CN109520421A - 一种影像测头姿态的调整装置及其调整方法 - Google Patents

一种影像测头姿态的调整装置及其调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种影像测头姿态的调整装置及其调整方法，该装置包括两个一维俯仰台(7)、一个一维旋转台(8)和一个测头转接板(2)，由它们依次叠加装配而成，形成可以对影像测头的俯仰角α(绕Y轴的转动角度)、偏摆角β(绕Z轴的转动角度)和滚转角γ(绕X轴的转动角度)进行调节的姿态调整装置。该调整方法采用点激光器、可调衰减器并结合三坐标测量机的运动以及图像处理技术，实现了影像测头的俯仰角α和偏摆角β的调整；采用长方体标定块并结合三坐标测量机的运动以及图像处理技术，实现了影像测头的滚转角γ的调整；最终使影像测头处于正确的测量方位。本发明具有原理简单和应用方便的特点，解决了基于视觉测量原理的新型三坐标测量系统的开发与应用中的关键问题。

Description

一种影像测头姿态的调整装置及其调整方法
技术领域
本发明是一种影像测头姿态的调整装置及其调整方法，属于光电测量技术领域。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展和进步，各个领域对几何量(例如长度、角度等)的检测精度与测量速度的要求不断提高，而这在很大程度上依赖于测量仪器的发展以及检测方法的改进。在过去的几十年中，经典的几何尺寸与形位参数的检测手段已经日益成熟，其中最典型的就是三坐标测量机。三坐标测量机是一种综合性的精密测量仪器，它是以精密机械为基础，并将电子技术、数控技术、计算机技术和精密位移技术等集成于一体的高技术仪器设备。作为一种精度高、重复性好、通用性强的测量系统，三坐标测量机在先进制造与科学研究中有着非常广泛的应用。
然而，常规三坐标测量机搭载了接触式测头，虽然能够达到很高的检测精度，但测量速度慢、效率低，易发生干涉效应，并且存在着测头端部的半径补偿误差，这些因素使得常规三坐标测量机无法应对批量零件的检测需求。因此，坐标测量技术发展的一个重要趋势就是采用非接触式测头，而在众多种类的非接触式测头中，基于视觉测量原理的影像测头，由于具有响应速度快、采样频率高、信息丰富和便于实现自动化等特点，近年来的发展和应用都十分迅速。视觉测量源于计算机视觉技术，是以计算机视觉作为理论基础的新型测量技术。随着计算机、半导体、机械等硬件技术的飞速发展，光源、工业相机、数据采集卡、嵌入式系统以及计算机等的性能大幅提升，更好的光源、更快的处理器、更高性能的图像传感器等的出现为视觉测量技术的发展和应用奠定了坚实的物质基础。同时，视觉测量技术在理论上还有很大的发展空间，随着与其它边缘学科和新兴技术的结合，将会更具生命力，不断开拓出新的应用领域。
因此，将基于视觉测量原理的影像测头与常规的三坐标测量机相结合以搭建出新型的视觉坐标测量系统，由影像测头作为前端传感器以采集被测物体的测量数据，而三坐标测量机作为影像测头的移动载体来实现影像测头的测量轨迹，从而将影像测头的非接触、成本低和信息丰富等优点与三坐标测量机的移动范围大、定位精确和适应性强等优点结合在一起，同时规避各自的缺点，形成具有更高自动化和智能化水平的非接触式测量仪器，以应对传统测量手段难以或无法解决的多种问题，这会有非常大的发展前景和应用空间。
而将影像测头集成于三坐标测量机，还需要对影像测头的空间姿态进行调整以使其处于正确的测量方位，这样才能确保整个测量系统的正常工作和功能实现。通常说来，在三维空间中，影像测头一共具有3个空间姿态角，即俯仰角α、偏摆角β和滚转角γ，因而可以处于多种姿态，这也给此类测头的姿态调整带来了难题。其中，俯仰角α用于描述视觉测头绕Y轴的转动自由度，偏摆角β用于描述视觉测头绕Z轴的转动自由度，而滚转角γ用于描述视觉测头绕X轴的转动自由度。
