CN113624136B - 零件检测设备和零件检测设备标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量设备领域，具体而言，涉及一种零件检测设备和零件检测设备标定方法。零件检测设备包括工作台、活动机架、第一活动轴、第二活动轴、接触式探针以及工业相机；活动机架与工作台可活动地连接，第一活动轴及第二活动轴均沿第一方向与活动机架可活动地连接，且第一方向垂直于工作台；接触式探针与第一活动轴朝向工作台的一端连接，工业相机与第二活动轴朝向工作台的一端连接。该零件检测设备能够实现对不同种类的航空壳体类零件高效、快速和准确测量。

Description

零件检测设备和零件检测设备标定方法
技术领域
本发明涉及测量设备领域，具体而言，涉及一种零件检测设备和零件检测设备标定方法。
背景技术
精密测量与制造密切相关，相辅相成，计量与测试技术的发展推动着精密制造业的发展；而精密制造技术水平的提高，又反过来为性能优越、高精密的仪器设备提供了物质上的保证。在航空航天和仪器仪表领域的检测经常需要高的鲁棒性和高精度，并且对于检测速度要求也十分高。检测系统要能克服工业场合多变的环境。常用的检测系统有激光测距系统、超声测距系统、三坐标测量仪和视觉检测系统等。
传统精密测量将三坐标、激光和视觉等检测系统分别使用，需单独进行标定，不同的设备位置造成效率低下且存在待测零件搬运的时间成本及重新定位误差。另外每个检测环节都需要单独的上位机进行检测控制和结果输出，检测过程一体化、平台化及易用性较差。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种零件检测设备和零件检测设备标定方法，其能够实现对不同种类的航空壳体类零件高效、快速和准确测量。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种零件检测设备，零件检测设备包括工作台、活动机架、第一活动轴、第二活动轴、接触式探针以及工业相机；
活动机架与工作台可活动地连接，第一活动轴及第二活动轴均沿第一方向与活动机架可活动地连接，且第一方向垂直于工作台；
接触式探针与第一活动轴朝向工作台的一端连接，工业相机与第二活动轴朝向工作台的一端连接。
在可选的实施方式中，零件检测设备还包括与第一活动轴朝向工作台的一端连接的白光共聚焦传感器。
在可选的实施方式中，零件检测设备还包括第一连接组件，第一连接组件与第一活动轴朝向工作台的一端连接，探针及白光共聚焦传感器均与第一连接组件连接。
在可选的实施方式中，第一连接组件包括旋转电机以及定位夹具，旋转电机与第一活动轴朝向工作台的一端连接，且旋转电机用于驱动接触式探针相对于第一活动轴转动；
定位夹具与接触式探针连接，白光共聚焦传感器与定位夹具连接。
在可选的实施方式中，零件检测设备还包括与第二活动轴朝向工作台的一端连接的光源。
在可选的实施方式中，零件检测设备还包括第二连接组件，第二连接组件与第二活动轴连接，光源与第二连接组件连接；
第二连接组件用于驱动光源沿第一方向活动。
在可选的实施方式中，第二连接组件包括连接架、活动杆以及驱动电机；
连接架与第二活动轴连接，活动杆沿第一方向可活动地与连接架连接，驱动电机与连接架连接，并用于驱动活动杆以及与活动杆连接的光源沿第一方向活动。
在可选的实施方式中，连接架沿第一方向延伸，且连接架的一端与第二活动轴朝向工作台的一端连接，连接架的另一端与光源可活动地连接，并位于工业相机靠近工作台的一侧。
在可选的实施方式中，活动机架包括活动架及活动座；
活动架沿第二方向与工作台可活动地连接，活动座沿第三方向与活动架可活动地连接；
第一方向、第二方向以及第三方向两两垂直。
第二方面，本发明提供一种零件检测设备标定方法，应用于上述的零件检测设备，零件检测设备标定方法包括：
选用计算机视觉算法中的霍夫变换作为环规拟合算法，对工业相机采集得到的环规的图像进行双边滤波、形态学处理及二值化后提取边缘，以采集得到的实际图像的圆心为计算圆心对边缘像素点进行霍夫变换拟合，拟合得到虚线圆；沿x-y平面将实际图像进行象限划分，计算四个象限内沿圆心方向理论圆与实际边缘之间的距离，各点之间的距离的平均值作为工业相机安装垂直度的判定指标；当四个象限内各点之间的距离平均值较为接近，且约等于0时，工业相机的垂直安装误差接近于0，工业相机完成安装垂直度校正；
在工业相机安装垂直度校正完成后，工业相机的成像面与环规的上表面平行，再次结合计算机视觉算法对环规进行拟合，建立像素与实际物理尺寸之间关系，对工业相机的像素物理尺寸进行标定；
