CN113932710A - 一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法，属于视觉测量领域。所述测量系统和方法通过两个方向视觉系统的配合实现刀具多个参数的测量，垂直方向上，工业相机连接远心镜头由步进电机驱动滑块移动，并结合了不同参数的照明方式，通过获取具有参数特征的清晰二维图像和标定参数的修正进而解算得到二维参数的测量结果。水平方向上，由工业相机连接超景深显微镜头由直线电机驱动滑台移动，光栅传感器监测移动的距离，通过层析扫描得到的序列图像进行特征的三维重构进而解算刀具三维参数的测量结果。本发明能够快速有效的实现具有复杂结构刀具的多种几何参数的测量，在工程应用中具有良好的应用。

Description

一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法

技术领域

本发明属于视觉测量领域，涉及一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法。

背景技术

刀具在航空、航天、运载等领域复合材料和金属零构件制造过程中有着广泛的应用。刀具的几何参数是影响加工精度、质量和效率的重要因素，为确保高效高质加工，在刀具研制和使用阶段对其几何参数的精准测量至关重要。现有基于机器视觉的刀具测量系统，能够测量的几何参数较为简单，且自动化程度低，仍需大量的人工操作，人为因素和环境干扰对测量精度产生很大的影响。随着刀具的发展，刀具的结构越来越复杂(如阶梯微齿钻削刀具)，且表面粗糙度低，无纹理，现有基于机器视觉的刀具检测系统易受光照不均的影响且测量界限难界定，导致待测特征难以提取，无法满足测量需求。

针对复杂结构的刀具参数的测量，南京航空航天大学的邵伟业等人于2020年在《机械设计与制造工程》第49卷第1期发表了文章《基于线阵CCD的刀具尺寸测量系统设计》，采用线阵CCD测量系统，得到了铣刀截面图像，进一步地通过拟合特性提取实现刀具径向尺寸的精确测量。该方法只能实现单一参量(铣刀半径)的测量，系统对于复杂结构的刀具的参数特征无法提取，对其参数的测量较难实现。单一参数的测量并不能满足对刀具性能设计和测试的需求，并且该方法尚未考虑光照对图像采集的影响，对于特征的提取精度和效率难以保证。因此，提供一种针对复杂结构刀具的几何参数自动测量系统十分重要。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的空白，发明了一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法，其目的是针对复杂结构刀具的几何参数进行准确测量，满足刀具在设计和使用过程中测量的需求。所发明的刀具测量系统由可计算的光源系统、视觉系统、以及高精度的电控平台和软件系统组成，测量方法充分考虑了刀具的测量流程和参数的测量精度，该系统及测量方法自动化程度高、测量结果准确，具有良好的实际应用性。

本发明采用的技术方案是

一种复合式视觉刀具几何参数测量系统，包含两个方向的视觉系统，即垂直方向上的视觉系统和水平方向的视觉系统；

垂直方向上的视觉系统主要由第一工业相机1、多角度分区环型光源和矩形背光光源构成的第一光源系统2、远心镜头3以及步进电机4驱动的垂直方向滑台5组成，第一工业相机1与远心镜头3通过标准相机镜头接口连接，第一光源系统2中的多角度分区环型光源与远心镜头3同轴放置，由螺丝定位紧固，矩形背光光源固定于刀具夹具12正下方，由螺纹孔定位，螺丝紧固；步进电机4通过机械结构与垂直方向上滑台5连接，且第一工业相机1通过螺丝紧固在垂直方向上滑台5上，步进电机4的转动使得垂直方向滑台5带动第一工业相机1及其连接的机构做垂直方向上的直线运动；

水平方向的视觉系统主要由第二工业相机6、第二光源系统7和固定放大倍率的超景深显微镜头8以及直线电机9驱动的水平方向滑台10组成，水平方向固定有光栅传感器11；第二工业相机6与超景深显微镜头8通过标准相机镜头接口连接，第二光源系统7与超景深显微镜头8同轴放置；直线电机9与水平方向滑台10通过机械结构连接，且光栅传感器11置于水平方向滑台10上；直线电机9的转动使得水平方向滑台10做水平方向上的直线运动，从而带动固定在水平方向滑台10上的第二工业相机6及其连接的机构做水平方向上的直线运动；

