CN110160442A - 一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装及其标定方法 - Google Patents

一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装及其标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装及其标定方法。测量工装由用于法兰上圆孔周向定位的滑块、圆凸台螺母、卡爪、丝盘、转轴、把手、轴承、顶盖、底座组成。测量工装底部有一定数量的视觉标记点，它们分别布置在底座和滑块上。该柔性测量工装可以通过旋转把手调节卡爪的伸缩，因而可以适配不同口径的法兰端面。对标记点标定后，会建立一个在真实尺度下的测量工装坐标系，该坐标系可以表征法兰端面的法向量、中心点位置以及法兰上圆孔的周向位置。通过识别并三维重建测量工装端面的标记点而不是管件端面本身，可以有效提高导管法兰端面的检测精度。

Description

一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装及其标定 方法
技术领域
本发明涉及机器视觉检测领域，特别是涉及一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装及其标定方法。
背景技术
导管在各行各业中有着广泛的应用，其加工质量直接影响产品的性能和可靠性。目前，工程中的导管通常由数控弯管机加工而成。由于弯曲回弹、塑性延伸以及焊接变形的影响，致使导管与理论数模要求之间会存在一定误差。为了确保导管能够正确安装，减少装配应力的出现，需要严格控制导管端面的法向、中心点位置、法兰上圆孔的周向位置等参数。
目前，对于工业导管的检测主要使用靠模法、三坐标测量法以及激光扫描的测量方法。靠模法需要针对不同形状的导管制造相应的检验模具，无法精确量化测量导管端点的位置以及端点之间的距离。用于导管测量的三坐标测量机使用活动桥上的探针来测量导管，活动桥的行程限制了测量的距离，对于复杂的长管不适用，测量效率也相对较低。而导管专用的激光扫描测量机则是利用机械臂末端的激光叉形测头来测量自由形状弯管、具有连续转弯的弯管几何参数，但是只适合无分支导管的管段长度、折弯半径等参数的测量，无法实现导管法兰端面位置、法向以及法兰孔周向分布位置的测量。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装，利用该测量工装实现导管端面的法向、中心点位置以及法兰上圆孔周向位置的定位。
本发明同时提供了使用上述柔性测量工装对导管端面尺寸数据的标定方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明可采用以下技术方案。
一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装，包括顶盖、与顶盖配合的底座，顶盖具有盖面，而底座具有与盖面向背的背面、顶盖盖面上设有卡爪；底座上设有用于法兰上圆孔周向定位的滑块，包括上滑块和下滑块的连接，滑块两侧面分别包容在顶盖和底座中的导槽内；底座与下滑块背对盖板的一面上设有若干随机放置的标记点，标记点包括编码点与非编码点，经标定后可获得一个测量工装坐标系，其X轴正向为滑块移动方向，与导管夹紧后即为法兰上其中一个圆孔的周向位置，根据这个周向位置便可确定法兰的周向安装精度；坐标Z轴正向为测量工装底座平面的法向，与导管夹紧后即可确定法兰端面的法向；坐标XY平面为测量工装顶盖的上平面，与导管夹紧后即为法兰端面，由于本发明的测量工装的自定心结构，因此原点O即为法兰端面的中心。
