CN111536897A - 一种空腔类零部件内壁自动化测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空腔类零部件内壁自动化测量装置，包括旋进机构、丝杠，所述旋进机构与丝杠螺纹连接，旋进机构一端设置有驱动器另一端固定连接有支撑架，所述驱动器能够驱动旋进机构在丝杠上旋转，使之沿丝杠轴向方向运动，旋进机构下部设置有视觉测量机构；所述驱动器还安装有编码器，所述编码器与视觉测量机构电连接。使用该测量装置进行测量的具体方法，包括以下步骤：1）设置初始坐标系；2）采集图像和数据计算；3）数据换算。本发明的测量装置和测量方法中，以丝杠为定位基准，测量过程中无需对被测物粘贴标志点，在测量完成后也无需去除标志点；简化了坐标换算的计算；能够在无人工干预的情况下对空腔类零件内壁进行三维测量。

Description

一种空腔类零部件内壁自动化测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及零件测量技术领域，具体是指一种空腔类零部件内壁自动化测量装置及其测量方法。

背景技术

空腔类零件内部空间有限，传统的三坐标测量机等不便进行测量。为了解决空腔类零件的内壁尺寸检测，现有技术中出现了非接触式光学测量方式，例如线激光扫描测量方式或面结构光扫描测量方式。

线激光扫描测量物体的方法是通过向物体表面投射一束高亮度的线状激光，并用相机拍摄物体表面，获取包含激光线影像在内的物体表面图像，通过图像处理方法提取激光线影像的中心，根据三角测量原理，重建激光线的三维数据，再通过多次扫描得到的激光线三维数据的组合，得到被测物体的表面三维形貌。面结构光扫描测量物体的方法，与线激光扫描的方法类似，通过向物体表面投射特定的面结构光图样，用相机拍摄物体表面，获取经过物体表面形貌调制的结构光影像，然后应用相位展开等算法和三角测量原理，重建被测物体表面三维数据。上述非接触式光学测量方式无法仅通过单次测量获得完整的被测物表面三维数据，在进行多次测量时，往往需要通过被测物表面粘贴的标志点进行不同测量数据的坐标系统一，而空腔类零件内部空间有限，标志点的粘贴和去除较为困难，为其测量带来了极大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于实现对物体的三维形貌测量的自动化测量装置。

本发明的另一个目的在于提供基于上述自动化测量装置，通过自身提供的坐标转换依据，可以无需标志点得到被测物体的完整三维形貌的测量方法。

本发明通过下述技术方案实现：一种空腔类零部件内壁自动化测量装置，包括旋进机构、丝杠，所述旋进机构与丝杠螺纹连接，旋进机构一端设置有驱动器另一端固定连接有支撑架，所述驱动器能够驱动旋进机构在丝杠上旋转，使之沿丝杠轴向方向运动，旋进机构下部设置有视觉测量机构；所述驱动器还安装有编码器，所述编码器与视觉测量机构电连接，编码器同步反映旋进机构在丝杠上的转动，并输出的同步脉冲信号给视觉测量机构，使视觉测量机构同步进行视觉测量。

本技术方案的工作原理为，在驱动装置上装有编码器，其每转一周输出固定周期数的脉冲，驱动装置每转一周，对应旋进机构也转动一周，因此编码器也同步反映旋进机构在丝杠上的转动。每个脉冲对应的角度增量可以通过计算得到；

视觉测量机构接收编码器输出的脉冲信号，同步进行投影和图像采集。

测量时驱动装置匀速连续转动，编码器均匀输出脉冲，每一个编码器脉冲进行一次测量，获得一组三维点云数据，根据测量装置的不同，这组数据可以是一个点，一条线或一个面。每一个编码器脉冲下测量得到的数据，可以根据编码器累计脉冲数换算的角度信息，以及丝杠的螺距等几何参数，换算到同一坐标系下，在旋进机构到达丝杠末端时，完成整个内腔表面的三维形貌数据采集。

为更好的实现本发明，进一步地，所述旋进机构包括中部与丝杠螺纹连接的旋进块，所述旋进块上端嵌插有驱动杆，所述驱动杆一端与驱动器固定连接，所述旋进块下部与固定连接有视觉测量机构。

