CN109458958B - 一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计并提供了一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法，该方法所依托的四轴视觉测量装置由工作台、转台、图像采集装置、相机姿态调整座和三坐标移动机构组成，具有X、Y、Z三个直线轴和一个回转轴A。该方法借助于硬质合金钢制成的长方体标定块，通过三坐标移动机构的空间直线运动和转台的回转运动，完成不同角度位置处的标定块边缘以及转台台面的上边缘的图像采集，同时记录各个直线轴的光栅尺读数，最后通过图像处理技术并结合标定块的厚度尺寸，解算得到转台中心在四轴视觉测量装置的机器坐标系O‑XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)，完成转台中心位置的标定。

Description

一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法

技术领域

本发明是一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法，属于视觉测量技术领域。

背景技术

在航空、航天、兵器和船舶等众多工业领域中，回转体零件在各类零件中占有很大的比重。一般说来，回转体零件是指其形状特征符合回转体特点的机械零件，尽管回转体零件的结构与尺寸因其用途不同而各异，但对其结构与尺寸参数的检测和控制却具有很高的要求，这是因为许多回转体零件都是机械设备的关键组成部分，它们的形位误差和制造精度会对其装配和使用性能产生很大影响，不仅会影响到接触表面的配合性质，还会影响到旋转部件的振动、噪声、回转精度和使用寿命等。

因此，对回转体零件进行高精度、高效率和高一致性的检测，已经成为众多工业领域的迫切需求。目前，对于回转体零件的形位误差和制造精度的检测，通常采用接触式的三坐标测量机来进行，虽然能够达到很高的检测精度，但由于采用了接触式的测量方式，导致效率低下，无法满足批量回转体零件的检测需求。近年来，随着测量技术及其它相关学科的发展，机器视觉测量作为一种非接触式的测量手段和方法，可以解决传统测量手段难以或无法解决的多种问题，已经广泛应用于现代工业的各个领域。

机器视觉测量是将计算机视觉应用于几何尺寸的测量和定位，把图像作为获取信息的手段，不仅具有非接触式测量技术的效率高、适应性强、操作简便以及机动灵活等优点，还具有成本低、可靠性高、实时性强和信息丰富等独特优点，因而被广泛应用于工业现场，现已成为工业测量领域研究的重要内容。同时，三坐标测量机具有移动范围大、定位精确、通用性强等优点，可以作为机器视觉装置的移动载体，通过三个直线轴的移动来实现机器视觉装置的运动轨迹，从而将新型的机器视觉测量技术与传统的三坐标测量技术结合在一起，完成测量数据的获取。针对回转体零件的结构特点，单一方位的成像系统只能完成某一部分测量数据的获取，而要获取全部的测量数据，就需要在三个直线轴的基础上增加一个回转运动轴(第四轴)，即转台。通过转台的配合来实现被测物体的不同方位的测量，以获得完整的测量数据，并提高测量效率。在实际应用过程中，首先通过机械调整使转台的回转轴线与三坐标测量机的Z轴之间相互平行，因而转台每旋转到一个角度位置，被测回转体零件上的这一部分测量数据只需要经过简单的平移、旋转等坐标变换就可以得出该数据在旋转之前的数值。通过转台的连续旋转，最终可以拼接出被测回转体零件的全部测量数据。这个过程主要通过对转台进行实际中心位置的标定并辅以准确的数据整合算法来实现，这就需要确定出转台中心在三坐标测量机的机器坐标系中的空间位置，即确定出转台中心的三维空间坐标。目前，对于四轴视觉坐标测量系统中的转台中心位置的标定这个难题，尚无有效且可靠的解决方法。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计并提供了一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法，其目的是确定转台2的中心O_R在四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法所针对的四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ为空间直角坐标系，其X、Y和Z坐标轴的方向分别与该装置的三个直线轴的方向相同，而原点O则位于各个直线轴的回零位置。四轴视觉测量装置的运动轴分别为X、Y、Z三个直线轴和一个回转轴A。其中，X、Y、Z三个直线轴的运动方向相互正交，X轴和Y轴的运动方向位于水平面内，而Z轴的运动方向位于竖直方向，并且符合右手定则；A轴的轴线方向与Z轴的运动方向平行。在该四轴视觉测量装置的四轴布局中，X、Y、Z三个直线轴集成在一起，而回转轴A单独布置。通过机械调整，使转台2的轴线7与四轴视觉测量装置的Z轴方向平行，即轴线7在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)。

