CN109405755B - 一种大尺寸管板孔径和节距测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸管板孔径和节距测量装置与测量方法，测量装置包括二维平移机构、测头机构、控制器和计算机，二维平移机构按照提前规划的路径进行移动，测头机构完成图像采集并上传至计算机，计算机通过对图像信息处理，获得管板的孔径以及相邻孔的节距数据，进而将测量结果进行显示并完成检测报告的存储和打印输出。测量方法包括以下步骤：1)目标孔的识别与分离；2)利用亚像素边缘提取方法提取目标孔边缘，并利用孔边缘拟合各孔中心；3)基于平面射影变换和极线约束进行目标孔匹配；4)局部平面确定；5)孔边缘三维坐标计算；6)采用冗余测量结果择优选取确定孔径和节距。本发明可靠性高，测量结果准确。

Description

一种大尺寸管板孔径和节距测量装置与测量方法

技术领域

本发明属于机器视觉测量领域，涉及一种大尺寸管板孔径和节距测量装置与测量方法。

背景技术

机械零件的尺寸检测是机械加工领域的重要环节之一，其检测结果直接会影响到产品的质量，甚至会对后续的再加工和装配质量起决定性作用。传统的机械零件尺寸检测工具主要包括卡尺、量规、万能工具显微镜、轮廓仪等。目前，大多数厂商对工业零部件尺寸的测量，仍采用人工检测的方法。人工检测存在劳动强度大、人力成本高、检测速度慢、主观性强等缺点，不仅影响生产线的工作效率，而且浪费了大量的劳动资源，检测人员的工作状态对检测结果有很大影响。随着工业现代化的进一步发展，传统的检测手段已经不能完全满足现代化工业生产对机械零件在尺寸检测精度和速度上的要求。基于机器视觉的机械零件尺寸检测是现代化检测手段发展的趋势之一，该类方法具有高精度、快速、非接触等优点，相比于传统的检测方法具有显著的优势。机器视觉检测技术是基于机器视觉技术、光学成像原理形成的一种新型检测技术，它是以光学为基础，融合电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术、信息处理等现代科学技术为一体，组成光、电、算综合的检测技术。该检测方法利用光电成像系统采集被测目标的图像，然后经计算机或专用的图像处理模块进行数字化处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，进行尺寸、形状、颜色等的判断。

在现代大型电站设备中，凝汽器是凝汽式汽轮机辅机设备中最主要的设备之一，其作用是利用循环冷却水使汽轮机排出的蒸汽凝结，在汽轮机排汽空间建立并维持所需真空。其中，管板是凝汽器重要部分，管板决定凝汽器管束排列形式，管束排列形式对凝汽器的性能影响很大。管板检测的关键尺寸是孔直径和节距。目前，管板检测常用的方法是人工塞规法，即通过人力利用塞规挨个测量，检测一块大型管板平均耗时长达4天。人工塞规法的劳动强度大、人力成本高、自动化程度低、效率低，而且易受人主观因素影响，容易出现漏检和错检的情况。针对孔径和节距测量方面的测量仪器还有三坐标和基于影像的孔径测量仪，三坐标虽然精度很高，但是成本高、操作复杂、效率低；基于影像的孔径测量仪效率有明显提高，但这两类仪器由于测量范围的限制均不能测量外形尺寸较大的零件。因此，研发一套针对大型管板的高效、高精度的尺寸测量系统具有非常重要的意义和价值。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种大尺寸管板孔径和节距测量装置与测量方法，解决大尺寸管板表面质量差、表面平面度较差对测量精度的影响，测量结果准确，系统可靠性高。

为了实现上述目的，本发明大尺寸管板孔径和节距测量装置采用的技术方案为：

包括二维平移机构、测头机构、控制器和计算机；所述的二维平移机构实现所需扫描区域的运动，测头机构安装在二维平移机构上，二维平移机构具有滑块以及能够驱动滑块在横、纵两个方向移动的伺服电机；测头机构采用若干个汇聚式立体视觉加环带补光的集成测头，且集成测头内各相机互成角度进行图像信息的采集；控制器实现对二维平移机构的运动控制以及对测头机构进行图像采集的触发控制；所述的计算机用于实现采集图像的数据处理、结果显示、报告输出以及人机交互；二维平移机构按照提前规划的路径进行移动，测头机构完成图像采集并上传至计算机，计算机通过对图像信息处理，获得管板的孔径以及相邻孔的节距数据，进而将测量结果进行显示并完成检测报告的存储和打印输出。

