CN109186486B - 一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械几何测量领域，涉及一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机及测量方法。所述的装置包括升降机构、工作转台、相机阵装置和伞状容器；工作转台为十字架结构，十字架结构的四端分别依次设有装卸工位、着球工位、测量工位和脱球工位，且四个工位距离十字架结构中心均为R；装卸工位、着球工位、测量工位和脱球工位上分别固定升降机构；在装卸工位进行工件的装卸，着球工位实现工件上附着标准小球，测量工位由相机阵视觉测量附着在工件上的标准小球，脱球工位实现将工件上的标准小球进行回收；本发明采用了平面连杆机构，实现最高扫描速度达10m/s；在基准建立上，采用粗测量激光传感器，实现无人参与的自动高速基准建立。

Description

一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机及测量方法
技术领域
本发明属于机械几何测量领域，涉及一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机及测量方法。
背景技术
随着技术进步，产品形状越来越复杂、尺寸精度越来越高，传统的产品的检测方法已越来越难以满足生产的需要。以航空叶片为例，它是航空发动机的核心部件，其叶身是典型的弱刚度空间旋钮曲面，形状、尺寸精度要求越来越高，三坐标检测已经成为叶片制造过程中不能缺少的工序。虽然理论上叶片的加工已经实现了100％的数控加工，可以由抽检实现产品的质量控制，而实际上由于毛坯、机床、夹具、刀具等工艺系统存在很多不稳定不确定因素，数控加工产品的一致性稳定性还远远没有达到产品的精度要求，需要通过测量进行及时的反馈调整。要保证产品质量100％合格，目前还需较高的抽检比例，另外数控加工后还有其它工序，如抛磨、钎焊、喷丸等，成品检验比例也较高，复检率达到3，即每个特征参数都检查了3次，整个检测时间超过产品的加工时间，严重制约了产品生产效率。迫切需要新的高效检测方法。现有的测量技术主要是三坐标机械接触式测量，采用打点方式建立坐标系，采用基于特征的编程方式进行编程，编程困难、测量效率低，编制一个复杂叶片测量程序需要1周，测量一个250mm长的叶片需要60分钟。
目前已知的可以商用的速度最快的检测方法是基于结构光条纹视觉检测和激光三角法测量。其检测速度快，每秒可以采集处理成千上万个数据点。但其存在一个最大的局限就由于其基于图像，不同环境光线、不同材料反光特性都会造成测量误差。
本发明克服视觉测量受被测对象反光特性影响的缺陷，通过引入中间标准小球，构造标准光环境，实现快速高精度的复杂产品测量。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机及测量方法。
按照本发明提供的技术方案，通过静电着附高精度标准小球，然后工业相机视觉检测标准小球，在标准环境光下进而实现对被测对象的三维几何测量。通过标准小球作为中间介质，有效避免了被测对象反光特性对检测精度的影响，提高了检测精度。
本发明的技术方案如下：
一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机，包括包括升降机构、工作转台25、相机阵装置和伞状容器7；工作转台25为十字架结构，十字架结构的四端分别依次设有装卸工位1、着球工位2、测量工位3和脱球工位4，且四个工位距离十字架结构中心均为R；装卸工位1、着球工位2、测量工位3和脱球工位4上分别固定升降机构；装卸工位1实现工件8的装卸，着球工位2实现工件8上附着标准小球，测量工位3由相机阵视觉测量附着在工件8上的标准小球，脱球工位4实现将工件8上的标准小球进行回收。