进一步的，所述顶盖内设置三爪联动卡盘，所述卡爪为三爪联动卡盘包含的卡爪；三爪联动卡盘还包括圆凸台螺母、卡爪、设置有平面螺纹的丝盘、转轴、把手、轴承；卡爪两侧面包容在顶盖中的导槽内，该导槽由顶盖中心内向外延伸，卡爪沿该导轨向内或向外直线移动，卡爪的下方为多个卡脚，卡脚伸到丝盘的螺旋槽内；丝盘中心为一正方形槽，与转轴的正方形花键配合。
进一步的，上滑块前方有一螺纹孔，螺钉拧紧在螺纹孔中，螺钉与圆凸台螺母配合。
进一步的，丝盘上有三条周向位置相隔120°形状完全相同的螺旋槽。
进一步的，丝盘上的螺旋槽的螺旋线任意一点处的法线与到圆心连线的夹角不得大于丝盘的材料与卡爪的材料之间的自锁角。
进一步的，用于夹持工件的卡爪的下方为多个由两圆弧线包围的卡脚，卡脚靠近圆心一侧圆弧的半径应比螺旋槽的螺旋线上任意一点的等效半径大，卡脚远离圆心一侧圆弧的半径应比螺旋槽的螺旋线上任意一点的等效半径小。
进一步的，圆凸台螺母一端为螺母的结构，另一端为圆台，圆台侧面上有直径不等的刻线。
而本发明提供的使用上述柔性测量工装的标定方法采用以下技术方案，包括如下步骤：
(1)提供一个带圆孔上面贴有标记点的辅助标定板，将柔性测量工装上的卡爪夹紧在辅助标定板上的圆孔内，利用事先标定好的视觉测量系统测量辅助标定板和测量工装上的标记点三维坐标，并对标记点中的编码点解码；松开测量工装，将其顺时针旋转后再次装夹，视觉测量系统再次测量标记点的三维坐标，每次旋转角度不小于20°，至少旋转3次后结束；
(2)将步骤(1)获得的每一测量位置下的视觉标记点分为运动点与不动点，辅助标定板上的标记点视为不动点，柔性测量工装上的点视为运动点；根据辅助标定板上的不动点的三维坐标进行配准，从而使柔性测量工装上的多组运动点变换到同一坐标系下；
(3)利用坐标变换后的辅助标定板上的不动点拟合平面P，并输出该平面的法向量n；从坐标变换后的柔性测量工装上的运动点中找出相同编号的编码点分别归为一组，每一组数据拟合圆获得其圆心坐标；舍弃误差大的离群圆心坐标，求得剩余的圆心坐标均值(U,V)；
(4)将柔性测量工装的用于法兰上圆孔周向定位的滑块插入导槽内，滑块每移动一段距离后，采用视觉测量系统测量标记点的三维坐标，并对标记点中的编码点解码；移动次数不少于2，移动距离为导槽长度除以移动次数，直到滑块走完导槽的全部距离结束；
(5)将步骤(4)获得的每一测量位置下的视觉标记点分为运动点与不动点，底座上的点视为不动点，滑块上的点视为运动点；根据底座上的不动点的三维坐标进行配准，从而使滑块上的多组运动点变换到同一坐标系下；对坐标变换后的标记点进行处理、分析，舍弃误识别的点，得到滑块上的真实运动点集；
(6)滑块上的运动点集经过直线拟合后得到滑块运动所在直线L，并输出其方向向量τ；
根据步骤(3)(6)中的输出值构建测量工装坐标系，该坐标系的X轴正向为滑块移动方向向量τ，Z轴的正向为测量工装底座平面的法向量n，XY平面为辅助标定板上的不动点拟合的平面P，原点O为圆心坐标均值(U,V)。
本发明的有益效果是：
本发明提供的柔性测量工作及标定方法，不需要用额外的动力机构与锁紧机构，仅需转动该测量工装的把手即可实现该工装与管件法兰之间的锁紧，能够灵活适配不同直径的管件，且该工装与不同直径的管件配合锁紧后，均能自动保证二者之间的中心对齐。将该测量工装安装在导管的法兰端面，视觉测量系统即可通过识别并三维重建测量工装端面的标记点，方便地获得管件法兰端面中心、端面法向以及端面法兰在圆周方向的角度偏差，并有效提高测量精度和测量稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为测量工装底部示意图。
