CN113390344A - 一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，通过相机对零件进行拍摄图像，并将零件进行不同角度旋转后各拍摄一次图像，再通过三维重建方法可以得到零件的三维数据。使用立体匹配算法求出轴轮廓的三维坐标点，再将旋转后的三维坐标点反求回未旋转时的三维坐标点，再通过计算可以得到零件的尺寸数据和几何公差数据，因此通过三维重建实现零件立体匹配，进而可以实现用一个装置将轴的几何公差和尺寸测量同时进行检测。

Description

一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法
技术领域
本发明涉及机器视觉技术领域，尤其涉及一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法。
背景技术
轴类零件是现代机械制造业中普遍应用的重要零件，其几何尺寸精度直接影响机械的运动性能和使用寿命，目前大部分企业仍然使用传统的接触式检测手段，这种传统的接触式测量手段效率低，无法进行在线实时检测，容易划伤零件表面。
近年来，许多研究人员通过机器视觉、图像处理、光学原理的方法来研究轴类零件的检测，但是，大部分的研究仅仅对轴类零件的尺寸测量或者几何公差检测进行研究，设计的装置也只能检测尺寸或者几何公差，并没有一种装置可以同时完成对轴类零件的尺寸测量和几何公差检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，旨在解决现有技术中的没有一种装置可以同时完成对轴类零件的尺寸测量和几何公差检测的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，包括以下步骤：
通过相机对轴类零件进行拍摄图像，并获得所述轴类零件的左右相机图像；
根据轴轮廓，采用双目视觉立体匹配的算法求出轴截面上的点，再通过最小二乘法求出轴截面圆心；
根据所述轴截面圆心和所述轴截面上的点，通过最小二乘圆柱度评定法和最小二乘评定法求出圆柱度和同轴度；
根据所述轴截面上的点求出轴径和轴长。
其中，在“通过相机对轴类零件进行拍摄图像，并获得所述轴类零件的左右相机图像”中：
将轴分别旋转0°、90°、180°、270°后各拍摄一次图像，获得不同角度下所述轴类零件的左右相机图像。
其中，在“根据轴轮廓，采用双目视觉立体匹配的算法求出轴截面上的点，再通过最小二乘法求出轴截面圆心”中：
将获取的所述相机图像进行图像预处理、二值化、边缘提取、边缘细化和立体匹配，得到数个轴轮廓点的三维坐标；将除了初始角度下拍摄的图像外，其余图片按照相对初始角度旋转的角度反求出未旋转前的所述轴轮廓点的三维坐标，并采用双目视觉立体匹配的算法求出所述轴截面上的八个点。
其中，在“根据轴轮廓，采用双目视觉立体匹配的算法求出轴截面上的点，再通过最小二乘法求出轴截面圆心”中：
将获得的所述轴截面上的八个点，通过最小二乘法求出所述轴截面圆心。
其中，在“根据所述轴截面圆心和所述轴截面上的点，通过最小二乘圆柱度评定法和最小二乘评定法求出圆柱度和同轴度”中：
将每个轴段等间距的采样截面，并通过所述轴截面上的多个点求出圆心，然后使用最小二次乘评定法对所述同轴度和所述圆柱度进行检测。
其中，在“根据所述轴截面上的点求出轴径和轴长”中：
通过三角原理建立三维坐标点，并求出所述轴径。
其中，在“根据所述轴截面上的点求出轴径和轴长”中：
通过角点提取算法求出所述轴轮廓的角点，再通过迭代的方法得出每段轴的所述轴长。
本发明的一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，通过相机对零件进行拍摄图像，并将零件进行旋转后各拍摄一次图像，再通过三维重建方法可以得到零件的三维数据。使用立体匹配算法求出轴轮廓的三维坐标点，再将旋转后的三维坐标点反求回未旋转时的三维坐标点，再通过计算可以得到零件的尺寸数据和几何公差数据，因此通过三维重建实现零件立体匹配，进而可以实现用一个装置将轴的几何公差和尺寸测量同时进行检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的轴截面求取的建模图。
图2是本发明的180°旋转的三维坐标点求取的建模图。
图3是本发明的90°和270°旋转的三维坐标点求取的建模图。
图4是本发明的轴径计算的建模图。