所述的升降机构包括升降传动齿16、丝杠螺母17、丝杠18、夹具29、滑座44和导杆45；所述滑座44为中心设有孔的圆柱结构，滑座44通过导杆45与工作转台25滑动连接，滑座44沿导杆45上下滑动；滑座44中心孔通过轴承与丝杠18连接；丝杠18上端外套丝杠螺母17，丝杠螺母17外部与升降传动齿轮16固连，丝杠18下端穿过滑座44，并固定夹具29，夹具29下端固定有工件8；四个升降传动齿轮16分别通过升降轴座15固定在工作转台25上表面的四个工位处，升降传动齿轮16的下端通过齿轮轴轴承14穿过工作转台25，实现丝杠18穿过工作转台25向下探入标准小球5中。
工作转台25上表面中心通过升降电机座支撑24固定升降电机座22，升降电机座22与工作转台25平行，升降电机座22上表面以中心对称固定着球位升降电机20和脱球位升降电机26，着球位升降电机20和脱球位升降电机26分别与着球工位2和脱球工位4对应，工作转台25下表面中心通过转台端面轴承10和转台轴承23固定在立柱28上端，立柱28下端固定在机座34上；转台电机9固定在立柱28侧壁，转台电机9的输出轴通过电机齿轮11与转台传动齿轮21连接，带动工作转台25按工作节拍自动转换工位。
工作转台25和转台传动齿轮21固联，通过转台端面轴承10和转台轴承23安装在立柱28上方，立柱28下端固定在机座34上；转台电机9固定在立柱28侧壁，转台电机9的输出轴通过电机齿轮11与转台传动齿轮21连接，带动工作转台25按工作节拍自动转换工位；着球位升降电机20的输出轴通过升降电机齿轮19与升降机构的升降传动齿轮16啮合，带动与传动齿轮16连接的丝杠螺母17旋转，进而带动丝杠18驱动滑座44沿导杆45上下移动，实现工件8沉入伞状容器7进行着球；同样在脱球工位4，脱球升降电机26带动脱球工位4的工件8上下移动，除球刷30对工件8进行物理脱球；
伞状容器7固定在机座34上，伞状容器7中心轴线与着球工位2的丝杠18轴线重合；伞状容器7用于收纳标准小球5；束架6为圆环状结构，套装在伞状容器7外部，束架6与导柱气缸33的输出端连接，导柱气缸33固定在立柱28上，带动束架6竖直方向移动；束架6的上下移动，使伞状容器7开合，进而使伞状容器7中的标准小球5向上收缩覆盖工件8，避免工件8和标准小球5的碰撞。
脱球位台架31为框架结构，固定在机座34上，脱球位台架31的中心轴线与脱球工位4的丝杠18轴线重合；脱球位台架31内部上端设有除球刷30，用于脱球工位4的工件8上下移动时，将工件8上的标准小球物理除球；脱球位台架31内部下端与收料斜板32的一端固定，收料斜板32的另一端位于伞状容器7内，用于将脱球工位4脱落的标准小球5收集到伞状容器7中。
相机阵装置固定在机座34上，其中心轴线与测量工位3的丝杠18轴线重合；相机阵装置包括相机台架36、后俯视相机37、前俯视相机38、第一主视相机39、第二主视相机40、前仰视相机41、后仰视相机42、测试工位台架43和第三主视相机46；测试工位台架43为圆形结构，相机台架36为V字形结构，V字形的内角为100～150°；两根相机台架36下端沿测试工位台架43直径对称垂直固定；两根相机台架36上端分别固定有后俯视相机37和前俯视相机38，保证后俯视相机37和前俯视相机38能对准工件8；测试工位台架43上对称固定有前仰视相机41和后仰视相机42，且两台相机位于相机台架36内侧，保证前仰视相机41和后仰视相机42能对准工件8；三根相机台架36下端以测试工位台架43圆心为中心平均固定，三根相机台架36内侧同一高度处分别固定有第一主视相机39、第二主视相机40和第三主视相机46，保证三台相机对准工件8。
基于三维几何视觉测量机的测量方法，步骤如下：
步骤1：在装卸工位1固定工件8，启动测量机。