所述的二维平移机构包括龙门式二维滑台和型材支撑。

所述的龙门式二维滑台包括伺服电机、减速机、拖链、导向槽和限位开关，其中，减速机用于提高伺服电机的扭矩，龙门式二维滑台在横向和纵向的龙门支架旁设置导向槽，导向槽上安装用于布线的拖链，限位开关用于导轨的原点复位及极限位置的限位，通过若干根均匀分布的型材支撑对龙门式二维滑台进行支撑，减小平移中的振动。

所述的测头机构由辅助光源、激光定位器以及两个以上数量的相机组成；相机用于采集数字图像，供后续图像处理以获取对象孔径和节距尺寸；辅助光源采用环带形式用于测量环境下的补光，使测量视场内的光照均匀；激光定位器用于调整相机的拍摄距离以达到最佳的测量精度，以及用于二维平移机构在测量范围内的准确定位、系统参数调节和预设。

控制器包括伺服驱动器、ARM或PLC控制板、通信交换机、抗电磁干扰模块以及电源模块；伺服驱动器用于向伺服电机设置运动模式和脉冲输入；ARM或PLC控制板用于指定伺服驱动器的脉冲信号和电平信号，实现设定的运动形式及限位控制；通信交换机用于实现ARM或PLC控制板与测头机构、计算机的数据交互；抗电磁干扰模块用于消除或削弱控制器内部瞬时强电压或电流以及电压波动对低压模块电平信号产生的电磁干扰。

本发明大尺寸管板孔径和节距测量方法，包括以下步骤：

1)目标孔的识别与分离；

通过安装在二维平移机构上的测头机构拍摄管板，测头机构包括两个以上数量的相机，对采集到的数字图像进行预处理，识别并分离出目标孔对象；

2)目标孔边缘提取；

利用亚像素边缘提取方法提取目标孔边缘，并利用孔边缘拟合各孔中心；

3)目标孔匹配；

基于平面射影变换和极线约束，将各个孔中心逐一匹配，并去除未匹配的孔；

4)局部平面确定；

基于汇聚式立体视觉原理以及已标定的系统参数，计算匹配孔的中心三维坐标，利用目标孔及其邻近孔的中心三维坐标，拟合目标孔所在的局部平面；

5)孔边缘三维坐标计算；

通过目标孔图像坐标及其所在局部平面方程，计算出多组孔的边缘三维坐标；

6)孔径和节距的确定；

将获得的孔边缘三维坐标在所在局部平面内进行二维对象拟合，获得孔直径及目标孔与邻近孔的节距；根据目标孔数字图像边缘的拟合残差和理论孔径值，去除拟合残差大且偏离理论孔径值大的拟合结果，并对剩余拟合值求取平均值作为最终的测量结果。

所述的步骤3)具体操作步骤为：首先，通过测头机构之间的标定参数求解出各相机像面之间的平面射影变换矩阵和极线计算基本矩阵；然后，任选其中一幅相机测量图作为目标图像，逐个将其上的目标孔中心通过平面射影变换映射至另外的待匹配相机图像上，进而将待匹配相机图像与该映射点距离小于设定阈值的孔中心点作为目标孔中心的待定匹配点，若设定距离范围内无点则该目标孔无对应点，直接去除；若有，则计算目标孔中心在待匹配相机图像上的对应极线，计算待定匹配点与该对应极线的距离，选择距离最小且该距离值小于设定距离阈值的点作为目标孔中心的最终匹配点；重复上述过程，直至目标图像上的目标孔全部确定完毕，建立起各相机图像上相应匹配点的一一对应关系。

所述的步骤4)、5)基于相机模型和动态局部平面结合进行测量，具体操作步骤为：

首先，在每个测量视场内，对于每个目标孔，利用该孔中心及其邻近管孔中心(两个以上，通过设定距离阈值进行选取)的三维坐标拟合出相应的局部平面，结合已标定的相机测量模型，可直接计算出目标孔边缘各像点的三维坐标，并在相应的局部平面内进行二维对象(如圆)拟合，获取目标孔的直径；进而，计算目标孔测量直径与理论值的偏差，若整个测量视场的目标孔直径偏差均小于一个设定阈值，则保存该测量视场的平面参数；若直径偏差大于设定阈值时，增加邻近孔数以提高局部平面的拟合精度，继续计算目标孔直径及与理论直径的偏差，直至偏差小于设定阈值；若当增大到整个视场范围时偏差仍过大，则采用测量结果较好的邻近视场的平面参数进行替代，最终可保证测量结果的稳定性。

