发明内容
本发明提供一种筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统,其目的是在不接触工件表面的情况下对其内壁缺陷尺寸进行测量,并判断工件是否合格。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
本发明的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统,包括稳定测量平台;所述的稳定测量平台上设置多自由度位移机构、零件固定台和观测结构支撑架;在所述的观测结构支撑架上设置观测机构,所述的观测机构上设置观测模组和测量传感器;所述的筒形零件固定在零件固定台上;。
所述的测量传感器通过扫描头扫描筒形零件的内壁,采集激光条纹图像并转换得到表面三维信息。
所述的零件固定台通过回转驱动机构安装在稳定测量平台上。
所述的零件固定台的尺寸为:水平面X、Y方向大于200mm×300mm;高度Z方向大于400mm。
所述的稳定测量平台的材料采用大理石平板,其矩形的水平面尺寸为1000mm×1000mm,厚度尺寸为100mm。
所述的多自由度位移机构的驱动最大位移是:水平面X、Y方向为50mm×50mm,高度Z方向为200mm。
所述的观测模组分辨率为1920×1440,观察范围为360°。
所述的测量传感器进行高精度三维轮廓信息提取;工作方式采用侧向出光,分辨率为0.1um,测量范围为300um。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的,本发明还提供了以上所述的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统的测量方法,其过程是:
开始;
步骤1、设定传感器旋转角度步长和垂直位移步长;
步骤2、测量传感器按照设定的旋转角度步长采集内表面的一周360°点云数据;
步骤3、测量传感器按照设定的垂直位移步长在Z轴方向向下移动一个步长;
步骤4、判断:测量传感器在Z轴方向移动距离是否小于设定的圆筒高度;如果是,则返回步骤2;如果否,则继续下一步骤;
步骤5、融合采集的点云数据,形成整个圆筒内壁表面数据;
步骤6、点云数据的滤波去噪、平滑处理;
步骤7、点云数据三角网格化建立三维模型;
步骤8、通过三维可视化技术,对内壁三维模型进行可视化软件界面3D渲染显示和操作;
步骤9、通过可视化交互,手动通过软件可视化交互界面在内壁绘制一条切割线;
步骤10、将二维视图坐标系下的切割线转换到3D空间坐标系下的切割线;
步骤11、计算二维视图坐标系下的切割线的垂直线并转换到3D空间坐标系下作为法向量;
步骤12、根据计算得到的法向量和3D切割线上的一点计算切割面;
步骤13、基于内壁三维模型坐标对进行平移,使得切割面可以切割到三维模型上;
步骤14、根据切割面和三维模型,通过vtk三维技术可以获取所有相交点;
步骤15、将切割面与模型相交点生成切割点云,切换视图并可视化显示;
步骤16、对生成的切割点云进行拟合,寻找有缺陷点云;
步骤17、缺陷点云投影到2D空间,根据切割角度和满足设定条件的缺陷点,计算缺陷点在切割方向上的宽度和高度;
步骤18、判断:对比设定参数是否有缺陷;如果是,则继续下一步骤;如果否,则判定合格,结束;
步骤19、返回不合格,并提供缺陷数据;
结束。
所述的三维模型建立,是通过求解泊松方程,提取等值面构建表面三维模型。
本发明采用上述技术方案,采用非接触式测量,降低传统接触式测量仪器本身存在制造误差、人为因素的读数误差;基于RANSAC算法进行模型拟合,鲁棒性强,效率更高;采用高精度多角度位移驱动、实现垂直升降及360°全方位感性式触发,一体式自动执行,提高工作效率。
具体实施方式
下面对照附图,通过对实施例的描述,对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明应用于能源、化工、汽车、航空等自动化检测技术领域,主要应用于对圆筒内壁进行三维形貌数据采集和测量内壁表面是否有划痕、凹陷、腐蚀,并依据测量结果参数来评判工件是否合格。
适用的圆筒内壁直径范围Φ15mm~Φ35mm,圆筒深度超过200mm。
如图1、图2所示本发明的结构,为一种筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统,包括稳定测量平台1。
为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷,实现在不接触工件表面的情况下对其内壁缺陷尺寸进行测量,并判断工件是否合格的发明目的,本发明采取的技术方案为:
如图1所示,本发明的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统,其中所述的稳定测量平台1上设置多自由度位移机构6、零件固定台7和观测结构支撑架8;在所述的观测结构支撑架8上设置观测机构2,所述的观测机构2上设置观测模组3和测量传感器4;所述的筒形零件5固定在零件固定台7上。
本发明对于圆筒类工件进行精密检测,实现在不接触物体表面的情况下对其内壁缺陷宽度、深度等尺寸信息进行测量,并评估工件是否合格。
