CN113091628A - 一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置及方法 - Google Patents

一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置及方法，包括一字线激光传感器、两自由度运动轴、视觉测量系统、一字线激光控制器、运动轴控制器和工控机，待测量标定的轴工件、孔工件安装在两自由度运动轴上；一字线激光传感器连接一字线激光控制器，一字线激光控制器通过串口与工控机连接；两自由度运动轴连接运动轴控制器；视觉测量系统、运动轴控制器通过网络与工控机连接；工控机内的标定程序完成运动轴的控制以及轴孔图像识别；采用视觉测量系统对轴孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。本发明能够解决小尺寸轴孔间隙视觉测量标定，且标定精度高。

Description

一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置及方法
技术领域
本发明涉及产品装配及制造技术领域，具体涉及一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置及方法。
背景技术
视觉测量技术以光学为基础，融合了电子技术、图像处理技术，具有非接触、速度快、精度高等特点，在装备制造领域得到广泛应用。轴孔间隙测量是机械制造领域中一种常见的测量问题。基于视觉测量技术进行轴孔间隙测量结果受到轴孔材料、图像处理算法、打光方式等多方面的影响，所以选取合理的标定技术预先对视觉测量系统进行标定对轴孔间隙测量精度的影响至关重要。
然而，现有技术中轴孔间隙视觉测量标定方法存在以下缺点：
(1)目前视觉标定技术主要在相机视野内采集多张标定板图像对相机的内外参数进行标定，由于标定板的材质、现场光照情况与真实测量情况并不完全一致，相机标定只能反映成像系统分辨精度，并不能代表视觉测量系统绝对测量精度。
(2)当轴工件、孔工件直径较小时，轴孔间隙测量标定表现为小视场、高精度平面的标定，此时选用的视觉测量系统视野也会很小，传统基于标定板的方法，很难制作出满足尺寸、精度要求的标定板。
发明内容
针对上述背景技术中现有轴孔间隙视觉测量标定方法的至少一个缺陷，本发明目的在于提供一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置及方法，该方法将待装配的轴工件、孔工件放置在两个自由度的运动轴上，通过对运动轴的调节，使轴工件、孔工件在镜头的整个视野范围内移动，同时对轴工件、孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，包括一字线激光传感器、两自由度运动轴、视觉测量系统、一字线激光控制器、运动轴控制器和工控机，待测量标定的轴工件、孔工件安装在所述两自由度运动轴上；所述一字线激光传感器出光方向与轴工件垂直且出光位置位于孔工件顶部；所述视觉测量系统与轴工件成一定角度且其相机视场覆盖轴孔装配过程中轴孔工件的出现所有位置；
所述一字线激光传感器连接一字线激光控制器，所述一字线激光控制器通过串口与工控机连接；所述两自由度运动轴连接运动轴控制器；所述视觉测量系统、运动轴控制器通过网络与工控机连接；所述工控机内的标定程序完成运动轴的控制以及轴孔图像识别；
采用视觉测量系统对轴孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
工作原理是：基于现有的技术中轴孔间隙视觉测量标定方法存在以下缺点：(1)目前视觉标定技术主要在相机视野内采集多张标定板图像对相机的内外参数进行标定，由于标定板的材质、现场光照情况与真实测量情况并不完全一致，相机标定只能反映成像系统分辨精度，并不能代表视觉测量系统绝对测量精度。(2)当轴工件、孔工件直径较小时，轴孔间隙测量标定表现为小视场、高精度平面的标定，此时选用的视觉测量系统视野也会很小，传统基于标定板的方法，很难制作出满足尺寸、精度要求的标定板。
本发明设计了一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，本发明在轴孔装配前，使用待装配的轴工件、孔工件对间隙视觉测量系统进行标定，通过移动轴、孔工件遍历其在视觉测量系统内所有点，建立图像坐标与运动坐标的函数关系，利用运动系统的高精度保证视觉测量精度，其标定结果真实反应装配过程中的测量精度。此外本发明与现有使用标定板标定的方法相比，本发明不需要额外增加标定板，适用于小视场、高精度平面标定。
进一步地，所述视觉测量系统包括CCD相机、远心镜头、环形光源，所述CCD相机、远心镜头、环形光源依次设于同一轴线上。
进一步地，所述视觉测量系统与轴工件成的角度范围与孔工件最大半径、景深、工作距离有关，具体满足步骤S11中的公式。
