CN115164751A - 一种铆接孔径尺寸检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视觉应用和非接触缺陷检测技术领域，提供一种铆接孔径尺寸检测系统及方法，所述系统包括3D激光轮廓传感器、同步带传动机构、双波位移光栅尺、激光导向器、手持式支撑机构、同步带控制器和测量处理模块；所述方法通过3D激光轮廓传感器采集图像后，在PC机端对采集到的铆接孔径图像进行图像处理，并利用客户端软件设置参数后对铆接孔径进行测量，显示出铆接孔的深度图、亮度图以及测量的孔径数据。经实验验证，该方法可一次性扫描多个铆接孔，且检测结果准确率高、稳定性好，实现了铆接孔径尺寸实时、高效的检测，提高了自动化程度。

Description

一种铆接孔径尺寸检测系统及方法

技术领域

本发明涉及视觉应用和非接触缺陷检测技术领域，具体涉及一种铆接孔径尺寸检测系统及方法。

背景技术

随着现代航空技术的发展，飞机装配技术正逐步进入柔性化、自动化的新阶段。铆钉连接作为飞机装配连接的最主要形式，铆钉孔的加工质量与效率对飞机装配质量和效率产生直接影响。

然而，传统的接触检测过程仍然采用人工视觉检测的方法对铆钉的尺寸进行检测，由于人工检测受主观影响因素大，容易造成漏检、误检情况的发生，严重制约着铆钉检测的效率和精度，不能满足现代工业快速、精密、准确的检测和测量要求。因此，迫切需要研究出一种高精度、高效率的铆钉孔径质量柔性检测系统。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种铆接孔径尺寸检测系统及方法，采用图像识别技术对铆接孔径进行检测，并计算出铆接孔径的尺寸信息。

本发明提出的一种铆接孔径尺寸检测系统，包括：3D激光轮廓传感器、同步带传动机构、双波位移光栅尺、激光导向器、手持式支撑机构、同步带控制器和测量处理模块；所述手持式支撑机构为铝合金箱体，箱体两侧带有把手，箱体底部安装有6个触角，所述同步带传动机构为一带有步进电机的传送带，装配在手持式支撑机构中，3D激光轮廓传感器装配在同步带传动机构的滑块上，所述双波位移光栅尺装配在同步带传动机构下方，其测头固定在同步带传动机构的滑块上，由传送带上的步进电机驱动，发出双波脉冲触发相机持续拍照；所述激光导向器为一带有十字激光线光源，固定在把手内侧。

所述3D激光轮廓传感器用于采集铆接孔图像，并将图像传输到测量处理模块；

所述同步带传动机构用于带动光栅尺测头，使3D激光轮廓传感器沿传送带运动方向做直线运动；

所述激光导向器用于布置被测工件对准铆接孔表面；

所述手持式支撑机构为铝合金箱体，内侧布置海绵防撞体，用于保护传感器镜头及其辅助电气设备，箱体两侧带有把手，方便手持扫描工件，箱体底部装有6个触角，保证检测设备稳定；

所述步进电机为同步带传动机构提供动力，驱动同步带上的滑块运动；

所述同步带控制器独立集成在一个框架盒内，用于控制同步带传动机构的运动，可编程设置往返距离、运动速度、启动和停止时间；

所述测量处理模块为PC机，与3D激光轮廓传感器连接，用于提取图像的边缘点，并利用RANSAC算法进行圆拟合，输出铆接孔的直径数据。

本发明提出的一种铆接孔径尺寸检测方法，基于所述的铆接孔径尺寸检测系统实现，所述方法包括：

步骤1：将手持式检测设备底部触角完全接触工件表面，并利用激光导向器对准铆钉孔表面；

步骤2：启动扫描按钮，通过3D激光轮廓传感器采集铆接孔图像并通过千兆网卡传输到PC机端；

步骤3：通过PC机端对采集到的铆接孔图像进行图像处理，得到铆接孔的尺寸；包括：

步骤3.1：采用直方图均衡化法对铆接孔径图像的灰度直方图进行变换；

步骤3.2：创建铆接孔内外圆的轮廓区域；

步骤3.3：采用卡尺工具算法获取铆接孔各边缘点及其坐标；

步骤3.4：针对获取的边缘点，利用RANSAC算法进行圆拟合，得到铆接孔的圆轮廓并计算出直径结果。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种铆接孔径尺寸检测系统及方法，所述方法通过3D激光轮廓传感器采集图像后，在PC机端对采集到的铆接孔径图像进行图像处理，并利用客户端软件设置参数后对铆接孔径进行测量，显示出铆接孔的深度图、亮度图以及测量的孔径数据。经实验验证，该方法可一次性扫描多个铆接孔，且检测结果准确率高、稳定性好，实现了铆接孔径尺寸实时、高效的检测，提高了自动化程度。

