CN109186969B - 一种伺服进给运动动态性能视觉检测方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服进给运动动态性能视觉检测方法，将高速相机安装在伺服进给运动部件运动范围的上方，对高速相机进行标定，获取高速相机的内外部参数；对图像中的每一帧图像进行滤波去噪，提取几何标志图形，计算几何标志图形的中心像素坐标；根据高速相机的内外部参数将几何标志图形的中心像素坐标转为伺服进给运动部件的实际位置，得到时间‑位移关系曲线，完成伺服进给运动部件的动态性能视觉检测。本发明通过采用高速相机对伺服进给运动信息进行采集，得到该运动部件的运动性能，能够为包含伺服运动的装备调试安装、性能分析、参数优化提供了一种状态监测手段。本发明中的部件结构简单，易于实现，成本低。

Description

一种伺服进给运动动态性能视觉检测方法

技术领域

本发明属于工业设备伺服进给运动动态性能检测与分析诊断领域，涉及一种伺服进给运动动态性能视觉检测方法。

背景技术

伺服进给运动是机床、激光加工等各种制造装备与精密检测设备中最为重要的运动实现形式，在装备制造调试初期，需要对各个运动方向的运动动态性能进行调试与改进，以及在装备的长期使用中，由于负载、环境等各方面原因会使装备在精度、效率等性能上有所下降。在这种背景下，对制造装备伺服进给运动动态性能进行检测，并根据检测结果对伺服运动参数调整与优化变得尤为重要。

基于激光干涉仪、激光尺等传统的检测分析方法能够实现对这种伺服进给运动位置的获取，但这些方法也存在着一些明显的弊端。广泛使用的激光干涉仪存在明显的不足：准备与安装过程繁琐，价格昂贵，最为重要的是激光干涉仪通常用于定位精度、重复定位精度等方面的检测，而对于伺服进给运动动态性能的检测往往难以实现。激光尺能够实现伺服运动动态性能的检测，但其准备与安装过程同样繁琐，价格更为昂贵，并没有得到较多的使用。光栅尺能够用于静态与动态运动性能的检测，但半闭环伺服运动系统上并没有光栅尺这样的测量反馈装置，从而不能实现对设备的运动性能进行检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伺服进给系统运动特性检测方法，根据该方法的结果可以对系统参数进行调优，从而实现对系统性能的优化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种伺服进给运动动态性能视觉检测方法，包括以下步骤：

(1)将高速相机安装在伺服进给运动部件运动范围的上方，并使高速相机和伺服进给运动部件的运动方向平行；

(2)对高速相机进行标定，获取高速相机的内外部参数；

(3)将几何标志图形贴在伺服进给运动部件上，并使几何标志图形始终在高速相机的视场范围内，然后使用高速相机续采集伺服进给运动部件动态运动过程的图像；

(4)对步骤(3)采集的图像中的每一帧图像进行滤波去噪，提取几何标志图形，计算几何标志图形的中心像素坐标；根据步骤(2)中高速相机的内外部参数将几何标志图形的中心像素坐标转为伺服进给运动部件的实际位置；

(5)根据步骤(4)中获取的伺服进给运动部件的实际位置，得出时间-位移离散关系，并采用插值法完成数据拟合，得到时间-位移关系曲线，完成伺服进给运动部件的动态性能视觉检测。

本发明进一步的改进在于，采用两个分布于高速相机两侧的条形光源对伺服进给运动部件进行打光。

本发明进一步的改进在于，高速相机设置在伺服进给运动部件运动范围的中心位置的正上方。

本发明进一步的改进在于，采用水平仪、千分表使高速相机和伺服进给运动部件运动方向保持平行。

本发明进一步的改进在于，采用标定板对高速相机进行标定，获取高速相机的内外部参数。

本发明进一步的改进在于，插值法是线性插值或多项式插值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1.本发明通过采用高速相机对伺服进给运动信息进行采集，得到该运动部件的运动性能，能够为包含伺服运动的装备调试安装、性能分析、参数优化提供了一种状态监测手段。并且，本发明中的部件结构简单，易于实现，成本低。