刀具由刀具夹具12固定在基准位置，两个方向的电机均由电机控制器13控制，图像处理系统14控制两台工业相机的图像采集及图像处理，光源控制器15控制两个方向上的光源系统；控制系统之间的配合和时序的协调以及最终测量结果的显示由软件系统16完成；步进电机4和直线电机9由电机控制器13通过标准协议进行通信和控制，同时光栅传感器11与电机控制器13进行通信，所采集的位移数据用于电机控制器13的反馈控制，达到精准定位的目的；第一工业相机1和第二工业相机6由图像处理系统14驱动控制，触发采集成像；第一光源系统2和第二光源系统7由光源控制器15通过模拟电路进行控制；上述所有控制系统由上位机中的软件系统16协同处理软件的时序，同时通过软件中的交互实现测量结果的可视化；上述所有装置固定于底座17上，能够保障系统平稳运行。

一种复合式视觉刀具几何参数测量方法，基于上述的复合式视觉刀具几何参数测量系统，在垂直方向上的视觉系统对刀具的二维参数进行测量，首先结合刀具的理论模型和刀具的材质，根据基于图像的光照反射模型：

I(x_u,y_u)＝I_s·cosθ_s·R(P(x_m,y_m，z_m))·cosα_v1

计算出每个测量参数所需要的光照方式和光照角度；其中I(x_u,y_u)为图像在(x_u,y_u)处的灰度值，I_s为入射光源强度，θ_s为入射光源角度，R为反射函数与待测刀具参数对应模型的坐标P(x_m,y_m，z_m)相关，α_v为相机相对于待测参数对应面法线方向的夹角；对不同的待测参数特征所对应的像素的灰度值进行优化求解，可输出每一种待测最佳的参数的光照角度θ_s和强度I_s；然后通过步进电机4驱动垂直方向滑台5，结合图像清晰度评价函数：

其中，f(I)为图像的清晰度，S(x_u,y_u)为在图像的(x_u,y_u)像素的灰度梯度函数；按照待测量参数的顺序依次使待测的刀具定位到参数对焦的平面；接着分别在测量参数的光照条件下获取合焦平面处的图像，并对图像中的参数进行识别、拟合，获取特征的亚像素坐标；最后根据远心镜头3的成像模型：

其中，

为图像坐标的齐次矩阵，M为远心镜头的有效放大倍率，参数r，t表征坐标旋转和平移，

为物体世界坐标系下的齐次矩阵；通过通用的标定方法求可解出有效放大倍率M；进一步的，通过上一步求解的特征像素坐标距离求解刀具几何量参数的测量结果；

其中Δx_u，Δy_u为图像中识别拟合的特征点的像素横纵坐标之差；

水平方向的视觉系统获取刀具三维几何参数，首先，由直线电机9驱动水平方向滑台10带动第二工业相机6移动，然后获取对应位置下的序列图图像进行层析扫描，接着基于公式2清晰度评价函数和对应的由光栅传感器11测得的位移参数Δd实现对刀具的三维形貌的测量；具体计算方式为：

其中，h(x_u,x_y)为图像像素坐标(x_u,x_y)处的实际高度，

为该点清晰度评价函数最高时所对应的图像序列；

最后基于三维测量的点云数据进一步解算刀具的三维几何参数；

实现刀具几何参数测量具体方法步骤如下：

第一步、放置待测刀具，确定刀具的待测参数、测量顺序和对应的光照方式；

将待测的刀具固定在刀具夹具12上，在软件系统16中选定待测的参数，首先根据待测参数的特征及实验经验，判断输出待测参数的测量顺序，其次根据基于图像的光照反射模型确定待测参数的照明方式，使得光源控制器15分别对第一光源系统2和第二光源系统7进行投射光源强度、光源区域以及光源角度的控制；

第二步、基于垂直方向视觉测量系统对刀具二维投影几何量参数进行测量；

根据第一步确定的测量顺序，使垂直方向滑台5在步进电机4的驱动下，运动到相应待测参数的位置；进一步地，根据自动对焦清晰度函数判断是否移动到待测参数的对焦平面，确定对焦清晰后，图像计算处理系统14控制工业相机1获取相应的图像，并对图像中的特征进行识别、提取、拟合，确定待测参数图像像素中的坐标；结合远心镜头3的标定参数解算实际的待测参数的几何量的大小；

