CN111336937B - 一种提高圆柱体直径测量精度的2d设备及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备及其测量方法，圆柱体直径测量精度的2D设备具体包括在竖直方向由上至下依次设置的视觉检测相机、远心镜头、载物台、光源，所述视觉检测相机的相机光轴与远心镜头中心轴重合，所述载物台为均匀透光平面，所述光源从所述载物台底部向上投射，所述视觉检测相机的相机光轴与成像平面为绝对垂直面。本发明的测量方法通过对光轴垂直度误差分析、载物台倾斜角计算得到的误差数据及测量到的圆柱直径值进行拟合得到曲面方程，对测量误差值做精确分析处理，为补偿误差提供精确计算服务。视觉检测相机自动对焦后获得待测圆柱体的高度差参数，无需人工手动输入。

Description

一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备及其测量方法

技术领域

本发明属于精密光学技术领域，具体涉及一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备及其测量方法。

背景技术

视觉测量是指将计算机视觉应用于空间几何尺寸的精确测量和定位。视觉测量因具有连续性、非接触和易于实现自动化等优点，而成为机械零件尺寸测量的一种革新手段。

目前基于机器视觉测量圆柱体直径的方法为：把相机固定在支架的合适位置，使得相机光轴与基准平面垂直；将待测圆柱体物体放置到基准平面上，拍摄图像；根据拍摄的图像，计算圆柱体直径的图像空间尺寸；基于透镜相机模型，建立被测圆柱体直径的图像空间尺寸与物理空间尺寸的映射关系，利用被测圆柱体直径的图像空间尺寸计算物理空间尺寸。

上述方法在检测圆柱体的直径时，直径误差大，相机光轴与基准平面的相对位置的固定存在必然的工艺误差，即相机光轴与基准平面的垂直度无法精确保证，产生对焦点差异，导致圆柱体直径的测量误差增加，测量不够精确，检测精度低。

发明内容

本发明的目的在于：为解决上述问题，本发明提供一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备及其测量方法，能够有效提升2D设备在测量带高度差圆柱的绝对测量精度。

本发明的技术方案为：本发明提供了一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将台阶规放置在载物台上进行360°旋转，两台阶的高度差值为h1，待测两台阶位于远心镜头正下方，远心镜头正上方为视觉检测相机，将载物台底部的光源竖直向上投射，形成待测台阶规的成像平面，所述视觉检测相机的相机光轴与成像平面为绝对垂直，所述成像平面与所述载物台平面间的夹角为角α；

步骤2：计算角α造成的测量误差范围区间，角α造成的测量误差范围区间为视觉检测相机从上方拍摄台阶规两台阶中心成像进行测量的最大距离与最小距离的差；

步骤3：以高度为h2平面平行度校准值为j的针规，进行载物台平面与相机光轴的垂直度误差分析，得出垂直度误差范围区间，垂直度误差范围区间为载物台平面与针规上表面夹角γ与角α因方向的不同，使得高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

步骤4：在2D设备的载物台平面与成像平面的平行度满足在步骤2中计算得出的测量误差范围区间内及同时2D设备的针规平面平行度满足在步骤3中得出的垂直度误差范围区间内的条件下，进行光学成像系统误差分析并将分析得到的数据建立2次曲面模型，对数据进行拟合得到曲面方程，所述光学成像系统误差分析包括对角α造成的测量误差、角γ造成的测量误差进行求取的过程，所述2次曲面模型为F(x，y)＝a+b·x+c·y+d·x2+g·xy+f·y2，其中，a为常数项，b、c、d、g、f为系数，自变量x为针规高度值，自变量y为针规直径测量值，应变量F(x，y)为针规直径测量误差值；

步骤5：通过拟合后的曲面方程对待测圆柱体的直径测量值进行补偿，补偿后的测量直径值为补偿前的直径测量值与拟合的曲面方程求取的直径测量误差值的差，所述直径测量误差值是将每一组补偿前的直径测量值和高度值代入拟合的曲面方程后计算的值。

优选地，步骤2中计算角α造成的测量误差范围区间的算法为：

定义Max_d：为视觉检测相机从台阶规上方拍摄台阶规两台阶中心距离，旋转一周测量的最大距离；

定义Min_d：为视觉检测相机从台阶规上方拍摄台阶规两台阶中心距离，旋转一周测量的最小距离；

sinα＝(Max_d-Min_d)/(2·h1)；

步骤3中载物台平面与相机光轴的垂直度误差分析的算法为：

定义角α：所述成像平面与所述载物台平面间的夹角；

定义角γ：载物台平面与针规上表面夹角；

定义d1：角α和角γ方向一致时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

定义d2：角α和角γ方向相反时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

计算cos(α+γ)和cos(α-γ)的值

误差d1＝h2·(1-cos(α+γ))