进一步，所述四轴视觉测量装置包括：工作台1、转台2、图像采集装置3、相机姿态调整座4和三坐标移动机构5。四轴视觉测量装置的X、Y、Z三个直线轴的运动由三坐标移动机构5来实现，而回转轴A的运动由转台2来实现。三坐标移动机构5安装在工作台1上，能够产生X、Y和Z三个方向上的直线运动，并且各个直线轴均配备有气浮导轨和高精度光栅尺，从而确保各个直线轴的运动平稳性和位移精度。相机姿态调整座4安装于三坐标移动机构5的Z轴的移动末端，并将图像采集装置3安装在相机姿态调整座4上，并且通过调节相机姿态调整座4使图像采集装置3的成像光轴方向与三坐标移动机构5的X轴方向平行。转台2的底座固定在工作台1上，并使转台2位于三坐标移动机构5的Y轴行程的中间位置。通过机械调整使转台2的轴线7与四轴视觉测量装置的Z轴方向平行。转台2内置高精度的圆光栅尺，可以精确转动到所设定的角度位置，并且其台面足够平整，从而使台面平面度对标定结果的影响可以忽略不计。

进一步，所述工作台1的材料为具有良好热稳定性的大理石或天然花岗岩，能够承受一定的外部冲击和干扰，并且其上表面经过网格法检验后，表面平整度达到00级标准。

进一步，图像采集装置3由工业相机8和镜头9构成，镜头9为工业远心镜头，通过标准接口安装到工业相机8上。

进一步，所述三坐标移动机构5可以实现X、Y和Z三个方向上的直线运动，从而通过相机姿态调整座4带动图像采集装置3进行空间移动和位置变换，以使图像采集装置3到达正确的测量方位，一方面可以实现图像采集装置3的测量轨迹，另一方面也可以使四轴视觉测量装置适应不同形状和大小的被测物体的测量需求，从而使整个装置具有较大的柔性和灵活性。

进一步，相机姿态调整座4由两个一维俯仰台10和一个一维旋转台11叠加装配而成，可以对绕X、Y和Z坐标轴的三个转动自由度进行调整，从而实现图像采集装置3的空间姿态调整；一维俯仰台10可以进行-15°～+15°范围内的角度调节，并且能够实现锁紧，两个一维俯仰台10叠加在一起后，用于调整绕X坐标轴和Y坐标轴的转动自由度；一维旋转台11可以进行0°～360°范围内的角度调节，并且能够实现锁紧，用于调整绕Z坐标轴的转动自由度。

进一步，所述标定块6具有良好的形状精度、尺寸精度和表面质量；标定块6的各个表面均非常光滑和平整，表面粗糙度Ra值≤0.025μm，表面平整度达到00级标准，并且各条棱边均为锋利直边，没有倒角，也未被倒钝；标定块6的厚度L已知，精度达到微米级以上。

该方法是通过如下步骤实现的：

步骤一：转台2转动到0°位置，将由硬质合金钢制成的长方体标定块6放置在转台2的台面上，并借助于千分表或者电感测微仪对标定块6的位置进行机械调整，使标定块6的厚度L所在的方向与机器坐标系O-XYZ的X坐标轴方向平行，调整好标定块6的位置后将标定块6固定；

步骤二：由三坐标移动机构5带动图像采集装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使标定块6的一侧边缘出现在图像采集装置3的视场中，并进一步调整Y轴的运动，使标定块6的该边缘处于图像采集装置3的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线轴的光栅尺读数为X₁、Y₁；

步骤三：转台2转动到180°位置，由三坐标移动机构5带动图像采集装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使与步骤二中标定块6的那一侧边缘相对应的边缘出现在图像采集装置3的视场中，并进一步调整Y轴的运动，使标定块6的该边缘处于图像采集装置3的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为X₂、Y₂；

步骤四：由三坐标移动机构5带动图像采集装置3对焦于转台2台面的上边缘，然后沿着Z轴移动，使转台2台面的上边缘处于图像采集装置3的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时Z直线轴的光栅尺读数为Z₃；

步骤五：通过标定块6的厚度L和以上记录的X₁、Y₁、X₂、Y₂与Z₃，计算出转台2的中心O_R在四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)，完成转台2中心位置的标定。

