采集点C₂的X轴数值大小；

对计算所得的缝隙值进行系数校准，系数的大小由设置参数确定，公式为：

Gv'＝k_G×Gv+b_G (7)

其中，k_G为缝隙值系数校准斜率值，b_G为缝隙值系数校准零点值。

激光线扫描传感器测试时因被测物反射问题得到的有光斑跳变的二维轮廓曲线如图8所示，图中圆圈部分为光斑跳变位置。光斑跳变对被测物缝隙的判定影响较大。左侧光斑跳变点在缝隙判定N_G较大时，将发生漏判现象。为了避免这种现象，设计跳变校准用来去除轮廓曲线中因光斑跳变产生的跳变点。跳变校准的目的是去激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对缝隙判定与计算造成的影响。在本发明中设计直接利用判断为跳变点的前N_B个点的Z轴数据的平均值替代跳变点，以达到去除跳变点的目的。对图8中轮廓数据跳变校准，即进行去除跳变点处理，去除跳变点后的轮廓图像如图9所示。由图9可知，跳变校准后，轮廓显示不再具有跳变点。跳变点将不再对缝隙的判定和计算造成影响。跳变校准能够有效的去除二维轮廓数据中的跳变点。

激光线扫描传感器镜头倾斜时激光线扫描传感器得到的二维轮廓曲线如图10所示。倾斜的二维轮廓数据在设置的缝隙判定值M_G稍高的情况下，将无法找到一段波动较小的连续的采集点用来确定缝隙和缝隙判定基准值，从而无法判定和计算缝隙。在M_G值较小的情况下，因为轮廓的倾斜，计算所得缝隙值存在误差较大的问题。为了改善这种情况，设计倾斜校准，用来还原镜头未倾斜时激光传感器所获取的二维轮廓数据。

倾斜校准的目的是改善由于被测物体与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的测试结果误差较大的情况。在本章中利用最小二乘法计算得到的轮廓的倾斜角度，然后通过欧拉公式进行角度变换，得到与垂直测试所得轮廓数据相似的轮廓数据。将图10中的二维轮廓数据进行倾斜校准后，可以得到如图11所示的轮廓图形。可以看出，倾斜校准对被测物体与传感器镜头不垂直导致的倾斜状态具有改善作用。

实施例二

基于上述方法，本发明还提供了一种基于激光测试工件缝隙值的系统，包括：

参数设置模块，用于设置参数，所述参数包括缝隙判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

工件轮廓获取模块：用于利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件轮廓数据内所有采集点的总数；

去跳变点模块，用于根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

倾斜校准模块，用于根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

缝隙判定模块，用于根据缝隙判定参数，采用有阶差缝隙判定方法判定二维轮廓数据中是否具有有阶差缝隙，若有，则得到有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁；若无，则采用无阶差缝隙判定方法判定二维轮廓数据中是否具有无阶差缝隙，若有，则得到无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂；

缝隙值计算模块，用于计算有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁的X轴数据的差值或无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂的X轴数据的差值，并将其差值的绝对值作为缝隙值。

本系统中的去除跳变点模块，用于对获取工件轮廓数据模块得到的二维轮廓数据进行去跳变处理。去掉了激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对缝隙判定与计算造成的影响，利用判断为跳变点的前N_B个采集点的Z轴数据的平均值替代跳变点，以达到去除跳变点的目的。

倾斜校准模块，用于对二维轮廓数据进行倾斜校准。解决了激光线扫描传感器因镜头与被测工件表面不垂直的情况导致激光线扫描传感器获取的二维轮廓图像出现倾斜现象引起缝隙计算误差较大的问题。倾斜校准首先需要对倾斜二维轮廓图像和未倾斜的二维轮廓图像进行对比分析得出两者的相互关系，然后利用数学计算方式对倾斜的二维轮廓图像数据进行还原。改善了由于被测工件与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的测试结果误差较大的情况。通过缝隙宽度计算模块计算不同的两个采集点集合的Z轴数据的差值，将最大差值作为缝隙宽度，解决了出现多个缝隙时，无法计算缝隙大小的问题，本发明提供给的方法测量精度高。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于激光测试工件缝隙值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设置参数，所述参数包括缝隙判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

