CN113369990B - 一种用于非接触式测量孔的在线检测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非接触式测量孔的在线检测装置及其使用方法，属于在线检测技术领域。所述装置其结构特征包括夹具、相机、卡环、支架、联接杆、激光发生器和光照补偿器；在线检测装置安装在机床主轴之上，利用标准孔样件在不同高度进行标定，得到标准孔的测量误差补偿值与高度的关系式，结合图像识别技术和误差补偿公式求解零件待测孔的几何参数。本发明可实现大量孔系的非接触式在线检测，获得孔的所有几何信息，消除接触式测量带来的探头碰撞风险和重复装夹误差，提高检测效率。

Description

一种用于非接触式测量孔的在线检测装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及检验检测技术领域，具体涉及一种用于非接触式测量孔的在线检测装置及其使用方法。

背景技术

随着航空制造技术的飞速发展，现代飞机的尺寸越来越大，外形也越来越复杂。为了在减重的前提下提高飞机的气动性能，越来越多的大型复材蒙皮被用作飞机外形零件。复材蒙皮与飞机内部的金属结构件首先通过定位孔装配在一起，接着工人使用便携式钻头制出大量连接孔，然后数控机床在连接孔位置进行锪窝，最后工人使用气动工具在锪窝孔内打入铆钉，实现蒙皮与金属结构件的可靠联接。由于人工制孔不可避免地引入了孔的位置度误差，因此必须测得孔的实际位置后才能编写用于锪窝的数控程序。

为了得到孔的实际位置，一般采用传统的三坐标测量机在专门的测量机房对孔进行测量。此方法存在3个明显的缺点：

(1)三坐标测量机的接触式探头首先需要根据连接孔的理论孔位下降至连接孔内进行测量，由于人工制孔引入了位置误差，探头在下降过程中极易发生碰撞蒙皮表面的严重事故；

(2)零件结束测量后转移到数控机床进行加工，由于蒙皮本身的弱刚性和重复装夹误差，连接孔的位置又会发生偏移，导致锪窝和连接孔的同轴度误差。

(3)三坐标测量机属于精密设备，其进给速度较低，而且单孔的测点数量不少于8个。面对大型蒙皮上成百上千的连接孔，三坐标测量机的检测效率难以满足生产节拍的要求。

因此设计一种用于非接触式测量孔的在线检测装置，能够有效提高蒙皮连接孔的检测精度和检测效率。目前也有部分非接触式检测设备用于零件结构特征的检测，这类设备采用工业相机对零件表面进行拍照并识别特征，但是它们无法直接用于大量孔系的测量，原因主要包括：

(1)孔直径仅有几毫米，生产现场恶劣的光照条件严重降低了照片质量；

(2)单独使用相机拍照仅能得到平面内的检测结果，却忽略了孔位置的空间信息。例如，照片包含了孔在XY平面内的信息，同时却丢失了孔口表面的Z坐标信息；

(3)目前非接触式检测设备的体积较大，难以和机床主轴集成一体，不利于大量孔系的快速检测。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提出一种用于非接触式测量孔的在线检测装置及其使用方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种用于非接触式测量孔的在线检测装置，其结构特征包括：夹具、相机、卡环、支架、联接杆、激光发生器、光照补偿器。

夹具凹槽的宽度名义尺寸L1等于相机上端的宽度名义尺寸L2。夹具制有第一光孔、第二光孔、第三光孔，夹具柄部为圆柱体结构。

相机配备远心镜头。相机上端制有第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔，相机下端在外表面制有外螺纹M1。卡环和光照补偿器的内壁上制有内螺纹M2，所述内螺纹M2的规格与外螺纹M1的规格相同。

激光发生器固联在联接杆的一端，激光发生器的轴线与联接杆的轴线成30°～60°夹角，联接杆的另一端被螺母锁紧在支架上；在支架上以相同方式布置了四套所述激光发生器和联接杆。在支架的中心制出直径为D的圆孔。