所述的步骤6)中冗余测量结果择优选取方法具体操作步骤为：对于多个相机可获得同一目标孔的多个测量结果，分别计算各个测量结果的数字图像边缘的拟合残差和计算孔直径与理论孔径的偏离程度，当拟合残差标准差大于设定阈值且测量孔径偏离值大于设定阈值时，该测量结果去除，然后对剩余的测量结果求平均作为最终的直径和节距测量结果。

与现有技术相比，本发明测量装置具有如下的有益效果：针对于实际管板产品外形尺寸大、人工检测效率低等问题，该测量装置基于S形离散化分段调速模型，实现测头频繁间断启停平稳拍摄，该结构运行平稳可靠，定位精度较高，能够按预设规划路径进行运动，避免人工干预，提高了检测效率。测头机构采用两个以上外加环带补光的汇聚式立体视觉相机，相机互成角度进行图像信息的采集，控制器实现了伺服电机的精确定位及可靠限位。

与现有技术相比，本发明测量方法通过平面射影变换及极线约束的管孔匹配方法解决了管孔对象因孔径和距离均相同缺乏显著特征造成目标匹配困难的问题。针对管板表面质量差、表面平面度较差等问题，通过基于相机模型和动态局部平面结合的测量方法，避免了立体视觉孔边缘匹配难及平面参数固定造成测量误差大的问题，提高了测量结果的准确性。本发明采用冗余测量结果择优选取方法，即多个相机可获得同一目标孔的多个测量结果，对各个测量结果根据对应的数字图像边缘的拟合残差和与理论孔径值的偏离程度，去除拟合残差大且偏离理论孔径值大的测量结果，其中，拟合残差和理论孔径偏离值的阈值由精度需求和标准样板的统计结果进行确定。再对剩余测量结果求平均作为最终的测量结果，准确可靠。

附图说明

图1本发明大尺寸管板孔径和节距测量装置的结构示意图；

图2本发明大尺寸管板孔径和节距测量方法的原理示意图；

附图中：1-测头机构；2-控制器；3-计算机；4-减速机；5-伺服电机；6-龙门式二维滑台；7-型材支撑；8-拖链；9-限位开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明的测量装置由大型二维平移机构、测头机构1、控制器2和计算机3等组成。其中，大型二维平移机构在功能上主要包括龙门式二维平移滑台6和型材支撑7。龙门式二维平移滑台6包括伺服电机5、减速机4、拖链8、导向槽、限位开关9等附件；型材支撑7主要用于支撑和固定二维平移滑台，保证平移机构定位的精度和稳定性。龙门式二维平移滑台6的传动机构采用同步传动方式，保证较高的绝对定位精度；动力机构选择伺服电机5，实现了精准的定位要求。龙门式二维平移滑台6在功能上主要实现测头机构1的精确定位和可靠限位。当管板上料后，伺服电机5带动测头机构1运动到管孔测量初始位置，随后开始扫描检测运动。当运动超出行程范围，限位开关9使其停止，以免测头损坏。龙门式二维平移滑台6带动测头机构1实现具有一定路径规划的管孔扫描运动，具体运动方式如下：

扫描测量时，逐行(或逐列)间歇扫描，并自动跳过无孔的视场；

采集图像时测头停止不动，采集完成后方运动到下一视场，直到全部管孔扫描完毕。

测头机构1主要包含辅助光源、激光定位器以及两个以上数量的相机。相机用于对数字图像的采集，供后续图像处理以获取对象孔径和节距尺寸；两个以上的相机采取汇聚式光路布置，并合理设置彼此间的角度，以实现较高的测量精度。辅助光源采用环带形式用于测量环境下的补光，使测量视场内的亮度均匀。激光定位器用于调整测头的拍摄距离以达到最佳的测量精度，以及用于扫描机构在测量范围内的准确定位、系统初始参数的调节和预设。