目前，对于适用于三坐标测量机的影像测头的姿态调整装置及其空间姿态的调整方法，尚无有效且可靠的解决方法，这就给基于视觉测量原理的新型三坐标测量系统的开发与应用带来了很大难题。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况的不足而设计并提供了一种影像测头姿态的调整装置及其调整方法，其目的是利用安装于三坐标测量机的Z轴末端的姿态调整装置来对影像测头的空间姿态进行调整，以使其处于正确的测量方位。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的技术方案提供了一种影像测头姿态的调整装置，其特征在于：
该装置包括两个一维俯仰台7、一个一维旋转台8和一个测头转接板2，由它们依次叠加装配而成，从而形成可以对影像测头的俯仰角α绕Y轴的转动角度、偏摆角β绕Z轴的转动角度和滚转角γ绕X轴的转动角度进行调节的姿态调整装置；
一维俯仰台7的底面1安装在三坐标测量机11的Z轴末端上，而工业相机3通过测头转接板2安装在一维旋转台8上；
两个一维俯仰台7叠加装配在一起且角度调节方向相互垂直，分别用于调整影像测头的俯仰角α和滚转角γ；一维俯仰台7通过调节手轮9进行-30°～+30°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母10进行位置锁紧；
一维旋转台8用于调整影像测头的偏摆角β；一维旋转台8通过调节手轮9进行0°～360°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母10进行位置锁紧。
进一步，影像测头包括工业相机3、镜头4和光源5；工业相机3与镜头4通过标准接口连接，光源5插装在镜头4上的光源接口6中。
本发明的技术方案还提供了所述的影像测头姿态的调整装置的调整方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
步骤一：将一台点激光器12通过支架放置于影像测头的镜头4的前方，并将一台可调衰减器13放置在镜头4与点激光器12之间；
步骤二：调整点激光器12的出射激光束14的空间方位，使出射激光束14的方向与三坐标测量机11的X轴方向平行，并使出射激光束14能够穿过可调衰减器13后射入镜头4中，在工业相机3的光敏面上成像为一个光斑；
步骤三：三坐标测量机11带动影像测头沿着X轴方向前后移动，同时采集点激光器11的出射激光束14在工业相机3光敏面上的光斑图像，并通过图像处理获取光斑的中心坐标；
如果随着影像测头沿着X轴方向的前后移动，光斑中心在图像的竖直方向上发生位移，则调整控制俯仰角α绕Y轴的转动角度的那个一维俯仰台7，直到光斑中心在图像的竖直方向上不发生位移，而后通过锁紧螺母10锁紧该一维俯仰台7，完成影像测头的俯仰角α的调整；
如果随着影像测头沿着X轴方向的前后移动，光斑中心在图像的水平方向上发生位移，则调整控制偏摆角β绕Z轴的转动角度的一维旋转台8，直到光斑中心在图像的水平方向上不发生位移，而后通过锁紧螺母10锁紧一维旋转台8，完成影像测头的偏摆角β的调整；
步骤四：将一个由硬质合金制成的长方体标定块15通过托架16放置在三坐标测量机11的工作台上，并通过机械调整使标定块15的一个表面与三坐标测量机11的X轴方向垂直且正对影像测头，同时使标定块15的上表面处于水平位置；
步骤五：三坐标测量机11带动影像测头对焦于标定块15的表面，并使标定块15的上边缘成像在工业相机3的光敏面上，采集上边缘的图像，并通过图像处理提取出该边缘，如果上边缘在图像中不水平，则调整控制滚转角γ绕X轴的转动角度的另一个一维俯仰台7，直到上边缘在图像中处于水平位置，而后通过锁紧螺母10锁紧该一维俯仰台7，完成影像测头的滚转角γ的调整。
进一步，标定块15具有良好的形状精度、尺寸精度和表面质量；标定块15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。
本发明所述的调整装置和方法，针对安装于三坐标测量机的Z轴末端的影像测头的空间姿态俯仰角α、偏摆角β和滚转角γ调整难题，采用点激光器、可调衰减器并结合三坐标测量机的运动以及图像处理技术，实现了影像测头的俯仰角α和偏摆角β的调整；采用长方体标定块并结合三坐标测量机的运动以及图像处理技术，实现了影像测头的滚转角γ的调整；通过本发明所述的调整装置和方法，最终使影像测头处于正确的测量方位，从而解决了基于视觉测量原理的新型三坐标测量系统的开发与应用中的关键问题。
附图说明