步骤2：转台电机9带动工作转台25转至着球工位2，着球工位2的着球位升降电机20启动，带动着球工位2的升降传动齿16转动，通过丝杠螺母17带动丝杠18下降，工件8下降，同时采用静电发生器产生静电吹拂到工件8上和标准小球5上，使工件8和标准小球5带静电；当工件8下降到固定位置后，导柱气缸33带动束架6上升，使伞状容器7开口收缩，标准小球5上升吸附在工件8上；着球位升降电机20反转，提起工件8。
步骤3：转台电机9带动工作转台25转至测量工位3；工件8转动至测量工位3后，工件8置于相机阵装置中，相机阵装置启动拍摄测量；测量工位3为密封标准光环境；测量机对相机阵装置相机获取的图像进行处理，依据标定数据进行数据融合拼接，形成标准球球心三维世界坐标值。
步骤4：测量完成后，转台电机9带动工作转台25转至脱球工位4，脱球位升降电机26通过脱球升降电机齿轮27带动工件8上下往复由除球刷30物理刷球，将标准小球5脱离工件8，脱落的标准小球5沿收料斜板32滚落回伞状容器7中，完成回收。
进一步的，步骤4中，在物理除球的过程中，采用吹拂离子风消除工件8和标准小球5上的静电实现脱球。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
相比现有技术，本发明最大的优点就在于实现了真正的高速测量，在测量机构上，采用了平面连杆机构，实现最高扫描速度达10m/s；在基准建立上，采用粗测量激光传感器，实现无人参与的自动高速基准建立；在编程和测量路径规划上，采用用户只需在CAD模型上定义测量基准、特征及公差，系统自动规划测量路径；取消定位运动和接近运动，只有光顺连续快速扫描运动；测量值由控制脉冲同步锁存提取；测量效率可以达到现有三坐标测量机的10倍以上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明结构AA视图。
图3为本发明结构BB视图。
图4为本发明结构CC视图。
图5为本发明相机阵装置的俯视图。
图中，1装卸工位；2着球工位；3测量工位；4脱球工位；5标准小球；6束架；7伞状容器；8工件；9转台电机；10转台端面轴承；11电机齿轮；12弹簧卡圈；13端盖；14齿轮轴轴承；15升降轴座；16升降传动齿；17丝杠螺母；18丝杠；19升降电机齿轮；20着球位升降电机；21转台传动齿；22升降电机座；23转台轴承；24升降电机座支撑；25工作转台；26脱球位升降电机；27脱球位升降电机齿轮；28立柱；29夹具；30除球刷；31脱球位台架；32收料斜板；33导柱气缸；34机座；35装卸工位台架；36相机台架；37后俯视相机；38前俯视相机；39第一主视相机；40第二主视相机；41前仰视相机；42后仰视相机；43测试工位台架；44滑座；45导杆；46第三主视相机。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图对本发明的具体实施例详细说明。
一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机，包括包括升降机构、工作转台25、相机阵装置和伞状容器7；工作转台25为十字架结构，十字架结构的四端分别依次设有装卸工位1、着球工位2、测量工位3和脱球工位4，且四个工位距离十字架结构中心均为R；装卸工位1、着球工位2、测量工位3和脱球工位4上分别固定升降机构；装卸工位1实现工件8的装卸，着球工位2实现工件8上附着标准小球，测量工位3由相机阵视觉测量附着在工件8上的标准小球，脱球工位4实现将工件8上的标准小球进行回收；