Z₀＝Z₃

附图说明

图1为实现本发明的四轴视觉测量装置的整体结构示意图；

图2为标定块的结构示意图；

图3为转台与标定块的相互位置关系示意图；

图4为图像采集装置的结构示意图；

图5为相机姿态调整座的结构示意图；

图6为转台转动到0°位置的示意图；

图7为转台转动到180°位置的示意图；

图8为转台轴线位置的计算示意图；

图9为图像采集装置对焦于转台台面的示意图；

图10为标定块的一侧边缘处于视场中心的图像；

图11为标定块的相对应的边缘处于视场中心的图像；

图12为转台台面的上边缘处于视场中心的图像。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地详述：

参见附图1所示，该四轴视觉测量装置包括工作台1、转台2、图像采集装置3、相机姿态调整座4和三坐标移动机构5。该四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ为空间直角坐标系，其X、Y和Z坐标轴的方向分别与该装置的三个直线轴的方向相同，而原点O则位于各个直线轴的回零位置；通过机械调整，使转台2的轴线7与四轴视觉测量装置的Z轴方向平行，即轴线7在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)。

工作台1与三坐标移动机构5采用三坐标测量机框架实现，三坐标测量机为北京航空精密研究所生产的Pearl型三坐标测量机，该型三坐标测量机能够产生X、Y和Z三个方向上的直线运动，并且各轴均配备有气浮导轨和高精度的直线光栅尺，从而确保各轴的运动平稳性和位移精度；转台2采用伺服电机实现，选用日本Yaskawa公司的SGMCS型直接驱动伺服电机，该型伺服电机可以在不带减速器的状态下直接驱动负载，能够实现从低速到高速的强力平滑运行，并且内置高分辨率编码器，可以实现精确分度和定位；通过机械调整，使伺服电机的回转轴线与三坐标测量机框架的Z轴平行，即在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)。图像采集装置3由工业相机8和镜头9构成，镜头9为工业远心镜头，通过标准接口安装到工业相机8上；工业相机8可以选用大恒图像视觉有限公司的MER-125-30GM型工业相机，镜头9可以选用日本Moritex公司的MML3型高分辨率定倍工业远心镜头。相机姿态调整座4安装于三坐标测量机框架的Z轴末端，再将图像采集装置3固定在相机姿态调整座4上，并且通过调节相机姿态调整座4使图像采集装置3的成像光轴方向与三坐标测量机框架的X轴方向平行。相机姿态调整座4由两个一维俯仰台10和一个一维旋转台11叠加装配而成，可以对绕X、Y和Z坐标轴的三个转动自由度进行调整，从而实现成像装置3的空间姿态调整。一维俯仰台10采用北京微纳光科仪器有限公司的WN04GM15型手动角位台，而一维旋转台11采用北京微纳光科仪器有限公司的WNBS43-60型手动旋转台。

在该方法的实现过程中，需要借助于由硬质合金钢制成的长方体标定块6。标定块6具有良好的形状精度、尺寸精度和表面质量；标定块6的各个表面均非常光滑和平整，表面粗糙度Ra值≤0.025μm，表面平整度达到00级标准，并且各条棱边均为锋利直边，没有倒角，也未被倒钝；标定块6的厚度L已知，精度达到微米级以上。

该方法是通过如下步骤实现的：

步骤一：转台2转动到0°位置，将由硬质合金钢制成的长方体标定块6放置在转台2的台面上，并借助于千分表或者电感测微仪对标定块6的位置进行机械调整，使标定块6的厚度L所在的方向与机器坐标系O-XYZ的X坐标轴方向平行，调整好标定块6的位置后将标定块6固定；

步骤二：由三坐标移动机构5带动图像采集装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使标定块6的一侧边缘出现在图像采集装置3的视场中，并进一步调整Y轴的运动，使标定块6的该边缘处于图像采集装置3的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为X₁、Y₁；

步骤三：转台2转动到180°位置，由三坐标移动机构5带动图像采集装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使与步骤二中标定块6的那一侧边缘相对应的边缘出现在图像采集装置3的视场中，并进一步调整Y轴的运动，使标定块6的该边缘处于图像采集装置3的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线轴的光栅尺读数为X₂、Y₂；

步骤四：由三坐标移动机构5带动图像采集装置3对焦于转台2台面的上边缘，然后沿着Z轴移动，使转台2台面的上边缘处于图像采集装置3的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时Z直线轴的光栅尺读数为Z₃；

步骤五：通过标定块6的厚度L和以上记录的X₁、Y₁、X₂、Y₂与Z₃，计算出转台2的中心O_R在四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)，完成转台2中心位置的标定。

Z₀＝Z₃

通过以上步骤，即可确定转台2的中心O_R在四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)。本发明原理简单、使用方便，解决了回转体零件的多轴视觉坐标测量中的关键问题，具有很强的可实施性和应用价值。