为更好的实现本发明，进一步地，所述视觉测量装置为点测量装置或线测量装置或面测量装置。

为更好的实现本发明，进一步地，所述视觉测量机构包括与旋进机构下部固定的安装台，所述安装台下部安装有投影装置和相机；所述相机的光心轴与丝杠的中轴线垂直。

一种空腔类零部件内壁自动化测量的方法，使用上述的一种空腔类零部件内壁自动化测量装置进行测量，具体包括以下步骤：

S1：设置初始坐标系，旋进机构处于丝杆起点时，以相机光心轴在丝杆中轴线上的垂足为原点建立坐标系，其三个坐标轴分别平行于相机坐标系的对应坐标轴；

S2：采集图像和数据计算，从起始位置开始，旋进机构在驱动装置的驱动下连续转动，并沿丝杠向前移动，编码器每发出一个脉冲，测量装置进行一次测量，直至旋进机构运动到丝杠末端；

S3：换算数据，每次测量所获得的数据，均建立在当时的相机坐标系下，通过编码器累计脉冲数和丝杠的几何参数，可以计算得到该相机坐标系到初始坐标系的转换关系，然后将当次测量的数据换算到初始坐标系下，以此，可将整个测量过程中获得的数据统一在初始坐标系下，从而构成内表面的完整三维数据。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤S1设置的初始坐标系中，所述相机的光心轴与丝杠中轴线垂直，相机坐标系的Z轴为其光心轴，其X轴与丝杠中心线平行，其Y轴与丝杠中心线垂直。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述测量装置采集一次测量所需的全部图像的总时间，小于编码器脉冲间隔时间的1/10。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明的测量装置和测量方法中，以丝杠为定位基准，测量过程中无需对被测物粘贴标志点，在测量完成后也无需去除标志点；

(2)本发明的测量装置和测量方法中，对测量装置中各测量元件进行优化的布局，使相机的光心轴与丝杠中心线垂直，相机坐标系的Z轴为其光心轴，其X轴与丝杠中心线平行，其Y轴与丝杠中心线垂直，简化了坐标换算的计算；

(3)本发明能够在无人工干预的情况下对空腔类零件内壁进行三维测量，自动获取和换算被测物表面三维数据,从而获得物体表面完整准确的三维点云数据。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为本发明中测量装置的立体结构示意图；

图2为本发明中视觉测量机构的放大立体结构图；

图3为本发明所述测量装置中相机坐标系和初始坐标系示意图。

其中：1—驱动器，2—编码器，3—旋进块，4—驱动杆，5—丝杠，6—视觉测量机构，61—安装台，62—投影装置，63—相机，7—支撑架。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例的主要结构，如图1所示，包括旋进机构、丝杠5，所述旋进机构与丝杠5螺纹连接，旋进机构一端设置有驱动器1另一端固定连接有支撑架7，所述驱动器1能够驱动旋进机构在丝杠5上旋转，使之沿丝杠5轴向方向运动，旋进机构下部设置有视觉测量机构6；所述驱动器1还安装有编码器2，所述编码器2与视觉测量机构6电连接，编码器2同步反映旋进机构在丝杠上的转动，并输出的同步脉冲信号给视觉测量机构6，使视觉测量机构6同步进行视觉测量。

其中，旋紧机构的结构如图1所示，所述旋进机构包括中部与丝杠5螺纹连接的旋进块3，所述旋进块3上端嵌插有驱动杆4，所述驱动杆4一端与驱动器1固定连接，所述旋进块3下部与固定连接有视觉测量机构6。

所述视觉测量机构6的具体结构如图2所示，包括与旋进机构下部固定的安装台61，所述安装台61下部安装有投影装置62和相机63；所述相机63的光心轴与丝杠5的中轴线垂直。

具体测量过程如下：

设置初始坐标系，如图3所示，相机的光心轴与丝杠中心线垂直，相机坐标系的Z轴为其光心轴，其X轴与丝杠中心线平行，其Y轴与丝杠中心线垂直。

编码器脉冲输出端分别与投影装置和相机相连。

测量前，旋进机构位于丝杠一端，编码器脉冲计数为0，初始坐标系与相机坐标系之间的夹角为0。

测量的过程中，每一个编码器脉冲进行一次测量，并以累计角度折算轴线进动量，将测量数据换算到以丝杠坐标系下。已知相机坐标系原点到丝杠轴线的距离为D，编码器每个脉冲对应的角度为