利用白光共聚焦传感器对环规的上表面与底板之间的z向高度尺寸进行测量，偏差角等于理论高度尺寸与实际测量尺寸之间的反余弦值，利用此几何关系对白光共聚焦传感器安装误差进行校正；
白光共聚焦传感器的安装误差校正完成后，白光共聚焦传感器与接触式探针之间的相对关系即由第一连接组件的理论设计值决定；分别利用接触式探针和工业相机对阶梯型环规的圆心进行拟合计算，接触式探针和工业相机测量得到的圆心距离与理论设计下的中心距离误差即为二者在x-y平面存在安装误差。
本发明实施例的有益效果包括：
该零件检测设备包括工作台、活动机架、第一活动轴、第二活动轴、接触式探针以及工业相机；活动机架与工作台可活动地连接，第一活动轴及第二活动轴均沿第一方向与活动机架可活动地连接，且第一方向垂直于工作台；其中，接触式探针与第一活动轴朝向工作台的一端连接，工业相机与第二活动轴朝向工作台的一端连接。
由此，该零件检测设备能够通过接触式探针以及工业相机对位于工作台上的待测零件进行测量，这样的测量方式，能够提高零件的测量效率，从而能够减少零件的转运以及定位步骤，从而能够减少定位以及检测误差，从而能够提高检测的效率以及精度；
而且在运动的过程中，由于接触式探针与第一活动轴朝向工作台的一端连接，工业相机与第二活动轴朝向工作台的一端连接，故接触式探针以及工业相机的运动相互独立，进而避免接触式探针以及工业相机的运动相互干涉，从而能够提高检测的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例中零件检测设备第一视角的结构示意图；
图2为本发明实施例中零件检测设备第二视角的结构示意图；
图3为本发明实施例中第一活动轴及第二活动轴的结构示意图；
图4为本发明实施例中第一活动轴及第一连接组件的结构示意图；
图5为本发明实施例中第二活动轴及第二连接组件的结构示意图。
图标：100-零件检测设备；111-工作台；112-活动机架；113-第一活动轴；114-第二活动轴；115-接触式探针；116-工业相机；117-白光共聚焦传感器；118-第一连接组件；119-旋转电机；121-定位夹具；122-光源；123-第二连接组件；124-连接架；125-活动杆；126-驱动电机；127-活动架；128-活动座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1-图3，图1及图2示出了本发明实施例中零件检测设备的结构，图3示出了本发明实施例中第一活动轴及第二活动轴的结构；
本实施例提供了一种零件检测设备100，零件检测设备100包括工作台111、活动机架112、第一活动轴113、第二活动轴114、接触式探针115以及工业相机116；
活动机架112与工作台111可活动地连接，第一活动轴113及第二活动轴114均沿第一方向与活动机架112可活动地连接，且第一方向垂直于工作台111；
接触式探针115与第一活动轴113朝向工作台111的一端连接，工业相机116与第二活动轴114朝向工作台111的一端连接。
该零件检测设备100的工作原理是：
请参考图1-图3，该零件检测设备100包括工作台111、活动机架112、第一活动轴113、第二活动轴114、接触式探针115以及工业相机116；活动机架112与工作台111可活动地连接，第一活动轴113及第二活动轴114均沿第一方向与活动机架112可活动地连接，且第一方向垂直于工作台111；其中，接触式探针115与第一活动轴113朝向工作台111的一端连接，工业相机116与第二活动轴114朝向工作台111的一端连接。
该零件检测设备100能够通过接触式探针115以及工业相机116对位于工作台111上的待测零件进行测量，这样的测量方式，能够提高零件的测量效率，从而能够减少零件的转运以及定位步骤，从而能够减少定位以及检测误差，从而能够提高检测的效率以及精度；
而且在运动的过程中，由于接触式探针115与第一活动轴113朝向工作台111的一端连接，工业相机116与第二活动轴114朝向工作台111的一端连接，故接触式探针115以及工业相机116的运动相互独立，进而避免接触式探针115以及工业相机116的运动相互干涉，从而能够提高检测的效率。