第三步、基于水平方向视觉测量系统对刀具三维几何量参数进行测量；

电机控制器13控制直线电机9驱动水平方向滑台10，同时水平方向滑台10上的光栅传感器11监测滑台运动的距离，并通过图像计算处理系统14按光栅传感器11传输的距离间隔触发相机获取层析序列图像；通过序列图像和间隔的距离结合清晰度评价函数和景深合成算法对刀具表面进行三维重构，进而，建立测量平面解算刀具三维测量参数。

本发明的有益效果是形成了一种精度高、速度快、自动化程度高的刀具几何参数自动测量系统及测量方法。该系统能够全面的测量刀具的几何参数，充分考虑了视觉测量的光照条件、畸变误差，保障了几何参数的测量精度。改进了传统方法仅能实现刀具单参数的测量且难以实现高精高效测量的问题。是一种具有工程实际应用价值刀具几何量参数测量系统及测量方法。

附图说明

图1是一种复合式视觉刀具几何参数测量系统的组成框架示意图。

图2是一种复合式视觉刀具几何参数测量方法流程图。

图3是一种复合式视觉刀具几何参数测量系统的装配结构示意图。

图中：1-第一工业相机，2-第一光源系统，3-远心镜头，4-步进电机，5-垂直方向滑台，6-第二工业相机，7-第二光源系统，8-超景深显微镜头，9-直线电机，10-水平方向滑台，11-光栅传感器，12-刀具夹具，13-电机控制器，14-图像计算处理系统，15-光源控制器，16-软件系统，17-底座。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、结构特征、所实现的目的和方法下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，一种复合式视觉刀具几何参数测量系统的组成框架示意图。整个系统由两个方向的机器视觉系统构成，其中，垂直方向的视觉系统测量刀具的二维参数，水平方向的机器视觉系统测量三维参数。

首先，系统的垂直方向的机器视觉系统主要由第一工业相机1，第一光源系统2，远心镜头3，步进电机4，垂直方向的滑台5构成。其中第一工业相机1和远心镜头3连接，固定在垂直方向的滑台5上，步进电机4驱动垂直方向的滑台5可以做直线运动，进而带动第一工业相机1和远心镜头3做直线运动。第一光源系统2包含一个背光光源和一个环形多角度分区光源。背光光源置于刀具正下方，为一种白光漫射光源。环形多角度分区光源与远心镜头3同轴。根据在软件系统16中输入的待测参数，可以得到参数的对应照明方式、强度、照明区域和角度，进而通过光源控制器15对光源进行控制。而第一工业相机1由图像计算处理系统14控制触发成像，步进电机4由电机控制器13进行控制。测量时，根据参数的经验对焦位置先使得滑台运动到指定位置进行成像的粗对焦，再根据图像计算处理系统对所采集图像的清晰度评价函数判断是否为所参数的对焦平面从而调整成像的位置，最终实现参数清晰图像的获取。接着，根据参数的几何约束对图像中的特征边缘进行亚像素提取。根据对远心镜头4的标定，求解放大倍率和畸变等参数，进一步的根据畸变参数矫正图像并根据标定的放大倍率和图像中边缘提取的像素计算求刀具待测几何参数的实际测量结果。

接着，水平方向上的视觉系统主要由第二工业相机6、第二光源系统7、超景深显微镜头8、直线电机9、水平方向滑台10和光栅传感器11组成。第二工业相机6和超景深显微镜头8连接，第二光源系统7为同轴光源，与超景深显微镜头8相连接。直线电机9驱动水平方向上的滑台10，第二工业相机6、第二光源系统7和超景深显微镜头8固定在滑台上，由滑台带动做稳定精准的直线运动，并在滑轨上装有光栅传感器11用来监测滑台移动的位移。测量时，刀具固定不动，定放大倍率的超景深显微镜头在直线电机9的驱动下做直线移动，由光栅传感器11监测。根据超景深显微三维成像原理，由光栅传感器11监测到的景深距离同时触发第二工业相机6成像，在景深方向获取不同焦面上的图像序列，进一步的预处理、边缘提取，通过聚焦合成算法对序列图像进行三维重构得到刀具的三维测量点云数据。最后根据点云数据拟合解算刀具的三维测量参数。