图1为本发明装置中影像测头的安装结构示意图；
图2为本发明装置中的两个一维俯仰台和一个一维旋转台的叠加装配示意图；
图3为采用本发明装置对影像测头的俯仰角α和偏摆角β进行调整的示意图；
图4为采用本发明装置对影像测头的滚转角γ进行调整的示意图；
图5为图3中调整影像测头的俯仰角α和偏摆角β时的激光光斑图像的示意图；
图6为图4中调整影像测头的滚转角γ时的标定块的上边缘图像的示意图。
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与附图2所示，该种影像测头姿态的调整装置，包括两个一维俯仰台7、一个一维旋转台8和一个测头转接板2，由它们依次叠加装配而成，从而形成可以对影像测头的俯仰角α(绕Y轴的转动角度)、偏摆角β(绕Z轴的转动角度)和滚转角γ(绕X轴的转动角度)进行调节的姿态调整装置；
一维俯仰台7的底面1安装在三坐标测量机11的Z轴末端上，而工业相机3通过测头转接板2安装在一维旋转台8上；
两个一维俯仰台7叠加装配在一起且角度调节方向相互垂直，分别用于调整影像测头的俯仰角α和滚转角γ；一维俯仰台7通过调节手轮9进行-30°～+30°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母10进行位置锁紧；
一维旋转台8用于调整影像测头的偏摆角β；一维旋转台8通过调节手轮9进行0°～360°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母10进行位置锁紧。
三坐标测量机11采用北京航空精密研究所生产的Pearl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。一维俯仰台选用北京微纳光科仪器有限公司的WN04GM15型手动角位台，而一维旋转台选用北京微纳光科仪器有限公司的WNBS43-60型手动旋转台。
影像测头包括工业相机3、镜头4和光源5；工业相机3与镜头4通过标准接口连接，光源5插装在镜头4上的光源接口6中。工业相机采用大恒图像视觉有限公司的MER-125-30GM型工业相机；镜头采用日本Moritex公司的MML3型高分辨率定倍工业远心镜头；光源采用广东奥普特科技股份有限公司的OPT-PIG系列高亮点光源。
在该种影像测头姿态的调整装置的调整方法的实现过程中，需要借助于标定块15。标定块15具有良好的形状精度、尺寸精度和表面质量；标定块15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。
该种影像测头姿态的调整装置的调整方法的步骤如下：
步骤一：将一台点激光器12通过支架放置于影像测头的镜头4的前方，并将一台可调衰减器13放置在镜头4与点激光器12之间；
步骤二：调整点激光器12的出射激光束14的空间方位，使出射激光束14的方向与三坐标测量机11的X轴方向平行，并使出射激光束14能够穿过可调衰减器13后射入镜头4中，在工业相机3的光敏面上成像为一个光斑；
步骤三：三坐标测量机11带动影像测头沿着X轴方向前后移动，同时采集点激光器11的出射激光束14在工业相机3光敏面上的光斑图像，并通过图像处理获取光斑的中心坐标；
如果随着影像测头沿着X轴方向的前后移动，光斑中心在图像的竖直方向上发生位移，则调整控制绕俯仰角α(绕Y轴的转动角度)的那个一维俯仰台7，直到光斑中心在图像的竖直方向上不发生位移，而后通过锁紧螺母10锁紧该一维俯仰台7，完成影像测头的俯仰角α的调整；
如果随着影像测头沿着X轴方向的前后移动，光斑中心在图像的水平方向上发生位移，则调整控制偏摆角β(绕Z轴的转动角度)的一维旋转台8，直到光斑中心在图像的水平方向上不发生位移，而后通过锁紧螺母10锁紧一维旋转台8，完成影像测头的偏摆角β的调整；
步骤四：将一个由硬质合金制成的长方体标定块15通过托架16放置在三坐标测量机11的工作台上，并通过机械调整使标定块15的一个表面与三坐标测量机11的X轴方向垂直且正对影像测头，同时使标定块15的上表面处于水平位置；