图3为辅助标定板的结构示意图。
图4为测量工装装夹在辅助标定板时的示意图。
图5为测量工装装夹在导管时的示意图。
图6为用于法兰孔定位的楔形块和圆凸台螺母的结构示意图。
图7为丝盘的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1、图2、图5、图6所示：一种用于视觉检测的法兰端面测量工装，包括转轴(1)、把手(2)、底座(3)、顶盖(7)、圆凸台螺母(9)、用于法兰孔定位的滑块、用于夹持工件的卡爪(15)、丝盘(17)、轴承(19)。用于法兰孔定位的滑块包括上滑块(13)和下滑块(14)的连接。滑块两侧面分别包容在顶盖(7)和底座(3)的导槽内，位于与管端面接触一侧的上滑块(13)的前端有一螺纹孔(11)，螺钉(10)拧紧在螺纹孔(11)中，螺钉(10)与圆凸台螺母(9)配合，圆台上底面朝向法兰孔；用于夹持工件的卡爪(15)两侧面分别包容在顶盖(7)的导槽内，下方为多个由两圆弧线包围的卡脚(16)，卡脚(16)伸到丝盘(17)的螺旋槽(18)内；丝盘(17)中心为一正方形槽(4)，与转轴(1)的正方形花键(20)配合。
当需要夹紧导管时如图2所示，导管端面与测量工装顶部端面接触，卡爪(15)一共有三个，其上端伸出的凸台(21)位于导管内壁。转动把手(2)，带动转轴(1)旋转，转轴(1)头部的正方形花键(20)包容在丝盘的正方形槽(4)中，使其一起转动。丝盘(17)上的螺旋槽(18)与卡爪(15)下面的卡脚(16)接触，将旋转运动转化为直线运动。丝盘(17)上三条周向位置相隔120°的螺旋槽(18)使得三个沿径向移动且周向位置相隔120°的卡爪始终获得相同的位移量，它们移动一段距离后，它们外伸的凸台(21)同时与管的内壁接触，实现对工件的夹紧与自定心。用于法兰上圆孔定位的滑块上前端的螺钉(10)穿过圆孔，由于螺钉(10)直径比圆孔直径更小，滑块还能有一定的移动余量，圆凸台螺母(9)与螺钉(10)配合，圆台面朝向圆孔，圆凸台螺母(9)拧紧后，圆台面会压紧圆孔，由于圆台的上底与下底尺寸存在一个差值，圆凸台螺母(9)可以压紧在这直径范围内的圆孔。
测量前，先将测量工装标定，得到各标记点在测量工装坐标系下的三维坐标，并作为注册表输出。具体标定步骤如下：
(1)相机从多个不同的角度对11×9的标定板拍摄获得多幅图像，将这些图像导入到相机标定程序中，处理好后输出相机的内参数矩阵；
(2)如图3及图4所示，辅助标定板为矩形钢板，中间开有一圆孔，四周布置一定数量的视觉标记点(包括编码点与非编码点)。将测量工装的用于法兰上圆孔周向定位的滑块抽出，不使用，将其在顶盖一侧伸出的凸台放到圆孔内，顶盖贴紧辅助标定板，底座贴有标记点的一面朝上，顺时针转动把手，拧紧后将把手从转轴上的圆孔抽出。相机从多个不同的角度拍摄获得图像。
(3)松开测量工装，将其顺时针旋转，角度不小于20°，重复步骤(2)获得图像，至少旋转3次后结束。
(4)将步骤(2)(3)获得的图像导入到标记点三维重建程序中，先利用Canny算子进行图像分割，根据分割后图像的形状、灰度变化等特征识别出编码点与非编码点，并对编码点解码，获得其编号。将每一位置拍摄获得的多幅图像视为一组数据，每一组数据经过OpenMVG库中的三角法重建函数处理后得到三维点坐标数据。