进一步地，所述视觉测量系统、运动轴控制器通过有线网络与工控机连接。
第二方面，本发明还提供了一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置的标定方法，该标定方法应用于所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，该方法包括：
S1：将待装配的轴工件、孔工件放置在两自由度运动轴上，调节视觉测量系统、一字线激光传感器和运动轴相关参数，使轴工件、孔工件在视觉测量系统(即CCF相机的镜头)的整个视野范围内移动；
S2：对轴工件、孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
进一步地，步骤S1包括以下子步骤：
S11：计算视觉测量系统安装角度；假设轴孔工件最大半径为R，镜头精深为H，工作距离为L，则视觉测量系统与轴工件倾斜角度α满足如下公式：
Figure BDA0003010022490000031
S12：调整一字线激光传感器焦距及功率，使线激光传感器在轴工件上的标记线在视觉测量系统成像清晰；
S13：关闭一字线激光传感器，调节光源使孔工件在视觉测量系统成像清晰；及调整运动轴位置，使孔工件中心位于视觉测量系统中心。
进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
S21：记录运动轴坐标位置kx0、ky0，视觉测量系统利用孔工件图像检测方法进行图像检测计算孔工件中心坐标km0、kn0；
S22：以固定步进分别移动运动轴的x、y轴，使孔工件在视觉测量系统(CCD相机)视野内移动，记录每一点运动轴坐标及视觉测量系统图像检测的孔工件的中心坐标；假设第i个点的运动轴坐标为kxi、kyi，视觉测量中的图像坐标为kmi、kni；
S23：将图像的像素坐标和运动轴坐标进行曲线拟合，建立kx＝f1(km,kn)、ky＝f2(km,kn)函数关系；
S24：计算标定系统的最大误差值为
Figure BDA0003010022490000032
S25：关闭光源，打开一字线激光传感器，并移动运动轴使轴工件中心位于视觉测量系统中心；记录运动轴坐标位置zx0、zy0；视觉测量系统利用轴工件图像检测方法进行图像检测计算轴工件中心坐标为zm0、zn0；
S26：以固定步进分别移动运动轴的x、y轴，使轴工件在视觉测量系统(CCD相机)视野内移动，记录每一点运动轴坐标及视觉测量系统进行图像检测的轴工件的中心坐标；假设第i个点的运动轴坐标为zxi、zyi，视觉测量系的坐标为zmi、zni；
S27：将图像的像素坐标和运动轴坐标进行曲线拟合，建立zx＝f3(zm,zn)、zy＝f4(zm,zn)函数关系；
S28：计算标定系统的最大误差值为
Figure BDA0003010022490000033
进一步地，步骤S22和步骤S26中，均以A um为步进分别移动运动轴的x、y轴；A值越小标定精度越高，标定效率越低。比如，A取10。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置的标定方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明方法将待装配的轴工件、孔工件放置在两个自由度的运动轴上，通过对运动轴的调节，使轴孔工件在镜头的整个视野范围内移动，同时对轴孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
2、本发明装置及方法，在轴孔装配前，使用待装配的轴、孔工件对间隙视觉测量系统进行标定，通过移动轴、孔工件遍历其在视觉测量系统内所有点，建立图像坐标与运动坐标的函数关系，利用运动系统的高精度保证视觉测量精度，其标定结果真实反应装配过程中的测量精度。此外本发明与现有使用标定板标定的方法相比，本发明不需要额外增加标定板，适用于小视场、高精度平面标定；标定精度高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置结构示意图。
图2为本发明一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置的控制框图。
图3为本发明一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置的标定方法流程图。
图4为本发明孔工件图像检测方法的执行流程图。
图5为本发明轴工件图像检测方法的执行流程图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2所示，本发明一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，该装置包括一字线激光传感器、两自由度运动轴、视觉测量系统、一字线激光控制器、运动轴控制器和工控机，待测量标定的轴工件、孔工件安装在所述两自由度运动轴上；所述一字线激光传感器出光方向与轴工件垂直且出光位置位于孔工件顶部；所述视觉测量系统与轴工件成一定角度且其相机视场覆盖轴孔装配过程中轴孔工件的出现所有位置；