(2)利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件轮廓数据内所有采集点的总数；

(3)根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

(4)根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

(5)根据缝隙判定参数，采用有阶差缝隙判定方法判定步骤(4)得到的二维轮廓数据中是否具有有阶差缝隙，若有，则得到有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁；若无，则采用无阶差缝隙判定方法判定步骤(4)得到的二维轮廓数据中是否具有无阶差缝隙，若有，则得到无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂；

(6)计算有阶差缝隙的缝隙起点B₁和缝隙终点C₁的X轴数据的差值或无阶差缝隙的缝隙起点B₂和缝隙终点C₂的X轴数据的差值，并将其差值的绝对值作为缝隙值；

所述缝隙判定参数包括：基准线位置L_d、基准长度L_b、基准判定系数M_b、测量长度L_g、测量方向M_d、基准选取长度N_b、缝隙判定终点N_g、缝隙判定系数M_G、缝隙判定长度N_G；所述去跳变点参数包括跳变判定系数M_B、跳变判定长度N_B；所述倾斜校准参数包括倾斜校准系数M_L和倾斜校准长度N_L；

所述步骤(3)的对二维轮廓数据进行去跳变点处理，其具体包括：

从二维轮廓数据中第N_B个采集点开始，分别逐点选取其前N_B个采集点和后N_B个采集点，其中，N_B为用于判定跳变点的比较点个数；

分别将前N_B个采集点和后N_B个采集点与该采集点进行比较，若均有N_B-2个以上的采集点与该采集点Z轴数据的差值的绝对值大于跳变判定系数M_B，则判定该采集点为跳变点；

将该跳变点用其前面N_B个采集点的Z轴数据平均值代替。

2.根据权利要求1所述的基于激光测试工件缝隙值的方法，其特征在于，所述步骤(5)的有阶差缝隙判定方法判定过程包括：

(51)确定有阶差缝隙判定基准值GAvg1：

若当前采集点与前后采集点的Z轴数据差值的绝对值小于基准判定系数M_b，则认定该点为波动较小的点，从基准线与轮廓线交点最近的采集点开始向设置好的测量方向M_d出发，选取连续N_b个Z轴数据波动较小的采集点，并求出其Z轴数据均值GAvg1作为有阶差缝隙判定基准值GAvg1，假设起点为S，则GAvg1计算方式：

其中，N_b为基准选取长度，即选择用于判定基准线波动较小的采集点个数；

Z[i]为采集点i的Z轴数值大小；

(52)寻找有阶差缝隙起始点B₁点：

遍历测量长度L_g范围内有阶差缝隙判定基准值GAvg1采集点之后的采集点，寻找采集点B₁，该采集点B₁的Z轴数值小于GAvg1，且与GAvg1的差值的绝对值大于缝隙判定系数M_G，并将该采集点B₁点为有阶差缝隙起点；

(53)寻找有阶差缝隙终点C₁点：

从设置好的测量方向M_d出发遍历测量长度L_g范围内有阶差缝隙起始点B₁之后的采集点，寻找采集点C₁，该采集点C₁的Z轴数值大于有阶差缝隙起始点B₁点Z轴数值，且与B₁点Z轴数值的差值的绝对值大于缝隙判定系数M_G，假设C₁点为轮廓数据中的有阶差缝隙终点；

(54)判定采集点C₁为有阶差缝隙终点：

从设置好的测量方向M_d出发比较测量长度L_g范围内的采集点C₁之后连续的N_G个采集点是否均满足Z轴数值减去B₁点Z轴数值大于M_G，若满足，则判定C₁点为轮廓数据中的有阶差缝隙终点，判定二维轮廓数据中具有有阶差缝隙；

(55)无阶差缝隙判定方法判定过程为：

寻找无阶差缝隙起点B₂和终点C₂，遍历基准线位置L_d起到测量方向M_d距离为测量长度L_g的二维轮廓数据，逐点比较二维轮廓数据中相邻两采集点的X轴数值的差值，若存在某相邻两采集点的X轴数值的差值的绝对值大于缝隙判定系数M_G，则判定此相邻的两采集点为缝隙的起始点B₂与终点C₂，判定二维轮廓数据中具有无阶差缝隙。

Images