(5)将步骤(4)获得的多组三维点坐标数据导入到测量工装标定程序中，将标记点分为运动点与不动点，辅助标定板上的点视为不动点，测量工装上的点视为运动点。根据不动点的三维点坐标，利用ICP配准算法使这些数据变换到同一坐标系下。
(6)将坐标变换后的不动点经过最小二乘法算法拟合平面，输出该平面的法向量n。
(7)从坐标变换后的运动点中找出相同编号的编码点，重新分组，每一组数据均经过最小二乘法拟合圆算法获得圆心坐标。舍弃误差大的离群圆心坐标，求得剩余的圆心坐标均值(U,V)。
(8)将测量工装的用于法兰上圆孔周向定位的滑块插入导槽内，滑块每移动一段距离后，相机从多个不同的角度拍摄获得图像，移动次数不少于2，移动距离大约为导槽长度除以移动次数，直到滑块走完导槽的全部距离结束。
(9)将步骤(8)获得的图像导入到标记点三维重建程序中，识别出每幅图像中的编码点与非编码点，将每一位置拍摄获得的图像视为一组数据，每一组数据经过OpenMVG库中的三角法重建函数处理后得到三维点坐标数据。
(10)将步骤(9)获得的多组三维点坐标数据导入到测量工装标定程序中，将标记点分为运动点与不动点，底座上的点视为不动点，滑块上的点视为运动点。根据不动点的三维点坐标，利用ICP配准算法使这些数据变换到同一坐标系下。
(11)对坐标变换后的运动点进行处理、分析，舍弃误识别的点。
(12)运动点经过OpenCV库中的直线拟合函数处理后得到滑块运动所在直线L，并输出其方向向量τ。
(13)根据步骤(6)(7)(12)中的输出值构建测量工装坐标，该坐标系的X轴正向为滑块移动方向向量τ，Z轴的正向为测量工装底座平面的法向量n，XY平面为辅助标定板上的不动点拟合的平面P，原点O为圆心坐标均值(U,V)。
测量导管时，测量工装如上述夹紧方法夹紧在导管上，如图5所示。由于标记点所在的测量工装坐标系，其X轴正向为滑块移动方向，与导管夹紧后即为法兰上其中一个圆孔的周向位置，根据这个周向位置便可确定法兰的周向安装精度；坐标Z轴正向为测量工装底座平面的法向，与导管夹紧后即可确定法兰端面的法向；坐标XY平面为测量工装顶盖的最上平面，与导管夹紧后即为法兰端面，由于本发明的测量工装的自定心结构，因此原点O即为法兰端面的中心。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于导管法兰端面视觉检测的柔性测量工装，其特征在于：包括顶盖(7)、与顶盖配合的底座(3)，顶盖具有盖面，而底座具有与盖面向背的背面、顶盖盖面上设有卡爪(15)；底座(3)上设有用于法兰上圆孔周向定位的滑块，包括上滑块(13)和下滑块(14)的连接，滑块两侧面分别包容在顶盖(7)和底座(3)中的导槽(8)内；底座(3)与下滑块(14)背对盖板的一面上设有若干随机放置的标记点，标记点包括编码点与非编码点，经标定后可获得一个测量工装坐标系，其X轴正向为滑块移动方向，与导管夹紧后即为法兰上其中一个圆孔的周向位置，根据这个周向位置便可确定法兰的周向安装精度；坐标Z轴正向为测量工装底座平面的法向，与导管夹紧后即可确定法兰端面的法向；坐标XY平面为测量工装顶盖的上平面，与导管夹紧后即为法兰端面，由于本发明的测量工装的自定心结构，因此原点O即为法兰端面的中心。