相机上端嵌入夹具凹槽，第一螺钉、第二螺钉、第三螺钉将相机固定在夹具上。卡环和光照补偿器分别以螺纹联接的方式旋入相机下端，支架套在卡环和光照补偿器的中间。

优选地，所述夹具凹槽与相机上端形成过盈配合。

优选地，所述激光发生器的轴线与联接杆的轴线成45°夹角。

优选地，所述卡环、支架、联接杆的材料为工程塑料。

优选地，所述支架的圆孔直径D比相机下端的外螺纹M1大5mm。

优选地，所述外螺纹M1和内螺纹M2均为细牙螺纹。

为了实现对孔的测量，所述用于非接触式测量孔的在线检测装置，其使用方法包含以下步骤：

步骤一：将所述在线检测装置的夹具柄部安装在刀柄上，刀柄与机床主轴连接，保证相机、夹具柄部、机床主轴三者同轴。

步骤二：将制有标准孔的样件置于工作台上，机床主轴移动至样件中孔的正上方，即主轴轴线与孔轴线重合，从光照补偿器向样件上表面发射强光从而获得相机拍照所需的补偿光源，从激光发生器发射激光从而在样件上表面形成四个光斑。保持主轴X、Y坐标不变，在竖直方向上移动主轴或工作台，依次使孔口上表面移动至N个位置，在此N个位置对装置进行拍照标定。相机拍摄的每张照片均包含孔、第一光斑、第二光斑、第三光斑、第四光斑。

(ⅰ)、当孔口上表面坐标值为Z1时，第一光斑至照片坐标系原点O距离为L1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(L1,Z1)、(L2,Z2)……(Ln,Zn)进行线性拟合，获得孔口上表面Z坐标、第一光斑至照片坐标系原点O距离L_a之间的关系式：

Z＝k₁×L_a+h₁ (1)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

对第二光斑、第三光斑、第四光斑分别进行类似计算，获得孔口上表面Z坐标、光斑至照片坐标系原点O距离之间的关系式。

(ⅱ)、当孔口上表面坐标值为Z1时，照片上孔经图像识别得到的孔径值与理论值的误差补偿值为△D1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(Z1,△D1)、(Z2,△D2)……(Zn,△Dn)进行线性拟合，获得孔的直径误差补偿值△D与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△D＝m×Z+n (2)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

(ⅲ)、当孔口上表面坐标值为Z1时，照片上孔经图像识别得到的孔心X坐标值与理论值的误差补偿值为△X1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(Z1,△X1)、(Z2,△X2)……(Zn,△Xn)进行线性拟合，获得孔的孔心X坐标误差补偿值△X与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△X＝a×Z+b (3)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

(iv)、当孔口上表面坐标值为Z1时，照片上孔经图像识别得到的的孔心Y坐标值与理论值的误差补偿值为ΔY1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(Z1，ΔY1)、(Z2，ΔY2)......(Zn，ΔYn)进行线性拟合，获得孔的孔心Y坐标误差补偿值ΔY与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

ΔY＝c×Z+d (4)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

线性拟合是通用的数学术语，拟合出的直线由两个参数决定：斜率和截距，在上述式(1)、(2)、(3)、(4)中，k₁、m、a、c为斜率，h₁、n、b、d为截距。

步骤三：移动主轴使相机依次运动至样件所有孔的正上方进行拍照，结合图像识别技术和步骤二中的误差补偿公式求解孔参数。

(I)、当测得第一光斑与照片坐标系原点O的距离分别为L1，根据步骤二(i)公式(1)计算得到孔口上表面Z坐标：

Z₁＝k₁×L₁+h₁

使用相同方法，根据第二光斑、第三光斑、第四光斑与照片坐标系原点O的距离计算得到孔口上表面Z坐标：Z₂、Z₃、Z₄。它们的平均值即是孔口上表面Z坐标的实测值为Z_A：