步骤五：三坐标测量机11带动影像测头对焦于标定块15的表面，并使标定块15的上边缘成像在工业相机3的光敏面上，采集上边缘的图像，并通过图像处理提取出该边缘，如果上边缘在图像中不水平，则调整控制滚转角γ(绕X轴的转动角度)的另一个一维俯仰台7，直到上边缘在图像中处于水平位置，而后通过锁紧螺母10锁紧该一维俯仰台7，完成影像测头的滚转角γ的调整。
本发明原理简单、使用方便，解决了基于视觉测量原理的新型三坐标测量系统的开发与应用中的关键问题，具有很强的可实施性和应用价值。

Claims (4)

1.一种影像测头姿态的调整装置，其特征在于：
该装置包括两个一维俯仰台(7)、一个一维旋转台(8)和一个测头转接板(2)，由它们依次叠加装配而成，形成可以对影像测头的俯仰角α(绕Y轴的转动角度)、偏摆角β(绕Z轴的转动角度)和滚转角γ(绕X轴的转动角度)进行调节的姿态调整装置；
一维俯仰台(7)的底面(1)安装在三坐标测量机(11)的Z轴末端上，而工业相机(3)通过测头转接板(2)安装在一维旋转台(8)上；
两个一维俯仰台(7)叠加装配在一起且角度调节方向相互垂直，分别用于调整影像测头的俯仰角α和滚转角γ；一维俯仰台(7)通过调节手轮(9)进行-30°～+30°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母(10)进行位置锁紧；
一维旋转台(8)用于调整影像测头的偏摆角β；一维旋转台(8)通过调节手轮(9)进行0°～360°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母(10)进行位置锁紧。
2.根据权利要求1所述的一种影像测头姿态的调整装置，其特征在于：影像测头包括工业相机(3)、镜头(4)和光源(5)；工业相机(3)与镜头(4)通过标准接口连接，光源(5)插装在镜头(4)上的光源接口(6)中。
3.权利要求1所述的一种影像测头姿态的调整装置的调整方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一：将一台点激光器(12)通过支架放置于影像测头的镜头(4)的前方，并将一台可调衰减器(13)放置在镜头(4)与点激光器(12)之间；
步骤二：调整点激光器(12)的出射激光束(14)的空间方位，使出射激光束(14)的方向与三坐标测量机(11)的X轴方向平行，并使出射激光束(14)能够穿过可调衰减器(13)后射入镜头(4)中，在工业相机(3)的光敏面上成像为一个光斑；
步骤三：三坐标测量机(11)带动影像测头沿着X轴方向前后移动，同时采集点激光器(11)的出射激光束(14)在工业相机(3)光敏面上的光斑图像，并通过图像处理获取光斑的中心坐标；
如果随着影像测头沿着X轴方向的前后移动，光斑中心在图像的竖直方向上发生位移，则调整控制俯仰角α(绕Y轴的转动角度)的那个一维俯仰台(7)，直到光斑中心在图像的竖直方向上不发生位移，而后通过锁紧螺母(10)锁紧该一维俯仰台(7)，完成影像测头的俯仰角α的调整；
如果随着影像测头沿着X轴方向的前后移动，光斑中心在图像的水平方向上发生位移，则调整控制偏摆角β(绕Z轴的转动角度)的一维旋转台(8)，直到光斑中心在图像的水平方向上不发生位移，而后通过锁紧螺母(10)锁紧一维旋转台(8)，完成影像测头的偏摆角β的调整；
步骤四：将一个由硬质合金制成的长方体标定块(15)通过托架(16)放置在三坐标测量机(11)的工作台上，并通过机械调整使标定块(15)的一个表面与三坐标测量机(11)的X轴方向垂直且正对影像测头，同时使标定块(15)的上表面处于水平位置；
步骤五：三坐标测量机(11)带动影像测头对焦于标定块(15)的表面，并使标定块(15)的上边缘成像在工业相机(3)的光敏面上，采集上边缘的图像，并通过图像处理提取出该边缘，如果上边缘在图像中不水平，则调整控制滚转角γ(绕X轴的转动角度)的另一个一维俯仰台(7)，直到上边缘在图像中处于水平位置，而后通过锁紧螺母(10)锁紧该一维俯仰台(7)，完成影像测头的滚转角γ的调整。
4.根据权利要求3所述的一种影像测头姿态的调整装置的调整方法，其特征在于：标定块(15)的各条棱边均为锋利直边，没有倒角，也未被倒钝。
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