所述一字线激光传感器连接一字线激光控制器，所述一字线激光控制器通过串口与工控机连接；所述两自由度运动轴连接运动轴控制器；所述视觉测量系统、运动轴控制器通过网络与工控机连接；所述工控机内的标定程序完成运动轴的控制以及轴孔图像识别；
采用视觉测量系统对轴孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
本实施例中，所述视觉测量系统包括CCD相机、远心镜头、环形光源，所述CCD相机、远心镜头、环形光源依次设于同一轴线上。
本实施例中，所述视觉测量系统与轴工件成的角度范围与孔工件最大半径、景深、工作距离有关，具体满足步骤S11中的公式，保证相机视场覆盖轴孔装配过程中轴孔工件的出现所有位置。
本实施例中，所述视觉测量系统、运动轴控制器通过有线网络与工控机连接。
本发明设计了一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，本发明在轴孔装配前，使用待装配的轴、孔工件对间隙视觉测量系统进行标定，通过移动轴、孔工件遍历其在视觉测量系统内所有点，建立图像坐标与运动坐标的函数关系，利用运动系统的高精度保证视觉测量精度，其标定结果真实反应装配过程中的测量精度。此外本发明与现有使用标定板标定的方法相比，本发明不需要额外增加标定板，适用于小视场、高精度平面标定。
实施例2
如图1至图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还提供了一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置的标定方法，该标定方法应用于实施例1所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，如图3所示，该方法包括：
S1：将待装配的轴工件、孔工件放置在两自由度运动轴上，调节视觉测量系统、一字线激光传感器和运动轴相关参数，使轴工件、孔工件在视觉测量系统(即CCF相机的镜头)的整个视野范围内移动；
S2：对轴工件、孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
具体实施时：
步骤1：计算视觉测量系统安装角度；假设轴孔工件最大半径为R，镜头精深为H，工作距离为L，则视觉测量系统与轴工件倾斜角度α满足如下公式：
Figure BDA0003010022490000061
步骤2：调整一字线激光传感器焦距及功率，使线激光传感器在轴工件上的标记线在视觉测量系统成像清晰；
步骤3：关闭一字线激光传感器，调节光源使孔工件在视觉测量系统成像清晰；及调整运动轴位置，使孔工件中心位于视觉测量系统中心。
步骤4：记录运动轴坐标位置kx0、ky0，视觉测量系统利用孔工件图像检测方法进行图像检测计算孔工件中心坐标km0、kn0；所述孔工件图像检测方法的执行流程如图4所示。
步骤5：以10um为步进分别移动运动轴的x、y轴，使孔工件在视觉测量系统(CCD相机)视野内移动，记录每一点运动轴坐标及视觉测量系统图像检测的孔工件的中心坐标；假设第i个点的运动轴坐标为kxi、kyi，视觉测量中的图像坐标为kmi、kni；
步骤6：将图像的像素坐标和运动轴坐标进行曲线拟合，建立kx＝f1(km,kn)、ky＝f2(km,kn)函数关系；
步骤7：计算标定系统的最大误差值为
Figure BDA0003010022490000071
步骤8：关闭光源，打开一字线激光传感器，并移动运动轴使轴工件中心位于视觉测量系统中心；记录运动轴坐标位置zx0、zy0；视觉测量系统利用轴工件图像检测方法进行图像检测计算轴工件中心坐标为zm0、zn0；所述轴工件图像检测方法的执行流程如图5所示。
步骤9：以10um为步进分别移动运动轴的x、y轴，使轴工件在视觉测量系统(CCD相机)视野内移动，记录每一点运动轴坐标及视觉测量系统进行图像检测的轴工件的中心坐标；假设第i个点的运动轴坐标为zxi、zyi，视觉测量系的坐标为zmi、zni；
步骤10：将图像的像素坐标和运动轴坐标进行曲线拟合，建立zx＝f3(zm,zn)、zy＝f4(zm,zn)函数关系；
步骤11：计算标定系统的最大误差值为
Figure BDA0003010022490000072
其中，第一，上述步骤1至步骤3进行视觉测量系统、一字线激光传感器和运动轴相关参数，使轴工件、孔工件在视觉测量系统(即CCF相机的镜头)的整个视野范围内移动；第二，上述步骤4至步骤7建立孔工件在图像检测出来的像素坐标和真实的运动轴坐标的位置关系；第三，上述步骤8至步骤11建立轴工件在图像检测出来的像素坐标和真实的运动轴坐标的位置关系；至此，完成轴孔间隙视觉测量标定。