(II)、利用第一光斑、第二光斑、第三光斑、第四光斑拟合平面A，平面A的法向量

即为孔轴线的方向向量

(III)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(2)计算得到孔径的误差补偿值ΔD，则孔径的实测值D_A为：

D_A＝D₁+ΔD＝D₁+(m×Z_A+n)

其中D₁为图像识别得到的孔径值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

(IV)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(3)计算得到孔心X坐标的误差补偿值ΔX，则孔心X坐标的实测值X_A为：

X_A＝X₁+ΔX＝X₁+(a×Z_A+b)

其中X₁为图像识别得到的孔心X坐标值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

(V)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(4)计算得到孔心Y坐标的误差补偿值ΔY，则孔心Y坐标的实测值Y_A为：

Y_A＝Y₁+ΔY＝Y₁+(c×Z_A+d)

其中Y₁为图像识别得到的孔心Y坐标值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

至此完成孔径、孔心XY坐标、孔口上表面Z坐标、孔轴线方向向量的求解过程。

综上所述，本发明具有以下优点：

(1)相对于传统的接触式探头测量，本发明消除了探头与零件表面发生碰撞的风险，拍照与图片识别耗时远低于探头检测时间，提高了检测效率；所述在线测量装置一次装夹完成底孔检测和锪窝加工，消除重复定位误差，提高加工精度。

(2)相对于现有的非接触检测设备，本发明的光照补偿器提供了良好的拍摄光照条件；紧凑的结构便于向机床主轴集成；相机与激光发生器的组合装置，能够测得孔的所有几何尺寸；完善的标定过程和科学的计算方法确保了孔参数的测量精度。

附图说明

图1是本发明在线检测装置的爆炸图；

图2是本发明在线检测装置中夹具的三视图；

图3是本发明在线检测装置中支架的三视图；

图4是本发明在线检测装置中夹具与相机的连接示意图；

图5是本发明在线检测装置的轴测图；

图6是本发明在线检测装置标定示意图；

图7、图8是本发明在线检测装置测量零件的示意图；

图9是本发明在线检测装置的使用方法流程图；

图10、图11是照片示意图；

附图中：

1、夹具，2、相机，3、卡环，4、支架，4.1、圆孔，5、联接杆，6、激光发生器，7、光照补偿器；8、第一螺钉，9、第二螺钉，10、第三螺钉，11、刀柄，12、样件，14、照片，1.1、夹具柄部，1.2、夹具凹槽，1.3、第一光孔，1.4、第二光孔，1.5、第三光孔，2.1、相机上端，2.2、第一螺纹孔，2.3、第二螺纹孔，2.4、第三螺纹孔，2.5、相机下端，14.1、第一光斑，14.2、第二光斑，14.3、第三光斑，14.4、第四光斑，14.5、孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参照图1，一种用于非接触式测量孔的在线检测装置，包括夹具1、相机2、卡环3、支架4、联接杆5、激光发生器6、光照补偿器7。

参照图2和图4，夹具柄部1.1为圆柱体结构，夹具凹槽1.2的宽度

相机上端2.1的宽度

相机上端2.1嵌入夹具凹槽1.2并且形成过盈配合。所述夹具凹槽1.2的侧面制有孔径均为

的第一光孔1.3、第二光孔1.4、第三光孔1.5，所述相机上端2.1的侧面制有螺纹规格均为M3的第一螺纹孔2.2、第二螺纹孔2.3、第三螺纹孔2.4。相机2配备远心镜头。参照图7，三个螺纹规格均为M3的第一螺钉8、第二螺钉9、第三螺钉10从夹具凹槽1.2的光孔拧入相机上端2.1的螺纹孔。在过盈配合和螺纹联接的共同作用下，相机2被牢固地连接在夹具1上。

参照图1，卡环3、支架4、联接杆5的材料均为PVC塑料，采用胶接方式将激光发生器6固定在联接杆5的一端，激光发生器6的轴线与联接杆5的轴线成45°夹角。联接杆5的另一端被两个锁紧螺母固定在支架4的边角上。在支架4的四个边角上以相同方式布置了四套相同的联接杆5和激光发生器6。