Claims (3)

1.一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法，其目的是标定出转台(2)的中心O_R在四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ中的位置，即确定O_R在O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)，该方法所基于的四轴视觉测量装置包括工作台(1)、转台(2)、图像采集装置(3)、相机姿态调整座(4)和三坐标移动机构(5)，该四轴视觉测量装置具有X、Y、Z三个直线轴和一个回转轴A，X、Y、Z三个直线轴集成在一起，而回转轴A单独布置，所述四轴视觉测量装置的X、Y、Z三个直线轴的运动由三坐标移动机构(5)来实现，而回转轴A的运动由转台(2)来实现；

三坐标移动机构(5)安装在工作台(1)上，X轴和Y轴的运动方向位于水平面内，而Z轴的运动方向位于竖直方向，并且符合右手定则；各个直线轴均配备有气浮导轨和光栅尺，以确保各个直线轴的运动平稳性和位移精度；

相机姿态调整座(4)安装于三坐标移动机构(5)的Z轴的移动末端，并将图像采集装置(3)安装在相机姿态调整座(4)上，并且通过调节相机姿态调整座(4)使图像采集装置(3)的成像光轴方向与三坐标移动机构(5)的X轴方向平行；

转台(2)的底座固定在工作台(1)上，并使转台(2)位于三坐标移动机构(5)的Y轴行程的中间位置；转台(2)内置圆光栅尺，以实现各个转角位置的精确测量和反馈；

所述四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ为空间直角坐标系，其X、Y和Z坐标轴的方向分别与该装置的三个直线轴的方向相同，而原点O则位于四轴视觉测量装置的各个直线轴的回零位置；通过机械调整，使转台(2)的轴线(7)与四轴视觉测量装置的Z轴方向平行，即轴线(7)在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)；

该种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法，其特征在于，该方法是通过如下步骤实现的：

步骤一：转台(2)转动到0°位置，将由硬质合金钢制成的长方体标定块(6)放置在转台(2)的台面上，并对标定块(6)的位置进行机械调整，使标定块(6)的厚度L所在的方向与机器坐标系O-XYZ的X坐标轴方向平行，调整好标定块(6)的位置后将标定块(6)固定；

步骤二：由三坐标移动机构(5)带动图像采集装置(3)对焦于标定块(6)的表面，然后沿着Y轴移动，使标定块(6)的一侧边缘出现在图像采集装置(3)的视场中，并进一步调整Y轴的运动，使标定块(6)的该边缘处于图像采集装置(3)的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线轴的光栅尺读数为X₁、Y₁；

步骤三：转台(2)转动到180°位置，由三坐标移动机构(5)带动图像采集装置(3)对焦于标定块(6)的表面，然后沿着Y轴移动，使与步骤二中标定块(6)的那一侧边缘相对应的边缘出现在图像采集装置(3)的视场中，并进一步调整Y轴的运动，使标定块(6)的该边缘处于图像采集装置(3)的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线轴的光栅尺读数为X₂、Y₂；

步骤四：由三坐标移动机构(5)带动图像采集装置(3)对焦于转台(2)台面的上边缘，然后沿着Z轴移动，使转台(2)台面的上边缘处于图像采集装置(3)的视场中心，采集此时该边缘在视场中的图像，并记录此时Z直线轴的光栅尺读数为Z₃；

步骤五：通过标定块(6)的厚度L和以上记录的X₁、Y₁、X₂、Y₂与Z₃，计算出转台(2)的中心O_R在四轴视觉测量装置的机器坐标系O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)，完成转台(2)中心位置的标定，计算公式如下：

Z₀＝Z₃。

2.根据权利要求1所述的一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法，其特征在于，所述标定块(6)的各条棱边均为锋利直边，没有倒角，也未被倒钝；标定块(6)的厚度L已知，精度达到微米级以上。

3.根据权利要求1所述的一种四轴视觉测量装置中的转台中心位置的标定方法，其特征在于，相机姿态调整座(4)由两个一维俯仰台(10)和一个一维旋转台(11)装配而成，可以对绕X、Y和Z坐标轴的三个转动自由度进行调整；一维俯仰台(10)能够进行-15°～+15°范围内的角度位置调节，并且能够实现锁紧，两个一维俯仰台(10)分别用于调整绕X坐标轴和绕Y坐标轴的转动自由度；一维旋转台(11)能够进行0°～360°范围内的角度位置调节，并且能够实现锁紧，用于调整绕Z坐标轴的转动自由度。

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