图5是本发明的轴轮廓的角点求取的建模图。
图6是本发明的轴长迭代算法的流程图。
图7是本发明的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法的步骤图。
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，旨在用于解释本发明，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“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。
请参阅图7，本发明提供了一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，包括以下步骤：
S101：通过相机对轴类零件进行拍摄图像，并获得所述轴类零件的左右相机图像。
具体的，首先，将轴类零件放置在零件放置台上，零件对心机构通过步进电机驱动正反丝杠，使左右的V型块同时向轴移动并将其夹持固定并定心；然后，顶尖机构中左边的顶尖部件步进电机驱动滚珠丝杠使顶尖直线移动并顶住轴的一端并推动轴直线移动，使轴的另一端面与右边的顶尖接触，当两边顶尖部件固定住轴时，零件对心机构的左右V型块松开轴，完成轴的固定；其次，通过相机移动机构上下左右调节相机的视野使得拍摄的轴处于图像中间位置；最后，顶尖机构的右边顶尖部件旋转使轴分别旋转0°、90°、180°、270°各拍摄一次图像，获得零件的左右相机图像。
S102：根据轴轮廓，采用双目视觉立体匹配的算法求出轴截面上的点，再通过最小二乘法求出轴截面圆心。
具体的，将获取的左右相机图片进行图像预处理、二值化、边缘提取、边缘细化和立体匹配，得到数个轴轮廓点的三维坐标。点的三维坐标的求取需要解决：1、世界坐标和轴截面两点形成的平面不是轴截面；2、旋转的轴线不与轴的轴线重合；3、旋转后的三维坐标点不是需要的坐标点，需要求出旋转前点的三维坐标。
解决方案：
a、世界坐标原点和轴截面两点形成的平面不是轴截面。
如图1所示，世界坐标原点(0，0，0)固定在左相机光心O上，假设通过立体匹配获取其中一个轴截面的两个点坐标为A(x1，y1，z1)，B(x2，y2，z2)，由于O、A、B三点形成的平面不是轴截面，需要旋转一定角度变为平面O'AB平面，才是轴截面。
首先可以得到相机平面为Cz＝0，假设C＝1，则法向量为(0，0，1)，由于O'AB平面是垂直相机平面的，法向量是和Y轴平行的，所以O'AB平面的法向量为(0，1，0)，则方程为y-y1＝0。
b、180°旋转的三维坐标点求取。
如图2所示，通过立体匹配得到的为旋转后的三维坐标点，假设为a为(xa，ya，za)，b为(xb，yb，zb)。
旋转轴心由旋转顶尖直线垂直轴截面的平面方程可以得出，假设为(xc，yc，zc)，由两点求出空间直线坐标：
L1：(x-xa)/(xc-xa)＝(y-ya)/(yc-ya)＝(z-za)/(zc-za)；
L2：(x-xb)/(xc-xb)＝(y-yb)/(yc-yb)＝(z-zb)/(zc-zb)；
两点的距离：
Figure BDA0003150706490000041
Figure BDA0003150706490000042
由于两点旋转前到旋转轴心距离仍然等于D1、D2，并且还位于L1、L2上，因此可以得出旋转前的点坐标。
c、90°和270°旋转的三维坐标点求取。
如图3所示，形状相同的是旋转前后同一点，左图为旋转270°，右图为旋转90°，(xc，yc，zc)为旋转轴心。
假设a(xa，ya，za)，b(xb，yb，zb)为旋转后的点。
L1：(x-xa)/(xc-xa)＝(y-ya)/(yc-ya)＝(z-za)/(zc-za)；
L2：(x-xb)/(xc-xb)＝(y-yb)/(yc-yb)＝(z-zb)/(zc-zb)；
两点的距离：
Figure BDA0003150706490000051
Figure BDA0003150706490000052
假设a、b旋转前的点为A(xA，yA，zA)，B(xB，yB，zB)，通过A、B点到旋转轴心距离等于D1、D2并且其直线过旋转轴心且垂直L1、L2，可以得出旋转前的点。
最终可以得到一个截面上的八个点，再通过最小二乘法求出所述轴截面圆心。
S103：根据所述轴截面圆心和所述轴截面上的点，通过最小二乘圆柱度评定法和最小二乘评定法求出圆柱度和同轴度。