所述的升降机构包括升降传动齿16、丝杠螺母17、丝杠18、夹具29、滑座44和导杆45；所述滑座44为中心设有孔的圆柱结构，滑座44通过导杆45与工作转台25滑动连接，滑座44沿导杆45上下滑动；滑座44中心孔通过轴承与丝杠18连接；丝杠18上端外套丝杠螺母17，丝杠螺母17外部与升降传动齿轮16固连，丝杠18下端穿过滑座44，并固定夹具29，夹具29下端固定有工件8；四个升降传动齿轮16分别通过升降轴座15固定在工作转台25上表面的四个工位处，升降传动齿轮16的下端通过齿轮轴轴承14穿过工作转台25，实现丝杠18穿过工作转台25向下探入标准小球5中；
工作转台25上表面中心通过升降电机座支撑24固定升降电机座22，升降电机座22与工作转台25平行，升降电机座22上表面以中心对称固定着球位升降电机20和脱球位升降电机26，着球位升降电机20和脱球位升降电机26分别与着球工位2和脱球工位4对应，工作转台25下表面中心通过转台端面轴承10和转台轴承23固定在立柱28上端，立柱28下端固定在机座34上；转台电机9固定在立柱28侧壁，转台电机9的输出轴通过电机齿轮11与转台传动齿轮21连接，带动工作转台25按工作节拍自动转换工位；
工作转台25和转台传动齿轮21固联，通过转台端面轴承10和转台轴承23安装在立柱28上方，立柱28下端固定在机座34上；转台电机9固定在立柱28侧壁，转台电机9的输出轴通过电机齿轮11与转台传动齿轮21连接，带动工作转台25按工作节拍自动转换工位；着球位升降电机20的输出轴通过升降电机齿轮19与升降机构的升降传动齿轮16啮合，带动与传动齿轮16连接的丝杠螺母17旋转，进而带动丝杠18驱动滑座44沿导杆45上下移动，实现工件8沉入伞状容器7进行着球；同样在脱球工位4，脱球升降电机26带动脱球工位4的工件8上下移动，除球刷30对工件8进行物理脱球；
伞状容器7固定在机座34上，伞状容器7中心轴线与着球工位2的丝杠18轴线重合；伞状容器7用于收纳标准小球5；束架6为圆环状结构，套装在伞状容器7外部，束架6与导柱气缸33的输出端连接，导柱气缸33固定在立柱28上，带动束架6竖直方向移动；束架6的上下移动，使伞状容器7开合，进而使伞状容器7中的标准小球5向上收缩覆盖工件8，避免工件8和标准小球5的碰撞。
脱球位台架31为框架结构，固定在机座34上，脱球位台架31的中心轴线与脱球工位4的丝杠18轴线重合；脱球位台架31内部上端设有除球刷30，用于脱球工位4的工件8上下移动时，将工件8上的标准小球物理除球；脱球位台架31内部下端与收料斜板32的一端固定，收料斜板32的另一端位于伞状容器7内，用于将脱球工位4脱落的标准小球5收集到伞状容器7中；
相机阵装置固定在机座34上，其中心轴线与测量工位3的丝杠18轴线重合；相机阵装置包括相机台架36、后俯视相机37、前俯视相机38、第一主视相机39、第二主视相机40、前仰视相机41、后仰视相机42、测试工位台架43和第三主视相机46；测试工位台架43为圆形结构，相机台架36为V字形结构，V字形的内角为100～150°；两根相机台架36下端沿测试工位台架43直径对称垂直固定；两根相机台架36上端分别固定有后俯视相机37和前俯视相机38，保证后俯视相机37和前俯视相机38能对准工件8；测试工位台架43上对称固定有前仰视相机41和后仰视相机42，且两台相机位于相机台架36内侧，保证前仰视相机41和后仰视相机42能对准工件8；三根相机台架36下端以测试工位台架43圆心为中心平均固定，三根相机台架36内侧同一高度处分别固定有第一主视相机39、第二主视相机40和第三主视相机46，保证三台相机对准工件8。
基于三维几何视觉测量机的测量方法，步骤如下：
步骤1：在装卸工位1固定工件8，启动测量机。
步骤2：转台电机9带动工作转台25转至着球工位2，着球工位2的着球位升降电机20启动，带动着球工位2的升降传动齿16转动，通过丝杠螺母17带动丝杠18下降，工件8下降，同时采用静电发生器产生静电吹拂到工件8上和标准小球5上，使工件8和标准小球5带静电；当工件8下降到固定位置后，导柱气缸33带动束架6上升，使伞状容器7开口收缩，标准小球5上升吸附在工件8上；着球位升降电机20反转，提起工件8。