同时，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置的标定方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，其特征在于，包括一字线激光传感器、两自由度运动轴、视觉测量系统、一字线激光控制器、运动轴控制器和工控机，待测量标定的轴工件、孔工件安装在所述两自由度运动轴上；所述一字线激光传感器出光方向与轴工件垂直且出光位置位于孔工件顶部；所述视觉测量系统与轴工件成一定角度且其视场覆盖轴孔装配过程中轴孔工件的出现所有位置；
所述一字线激光传感器连接一字线激光控制器，所述一字线激光控制器通过串口与工控机连接；所述两自由度运动轴连接运动轴控制器；所述视觉测量系统、运动轴控制器通过网络与工控机连接；所述工控机内的标定程序完成运动轴的控制以及轴孔图像识别；
采用视觉测量系统对轴孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，其特征在于，所述视觉测量系统包括CCD相机、远心镜头、环形光源，所述CCD相机、远心镜头、环形光源依次设于同一轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，其特征在于，所述视觉测量系统与轴工件成的角度与孔工件最大半径、景深、工作距离有关。
4.根据权利要求1所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置，其特征在于，所述视觉测量系统、运动轴控制器通过无线网络与工控机连接。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的一种小尺寸轴孔间隙视觉测量标定装置的标定方法，其特征在于，该方法包括：
S1：将待装配的轴工件、孔工件放置在两自由度运动轴上，调节视觉测量系统、一字线激光传感器和运动轴相关参数，使轴工件、孔工件在视觉测量系统的整个视野范围内移动；
S2：对轴工件、孔工件位置进行视觉测量，通过建立运动轴的坐标与图像检测的像素坐标的位置关系对轴孔间隙视觉测量进行标定。
6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，步骤S1包括以下子步骤：
S11：计算视觉测量系统安装角度；假设轴孔工件最大半径为R，镜头精深为H，工作距离为L，则视觉测量系统与轴工件倾斜角度α满足如下公式：
Figure FDA0003010022480000011
S12：调整一字线激光传感器焦距及功率，使线激光传感器在轴工件上的标记线在视觉测量系统成像清晰；
S13：关闭一字线激光传感器，调节光源使孔工件在视觉测量系统成像清晰；及调整运动轴位置，使孔工件中心位于视觉测量系统中心。
7.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：
S21：记录运动轴坐标位置kx0、ky0，视觉测量系统利用孔工件图像检测方法进行图像检测计算孔工件中心坐标km0、kn0；
S22：以固定步进分别移动运动轴的x、y轴，使孔工件在视觉测量系统视野内移动，记录每一点运动轴坐标及视觉测量系统图像检测的孔工件的中心坐标；假设第i个点的运动轴坐标为kxi、kyi，视觉测量中的图像坐标为kmi、kni；
S23：将图像的像素坐标和运动轴坐标进行曲线拟合，建立kx＝f1(km,kn)、ky＝f2(km,kn)函数关系；
S24：计算标定系统的最大误差值为
Figure FDA0003010022480000021
S25：关闭光源，打开一字线激光传感器，并移动运动轴使轴工件中心位于视觉测量系统中心；记录运动轴坐标位置zx0、zy0；视觉测量系统利用轴工件图像检测方法进行图像检测计算轴工件中心坐标为zm0、zn0；
S26：以固定步进分别移动运动轴的x、y轴，使轴工件在视觉测量系统视野内移动，记录每一点运动轴坐标及视觉测量系统进行图像检测的轴工件的中心坐标；假设第i个点的运动轴坐标为zxi、zyi，视觉测量系的坐标为zmi、zni；
S27：将图像的像素坐标和运动轴坐标进行曲线拟合，建立zx＝f3(zm,zn)、zy＝f4(zm,zn)函数关系；
S28：计算标定系统的最大误差值为
Figure FDA0003010022480000022
8.根据权利要求7所述的标定方法，其特征在于，步骤S22和步骤S26中，均以10um为步进分别移动运动轴的x、y轴。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至8任一项所述的标定方法。
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