CN109916343A - 一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量方法及系统，搭建测量系统，调整激光传感器与零件的两个待测孔的相对位置，通过激光传感器采集两个待测孔内局部区域的特征点，将每次采集的数据列结合线光源上的点间距依次转换至二维坐标系中分别拟合出椭圆方程并计算每个椭圆的几何中心点；再将计算出的所有椭圆中心点转至全局三维坐标系中，然后分别拟合两孔的理想轴线与公共轴线，最后计算两个待测孔的同轴度测量值。本发明具有低成本、高效率和良好的工业自动化水平的测量特点。
Description
技术领域
本发明属于机器视觉测量技术领域，具体涉及一种采用单个激光传感器对具有双孔结构零件同轴度的测量方法及测量系统。
背景技术
同轴度是一种常见的位置误差，作为机械零件加工的一项技术指标，在车辆、医疗器械、航空等多个领域的零件加工中具有非常普遍的要求。目前常用的同轴度误差检测方法有两类。一类是接触式测量，虽然可达到较好的测量精度，但是其效率低、采样点少且易受环境因素影响。另一类是非接触测量，典型的非接触测量方法有超声波检测法、电涡流检测法和激光传感检测法等。其中激光传感检测法具有采集信息全、精度高、成本低等特点，有着良好的应用前景。
当下激光传感检测法在企业生产中技术尚未成熟，并未得到广泛的应用，对激光检测同轴度的技术现已有多所研究机构进行研究。目前大多数研究方案均是采用多个激光传感器分别置于待测孔内进行测量，而这种方案对于孔径较小或孔深较大的待测孔较难实现检测并且采用多个传感器的测量系统结构设计复杂、成本较高且工业自动化水平较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量方法及系统，可对零件中不连接且有一定轴向间距的孔对实现高效、高精度的同轴度检测，具有良好的工业自动化水平与经济性。
本发明采用以下技术方案：
一种采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，搭建测量系统，调整激光传感器与零件的两个待测孔的相对位置，通过激光传感器采集两个待测孔内局部区域的特征点，将每次采集的数据列结合线光源上的点间距依次转换至二维坐标系中拟合出椭圆方程并分别计算每个椭圆的几何中心点；再将计算出的所有椭圆中心点转至全局三维坐标系中，然后利用椭圆中心点分别拟合两孔的理想轴线与公共轴线，最后计算两个待测孔的同轴度测量值。
具体的，测量系统包括激光传感器、电动转台、运动机构和计算机，两个待测孔包括第一待测孔和第二待测孔，运动机构用于调节传感器与待测孔对的相对测量位置，激光传感器位于待测两孔之间，通过转轴与电动转台连接用于旋转测量的角度实现对两孔内的特征点采集。
进一步的，激光传感器位于两个待测孔的中间位置，激光传感器上的线光源与两个待测孔的公共轴线垂直且相交。
具体的，采集待测孔内特征数据具体为：
激光传感器绕垂直于待测孔轴线的水平方向做旋转运动；当光源线扫射到一端的待测孔内时，激光传感器开始等转角采集数据，直至完成对两个待测孔内表面上的数据采集。
进一步的，激光传感器扫射两个待测孔内表面的过程中，几何关系为一平面与圆柱面的斜交，光源线每次所采集的数据点在同一椭圆上，最终采集的数据点是孔内局部区域的特征点云。
具体的，椭圆的非标准方程拟合如下：
其中，A,B,C,D,E分别表示各椭圆表达式中的待拟合参数，(xi,yi)为每次采集到在同一椭圆弧上的数据点经过转化的二维坐标，N为每组采样点的个数。
进一步的，根据椭圆的非标准方程，通过最小二乘法对每组采样点分别进行椭圆的非标准方程拟合，计算椭圆的几何中心(XC,YC)如下：
。
具体的，将计算的各椭圆的中心点结合激光传感器采集过程中转动的角度转换至全局三维坐标系中，假设为(xk,yk,zk)，利用各自孔内的椭圆中心点通过最小二乘法分别拟合出理想轴线，再利用所有椭圆中心点通过最小二乘法拟合出两孔的公共轴线，计算待测孔的同轴度。
进一步的，利用计算得出的椭圆中心点通过下式由最小二乘法拟合出轴线：
其中，M为各自孔内椭圆中心点的个数，表示待拟合轴线的方向向量，(d,e,f)表示待拟合轴线上一点。
本发明的另一个技术方案是，一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量系统，利用所述的检测方法，测量系统包括激光传感器、电动旋转台、运动机构和计算机，电动转台设置在运动机构上，激光传感器位于两个待测孔之间并通过转轴与电动转台连接，通过电动转台控制激光传感器的旋转角度用于对两个待测孔进行同轴度测量。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，采用非接触式测量方法，针对测量方法数据采集的特点与孔的加工特性，提出一种利用局部区域的特征点拟合待测孔轴线的方法，可达到较高的拟合精度。