步骤3：转台电机9带动工作转台25转至测量工位3；工件8转动至测量工位3后，工件8置于相机阵装置中，相机阵装置启动拍摄测量；测量工位3为密封标准光环境；测量机对相机阵装置相机获取的图像进行处理，依据标定数据进行数据融合拼接，形成标准球球心三维世界坐标值。
步骤4：测量完成后，转台电机9带动工作转台25转至脱球工位4，脱球位升降电机26通过脱球升降电机齿轮27带动工件8上下往复由除球刷30物理刷球，将标准小球5脱离工件8，脱落的标准小球5沿收料斜板32滚落回伞状容器7中，完成回收。
进一步的，步骤4中，在物理除球的过程中，采用吹拂离子风消除工件8和标准小球5上的静电实现脱球。

Claims (3)

1.一种静电附着标准球的三维几何视觉测量机，其特征在于，包括升降机构、工作转台(25)、相机阵装置和伞状容器(7)；工作转台(25)为十字架结构，十字架结构的四端分别依次设有装卸工位(1)、着球工位(2)、测量工位(3)和脱球工位(4)，且四个工位距离十字架结构中心均为R；装卸工位(1)、着球工位(2)、测量工位(3)和脱球工位(4)上分别固定升降机构；装卸工位(1)实现工件(8)的装卸，着球工位(2)实现工件(8)上附着标准小球，测量工位(3)由相机阵视觉测量附着在工件(8)上的标准小球，脱球工位(4)实现将工件(8)上的标准小球进行回收；
所述的升降机构包括升降传动齿(16)、丝杠螺母(17)、丝杠(18)、夹具(29)、滑座(44)和导杆(45)；所述滑座(44)为中心设有孔的圆柱结构，滑座(44)通过导杆(45)与工作转台(25)滑动连接，滑座(44)沿导杆(45)上下滑动；滑座(44)中心孔通过轴承与丝杠(18)连接；丝杠(18)上端外套丝杠螺母(17)，丝杠螺母(17)外部与升降传动齿轮(16)固连，丝杠(18)下端穿过滑座(44)，并固定夹具(29)，夹具(29)下端固定有工件(8)；四个升降传动齿轮(16)分别通过升降轴座(15)固定在工作转台(25)上表面的四个工位处，升降传动齿轮(16)的下端通过齿轮轴轴承(14)穿过工作转台(25)，实现丝杠(18)穿过工作转台(25)向下探入标准小球(5)中；
工作转台(25)上表面中心通过升降电机座支撑(24)固定升降电机座(22)，升降电机座(22)与工作转台(25)平行，升降电机座(22)上表面以中心对称固定着球位升降电机(20)和脱球位升降电机(26)，着球位升降电机(20)和脱球位升降电机(26)分别与着球工位(2)和脱球工位(4)对应，工作转台(25)下表面中心通过转台端面轴承(10)和转台轴承(23)固定在立柱(28)上端，立柱(28)下端固定在机座(34)上；转台电机(9)固定在立柱(28)侧壁，转台电机(9)的输出轴通过电机齿轮(11)与转台传动齿轮(21)连接，带动工作转台(25)按工作节拍自动转换工位；
工作转台(25)和转台传动齿轮(21)固联，通过转台端面轴承(10)和转台轴承(23)安装在立柱(28)上方，立柱(28)下端固定在机座(34)上；转台电机(9)固定在立柱(28)侧壁，转台电机(9)的输出轴通过电机齿轮(11)与转台传动齿轮(21)连接，带动工作转台(25)按工作节拍自动转换工位；着球位升降电机(20)的输出轴通过升降电机齿轮(19)与升降机构的升降传动齿轮(16)啮合，带动与传动齿轮(16)连接的丝杠螺母(17)旋转，进而带动丝杠(18)驱动滑座(44)沿导杆(45)上下移动，实现工件(8)沉入伞状容器(7)进行着球；同样在脱球工位(4)，脱球升降电机(26)带动脱球工位(4)的工件(8)上下移动，除球刷(30)对工件(8)进行物理脱球；