(

可以整除2π)，第i个编码器脉冲时采集到的数据为点集{P_i}，丝杠第n个螺距为A_n。具体操作步骤如下：

计算测量坐标系相对于丝杠坐标系的轴向位移。进行第i次数据采集时，旋进机构一共转动了

整圈，，符号

表示向下取整。记

则测量坐标系相对于丝杠坐标系，在在Z轴方向上发生了

的平移。

计算测量坐标系相对于丝杠坐标系的旋转。由前述分析过程可知，测量坐标系绕丝杠坐标系的X轴发生了

的旋转。

写出旋转平移矩阵，对点集{P_i}进行变换。由前述分析可知，旋转平移矩阵应为

将每一次测量的点集按T_i进行变换，可将其对齐在丝杠坐标系下，由于整个测量过程中丝杠坐标系不变，不同测量视图下的测量数据可以实现拼合。所述测量装置采集一次测量所需的全部图像的总时间，小于编码器脉冲间隔时间的1/10。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定了视觉测量装置，视觉测量装置包含投影装置和相机，它们的相对位置关系经过标定已知，根据投影装置的不同，视觉测量装置可以是点测量、线测量和面测量装置。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

可以理解的是，根据本发明一个实施例的测量装置结构，例如相机63和投影装置62等部件的工作原理和工作过程都是现有技术，且为本领域的技术人员所熟知，这里就不再进行详细描述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种空腔类零部件内壁自动化测量装置，其特征在于，包括旋进机构、丝杠（5），所述旋进机构与丝杠（5）螺纹连接，旋进机构一端设置有驱动器（1）另一端固定连接有支撑架（7），所述驱动器（1）能够驱动旋进机构在丝杠（5）上旋转，使之沿丝杠（5）轴向方向运动，旋进机构下部设置有视觉测量机构（6）；所述驱动器（1）还安装有编码器（2），所述编码器（2）与视觉测量机构（6）电连接，编码器（2）同步反映旋进机构在丝杠上的转动，并输出的同步脉冲信号给视觉测量机构（6），使视觉测量机构（6）同步进行视觉测量。

2.根据权利要求1所述的一种空腔类零部件内壁自动化测量装置，其特征在于，所述旋进机构包括中部与丝杠（5）螺纹连接的旋进块（3），所述旋进块（3）上端嵌插有驱动杆（4），所述驱动杆（4）一端与驱动器（1）固定连接，所述旋进块（3）下部与固定连接有视觉测量机构（6）。

3.根据权利要求1或2所述的一种空腔类零部件内壁自动化测量装置，其特征在于，所述视觉测量装置（6）为点测量装置或线测量装置或面测量装置。

4.根据权利要求3所述的一种空腔类零部件内壁自动化测量装置，其特征在于，所述视觉测量机构（6）包括与旋进机构下部固定的安装台（61），所述安装台（61）下部安装有投影装置（62）和相机（63）；所述相机（63）的光心轴与丝杠（5）的中轴线垂直。

5.一种空腔类零部件内壁自动化测量的方法，其特征在于，使用权利要求1~4所述的一种空腔类零部件内壁自动化测量装置进行测量，具体包括以下步骤：

S1：设置初始坐标系，旋进机构处于丝杆起点时，以相机光心轴在丝杆中轴线上的垂足为原点建立坐标系，其三个坐标轴分别平行于相机坐标系的对应坐标轴；

S2采集图像和数据计算，从起始位置开始，旋进机构在驱动装置的驱动下连续转动，并沿丝杠向前移动，编码器每发出一个脉冲，测量装置进行一次测量，直至旋进机构运动到丝杠末端；

S3：换算数据，每次测量所获得的数据，均建立在当时的相机坐标系下，通过编码器累计脉冲数和丝杠的几何参数，可以计算得到该相机坐标系到初始坐标系的转换关系，然后将当次测量的数据换算到初始坐标系下，以此，可将整个测量过程中获得的数据统一在初始坐标系下，从而构成内表面的完整三维数据。

6.根据权利要求了5所述的一种空腔类零部件内壁自动化测量的方法，其特征在于，所述步骤S1设置的初始坐标系中，所述相机的光心轴与丝杠中轴线垂直，相机坐标系的Z轴为其光心轴，其X轴与丝杠中心线平行，其Y轴与丝杠中心线垂直。

7.根据权利要求了5或6所述的一种空腔类零部件内壁自动化测量的方法，其特征在于，所述测量装置采集一次测量所需的全部图像的总时间，小于编码器脉冲间隔时间的1/10。

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