参照图3，支架4的中心制出直径为D＝47mm的圆孔4.1。参照图1、图4，相机下端2.5的侧面制出M42×2细牙外螺纹，卡环3和光照补偿器7的内壁制出M42×2细牙内螺纹。参照图5，首先将卡环3旋入相机下端2.5，接着将支架4套入相机下端2.5并紧贴卡环3的底面，最后将光照补偿器7旋入相机下端2.5并紧贴支架4的底面，螺旋预紧力使得卡环3、支架4和光照补偿器7之间保持紧密贴合的状态。

实施例2

基于实施例1所述的用于非接触式测量孔的在线检测装置，本实施例提供了一种用于非接触式测量孔的在线检测方法，参照图9，为了实现对孔的测量，包含以下步骤：

步骤一：将所述在线检测装置的夹具柄部1.1安装在刀柄11上，刀柄11与机床主轴连接，保证相机2、夹具柄部1.1、机床主轴三者同轴。

步骤二：将制有标准孔的样件12置于工作台上，机床主轴移动至样件12中孔的正上方，即主轴轴线与孔轴线重合，从光照补偿器7向样件12上表面发射强光从而获得相机2拍照所需的补偿光源，从激光发生器6发射激光从而在样件12上表面形成四个光斑。保持主轴X、Y坐标不变，在竖直方向上移动主轴或工作台，依次使孔口上表面移动至N个位置，在此N个位置对装置进行拍照标定。相机2拍摄的每张照片14均包含孔14.5、第一光斑14.1、第二光斑14.2、第三光斑14.3、第四光斑14.4。

(ⅰ)、当孔口上表面坐标值为Z1时，第一光斑14.1至照片坐标系原点O距离为L1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(L1,Z1)、(L2,Z2)……(Ln,Zn)进行线性拟合，获得孔口上表面Z坐标、第一光斑14.1至照片坐标系原点O距离La之间的关系式：

Z＝k₁×L_a+h₁ (1)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

对第二光斑14.2、第三光斑14.3、第四光斑14.4分别进行类似计算，获得孔口上表面Z坐标、光斑至照片坐标系原点O距离之间的关系式。

(ⅱ)、当孔口上表面坐标值为Z1时，照片上孔14.5经图像识别得到的孔径值与理论值的误差补偿值为△D1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(Z1,△D1)、(Z2,△D2)……(Zn,△Dn)进行线性拟合，获得孔14.5的直径误差补偿值△D与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△D＝m×Z+n (2)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

(ⅲ)、当孔口上表面坐标值为Z1时，照片上孔14.5经图像识别得到的孔心X坐标值与理论值的误差补偿值为△X1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(Z1,△X1)、(Z2,△X2)……(Zn,△Xn)进行线性拟合，获得孔14.5的孔心X坐标误差补偿值△X与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△X＝a×Z+b (3)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

(ⅳ)、当孔口上表面坐标值为Z1时，照片上孔14.5经图像识别得到的的孔心Y坐标值与理论值的误差补偿值为△Y1，使用最小二乘法对N幅照片中的N个实数对(Z1,△Y1)、(Z2,△Y2)……(Zn,△Yn)进行线性拟合，获得孔14.5的孔心Y坐标误差补偿值△Y与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△Y＝c×Z+d (4)

当拟合误差小于或等于设定阈值时，则线性拟合有效；当拟合误差大于设定阈值时，线性拟合无效，需分析原因并再次进行拟合，直至拟合误差小于或等于设定阈值。

步骤三：移动主轴使相机2依次运动至样件12所有孔的正上方进行拍照，结合图像识别技术和步骤二中的误差补偿公式求解孔参数。

(Ⅰ)、当测得第一光斑14.1与照片坐标系原点O的距离分别为L₁，根据步骤二(ⅰ)公式(1)计算得到孔口上表面Z坐标：

Z₁＝k₁×L₁+h₁

使用相同方法，根据第二光斑14.2、第三光斑14.3、第四光斑14.4与照片坐标系原点O的距离计算得到孔口上表面Z坐标：Z₂、Z₃、Z₄。它们的平均值即是孔口上表面Z坐标的实测值为Z_A：