测量缺陷尺寸的测量传感器4和全轮廓的观测模组3构成整个观测机构2;多自由度位移机构6实现筒形零件5的内壁凹槽划痕的稳定、高精度测量。测量传感器4通过扫描头扫描圆筒件5的内壁,采集激光条纹图像并转换得到表面三维信息。全轮廓观测模组3用于进行内壁360°观察缺陷并定位,使缺陷测量传感器4精确定位缺陷区域,并进行三维测量,提高测量效率与测量精度。
本发明的技术效果:
采用非接触式测量,降低传统接触式测量仪器本身存在制造误差、人为因素的读数误差;基于RANSAC算法进行模型拟合,鲁棒性强,效率更高;采用高精度多角度位移驱动、实现垂直升降及360°全方位感性式触发,一体式自动执行,提高工作效率。
检测出工件内壁表面缺陷宽度值,如图5所示;
检测出工件内壁表面缺陷深度值,如图6所示。
所述的测量传感器4通过扫描头扫描筒形零件5的内壁,采集激光条纹图像并转换得到表面三维信息。
所述的零件固定台7通过回转驱动机构安装在稳定测量平台1上。
所述的零件固定台7的尺寸为:水平面X、Y方向为200mm×300mm;高度Z方向为400mm。可以适应不同测量对象,测量精度无偏差。
所述的稳定测量平台1的材料采用大理石平板,其矩形的水平面尺寸为1000mm×1000mm,厚度尺寸为100mm。
所述的稳定测量平台1采用大理石平板,具有一定的吸震性能,保证系统的测量稳定性。
所述的多自由度位移机构6的驱动最大位移是:水平面X、Y方向为50mm×50mm,高度Z方向为200mm。
所述的多自由度位移机构6由电机驱动,在XYZ轴方向上,电机行程50×50×200mm,电机重复定位精度稳定在5um,工件放置底盘台(即零件固定台7)可以实现360°旋转。
为保证测量精度,对多自由度系统误差进行标定,实现误差校正补偿,进一步提高测量精度。
所述的观测模组3分辨率为1920×1440,观察范围为360°。
所述的测量传感器4进行高精度三维轮廓信息提取;工作方式采用侧向出光,分辨率为0.1um,测量范围为300um。
所述的测量传感器4结构如图2所示。
本发明进一步优化、改进或可替代的技术方案:
1、对于部分内壁表面模糊粗糙造成无法采集到深度数据,通过自动/边界补洞及搭桥处理方法进行修补。
2、由于圆筒开口处有外界自然光或光源的干扰,随着工件深度增加,整个工件不同深度处内表面数据采集有影响,可以通过增加光源保证光亮均匀,采集效果更好,提高计算准确度和可靠性。
如图3所示,为了实现与上述技术方案相同的发明目的,本发明还提供了以上所述的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统的测量方法,该方法的过程如下:
开始;
步骤1、设定传感器旋转角度步长和垂直位移步长;
步骤2、测量传感器4按照设定的旋转角度步长采集内表面的一周360°点云数据;
步骤3、测量传感器4按照设定的垂直位移步长在Z轴方向向下移动一个步长;
步骤4、判断:测量传感器4在Z轴方向移动距离是否小于设定的圆筒高度;如果是,则返回步骤2;如果否,则继续下一步骤;
步骤5、融合采集的点云数据,形成整个圆筒内壁表面数据;
步骤6、点云数据的滤波去噪、平滑处理;
步骤7、点云数据三角网格化建立三维模型;
步骤8、通过三维可视化技术,对内壁三维模型进行可视化软件界面3D渲染显示和操作;
步骤9、通过可视化交互,手动通过软件可视化交互界面在内壁绘制一条切割线;
步骤10、将二维视图坐标系下的切割线转换到3D空间坐标系下的切割线;
步骤11、计算二维视图坐标系下的切割线的垂直线并转换到3D空间坐标系下作为法向量;
步骤12、根据计算得到的法向量和3D切割线上的一点计算切割面;
步骤13、基于内壁三维模型坐标对进行平移,使得切割面可以切割到三维模型上;
步骤14、根据切割面和三维模型,通过vtk三维技术可以获取所有相交点;
步骤15、将切割面与模型相交点生成切割点云,切换视图并可视化显示;
步骤16、对生成的切割点云进行拟合,寻找有缺陷点云;
步骤17、缺陷点云投影到2D空间,根据切割角度和满足设定条件的缺陷点,计算缺陷点在切割方向上的宽度和高度;
步骤18、判断:对比设定参数是否有缺陷;如果是,则继续下一步骤;如果否,则判定合格,结束;
步骤19、返回不合格,并提供缺陷数据;
结束。
具体的视觉点云数据采集方案如图1所示。整个视觉检测算法系统结构流程如图4所示。切割模型形成切割点,如图3所示。
所述的三维模型建立,是通过求解泊松方程,提取等值面构建表面三维模型。
本发明与检索到的文献1相比,其技术特点是:
1、通过布置视觉传感系统和高精度位移机构,通过观测模组测量工件内壁表面一周数据,通过高精度升降机构实现整个工件内壁的表面数据垂直采集,采集数据更全面,结果更高效更可靠。
2、采用非接触测量,机器视觉检测技术,技术更先进更高效。
本发明与检索到的文献2相比,其技术特点是:
1、通过布置视觉传感系统和高精度位移机构,通过观测模组测量工件内壁表面一周数据,通过高精度升降机构实现整个工件内壁的表面数据垂直采集,本发明采集数据更全面,结果更高效更可靠。
2、采用非接触式三维测量技术,检测结果比二维热成像分析结果,更可靠,通用性更广更好。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。