具体的，得到所述轴截面圆心和所述轴截面上的点后，根据最小二乘圆柱度评定法和最小二乘评定法求出所述圆柱度和所述同轴度。所述同轴度和所述圆柱度的检测需要将每个轴段等间距的采样截面，并通过截面上多个点求出圆心，然后使用最小二次乘评定法对所述同轴度和圆柱度进行计算。
同轴度误差检测方法：以最小二乘评定法来计算单一基准同轴度误差。
圆柱度误差检测方法：以最小二乘圆柱评定法计算圆柱度误差。
S104：根据所述轴截面上的点求出轴径和轴长。
具体的，由于相机成像的原因，提取到的边缘获取的并非真实直径而是伪直径，如图4所示。
根据前面的步骤，已知了O'、A、C点坐标，目标是求出AD的值。
首先由距离公式可以求出DO'A、DO'C、DAC的值；
其次根据公式cosβ＝(AC2+O'C2-O'A2)·2·AC·O'C；
最后根据公式
Figure BDA0003150706490000053
求出AD。
轴长计算：
如图5所示，通过角点提取算法可以得到轴轮廓的角点，通过迭代的方法得出每段轴的轴长，算法流程图如图6所示。
有益效果：
对于轴类零件测量，目前研究学者大部分都是通过图像处理、光学原理的方法来研究轴类零件的检测，使用三维重建的方法较少，并且如何使用机器视觉的方法实现同一装置完成轴类零件的尺寸测量和几何公差测量也是待解决的问题。三维重建方法可以得到零件的三维数据，从而可以得到零件的尺寸数据和几何公差数据，因此通过三维重建实现零件立体匹配，从而可以实现用一个装置将轴的几何公差和尺寸测量同时进行检测。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过相机对轴类零件进行拍摄图像，并获得所述轴类零件的左右相机图像；
根据轴轮廓，采用双目视觉立体匹配的算法求出轴截面上的点，再通过最小二乘法求出轴截面圆心；
根据所述轴截面圆心和所述轴截面上的点，通过最小二乘圆柱度评定法和最小二乘评定法求出圆柱度和同轴度；
根据所述轴截面上的点求出轴径和轴长。
2.如权利要求1所述的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，其特征在于，在“通过相机对轴类零件进行拍摄图像，并获得所述轴类零件的左右相机图像”中：
将轴分别旋转0°、90°、180°、270°后各拍摄一次图像，获得不同角度下所述轴类零件的左右相机图像。
3.如权利要求2所述的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，其特征在于，在“根据轴轮廓，采用双目视觉立体匹配的算法求出轴截面上的点，再通过最小二乘法求出轴截面圆心”中：
将获取的所述相机图像进行图像预处理、二值化、边缘提取、边缘细化和立体匹配，得到数个轴轮廓点的三维坐标；将除了初始角度下拍摄的图像外，其余图片按照相对初始角度旋转的角度反求出未旋转前的所述轴轮廓点的三维坐标，并采用双目视觉立体匹配的算法求出所述轴截面上的八个点。
4.如权利要求3所述的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，其特征在于，在“根据轴轮廓，采用双目视觉立体匹配的算法求出轴截面上的点，再通过最小二乘法求出轴截面圆心”中：
将获得的所述轴截面上的八个点，通过最小二乘法求出所述轴截面圆心。
5.如权利要求1所述的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，其特征在于，在“根据所述轴截面圆心和所述轴截面上的点，通过最小二乘圆柱度评定法和最小二乘评定法求出圆柱度和同轴度”中：
将每个轴段等间距的采样截面，并通过所述轴截面上的多个点求出圆心，然后使用最小二次乘评定法对所述同轴度和所述圆柱度进行检测。
6.如权利要求1所述的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，其特征在于，在“根据所述轴截面上的点求出轴径和轴长”中：
通过三角原理建立三维坐标点，并求出所述轴径。
7.如权利要求1所述的阶梯轴的尺寸和几何公差快速检测方法，其特征在于，在“根据所述轴截面上的点求出轴径和轴长”中：
通过角点提取算法求出所述轴轮廓的角点，再通过迭代的方法得出每段轴的所述轴长。
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