(II)、利用第一光斑14.1、第二光斑14.2、第三光斑14.3、第四光斑14.4拟合平面A，平面A的法向量

即为孔轴线的方向向量

(III)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(2)计算得到孔径的误差补偿值ΔD，则孔径的实测值D_A为：

D_A＝D₁+ΔD＝D₁+(m×Z_A+n)

其中D₁为图像识别得到的孔径值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

(IV)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(3)计算得到孔心X坐标的误差补偿值ΔX，则孔心X坐标的实测值X_A为：

X_A＝X₁+ΔX＝X₁+(a×Z_A+b)

其中X₁为图像识别得到的孔心X坐标值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

(V)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(4)计算得到孔心Y坐标的误差补偿值ΔY，则孔心Y坐标的实测值Y_A为：

Y_A＝Y₁+ΔY＝Y₁+(c×Z_A+d)

其中Y₁为图像识别得到的孔心Y坐标值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

至此完成孔径、孔心XY坐标、孔口上表面Z坐标、孔轴线方向向量的求解过程。

实施例3

为了实现对孔的测量，本实施例提供了一种所述用于非接触式测量孔的在线检测方法，在实施例2的基础上，用更具体的数值来说明该方法，步骤如下：

步骤一：参照图6，将所述在线检测装置的夹具柄部1.1安装在刀柄11上，刀柄11与机床主轴连接，保证相机2、夹具柄部1.1、机床主轴三者同轴。

步骤二：参照图6，将孔径为φ6的样件12置于工作台上，使孔心位于X＝0、Y＝0位置，孔口上表面位于Z＝0位置。机床主轴移动至样件12中孔的正上方，即主轴坐标X＝0且Y＝0，从光照补偿器7向样件12上表面发射强光从而获得相机2拍照所需的补偿光源，从激光发生器6发射激光从而在样件12上表面形成四个光斑。参照图10，相机2拍摄的每张照片14均包含孔14.5、第一光斑14.1、第二光斑14.2、第三光斑14.3、第四光斑14.4。保持主轴X、Y坐标不变，在竖直方向上移动主轴或工作台，依次使孔口上表面位于Z1＝-2、Z2＝-1、Z3＝0、Z4＝1、Z5＝2的位置，在此5个位置对装置进行拍照标定。

(ⅰ)、当孔口上表面位于不同Z坐标值时，第一光斑14.1位于照片中的不同位置。为方便叙述，参照图11，将它们合成在同一张照片中，如图中①—⑤所示。当Z1＝-2、Z2＝-1、Z3＝0、Z4＝1、Z5＝2时，第一光斑14.1至照片坐标系原点O的距离分别为L1、L2、L3、L4、L5，使用最小二乘法对(L1,Z1)、(L2,Z2)、(L3,Z3)、(L4,Z4)、(L5,Z5)进行线性拟合，获得孔口上表面Z坐标、第一光斑14.1至照片坐标系原点O距离La之间的关系式：

Z₁＝k₁×L_a+h₁，且拟合误差δ1＜0.03(设定阈值) (1)

对第二光斑14.2进行类似计算，获得孔口上表面Z坐标、第二光斑14.2至照片坐标系原点O距离L_b之间的关系式：

Z₂＝k_2×L_b+h₂，且拟合误差δ2＜0.03(设定阈值) (2)

对第三光斑14.3进行类似计算，获得孔口上表面Z坐标、第三光斑14.3至照片坐标系原点O距离L_c之间的关系式：

Z₃＝k₃×Lc+h₃，且拟合误差δ3＜0.03(设定阈值) (3)