需要说明的是，在本实施例中，由于接触式探针115以及工业相机116均与活动机架112可活动地连接，且均可通过相对于活动机架112的运动进而相对于工作台111运动，以对位于工作台111上的零件进行测量，由此，在测量的过程中，接触式探针115以及工业相机116共用同一坐标系，即，在接触式探针115以及工业相机116对零件进行测量的过程中，其能够采用一次定位，进而能够提高测量的精度，从而能够降低测量误差以及通过减少零件定位次数的方式降低定位误差。
进一步地，请参考图1-图3，在本实施例中，活动机架112包括活动架127及活动座128；活动架127沿第二方向与工作台111可活动地连接，活动座128沿第三方向与活动架127可活动地连接；第一方向、第二方向以及第三方向两两垂直。由此，在本实施例中，通过第一活动轴113及第二活动轴114沿第一方向的运动，活动架127沿第二方向的运动，活动座128沿第三方向的运动，能够带动接触式探针115以及工业相机116在空间中沿x、y或z方向运动；其中，第一方向为z方向，第二方向为x方向，第三方向为y方向。
还需要说明的是，由上述内容可知，在本实施例中，第一活动轴113及第二活动轴114可以沿第一方向的运动，活动架127沿第二方向的运动，活动座128沿第三方向的运动，由此，为驱动第一活动轴113、第二活动轴114、活动架127及活动座128运动，故，该零件检测设备100还至少包括四个驱动机构，四个驱动机构分别用于驱动第一活动轴113、第二活动轴114、活动架127及活动座128运动。
进一步地，请参考图1-图4，图4示出了本发明实施例中第一活动轴及第一连接组件的结构，在本实施例中，零件检测设备100还包括与第一活动轴113朝向工作台111的一端连接的白光共聚焦传感器117。
由于白光共聚焦传感器117及接触式探针115均与第一活动轴113连接，由此，为调整白光共聚焦传感器117及接触式探针115的工作状态并确定于白光共聚焦传感器117及接触式探针115的相对位置；故，零件检测设备100还包括第一连接组件118，第一连接组件118与第一活动轴113朝向工作台111的一端连接，探针及白光共聚焦传感器117均与第一连接组件118连接。具体的，第一连接组件118包括旋转电机119以及定位夹具121，旋转电机119与第一活动轴113朝向工作台111的一端连接，且旋转电机119用于驱动接触式探针115相对于第一活动轴113转动；定位夹具121与接触式探针115连接，白光共聚焦传感器117与定位夹具121连接。
由此，通过旋转电机119能够驱动接触式探针115相对于第一活动轴113转动，从而调整接触式探针115相对于工作台111的角度，进而调整接触式探针115相对于工作台111上的零件的角度，以改变接触式探针115的工作台111的状态；而由于定位夹具121与接触式探针115连接，白光共聚焦传感器117与定位夹具121连接，故，在调整接触式探针115相对于工作台111的角度时，便可对与接触式探针115连接定位夹具121的位置进行调整，从而对白光共聚焦传感器117的工作状态进行调整。
进一步地，请参考图1-图5，图5示出了本发明实施例中第二活动轴及第二连接组件的结构，在本实施例中，零件检测设备100还包括与第二活动轴114朝向工作台111的一端连接的光源122，光源122为环形。而为对光源122的相对于工作台111的高度进行调整，以适应不同的测量需求，故，零件检测设备100还包括第二连接组件123，第二连接组件123与第二活动轴114连接，光源122与第二连接组件123连接；第二连接组件123用于驱动光源122沿第一方向活动。具体的，第二连接组件123包括连接架124、活动杆125以及驱动电机126；连接架124与第二活动轴114连接，活动杆125沿第一方向可活动地与连接架124连接，驱动电机126与连接架124连接，并用于驱动活动杆125以及与活动杆125连接的光源122沿第一方向活动。而且，连接架124沿第一方向延伸，且连接架124的一端与第二活动轴114朝向工作台111的一端连接，连接架124的另一端与光源122可活动地连接，并位于工业相机116靠近工作台111的一侧。
由此，通过驱动电机126驱动活动杆125以及与活动杆125连接的光源122沿第一方向活动，便可对光源122的相对于工作台111的高度进行调整；而且在本发明的实施例中，还可以对光源122的亮度进行调整，以适应不同的测量需求。
综上，该零件检测设备100的检测过程如下：
请参考图1-图5，在检测过程中，首先对待测零件进行特征分析，由待测零件特征对接触式探针115、白光共聚焦传感器117和工业相机116进行分类驱动，生成检测策略；