进一步的，使激光传感器相对于待测孔处于最佳的测量位置，传感器在旋转扫描的测量过程中可最大化的采集孔内数据。
进一步的，采用单个激光传感器置于两个待测孔中间，通过传感器绕垂直于待测孔轴线的水平方向做旋转运动，使得其光源线可扫射到待测孔表面，实现特征点的采集；再通过等转角的采集数据，获取孔内局部区域的特征点云。
进一步的，激光传感器在每个转角处采集的特征点，几何关系中均位于线激光的扫射面与待测孔面斜交的椭圆弧上，首先拟合出各个椭圆的方程并计算出椭圆中心，再通过椭圆中心点拟合理想轴线与公共轴线。
进一步的，利用计算出各自孔内的椭圆中心点拟合出各孔的理想轴线，再通过所有的椭圆中心点拟合出公共轴线，最终计算同轴度。
本发明还公开了一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量系统，传感器用来采集待测孔表面上的特征点云；电动转台带动传感器匀速旋转；运动机构用来调节激光传感器与零件上待测孔对的相对测量位置。
综上所述，本发明具有低成本、高效率和良好的工业自动化水平的测量特点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法的测量系统示意图；
图2为本发明方法中传感器与待测孔的测量位置关系图；
图3为本发明方法的数据采集示意图，其中，(a)为提取孔内特征，(b)为采集的一组特征点转换二维坐标系中；
图4为利用本发明方法对一对孔进行数据采集然后拟合轴线的过程图，其中，(a)为采集孔内数据的效果图，(b)为轴线拟合效果图；
图5为发明的工作流程图。
其中，1.第一待测孔；2.激光传感器；3.第二待测孔；4.电动转台；5.运动机构。
具体实施方式
本发明提供了一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量方法及系统，针对由钻头、铣刀等加工出的表面特征具有连续性的孔，利用其局部特性反映整体的特点，通过采集的各孔内局部区域的特征点拟合轴线，从而计算出待测两孔的同轴度。本发明可对零件中不连接且有一定轴向间距的孔对实现高效、高精度的同轴度检测，具有良好的工业自动化水平与经济性。
一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量系统，包括激光传感器2、电动旋转台4、运动机构5和计算机，电动转台4设置在运动机构5上，激光传感器2位于两个待测孔之间并通过转轴与电动转台4连接，通过电动转台4控制激光传感器2的旋转角度用于对两个待测孔进行同轴度测量。
请参阅图5，本发明一种采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量系统；
请参阅图1，测量系统包括激光传感器2(线激光)、电动旋转台4、运动机构5，激光传感器2位于待测量双孔结构零件的第一待测孔1和第二待测孔3之间，电动转台4设置在运动机构5上，激光传感器2通过转轴与电动转台4连接，通过电动转台4控制激光传感器2扫射的角度进行同轴度测量，激光传感器2与计算机连接用于将检测的数据发送至计算机进行数据处理与特征拟合。
请参阅图2，通过运动机构5调节激光传感器2与第一待测孔1和第二待测孔3之间的相对位置，电动转台4与激光传感器2连接，用于调节激光传感器2的旋转角度。
S2、调整激光传感器与零件待测孔的相对位置；
测量对象为一组相互分离且有一定间距的孔对，在测量时调节测量系统使激光传感器2位于两个待测孔的中间位置，并保证激光传感器2上的线光源与两孔的公共轴线垂直且相交，如图2所示。
S3、采集待测孔内特征数据；
在电动转台4的带动下，激光传感器2绕垂直于待测孔轴线的水平方向做旋转运动；当光源线扫射到一端待测孔内时，通过计算机控制激光传感器2开始等转角的采集数据，直至完成对第一待测孔1和第二待测孔3内表面上的数据采集；
激光传感器2扫射第一待测孔1和第二待测孔3内表面的过程中，几何关系为一平面与圆柱面的斜交，光源线每次所采集的数据点均在同一椭圆弧上，如图3(a)所示，最终采集的数据点是孔内局部区域的特征点云，如图4(a)所示。
S4、将每次采集的数据列结合线光源上的点间距e依次转换至二维坐标系中，计算出各列数据所在椭圆的几何中心(XC,YC)；