对第四光斑14.4进行类似计算，获得孔口上表面Z坐标、第四光斑14.4至照片坐标系原点O距离L_d之间的关系式：

Z₄＝k₄×L_d+h₄，且拟合误差δ4＜0.03(设定阈值) (4)

线性拟合是通用的数学术语，拟合出的直线由两个参数决定：斜率和截距，在上述式(1)、(2)、(3)、(4)中，k₁、k₂、k₃、k₄为斜率，h₁、h₂、h₃、h₄为截距，下面式(5)、(6)、(7)中同理。

(ⅱ)、当Z1＝-2、Z2＝-1、Z3＝0、Z4＝1、Z5＝2时，照片上孔14.5经图像识别得到的孔径值D1、D2、D3、D4、D5与理论值φ6的误差补偿值分别为△D1＝D1-6、△D2＝D2-6、△D3＝D3-6、△D4＝D4-6、△D5＝D5-6，使用最小二乘法对(Z1,△D1)、(Z2,△D2)、(Z3,△D3)、(Z4,△D4)、(Z5,△D5)进行线性拟合，获得孔14.5的直径误差补偿值△D与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△D＝m×Z+n，且拟合误差δ5＜0.03(设定阈值) (5)

(ⅲ)、当Z1＝-2、Z2＝-1、Z3＝0、Z4＝1、Z5＝2时，照片上孔14.5经图像识别得到的的孔心X坐标值X1、X2、X3、X4、X5与理论值X＝0的误差补偿值分别为△X1＝X1-0、△X2＝X2-0、△X3＝X3-0、△X4＝X4-0、△X5＝X5-0，使用最小二乘法对(Z1,△X1)、(Z2,△X2)、(Z3,△X3)、(Z4,△X4)、(Z5,△X5)进行线性拟合，获得孔14.5的孔心X坐标误差补偿值△X与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△X＝a×Z+b，且拟合误差δ6＜0.03(设定阈值) (6)

(ⅳ)、当Z1＝-2、Z2＝-1、Z3＝0、Z4＝1、Z5＝2时，照片上孔14.5经图像识别得到的孔心Y坐标值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5与理论值Y＝0的误差补偿值分别为△Y1＝Y1-0、△Y2＝Y2-0、△Y3＝Y3-0、△Y4＝Y4-0、△Y5＝Y5-0，使用最小二乘法对(Z1,△Y1)、(Z2,△Y2)、(Z3,△Y3)、(Z4,△Y4)、(Z5,△Y5)进行线性拟合，获得孔14.5的孔心Y坐标误差补偿值△Y与孔口上表面Z坐标之间的关系式：

△Y＝c×Z+d，且拟合误差δ7＜0.03(设定阈值) (7)

进行上述标定过程的原因如下：在所述装置的装夹误差、成像误差等因素影响下，当相机2与待测孔之间的距离不同时，图像识别的结果往往存在较大误差。因此需要在不同高度进行拍照标定，获得孔口上表面Z坐标与孔参数的误差补偿关系式。

步骤三：参照图7、图8，移动主轴使相机2依次运动至样件12所有孔的正上方进行拍照，结合图像识别技术和误差补偿公式求解孔参数。

(I)、当测得第一光斑14.1、第二光斑14.2、第三光斑14.3、第四光斑14.4与照片坐标系原点O的距离分别为L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，根据步骤二中公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)计算得到孔口上表面Z坐标Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，它们的平均值即是孔口上表面Z坐标的实测值为：

(II)、利用第一光斑14.1、第二光斑14.2、第三光斑14.3、第四光斑14.4拟合平面A，平面A的法向量

即为孔轴线的方向向量

(III)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(5)计算得到孔径的误差补偿值ΔD，则孔径的实测值D_A为：

D_A＝D₁+ΔD＝D₁+(m×Z_A+n)

其中D₁为图像识别得到的孔径值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

(IV)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(6)计算得到孔心X坐标的误差补偿值ΔX，则孔心X坐标的实测值X_A为：