对于零件表面孔和槽的二维尺寸，利用工业相机116作为传感器，采集数据后结合计算机视觉算法进行计算；
对于零件外形尺寸，利用接触式探针115进行测量，对于z向高度尺寸及平面度等尺寸，选择白光共聚焦传感器117进行测量；
按照检测策略顺序读取待测零件各特征的三维位置信息，根据待测特征位置信息，零件检测设备100通过各传感器的x-y-z方向的运动；其中，第一活动轴113及第二活动轴114的z向运动相互独立，避免检测过程中接触式探针115、白光共聚焦传感器117和工业相机116发生运动干涉。
根据检测策略的不同，接触式探针115、白光共聚焦传感器117通过第一连接组件118进行旋转切换，通过第一活动轴113及第二活动轴114的z向升降实现工业相机116、接触式探针115和白光共聚焦传感器117的切换。
由于待检零件的z向高度、表面光洁度和待测特征不同，对于打光要求不同，光源122可通过第二连接组件123实现光源122在z轴方向的独立运动，并对光强进行调控，以获得最优成像效果。
由各传感器测量得到的结果统一由工控机进行存储，并可与理论设计尺寸进行对比分析，以对航空结构件加工质量进行整体分析。
该零件检测设备100能够通过接触式探针115、白光共聚焦传感器117和工业相机116实现航空壳体类零件的快速、准确和稳定测量，而且能够满足众多航空壳体零件的检测需求；并且通过接触式探针115、白光共聚焦传感器117和工业相机116在空间中的x-y-z方向的独立运动，可实现空间范围内多自由度检测。
进一步地，基于上述内容，本发明还提供一种零件检测设备标定方法，应用于上述的零件检测设备100，零件检测设备标定方法是为了实现工业相机116的安装垂直度标定及校正，工业相机116的像素物理尺寸标定，白光共聚焦传感器117的安装位置标定，工业相机116、触式探针和白光共聚焦传感器117的相对位置标定，零件检测设备标定方法包括：
选用计算机视觉算法中的霍夫变换作为环规拟合算法，对工业相机116采集得到的环规的图像进行双边滤波、形态学处理及二值化后提取边缘，以采集得到的实际图像的圆心为计算圆心对边缘像素点进行霍夫变换拟合，拟合得到虚线圆；沿x-y平面将实际图像进行象限划分，计算四个象限内沿圆心方向理论圆与实际边缘之间的距离，各点之间的距离的平均值作为工业相机116安装垂直度的判定指标；当四个象限内各点之间的距离平均值较为接近，且约等于0时，工业相机116的垂直安装误差接近于0，工业相机116完成安装垂直度校正；
在工业相机116安装垂直度校正完成后，工业相机116的成像面与环规的上表面平行，再次结合计算机视觉算法对环规进行拟合，建立像素与实际物理尺寸之间关系，对工业相机116的像素物理尺寸进行标定；
利用白光共聚焦传感器117对环规的上表面与底板之间的z向高度尺寸进行测量，偏差角等于理论高度尺寸与实际测量尺寸之间的反余弦值，利用此几何关系对白光共聚焦传感器117安装误差进行校正；
白光共聚焦传感器117的安装误差校正完成后，白光共聚焦传感器117与接触式探针115之间的相对关系即由第一连接组件118的理论设计值决定；分别利用接触式探针115和工业相机116对阶梯型环规的圆心进行拟合计算，接触式探针115和工业相机116测量得到的圆心距离与理论设计下的中心距离误差即为二者在x-y平面存在安装误差。
需要说明的是，环规为阶梯型环规。
该零件检测设备标定方法基于阶梯型环规的关键尺寸，实现了工业相机116的安装垂直度标定和校正，工业相机116的像素物理尺寸标定，白光共聚焦传感器117的安装位置标定，工业相机116、触式探针和白光共聚焦传感器117的相对位置标定，弥补了之前方法只能对单一传感器进行标定，缺失对于工业相机116的安装垂直度标定及校正方法的不足。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种零件检测设备标定方法，应用于零件检测设备(100)，其特征在于，所述零件检测设备(100)包括工作台(111)、活动机架(112)、第一活动轴(113)、第二活动轴(114)、接触式探针(115)以及工业相机(116)；所述活动机架(112)与所述工作台(111)可活动地连接，所述第一活动轴(113)及所述第二活动轴(114)均沿第一方向与所述活动机架(112)可活动地连接，且所述第一方向垂直于所述工作台(111)；所述接触式探针(115)与所述第一活动轴(113)朝向所述工作台(111)的一端连接，所述工业相机(116)与所述第二活动轴(114)朝向所述工作台(111)的一端连接；