2.该检测方法可用于任何伺服进给系统运动特性的检测，解决了半闭环伺服进给系统难以检测到实际运动特性的问题。

进一步的，根据伺服进给运动速度等参数可以适当的选择高速相机的型号与帧率；根据运动行程适当选择高速相机的镜头焦距等参数，以此实现检测系统硬件的动态配置，节省成本。

进一步的，本发明中选取条形光源两个，分别从高速相机的两侧对图像采集区域打光，使光照均匀并且没有阴影，使运动部件拍摄区域图像拍摄清晰。

附图说明

图1为高速相机和光源和相对位置关系图。

图2为伺服进给系统运动特性分析的检测方法流程图。

图3为对高速相机标定的操作方法流程图。

图4为使高速相机完全平行于运动部件运动方向时所采用的矩形。

图5为参数调优前后运动部件的时间-位移曲线。

其中：1为高速相机；2为光源；3为伺服进给运动部件；4为几何标志图形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1-图4，本发明所表述的方法在实施过程中主要包括高速相机灯光选型、安装光源、调整高速相机、高速相机标定、采集处理图像、计算位移信息、数据处理及可视化、分析数据及参数调优等一些步骤，具体的参见图1，本发明应用伺服进给运动动态特性检测、机器视觉测量与图像处理、以及伺服参数调优等技术，通过在伺服运动部件运动区域上方安装一个高速相机1，并选取合适的光源2进行打光；将几何标志图形4贴在伺服进给运动部件3合适位置，并对高速相机进行标定并微调高速相机使其和伺服进给运动部件运动方向保持平行。对拍摄得到的图像进行处理，得到标志图形中心的像素坐标。将像素信息转化为伺服进给伺服系统运动部件的实际位置。从而得到时间-位移数据并根据分析结果对伺服运动参数合理调优。参见图2，具体步骤如下所示：

(1)根据伺服进给运动部件的运动速度以及伺服进给运动行程，选择适合的高速相机以及镜头，使得伺服进给运动部件的运动范围在高速相机以及镜头范围内。

(2)考虑到图像采集区域是一个矩形区域，目标为做直线运动的伺服进给运动部件，为了排除照明不均匀和阴影对伺服进给运动部件的影响，采用两个分布于高速相机两侧的条形光源对伺服进给运动部件进行打光。

(3)将高速相机安装在伺服进给运动部件运动范围的上方，一般是运动范围的中心位置的正上方，对高速相机进行微调，并使高速相机和伺服进给运动部件的运动方向基本平行。其中，使相高速机和伺服进给运动部件运动方向保持平行的方式可以采用水平仪、千分表等工具。高速相机和伺服进给运动部件运动方向保持平行只是粗略调整，为下一步微调高速相机使其和伺服进给运动部件运动方向保持平行做准备。

(4)参见图3，伺服进给运动部件上设置有矩形，计算高速相机采集到的设置在伺服进给运动部件的矩形长宽，判断高速相机与伺服进给运动方向平行情况，根据结果可以对高速相机进行微调，直到高速相机完全平行于伺服进给运动部件运动平面。使用标定板对高速相机进行标定，获取高速相机的内外部参数。参见图4，矩形可以为矩形框或者矩形线条。

(5)将几何标志图形贴在伺服进给运动部件的合适位置上，并使几何标志图形始终在高速相机的视场范围内，然后使用高速相机续采集伺服进给运动部件动态运动过程的图像。控制高速相机，采集伺服进给运动部件运动时的每一帧图像。

(6)对步骤(5)采集图像的每一帧图像进行滤波去噪，提取几何标志图形，计算几何标志图形的中心像素坐标；根据步骤(4)中高速相机的内外部参数将几何标志图形的中心像素坐标转为伺服进给运动部件的实际位置。

其中，运动的速度与帧率有较大的关系，若是速度太快而高速相机帧率不够将导致采集到的图像模糊，最终不能提取到精准的几何标志图形的中心。伺服进给运动行程直接影响了高速相机的焦距以及镜头的选型。

(7)根据步骤(6)中获取的伺服进给运动部件的实际位置，得出时间-位移离散关系，并采用插值法完成数据拟合，得到时间-位移关系曲线，完成伺服进给运动部件的动态性能视觉检测。其中，使用的插值方法可以是线性插值或多项式插值等传统的方法，也可以是对历史数据进行训练，使用机器学习的方法对数据点进行补充。

(8)根据时间-位移关系曲线，对伺服进给运动部件的运动参数调优。

本发明中关于高速相机的安装、高速相机与伺服进给运动部件运动方向保持平行以及图像采集的具体说明如下：

(1)相机的安装方法

根据伺服进给运动速度选择高速相机帧率，根据伺服进给运动行程选择相机焦距与镜头。选取一款适合当前环境的高速相机非常重要。相机选择的主要的参数有相机的视场大小，相机的帧率。相机的视场大小是影响图像所能拍摄区域大小的一个重要因素。所选相机的视场大小要满足一定条件，当相机安装合适的高度时，相机的拍摄区域要覆盖伺服进给运动部件运动行程。另一方面，相机的帧率要保证在伺服进给部件运动时，都能从相机拍摄到的每一帧图像提取到清晰可见的标志图形。当帧率太高时会受到计算机处理图片速度的限制，所以根据实际需要可以适当权衡相机帧率的选取。