X_A＝X₁+ΔX＝X₁+(a×Z_A+b)

其中X₁为图像识别得到的孔心X坐标值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

(V)、由步骤三(I)求得孔口上表面Z坐标实测值，根据步骤二中公式(7)计算得到孔心Y坐标的误差补偿值ΔY，则孔心Y坐标的实测值Y_A为：

Y_A＝Y₁+ΔY＝Y₁+(c×Z_A+d)

其中Y₁为图像识别得到的孔心Y坐标值，Z_A为步骤三(I)得到的孔口上表面Z坐标实测值。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，所述在线检测装置包括夹具（1）、相机（2）、卡环（3）、支架（4）、联接杆（5）、激光发生器（6）、光照补偿器（7）；相机上端（2.1）固定在夹具（1）上，相机下端（2.5）依次连接卡环（3）、支架（4）和光照补偿器（7）；联接杆（5）的一端与支架（4）固定，联接杆（5）的另一端与激光发生器（6）固定；所述在线检测装置的使用方法如下：

步骤一、将在线检测装置的夹具柄部（1.1）安装在刀柄（11）上，刀柄（11）与机床主轴连接，保证相机（2）、夹具柄部（1.1）、机床主轴三者同轴；

步骤二、将制有标准孔的样件（12）置于工作台上，使主轴轴线与样件（12）中孔的轴线重合，光照补偿器（7）向样件（12）上表面发射强光，激光发生器（6）发射激光且在样件（12）上表面形成光斑；

步骤三、保持主轴X、Y坐标不变，在竖直方向上移动主轴或工作台，依次使孔口上表面移动至N个位置，在此N个位置对装置进行拍照标定，相机拍摄的每张照片均包含孔、第一光斑、第二光斑、第三光斑、第四光斑，使用最小二乘法对这N个位置采集到的参数进行线性拟合，并分别获得如下关系式：

孔口上表面Z坐标、光斑至照片坐标系原点距离L之间的关系式；

孔的直径误差补偿值△D与孔口上表面Z坐标之间的关系式；

孔心X坐标误差补偿值△X与孔口上表面Z坐标之间的关系式；

孔心Y坐标误差补偿值△Y与孔口上表面Z坐标之间的关系式；

步骤四：移动主轴使相机（2）依次运动至样件（12）所有孔的正上方进行拍照，结合图像识别技术和步骤三获得的各个误差补偿公式求解孔参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，所述相机（2）配备远心镜头。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，相机下端（2.5）的外表面制有外螺纹M1，卡环（3）和光照补偿器（7）的内壁制有内螺纹M2，M1和M2具有相同的螺纹规格。

4.根据权利要求1所述的一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，所述支架（4）上均匀布置了若干套激光发生器（6）和联接杆（5）。

5.根据权利要求1所述的一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，所述夹具包括夹具凹槽和夹具柄部，夹具柄部与刀柄（11）连接，刀柄（11）与机床主轴连接，夹具凹槽与相机上端形成过盈配合并通过螺钉固定连接在一起。

6.根据权利要求1所述的一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，所述激光发生器（6）的轴线与联接杆（5）的轴线成45°夹角。

7.根据权利要求1所述的一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，所述卡环（3）、支架（4）、联接杆（5）的材料为工程塑料。

8.根据权利要求1所述的一种用于非接触式测量孔的在线检测装置的使用方法，其特征在于，步骤四中，孔参数的求解过程包括：

由光斑至照片坐标系原点距离L求解孔口上表面Z坐标；

由若干个光斑拟合平面的法向量求解孔轴线的方向向量；

由图像识别得到的孔径结果值、孔径误差补偿值求解孔径实测值；

由图像识别得到的孔心X坐标结果值、孔心X坐标误差补偿值求解孔心X坐标实测值；

由图像识别得到的孔心Y坐标结果值、孔心Y坐标误差补偿值求解孔心Y坐标实测值。

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