请参阅图3(b)，通过最小二乘法对每组采样点分别进行椭圆的非标准方程拟合如式(1)，椭圆的几何中心(XC,YC)计算如下：
其中，F(A,B,C,D,E)为含有待求参数的椭圆非标准方程表达式，(xi,yi)为每次采集到在同一椭圆弧上的数据点经过转化的二维坐标，N为每组采样点的个数。
S5、将计算出的各椭圆中心点结合激光传感器采集过程中转动的角度转换至全局三维坐标系中假设得(xk,yk,zk)，然后利用各自孔内的椭圆中心点由式(2)通过最小二乘法分别拟合出理想轴线，同理再利用所有椭圆中心点拟合出两孔的公共轴线，如图4(b)所示，
其中，M为各自孔内椭圆中心点的个数，表示待拟合轴线的方向向量，(d,e,f)表示待拟合轴线上一点，最终计算两孔各自孔内轴线的端点至公共轴线距离的最大值的两倍，即待测孔对的同轴度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，搭建测量系统，调整测量系统与零件的两个待测孔的相对位置，通过测量系统采集两个待测孔内局部区域的特征点，将每次采集的数据列结合线光源上的点间距依次转换至二维坐标系中拟合出椭圆方程并分别计算每个椭圆的几何中心点；再将计算出的所有椭圆中心点转至全局三维坐标系中，然后利用椭圆中心点分别拟合两孔的理想轴线与公共轴线，最后计算两个待测孔的同轴度测量值。
2.根据权利要求1所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，测量系统包括激光传感器、电动转台、运动机构和计算机，两个待测孔包括第一待测孔和第二待测孔，运动机构用于调节传感器与待测孔对的相对测量位置，激光传感器位于待测两孔之间，通过转轴与电动转台连接用于旋转测量的角度实现对两孔内的特征点采集。
3.根据权利要求1或2所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，激光传感器位于两个待测孔的中间位置，激光传感器上的线光源与两个待测孔的公共轴线垂直且相交。
4.根据权利要求1所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，采集待测孔内特征数据具体为：
激光传感器绕垂直于待测孔轴线的水平方向做旋转运动；当光源线扫射到一端的待测孔内时，激光传感器开始等转角采集数据，直至完成对两个待测孔内表面上的数据采集。
5.根据权利要求4所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，激光传感器扫射两个待测孔内表面的过程中，几何关系为一平面与圆柱面的斜交，光源线每次所采集的数据点在同一椭圆上，最终采集的数据点是孔内局部区域的特征点云。
6.根据权利要求1所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，椭圆的非标准方程拟合如下：
其中，A,B,C,D,E分别表示各椭圆表达式中的待拟合参数，(xi,yi)为每次采集到在同一椭圆弧上的数据点经过转化的二维坐标，N为每组采样点的个数。
7.根据权利要求6所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，根据椭圆的非标准方程，通过最小二乘法对每组采样点分别进行椭圆的非标准方程拟合，计算椭圆的几何中心(XC,YC)如下：
。
8.根据权利要求1所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，将计算的各椭圆的中心点结合激光传感器采集过程中转动的角度转换至全局三维坐标系中，假设为(xk,yk,zk)，利用各自孔内的椭圆中心点通过最小二乘法分别拟合出理想轴线，再利用所有椭圆中心点通过最小二乘法拟合出两孔的公共轴线，计算待测孔的同轴度。
9.根据权利要求8所述的采用单个激光传感器检测同轴度测量方法，其特征在于，利用计算得出的椭圆中心点通过下式由最小二乘法拟合出轴线：
其中，M为各自孔内椭圆中心点的个数，表示待拟合轴线的方向向量，(d,e,f)表示待拟合轴线上一点。
10.一种采用单个激光传感器检测同轴度的测量系统，其特征在于，利用权利要求1所述的测量方法，测量系统包括激光传感器(2)、电动旋转台(4)、运动机构(5)和计算机，电动转台(4)设置在运动机构(5)上，激光传感器(2)位于两个待测孔之间并通过转轴与电动转台(4)连接，通过电动转台(4)控制激光传感器(2)的旋转角度用于对两个待测孔进行同轴度测量。
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