所述零件检测设备(100)还包括与所述第一活动轴(113)朝向所述工作台(111)的一端连接的白光共聚焦传感器(117)；
所述零件检测设备(100)还包括第一连接组件(118)，所述第一连接组件(118)与所述第一活动轴(113)朝向所述工作台(111)的一端连接，所述探针及所述白光共聚焦传感器(117)均与所述第一连接组件(118)连接；
所述零件检测设备标定方法包括：
选用计算机视觉算法中的霍夫变换作为环规拟合算法，对所述工业相机(116)采集得到的所述环规的图像进行双边滤波、形态学处理及二值化后提取边缘，以采集得到的实际图像的圆心为计算圆心对边缘像素点进行霍夫变换拟合，拟合得到虚线圆；沿x-y平面将实际图像进行象限划分，计算四个象限内沿圆心方向理论圆与实际边缘之间的距离，各点之间的距离的平均值作为所述工业相机(116)安装垂直度的判定指标；当四个象限内各点之间的距离平均值较为接近，且约等于0时，所述工业相机(116)的垂直安装误差接近于0，所述工业相机(116)完成安装垂直度校正；
在所述工业相机(116)安装垂直度校正完成后，所述工业相机(116)的成像面与所述环规的上表面平行，再次结合计算机视觉算法对所述环规进行拟合，建立像素与实际物理尺寸之间关系，对所述工业相机(116)的像素物理尺寸进行标定；
利用白光共聚焦传感器(117)对所述环规的上表面与底板之间的z向高度尺寸进行测量，偏差角等于理论高度尺寸与实际测量尺寸之间的反余弦值，利用此几何关系对所述白光共聚焦传感器(117)安装误差进行校正；
所述白光共聚焦传感器(117)的安装误差校正完成后，所述白光共聚焦传感器(117)与所述接触式探针(115)之间的相对关系即由第一连接组件(118)的理论设计值决定；分别利用所述接触式探针(115)和所述工业相机(116)对阶梯型环规的圆心进行拟合计算，所述接触式探针(115)和所述工业相机(116)测量得到的圆心距离与理论设计下的中心距离误差即为二者在x-y平面存在安装误差。
2.如权利要求1所述的零件检测设备标定方法，其特征是：所述第一连接组件(118)包括旋转电机(119)以及定位夹具(121)，所述旋转电机(119)与所述第一活动轴(113)朝向所述工作台(111)的一端连接，且所述旋转电机(119)用于驱动所述接触式探针(115)相对于所述第一活动轴(113)转动；所述定位夹具(121)与所述接触式探针(115)连接，所述白光共聚焦传感器(117)与所述定位夹具(121)连接。
3.如权利要求2所述的零件检测设备标定方法，其特征是：所述零件检测设备(100)还包括与所述第二活动轴(114)朝向所述工作台(111)的一端连接的光源(122)。
4.如权利要求3所述的零件检测设备标定方法，其特征是：所述零件检测设备(100)还包括第二连接组件(123)，所述第二连接组件(123)与所述第二活动轴(114)连接，所述光源(122)与所述第二连接组件(123)连接；所述第二连接组件(123)用于驱动所述光源(122)沿所述第一方向活动。
5.如权利要求4所述的零件检测设备标定方法，其特征是：所述第二连接组件(123)包括连接架(124)、活动杆(125)以及驱动电机(126)；所述连接架(124)与所述第二活动轴(114)连接，所述活动杆(125)沿第一方向可活动地与所述连接架(124)连接，所述驱动电机(126)与所述连接架(124)连接，并用于驱动所述活动杆(125)以及与所述活动杆(125)连接的所述光源(122)沿所述第一方向活动。
6.如权利要求5所述的零件检测设备标定方法，其特征是：所述连接架(124)沿所述第一方向延伸，且所述连接架(124)的一端与所述第二活动轴(114)朝向所述工作台(111)的一端连接，所述连接架(124)的另一端与所述光源(122)可活动地连接，并位于所述工业相机(116)靠近所述工作台(111)的一侧。
7.如权利要求6所述的零件检测设备标定方法，其特征是：所述活动机架(112)包括活动架(127)及活动座(128)；所述活动架(127)沿第二方向与所述工作台(111)可活动地连接，所述活动座(128)沿第三方向与所述活动架(127)可活动地连接；所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向两两垂直。
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