误差d2＝h2·(1-cos(α-γ))

步骤4中采用的2次曲面模型的方程式为：F(x，y)＝a+b·x+c·y+d·x2+g·xy+f·y2，进行误差分析，根据选取的拟合数据计算得出方程式中的常数项a及系数b、c、d、g、f，方程式中的自变量x为针规高度值，y自变量为针规直径测量值，应变量F(x，y)为针规直径测量误差值，选取拟合的数据为：若干个不同数值的针规高度值、不同高度值和不同实际直径值下的针规的直径测量值、不同高度值和不同实际直径值下的针规对应的直径测量误差值。

优选地，所述步骤5中的待测圆柱体直径测量值补偿方法为：视觉检测相机自动对焦后，读取竖直方向上光栅尺读数，将读取到的光栅尺读数乘以光栅尺的分辨率得到Z轴刻度，单位：mm，在补偿的过程中，以标定板厚度hf对焦高度光栅尺刻度进行0刻度补偿，测量圆柱体高度值计算方法：

H＝Z轴刻度-竖直方向上视觉检测相机对标定板的对焦读数+标定板厚度hf，H代表圆柱体高度值；

将测得的每一组圆柱体高度值H和圆柱体补偿前的直径测量值Dc代入拟合方程式F(x，y)求得直径测量误差值，定义Df为补偿后的直径测量值，Df＝Dc-F(H，Dc)。

还提供一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备，包括在竖直方向由上至下依次设置的视觉检测相机、远心镜头、载物台、光源，所述视觉检测相机的相机光轴与远心镜头中心轴重合，所述载物台为均匀透光平面，所述光源从所述载物台底部向上投射，所述视觉检测相机的相机光轴与成像平面为绝对垂直面。

优选地，所述远心镜头的直径大于待测圆柱体的直径。

优选地，所述光源的投射区域包含待测圆柱体的投影区域，所述投影区域的面积占所述光源的投射区域面积的80％～90％。

优选地，所述视觉检测相机为CMOS、CCD中的任一种。

本发明的有益效果在于：

1、视觉检测相机的相机光轴与远心镜头中心轴重合，载物台为均匀透光平面，光源自然，结构设备设置简单，易于操作，检测精度高。

2、测量方法步骤中充分考虑了光轴垂直度误差和载物台倾斜角造成的测量误差，进行光学成像系统误差分析并将分析得到的数据建立2次曲面模型，对数据进行拟合得到曲面方程，对测量误差值做精确分析处理，为补偿误差提供精确计算服务。

3、视觉检测相机自动对焦后读取竖直方向上光栅尺读数乘以光栅尺的分辨率得到Z轴刻度(mm)，本方案通过自动对焦后获得待测圆柱体的高度差参数，无需人工手动输入补偿；采用二次曲面拟合得到圆柱体的补偿模型，补偿后2D设备的精度大大提高。

4、运用本发明的误差测量方法对不同的测量圆柱体直径的2D设备分别进行误差分析，可比较各台2D设备的测量精度，从而根据测量精度需要选取合格的2D设备，既保证了测量精度又能最大程度分级利用满足不同检测要求情况下的2D设备。

附图说明

图1为本发明的提高圆柱体直径测量精度的2D设备结构示意图。

图2为本发明测量方法中的载物台倾斜角误差分析计算简图。

图3为本发明载物台和视觉检测相机间的垂直度误差分析一种计算简图。

图4为本发明载物台和视觉检测相机间的垂直度误差分析另一种计算简图。

图5为本发明中二次曲面拟合得到圆柱体的补偿模型示意图。

图6为本发明中圆柱体直径测量误差值补偿前后对照表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

本发明提供了一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将台阶规放置在载物台上进行360°旋转，两台阶的高度差值为h1，待测圆柱体3位于远心镜头2正下方，远心镜头2正上方为视觉检测相机1，将载物台4底部的光源竖直向上投射，形成待测圆柱体3的成像平面，所述视觉检测相机1的相机光轴与成像平面为绝对垂直面，所述成像平面与所述载物台4平面间的夹角为角α；

步骤2：计算角α造成的测量误差范围区间，角α造成的测量误差范围区间为视觉检测相机从上方拍摄台阶规两台阶中心成像进行测量的最大距离与最小距离的差；

步骤3：以高度为h2平面平行度校准值为j的针规，进行载物台4的平面与相机光轴的垂直度误差分析，得出垂直度误差范围区间，垂直度误差范围区间为载物台平面与针规上表面夹角γ与角α因方向的不同，使得高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