(2)高速相机与伺服运动部件运动方向保持平行。选择并安装合适光源使运动部件拍摄区域图像拍摄清晰。将步骤(1)过程选取的高速相机固定在伺服进给运动部件行程中心的正上方，使高速相机的视场范围能够覆盖伺服进给运动部件的运动行程，通过水平仪尽量使相机平行于伺服进给运动部件运动方向。对高速相机进行微调使相机完全平行于伺服进给运动部件运动方向，并标定高速相机内外部参数。

1)打光方式

考虑到光照和阴影对图像的影响，需要安装适当的光源对拍摄区域打光，使拍摄到的图像尽可能清晰。同时也要调整好光源的角度避免反射光对图像采集效果产生影响。本发明中选取条形光源两个，分别从高速相机的两侧对图像采集区域打光，使光照均匀并且没有阴影。

2)微调高速相机并标定高速相机

测量贴在伺服进给运动部件上方的标准矩形，通过标准矩形长宽参数微调高速相机使其平行于伺服进给运动部件运动方向。使用标定板和合适的标定方法对高速相机的内外参数进行标定。

(3)图像采集并处理

在伺服进给运动部件上合适位置贴好几何标志图形后，开始采集伺服进给运动图像。处理采集到的每一帧图像，提取出标志图形信息，计算出标志点中心位置像素坐标，然后根据高速相机的内外参数，计算出标志图形的运动位置值。

实施例

以对某种型号的伺服进给运动部件的运动性能检测为例，说明本发明所述检测方法的有效性。根据该运动部件的运动特点选用了型号为OPTRONIS CP80-3的高速相机和两个条形光源。调整光源的角度使高速相机拍摄的区域光照均匀且没有阴影，接着调整高速相机的角度使其平行于伺服进给运动部件的运动平面，在伺服进给运动部件的运动过程中，高速相机采集的伺服进给运动部件上的矩形的长宽均相等的情况下对高速相机的内外参数进行标定，最终测得贴合在运动部件上的几何标志图形的中心像素坐标并将其转化为位置坐标，从而获得该运动部件时间-位移关系曲线，根据时间-位移关系曲线对运动部件的伺服电机参数(本实施例中调整了速度环截止频率(fd01)、速度环比例增益(fd02)、速度环积分增益(fd03)、位置环截止频率(fd09)等参数)进行调优，再通过同样的方法获得了参数调优后的运动部件时间-位移关系曲线。

从图5可以看出，收敛的速度变快，优化后的整体性能变好，动态性能得到了优化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护。

Claims (1)

1.一种伺服进给运动动态性能视觉检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据伺服进给运动部件速度参数选择高速相机的型号与帧率，根据运动行程选择高速相机的镜头焦距；将高速相机安装在伺服进给运动部件运动范围的上方，并使高速相机和伺服进给运动部件的运动方向平行；

(2)对高速相机进行微调，使高速相机和伺服进给运动部件的运动方向基本平行，使相高速机和伺服进给运动部件运动方向保持平行的方式采用水平仪或千分表；伺服进给运动部件上设置有矩形，计算高速相机采集到的设置在伺服进给运动部件的矩形长宽，判断高速相机与伺服进给运动方向平行情况，根据结果对高速相机进行微调，直到高速相机完全平行于伺服进给运动部件运动平面；矩形为矩形框或者矩形线条；

(3)使用标定板对高速相机进行标定，获取高速相机的内外部参数；将几何标志图形贴在伺服进给运动部件上，并使几何标志图形始终在高速相机的视场范围内，然后使用高速相机连 续采集伺服进给运动部件动态运动过程的图像；

(4)对步骤(3)采集的图像中的每一帧图像进行滤波去噪，提取几何标志图形，计算几何标志图形的中心像素坐标；根据步骤(2)中高速相机的内外部参数将几何标志图形的中心像素坐标转为伺服进给运动部件的实际位置；

(5)根据步骤(4)中获取的伺服进给运动部件的实际位置，得出时间-位移关系曲线，完成伺服进给运动部件的动态性能视觉检测结果；根据时间-位移关系曲线对运动部件的伺服电机参数进行调优，再次获得参数调优后的运动部件时间-位移关系曲线；伺服电机参数包括速度环截止频率、速度环比例增益、速度环积分增益与位置环截止频率。

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