控制器2主要由伺服驱动器、ARM(PLC)控制板、通信交换机、抗电磁干扰模块、电源模块等组成。控制器2的主要功能是实现对二维扫描机构的运动控制和测头的触发图像采集，以及与计算机3的数据交互。即，测量开始时，控制器接收到运动指令，移动测头到预设初始测量位置开始进行扫描运动，间歇停止时触发测头拍摄，图像采集完成后，将当前视场的图像信息和位置等运动信息等传输给上位计算机并进行处理。

计算机3主要负责测量系统的人机交互、数据图像处理、结果显示及报告输出等功能。如图1所示，计算机3通过发送管板自动测量指令给控制器，控制测头机构1实现自动路径规划的运动扫描和图像采集；计算机3对接收的图像信息进行孔径和节距的视觉检测算法处理，并将测量结果信息进行界面显示并最终生成测量报告。

本发明的测量方法是基于汇聚式立体视觉的管板尺寸测量方法，如图2所示，为大尺寸管板孔径和节距测量原理示意图。首先，由两个以上的相机(以两个相机为例，图示中Camera_n中n取2)同时拍摄对象管板并进行处理，将目标孔识别并分离出来，对目标孔进行边缘提取并拟合出孔中心，再将各相机所提取出的孔中心进行一一对应匹配。其次，基于汇聚式立体视觉原理以及系统参数，计算匹配孔中心各点的世界坐标。然后，利用目标孔及其邻近孔中心的坐标，确定目标孔所在的局部平面。最后，通过目标孔图像坐标及其所在局部平面方程，计算出孔边缘三维坐标信息；将孔边缘三维坐标在所在局部平面内进行二维对象拟合，得到孔径及其目标孔与邻近孔的节距。其中，摄像机数学模型为：

式中，s_c为比例因子，u、v为图像坐标，X、Y、Z为空间点世界坐标，M是摄像机隐参数矩阵。从而，基于立体视觉原理，可得视场内各孔中心点的三维坐标。

其中，局部平面方程为：

AX+BY+CZ＝1

式中，A、B、C表示局部平面参数，X、Y、Z是空间点的世界坐标。

联立摄像机模型与局部平面方程即可得到孔边缘点的三维坐标。两个摄像机可以得到两组孔边缘的三维坐标值，后续二维对象拟合时也会得到两组拟合结果。随后根据目标孔数字图像边缘的拟合残差和与理论孔径的偏差，对拟合结果进行精细化判断，去除拟合残差大且偏离理论孔径值大的拟合结果，并对剩余的拟合值求平均作为最终测量结果。拟合残差和与理论孔径的偏差的阈值由精度测量需求和标准样板检测的统计结果进行确定拟合残差阈值可选0.5个像素，理论孔径偏离值阈值可选0.1mm。当拟合结果对应的拟合残差大于0.5个像素且偏离理论孔径值大于0.1mm时，认为其对应的孔边缘提取误差较大，应舍弃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，在不脱离本发明的精神原则下，本领域技术人员还可以根据上述技术内容进行若干简单的替换，这些都应当视为落入权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大尺寸管板孔径和节距测量装置，其特征在于：包括二维平移机构、测头机构(1)、控制器(2)和计算机(3)；所述的二维平移机构实现所需扫描区域的运动，测头机构(1)安装在二维平移机构上，二维平移机构具有滑块以及能够驱动滑块在横、纵两个方向移动的伺服电机(5)；测头机构(1)采用若干个汇聚式立体视觉加环带补光的集成测头，且集成测头内各相机互成角度进行图像信息的采集；控制器(2)实现对二维平移机构的运动控制以及对测头机构(1)进行图像采集的触发控制；所述的计算机(3)用于实现采集图像的数据处理、结果显示、报告输出以及人机交互；二维平移机构按照提前规划的路径进行移动，测头机构(1)完成图像采集并上传至计算机(3)，计算机(3)通过对图像信息处理，处理过程包括基于平面射影变换和极线约束，将各个孔中心逐一匹配，并去除未匹配的孔，再基于汇聚式立体视觉原理以及已标定的系统参数，计算匹配孔的中心三维坐标，利用目标孔及其邻近孔的中心三维坐标，拟合目标孔所在的局部平面，最后通过目标孔图像坐标及其所在局部平面方程，计算出多组孔的边缘三维坐标；获得管板的孔径以及相邻孔的节距数据，进而将测量结果进行显示并完成检测报告的存储和打印输出；所述的二维平移机构包括龙门式二维滑台(6)和型材支撑(7)；所述的龙门式二维滑台(6)包括伺服电机(5)、减速机(4)、拖链(8)、导向槽和限位开关(9)，其中，减速机(4)用于提高伺服电机(5)的扭矩，龙门式二维滑台(6)在横向和纵向的龙门支架旁设置导向槽，导向槽上安装用于布线的拖链(8)，限位开关(9)用于导轨的原点复位及极限位置的限位，通过若干根均匀分布的型材支撑(7)对龙门式二维滑台(6)进行支撑，减小平移中的振动；