2.根据权利要求1所述的柔性测量工装，其特征在于：所述顶盖内设置三爪联动卡盘，所述卡爪(15)为三爪联动卡盘包含的卡爪；三爪联动卡盘还包括圆凸台螺母(9)、卡爪(15)、设置有平面螺纹的丝盘(17)、转轴(1)、把手(2)、轴承(19)；卡爪(15)两侧面包容在顶盖(7)中的导槽(8)内，该导槽(8)由顶盖中心内向外延伸，卡爪(15)沿该导轨向内或向外直线移动，卡爪(15)的下方为多个卡脚(16)，卡脚(16)伸到丝盘(17)的螺旋槽(18)内；丝盘(17)中心为一正方形槽(4)，与转轴(1)的正方形花键(20)配合。
3.根据权利要求1所述的柔性测量工装，其特征在于：上滑块(13)前方有一螺纹孔(11)，螺钉(11)拧紧在螺纹孔中，螺钉(11)与圆凸台螺母(9)配合。
4.根据权利要求1所述的柔性测量工装，其特征在于：丝盘(17)上有三条周向位置相隔120°形状完全相同的螺旋槽(18)。
5.根据权利要求1所述的柔性测量工装，其特征在于：丝盘(17)上的螺旋槽(18)的螺旋线任意一点处的法线与到圆心连线的夹角不得大于丝盘的材料与卡爪的材料之间的自锁角。
6.根据权利要求1所述的柔性测量工装，其特征在于：用于夹持工件的卡爪(15)的下方为多个由两圆弧线包围的卡脚(16)，卡脚(16)靠近圆心一侧圆弧的半径应比螺旋槽(18)的螺旋线上任意一点的等效半径大，卡脚(16)远离圆心一侧圆弧的半径应比螺旋槽(18)的螺旋线上任意一点的等效半径小。
7.根据权利要求1所述的柔性测量工装，其特征在于：圆凸台螺母(7)一端为螺母的结构，另一端为圆台，圆台侧面上有刻线标示圆台不同高度处的直径。
8.一种使用如权利要求1至7中任一项所述柔性测量工装的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供一个带圆孔上面贴有标记点的辅助标定板，将柔性测量工装上的卡爪夹紧在辅助标定板上的圆孔内，利用事先标定好的视觉测量系统测量辅助标定板和测量工装上的标记点三维坐标，并对标记点中的编码点解码；松开测量工装，将其顺时针旋转后再次装夹，视觉测量系统再次测量标记点的三维坐标，每次旋转角度不小于20°，至少旋转3次后结束；
(2)将步骤(1)获得的每一测量位置下的视觉标记点分为运动点与不动点，辅助标定板上的标记点视为不动点，柔性测量工装上的点视为运动点；根据辅助标定板上的不动点的三维坐标进行配准，从而使柔性测量工装上的多组运动点变换到同一坐标系下；
(3)利用坐标变换后的辅助标定板上的不动点拟合平面P，并输出该平面的法向量n；从坐标变换后的柔性测量工装上的运动点中找出相同编号的编码点分别归为一组，每一组数据拟合圆获得其圆心坐标；舍弃误差大的离群圆心坐标，求得剩余的圆心坐标均值(U,V)；
(4)将柔性测量工装的用于法兰上圆孔周向定位的滑块插入导槽内，滑块每移动一段距离后，采用视觉测量系统测量标记点的三维坐标，并对标记点中的编码点解码；移动次数不少于2，移动距离为导槽长度除以移动次数，直到滑块走完导槽的全部距离结束；
(5)将步骤(4)获得的每一测量位置下的视觉标记点分为运动点与不动点，底座上的点视为不动点，滑块上的点视为运动点；根据底座上的不动点的三维坐标进行配准，从而使滑块上的多组运动点变换到同一坐标系下；对坐标变换后的标记点进行处理、分析，舍弃误识别的点，得到滑块上的真实运动点集；
(6)滑块上的运动点集经过直线拟合后得到滑块运动所在直线L，并输出其方向向量τ；
根据步骤(3)(6)中的输出值构建测量工装坐标系，该坐标系的X轴正向为滑块移动方向向量τ，Z轴的正向为测量工装底座平面的法向量n，XY平面为辅助标定板上的不动点拟合的平面P，原点O为圆心坐标均值(U,V)。
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