伞状容器(7)固定在机座(34)上，伞状容器(7)中心轴线与着球工位(2)的丝杠(18)轴线重合；伞状容器(7)用于收纳标准小球(5)；束架(6)为圆环状结构，套装在伞状容器(7)外部，束架(6)与导柱气缸(33)的输出端连接，导柱气缸(33)固定在立柱(28)上，带动束架(6)竖直方向移动；束架(6)的上下移动，使伞状容器(7)开合，进而使伞状容器(7)中的标准小球(5)向上收缩覆盖工件(8)，避免工件(8)和标准小球(5)的碰撞；
脱球位台架(31)为框架结构，固定在机座(34)上，脱球位台架(31)的中心轴线与脱球工位(4)的丝杠(18)轴线重合；脱球位台架(31)内部上端设有除球刷(30)，用于脱球工位(4)的工件(8)上下移动时，将工件(8)上的标准小球物理除球；脱球位台架(31)内部下端与收料斜板(32)的一端固定，收料斜板(32)的另一端位于伞状容器(7)内，用于将脱球工位(4)脱落的标准小球(5)收集到伞状容器(7)中；
相机阵装置固定在机座(34)上，其中心轴线与测量工位(3)的丝杠(18)轴线重合；相机阵装置包括相机台架(36)、后俯视相机(37)、前俯视相机(38)、第一主视相机(39)、第二主视相机(40)、前仰视相机(41)、后仰视相机(42)、测试工位台架(43)和第三主视相机(46)；测试工位台架(43)为圆形结构，相机台架(36)为V字形结构，V字形的内角为100～150°；两根相机台架(36)下端沿测试工位台架(43)直径对称垂直固定；两根相机台架(36)上端分别固定有后俯视相机(37)和前俯视相机(38)，保证后俯视相机(37)和前俯视相机(38)能对准工件(8)；测试工位台架(43)上对称固定有前仰视相机(41)和后仰视相机(42)，且两台相机位于相机台架(36)内侧，保证前仰视相机(41)和后仰视相机(42)能对准工件(8)；三根相机台架(36)下端以测试工位台架(43)圆心为中心平均固定，三根相机台架(36)内侧同一高度处分别固定有第一主视相机(39)、第二主视相机(40)和第三主视相机(46)，保证三台相机对准工件(8)。
2.根据权利要求1所述的三维几何视觉测量机的测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在装卸工位(1)固定工件(8)，启动测量机；
步骤2：转台电机(9)带动工作转台(25)转至着球工位(2)，着球工位(2)的着球位升降电机(20)启动，带动着球工位(2)的升降传动齿(16)转动，通过丝杠螺母(17)带动丝杠(18)下降，工件(8)下降，同时采用静电发生器产生静电吹拂到工件(8)上和标准小球(5)上，使工件(8)和标准小球(5)带静电；当工件(8)下降到固定位置后，导柱气缸(33)带动束架(6)上升，使伞状容器(7)开口收缩，标准小球(5)上升吸附在工件(8)上；着球位升降电机(20)反转，提起工件(8)；
步骤3：转台电机(9)带动工作转台(25)转至测量工位(3)；工件(8)转动至测量工位(3)后，工件(8)置于相机阵装置中，相机阵装置启动拍摄测量；测量工位(3)为密封标准光环境；测量机对相机阵装置相机获取的图像进行处理，依据标定数据进行数据融合拼接，形成标准球球心三维世界坐标值；
步骤4：测量完成后，转台电机(9)带动工作转台(25)转至脱球工位(4)，脱球位升降电机(26)通过脱球升降电机齿轮(27)带动工件(8)上下往复由除球刷(30)物理刷球，将标准小球(5)脱离工件(8)，脱落的标准小球(5)沿收料斜板(32)滚落回伞状容器(7)中，完成回收。
3.如权利要求2所述的三维几何视觉测量机的测量方法，其特征在于，步骤4中，在物理除球的过程中，采用吹拂离子风消除工件(8)和标准小球(5)上的静电实现脱球。
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