所述的测头机构(1)包括辅助光源、激光定位器以及两个以上数量的相机；所述的相机用于采集数字图像，供后续图像处理以获取对象孔径和节距尺寸；辅助光源采用环带形式用于测量环境下的补光，使测量视场内的光照均匀；激光定位器用于调整相机的拍摄距离以达到最佳的测量精度，以及用于二维平移机构在测量范围内的准确定位、系统参数调节和预设；

控制器(2)包括伺服驱动器、ARM或PLC控制板、通信交换机、抗电磁干扰模块以及电源模块；伺服驱动器用于向伺服电机设置运动模式和脉冲输入；ARM或PLC控制板用于指定伺服驱动器的脉冲信号和电平信号，实现设定的运动形式及限位控制；通信交换机用于实现ARM或PLC控制板与测头机构(1)、计算机(3)的数据交互；抗电磁干扰模块用于消除或削弱控制器内部瞬时强电压或电流以及电压波动对低压模块电平信号产生的电磁干扰。

2.一种大尺寸管板孔径和节距测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)目标孔的识别与分离；

通过安装在二维平移机构上的测头机构(1)拍摄管板，所述的二维平移机构包括龙门式二维滑台(6)和型材支撑(7)；所述的龙门式二维滑台(6)包括伺服电机(5)、减速机(4)、拖链(8)、导向槽和限位开关(9)，其中，减速机(4)用于提高伺服电机(5)的扭矩，龙门式二维滑台(6)在横向和纵向的龙门支架旁设置导向槽，导向槽上安装用于布线的拖链(8)，限位开关(9)用于导轨的原点复位及极限位置的限位，通过若干根均匀分布的型材支撑(7)对龙门式二维滑台(6)进行支撑，减小平移中的振动；测头机构(1)包括辅助光源、激光定位器以及两个以上数量的相机，两个以上的相机对采集到的数字图像进行预处理，识别并分离出目标孔对象；辅助光源采用环带形式用于测量环境下的补光，使测量视场内的光照均匀；激光定位器用于调整相机的拍摄距离以达到最佳的测量精度，以及用于二维平移机构在测量范围内的准确定位、系统参数调节和预设；

2)目标孔边缘提取；

利用亚像素边缘提取方法提取目标孔边缘，并利用孔边缘拟合各孔中心；

3)目标孔匹配；

基于平面射影变换和极线约束，将各个孔中心逐一匹配，并去除未匹配的孔；首先通过测头机构(1)之间的标定参数求解出各相机像面之间的平面射影变换矩阵和极线计算基本矩阵；任选其中一幅相机测量图作为目标图像，逐个将其上的目标孔中心通过平面射影变换映射至另外的待匹配相机图像上，进而将待匹配相机图像与该映射点距离小于设定阈值的孔中心点作为目标孔中心的待定匹配点，若设定距离范围内无点则该目标孔无对应点，直接去除；若有，则计算目标孔中心在待匹配相机图像上的对应极线，计算待定匹配点与该对应极线的距离，选择距离最小且该距离值小于设定距离阈值的点作为目标孔中心的最终匹配点；重复上述过程，直至目标孔全部确定完毕，建立起各相机图像上相应匹配点的一一对应关系；

4)局部平面确定；

基于汇聚式立体视觉原理以及已标定的系统参数，计算匹配孔的中心三维坐标，利用目标孔及其邻近孔的中心三维坐标，拟合目标孔所在的局部平面；

5)孔边缘三维坐标计算；

通过目标孔图像坐标及其所在局部平面方程，计算出多组孔的边缘三维坐标；

6)孔径和节距的确定；

将获得的孔边缘三维坐标在所在局部平面内进行二维对象拟合，获得孔直径及目标孔与邻近孔的节距；根据目标孔数字图像边缘的拟合残差和理论孔径值，去除拟合残差大且偏离理论孔径值大的拟合结果，并对剩余拟合值求取平均值作为最终的测量结果。

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