具体的测量方式以测量刀具的横刃长度、前角两个参数为例：

第一步，将刀具固定在夹具12上，在软件系统16中勾选要测量的参数(横刃长度、前角)并点击下一步，此时根据横刃参数的经验测量参数，输出照明方式为60度环形光对角区域明场照明，测量方式为垂直方向的二维视觉系统，根据前角参数的经验测量参数，输出照明方式为同轴均匀照明，测量方式为水平方向的超景深三维视觉系统。第二步，进行横刃参数的测量。首先，光源控制器15控制第一光源系统2使得连接在远心镜头3中的环形多角度分区光源以60度角度、对角分区的方式照明。然后，电机控制器13对步进电机4进行控制，根据横刃长度这一参数的经验对焦位置先使得滑台运动到指定位置进行成像的粗对焦，再根据图像计算处理系统对所采集图像的清晰度评价函数判断是否为所参数的对焦平面从而调整成像的位置，触发第一工业相机1成像，实现参数清晰图像的获取。接着，根据对远心镜头3的标定结果，对图像进行畸变矫正，并对图像进行滤波等预处理。进一步的，根据横刃为直线的几何特征，对横刃特征进行亚像素的边缘提取。最后，结合所标定的放大倍率和边缘提取的结果计算得到横刃参数的实际测量值。第三步，进行前角几何量的测量。首先，光源控制器15控制第二光源系统7的点光源照明强度。然后，电机控制器13配合光栅传感器11带动第二工业相机6和其连接的超景深远心镜头8做直线运动，直到运动到镜头的工作距离(45mm)，同时每移动景深距离(14um)同时反馈给软件系统16进而使得图像计算处理系统14对第二工业相机6进行触发，得到序列图像。接着，通过预处理、边缘提取、聚焦合成算法对序列图像进行三维重构得到刀具的三维测量点云数据。最后根据测量数据建立正交平面、切削平面和基面，进而找到表征前角的投影几何特征，实现前角的测量。

以上所述为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用说明书及附图内容所做的等效结构或者等效流程变化，或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种复合式视觉刀具几何参数测量系统，其特征在于，该复合式视觉刀具几何参数测量系统包含两个方向的视觉系统，即垂直方向上的视觉系统和水平方向的视觉系统；

垂直方向上的视觉系统主要由第一工业相机(1)、多角度分区环型光源和矩形背光光源构成的第一光源系统(2)、远心镜头(3)以及步进电机(4)驱动的垂直方向滑台(5)组成，第一工业相机(1)与远心镜头(3)通过标准相机镜头接口连接，第一光源系统(2)中的多角度分区环型光源与远心镜头(3)同轴放置，由螺丝定位紧固，矩形背光光源固定于刀具夹具(12)正下方，由螺纹孔定位，螺丝紧固；步进电机(4)通过机械结构与垂直方向上滑台(5)连接，且第一工业相机(1)通过螺丝紧固在垂直方向上滑台(5)上，步进电机(4)的转动使得垂直方向滑台(5)带动第一工业相机(1)及其连接的机构做垂直方向上的直线运动；

水平方向的视觉系统主要由第二工业相机(6)、第二光源系统(7)和固定放大倍率的超景深显微镜头(8)以及直线电机(9)驱动的水平方向滑台(10)组成，水平方向固定有光栅传感器(11)；第二工业相机(6)与超景深显微镜头(8)通过标准相机镜头接口连接，第二光源系统(7)与超景深显微镜头(8)同轴放置；直线电机(9)与水平方向滑台(10)通过机械结构连接，且光栅传感器(11)置于水平方向滑台(10)上；直线电机(9)的转动使得水平方向滑台(10)做水平方向上的直线运动，从而带动固定在水平方向滑台(10)上的第二工业相机(6)及其连接的机构做水平方向上的直线运动；

刀具由刀具夹具(12)固定在基准位置，两个方向的电机均由电机控制器(13)控制，图像处理系统(14)控制两台工业相机的图像采集及图像处理，光源控制器(15)控制两个方向上的光源系统；控制系统之间的配合和时序的协调以及最终测量结果的显示由软件系统(16)完成；步进电机(4)和直线电机(9)由电机控制器(13)通过标准协议进行通信和控制，同时光栅传感器(11)与电机控制器(13)进行通信，所采集的位移数据用于电机控制器(13)的反馈控制，达到精准定位的目的；第一工业相机(1)和第二工业相机(6)由图像处理系统(14)驱动控制，触发采集成像；第一光源系统(2)和第二光源系统(7)由光源控制器(15)通过模拟电路进行控制；上述所有控制系统由上位机中的软件系统(16)协同处理软件的时序，同时通过软件中的交互实现测量结果的可视化；上述所有装置固定于底座(17)上，能够保障系统平稳运行。