步骤4：在2D设备的载物台平面与成像平面的平行度满足在步骤2中计算得出的测量误差范围区间内及同时2D设备的针规平面平行度满足在步骤3中得出的垂直度误差范围区间内的条件下，进行光学成像系统误差分析并将分析得到的数据建立2次曲面模型，对数据进行拟合得到曲面方程，所述光学成像系统误差分析包括对角α造成的测量误差、角γ造成的测量误差进行求取的过程，所述2次曲面模型为F(x，y)＝a+b·x+c·y+d·x2+g·xy+f·y2，其中，a为常数项，b、c、d、g、f为系数，自变量x为针规高度值，自变量y为针规直径测量值，应变量F(x，y)为针规直径测量误差值；

步骤5：通过拟合后的曲面方程对待测圆柱体的直径测量值进行补偿，补偿后的测量直径值为补偿前的直径测量值与拟合的曲面方程求取的直径测量误差值的差，所述直径测量误差值是将每一组补偿前的直径测量值和高度值代入拟合的曲面方程后计算的值。

优选地，步骤2中计算角α造成的测量误差范围区间的算法为：

定义Max_d：为视觉检测相机1从待测圆柱体3上方拍摄圆柱体两端点成像进行测量的最大距离；

定义Min_d：为视觉检测相机1从待测圆柱体3上方拍摄圆柱体两端点成像进行测量的最小距离；

sinα＝(Max_d-Min_d)/(2·h1)；

步骤3中载物台4的平面与相机光轴的垂直度误差分析的算法为：

定义角α：所述成像平面与所述载物台平面间的夹角；

定义角γ：载物台平面与针规上表面夹角；

定义d1：角α和角γ方向一致时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

定义d2：角α和角γ方向相反时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

计算cos(α+γ)和cos(α-γ)的值

误差d1＝h2·(1-cos(α+γ))

误差d2＝h2·(1-cos(α+γ))

步骤4中采用的2次曲面模型的方程式为：F(x，y)＝a+b·x+c·y+d·x²+g·xy+f·y²，进行误差分析，根据选取的拟合数据计算得出方程式中的常数项a及系数b、c、d、g、f，方程式中的自变量x为针规高度值，y自变量为针规直径测量值，应变量F(x，y)为针规直径测量误差值，选取拟合的数据为：若干个不同数值的针规高度值、不同高度值和不同实际直径值下的针规的直径测量值、不同高度值和不同实际直径值下的针规对应的直径测量误差值。

所述步骤5中的待测圆柱体直径测量值补偿方法为：视觉检测相机自动对焦后，读取竖直方向上光栅尺读数，将读取到的光栅尺读数乘以光栅尺的分辨率得到Z轴刻度，单位：mm，在补偿的过程中，以标定板厚度h_f对焦高度光栅尺刻度进行0刻度补偿，测量圆柱体所需补偿的高度值计算方法：

H＝Z轴刻度-竖直方向上视觉检测相机对标定板的对焦读数+标定板厚度h_f，H代表圆柱体高度值；

将测得的每一组圆柱体高度值H和圆柱体补偿前的直径测量值Dc代入拟合方程式F(x，y)求得直径测量误差值，定义Df为补偿后的直径测量值，Df＝Dc-F(H，Dc)。

利用本发明的2D设备进行测量补偿的具体实施如下：

步骤1：将台阶规放置在载物台上进行360°旋转，两台阶的高度差值为h1，待测圆柱体3位于远心镜头2正下方，远心镜头2正上方为视觉检测相机1，将载物台4底部的光源竖直向上投射，形成待测圆柱体3的成像平面，所述视觉检测相机1的相机光轴与成像平面为绝对垂直面，所述成像平面与所述载物台4平面间的夹角为角α；

步骤2：计算角α造成的测量误差范围区间，通过分析高度差为10mm的圆柱体，在载物台4上进行360旋转，由载物台4倾斜角α造成的测量误差为Max_d-Min_d。

请参阅图2所示，图2中点A为台阶归主视方向上低台阶的正投影点，点B为台阶归主视方向上高台阶的正投影点，A点与B点之间的距离为L，角β为A点与B点之间的线段与载物台平面之间的夹角；

Max_d：为相机从上方拍摄工件两端点成像进行测量的最大距离；

Min_d：为相机从上方拍摄工件两端点成像进行测量的最小距离；

角度α：所述成像平面与所述载物台平面间的夹角；

Min_d＝L·cos(α+β)，Max_d＝L·cos(β-α)