2.一种复合式视觉刀具几何参数测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的复合式视觉刀具几何参数测量系统，在垂直方向上的视觉系统对刀具的二维参数进行测量，首先结合刀具的理论模型和刀具的材质，根据基于图像的光照反射模型：

I(x_u,y_u)＝I_s·cosθ_s·R(P(x_m,y_m，z_m))·cosα_v (1)

计算出每个测量参数所需要的光照方式和光照角度；其中I(x_u,y_u)为图像在(x_u,y_u)处的灰度值，I_s为入射光源强度，θ_s为入射光源角度，R为反射函数与待测刀具参数对应模型的坐标P(x_m,y_m，z_m)相关，α_v为相机相对于待测参数对应面法线方向的夹角；对不同的待测参数特征所对应的像素的灰度值进行优化求解，可输出每一种待测最佳的参数的光照角度θ_s和强度I_s；然后通过步进电机(4)驱动垂直方向滑台(5)，结合图像清晰度评价函数：

其中，f(I)为图像的清晰度，S(x_u,y_u)为在图像的(x_u,y_u)像素的灰度梯度函数；按照待测量参数的顺序依次使待测的刀具定位到参数对焦的平面；接着分别在测量参数的光照条件下获取合焦平面处的图像，并对图像中的参数进行识别、拟合，获取特征的亚像素坐标；最后根据远心镜头(3)的成像模型：

其中，

为图像坐标的齐次矩阵，M为远心镜头的有效放大倍率，参数r，t表征坐标旋转和平移，

为物体世界坐标系下的齐次矩阵；通过通用的标定方法求可解出有效放大倍率M；进一步的，通过上一步求解的特征像素坐标距离求解刀具几何量参数的测量结果；

其中Δx_u，Δy_u为图像中识别拟合的特征点的像素横纵坐标之差；

水平方向的视觉系统获取刀具三维几何参数，首先，由直线电机(9)驱动水平方向滑台(10)带动第二工业相机(6)移动，然后获取对应位置下的序列图图像进行层析扫描，接着基于公式(2)清晰度评价函数和对应的由光栅传感器(11)测得的位移参数Δd实现对刀具的三维形貌的测量；具体计算方式为：

其中，h(x_u,x_y)为图像像素坐标(x_u,x_y)处的实际高度，

为该点清晰度评价函数最高时所对应的图像序列；

最后基于三维测量的点云数据进一步解算刀具的三维几何参数；

实现刀具几何参数测量具体方法步骤如下：

第一步、放置待测刀具，确定刀具的待测参数、测量顺序和对应的光照方式；

将待测的刀具固定在刀具夹具(12)上，在软件系统(16)中选定待测的参数，首先根据待测参数的特征及实验经验，判断输出待测参数的测量顺序，其次根据基于图像的光照反射模型确定待测参数的照明方式，使得光源控制器(15)分别对第一光源系统(2)和第二光源系统(7)进行投射光源强度、光源区域以及光源角度的控制；

第二步、基于垂直方向视觉测量系统对刀具二维投影几何量参数进行测量；

根据第一步确定的测量顺序，使垂直方向滑台(5)在步进电机(4)的驱动下，运动到相应待测参数的位置；进一步地，根据自动对焦清晰度函数判断是否移动到待测参数的对焦平面，确定对焦清晰后，图像计算处理系统(14)控制工业相机(1)获取相应的图像，并对图像中的特征进行识别、提取、拟合，确定待测参数图像像素中的坐标；结合远心镜头(3)的标定参数解算实际的待测参数的几何量的大小；

第三步、基于水平方向视觉测量系统对刀具三维几何量参数进行测量；

电机控制器(13)控制直线电机(9)驱动水平方向滑台(10)，同时水平方向滑台(10)上的光栅传感器(11)监测滑台运动的距离，并通过图像计算处理系统(14)按光栅传感器(11)传输的距离间隔触发相机获取层析序列图像；通过序列图像和间隔的距离结合清晰度评价函数和景深合成算法对刀具表面进行三维重构，进而，建立测量平面解算刀具三维测量参数。

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