Max_d-Min_d＝2L·sinα·sinβ

2L·sinβ＝2·h1，h1的值在本实施例中为10mm，所以

sinα＝(Max_d-Min_d)/(2·10mm)

载物台4的平面度设计值为10mm高度差圆柱体360度范围内测量的极差小于10μ，那么可以推算sinα＝(10μm/20mm)＝0.0005

步骤3：以高度为50mm平面平行度校准值为0.04mm的针规进行载物台4的平面与相机光轴的垂直度误差分析，得出垂直度误差范围区间；

定义角α：所述成像平面与所述载物台平面间的夹角；

定义角γ：载物台平面与针规上表面夹角；

请参阅图3所示，角α和角γ方向一致；请参阅图4所示，角α和角γ方向相反；

定义d1：角α和角γ方向一致时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

定义d2：角α和角γ方向相反时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

cos(α+γ)＝cos(0.0013)＝0.999999155

cos(α-γ)＝cos(-0.0003)＝0.999999955

误差d1＝50mm·(1-0.999999155)＝0.042μ

误差d2＝50mm·(1-0.999999955)＝0.002μ

载物台4与相机光轴垂直度10μ，直径为50mm的针规平面度0.04mm时，误差0.002μ～0.04μ。

步骤4：在2D设备的光轴垂直度满足在步骤2中计算得出的测量误差范围区间内及同时2D设备的针规平面度满足在步骤3中得出的垂直度误差范围区间内的条件下，进行光学成像系统误差分析并将分析得到的数据建立2次曲面模型，对数据进行拟合得到曲面方程；选取拟合的数据为：若干个不同数值的针规高度值、不同高度值和不同实际直径值下的针规的直径测量值、不同高度值和不同实际直径值下的针规对应的直径测量误差值。具体选取的数值见表1。

表1

采用2次曲面模型：F(x，y)＝a+b·x+c·y+d·x²+g·xy+f·y²进行误差分析：请参阅图5所示，二次曲面拟合得到圆柱体的补偿模型示意图，图中X轴坐标为h1；Y轴坐标为直径测量值；Z轴坐标为直径测量误差值。

对上述数据进行拟合，拟合后的曲面方程的如下：

F(x，y)＝0.01557-0.000689x+0.0001271y+1.482e^-05x²+5.872e^-06xy+-5.788e^{- 06}y²，e为自然底数。

步骤5：通过拟合后的曲面方程对待测圆柱体的直径测量值进行补偿，圆柱体直径测量值补偿方法为：视觉检测相机1自动对焦后读取竖直方向上光栅尺读数乘以光栅尺的分辨率得到Z轴刻度，单位：mm，在补偿的过程中，以标定板厚度3mm对焦高度光栅尺刻度进行0刻度补偿，测量圆柱体所需补偿的高度值计算方法：H＝Z轴刻度-竖直方向上视觉检测相机对标定板的对焦读数(mm)+标定板厚度h_f(mm)，H代表圆柱体的高度值。

将测得的每一组圆柱体高度值H和圆柱体补偿前的直径测量值Dc代入拟合方程式F(x，y)求得直径测量误差值，定义Df为补偿后的直径测量值，Df＝Dc-F(H，Dc)。

补偿前后的结果见表2。

表2

请参阅图6所示，图6中虚线表示补偿前的测量直径值误差，实线表示补偿后的测量直径值误差，可以看出补偿后误差值大大减少，提高了测量精度。图5中纵坐标为测量误差值，横坐标的1～13与表1中的序号对应。

本发明的视觉检测相机1的相机光轴与远心镜头2中心轴重合，载物台4为均匀透光平面，光源自然，结构设备设置简单，易于操作，检测精度高。

测量方法步骤中充分考虑了光轴垂直度误差和载物台4倾斜角造成的测量误差，进行光学成像系统误差分析并将分析得到的数据建立2次曲面模型，对数据进行拟合得到曲面方程，对测量误差值做精确分析处理，为补偿误差提供精确计算服务。

视觉检测相机1自动对焦后读取竖直方向上光栅尺读数乘以光栅尺的分辨率得到Z轴刻度，单位：mm，本方案通过自动对焦后获得待测圆柱体3的高度差参数，无需人工手动输入补偿；采用二次曲面拟合得到圆柱体的补偿模型，补偿后2D设备的精度由大大提高。

请参阅图1所示，本发明提供了一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备，包括在竖直方向由上至下依次设置的视觉检测相机1、远心镜头2、载物台4、光源，所述视觉检测相机1的相机光轴与远心镜头2中心轴重合，所述载物台4为均匀透光平面，所述光源从所述载物台4底部向上投射，所述视觉检测相机1的相机光轴与成像平面为绝对垂直面。

所述远心镜头2的直径大于待测圆柱体的直径。

所述光源的投射区域包含待测圆柱体的投影区域，所述投影区域的面积占所述光源的投射区域面积的80％～90％。

所述视觉检测相机1为CMOS、CCD中的任一种。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将台阶规放置在载物台上进行360°旋转，两台阶的高度差值为h1，待测两台阶位于远心镜头正下方，远心镜头正上方为视觉检测相机，将载物台底部的光源竖直向上投射，形成待测台阶规的成像平面，所述视觉检测相机的相机光轴与成像平面为绝对垂直，所述成像平面与所述载物台平面间的夹角为角α；

步骤2：计算角α造成的测量误差范围区间，角α造成的测量误差范围区间为视觉检测相机从上方拍摄台阶规两台阶中心成像进行测量的最大距离与最小距离的差；

步骤3：以高度为h2平面平行度校准值为j的针规，进行载物台平面与相机光轴的垂直度误差分析，得出垂直度误差范围区间，垂直度误差范围区间为载物台平面与针规上表面夹角γ与角α因方向的不同，使得高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

步骤4：在2D设备的载物台平面与成像平面的平行度满足在步骤2中计算得出的测量误差范围区间内及同时2D设备的针规平面平行度满足在步骤3中得出的垂直度误差范围区间内的条件下，进行光学成像系统误差分析并将分析得到的数据建立2次曲面模型，对数据进行拟合得到曲面方程，所述光学成像系统误差分析包括对角α造成的测量误差、角γ造成的测量误差进行求取的过程，所述2次曲面模型为F(x，y)＝a+b·x+c·y+d·x²+g·xy+f·y²，其中，a为常数项，b、c、d、g、f为系数，自变量x为针规高度值，自变量y为针规直径测量值，应变量F(x，y)为针规直径测量误差值；

步骤5：通过拟合后的曲面方程对待测圆柱体的直径测量值进行补偿，补偿后的测量直径值为补偿前的直径测量值与拟合的曲面方程求取的直径测量误差值的差，所述直径测量误差值是将每一组补偿前的直径测量值和高度值代入拟合的曲面方程后计算的值。

2.根据权利要求1所述的一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备的测量方法，其特征在于，

步骤2中计算角α造成的测量误差范围区间的算法为：

定义Max_d：为视觉检测相机从台阶规上方拍摄台阶规两台阶中心距离，旋转一周测量的最大距离；

定义Min_d：为视觉检测相机从台阶规上方拍摄台阶规两台阶中心距离，旋转一周测量的最小距离；

sinα＝(Max_d-Min_d)/(2·h1)；

步骤3中载物台平面与相机光轴的垂直度误差分析的算法为：

定义角α：所述成像平面与所述载物台平面间的夹角；

定义角γ：载物台平面与针规上表面夹角；

定义d1：角α和角γ方向一致时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

定义d2：角α和角γ方向相反时，高度为h2的针规，在直径方向的测量误差；

计算cos(α+γ)和cos(α-γ)的值

误差d1＝h2·(1-cos(α+γ))

误差d2＝h2·(1-cos(α-γ))

步骤4中采用的2次曲面模型的方程式为：F(x，y)＝a+b·x+c·y+d·x²+g·xy+f·y²，进行误差分析，根据选取的拟合数据计算得出方程式中的常数项a及系数b、c、d、g、f，方程式中的自变量x为针规高度值，y自变量为针规直径测量值，应变量F(x，y)为针规直径测量误差值，选取拟合的数据为：若干个不同数值的针规高度值、不同高度值和不同实际直径值下的针规的直径测量值、不同高度值和不同实际直径值下的针规对应的直径测量误差值。

3.根据权利要求2所述的一种提高圆柱体直径测量精度的2D设备的测量方法，其特征在于，所述步骤5中的待测圆柱体直径测量值补偿方法为：视觉检测相机自动对焦后，读取竖直方向上光栅尺读数，将读取到的光栅尺读数乘以光栅尺的分辨率得到Z轴刻度，单位：mm，在补偿的过程中，以标定板厚度hf对焦高度光栅尺刻度进行0刻度补偿，测量圆柱体高度值计算方法：

H＝Z轴刻度-竖直方向上视觉检测相机对标定板的对焦读数+标定板厚度hf，H代表圆柱体高度值；

将测得的每一组圆柱体高度值H和圆柱体补偿前的直径测量值Dc代入拟合方程式F(x，y)求得直径测量误差值，定义Df为补偿后的直径测量值，Df＝Dc-F(H，Dc)。

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