附图说明

图1为本发明中铆接孔径尺寸检测方法流程图；

图2为本发明中铆接孔径尺寸检测系统结构示意图；

图3为本发明中采用所述检测系统检测到的铆接孔深度图像；

图4为本发明中采用所述检测系统检测到的孔径亮度图像以及孔径数据图；

图5为本发明中采用所述检测系统检测铆接孔径数据均值与人工检测数据均值的对比曲线图；

图2中，1、3D激光轮廓传感器；2、同步带传动机构；3、双波位移光栅尺；4、激光导向器；5、手持式支撑机构；6、同步带控制器；7、测量处理模块；8、把手；9、触角；10、待测工件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。

为了解决现有技术存在的问题，如图1和图2所示，本发明提供了一种铆接孔径尺寸检测方法及系统，通过机器视觉的方法对铆接孔径进行检测，解决了传统人工检测一致性差、效率低等问题。

如图2所示，一种铆接孔径尺寸检测系统，包括：3D激光轮廓传感器、同步带传动机构、双波位移光栅尺、激光导向器、手持式支撑机构、同步带控制器和测量处理模块。

所述3D激光轮廓传感器装配在同步带传动机构的滑块上，用于采集铆接孔图像，并将图像传输到PC机；

所述同步带传动机构为一带有步进电机的传送带，装配在手持式支撑机构中，用于带动光栅尺测头，使3D激光轮廓传感器沿传送带运动方向做直线运动；

所述双波位移光栅尺装配在同步带传动机构下方，其测头固定在同步带传动机构的滑块上，由步进电机驱动，发出双波脉冲触发相机持续拍照；

所述手持式支撑机构为铝合金箱体，内侧布置海绵防撞体，用于保护传感器镜头及其辅助电气设备，箱体两侧带有把手，方便手持扫描工件，箱体底部装有6个触角，保证检测设备稳定；

所述激光导向器为一带有十字激光线光源，固定在箱体两端把手内侧，用于布置被测工件，对准铆接孔表面；

所述同步带控制器独立集成在一个框架盒内，用于控制步进电机的运动，可编程设置往返距离、运动速度等参数；

所述测量处理模块为PC机，与传感器连接，用于对传感器采集的图像进行处理，并实时输出高精度三维点云数据和最终测量结果。

如图1所示，一种铆接孔径尺寸检测方法，基于所述的铆接孔径尺寸检测系统实现，所述方法包括：

步骤1：检测前的准备工作：将手持式检测设备底部触角完全接触待测工件表面，保证检测设备的稳定性；利用激光导向器对准铆钉孔表面，即保持“一”字激光线(十字激光线的“一”字线方向为相机扫描的中心线区域)照射在铆钉头或铆接孔表面，以确保采集图像的清晰性、完整性；

步骤2：启动手持机构侧面的扫描按钮，步进机构驱动3D激光轮廓传感器移动，并带动光栅尺探头移动，触发脉冲，传感器采集图像并通过千兆网卡传输到PC机端，返程时光栅尺脉冲关闭，传感器自动返回原点，这样的单程扫描成像，保证数据的稳定性和单一性；

步骤3、PC机端对采集到的铆接孔图像进行图像处理；包括：

步骤3.1：采用直方图均衡化法对铆接孔径原图像的灰度直方图进行变换，修正原图像中具有相近灰度值且占有大量像素点的区域，使其灰度范围变宽并均匀分布，若假设R和S分别表示已完成归一化的变换前后的图像灰度，T(r)为变换函数，对于灰度级为离散的数字图像，用频率来代替概率，则灰度级r_k出现的频率P_r(r_k)为：

式中，n_k表示第k个像素级像素个数；n表示总像素个数；

若原图像的灰度级为[0,L-1]，为了保证变换前后的灰度值和灰度范围一致，则均衡变换函数T(r_k)采用求和方式可表示为：

式中，n_j表示第j个像素级像素个数；

步骤3.2：创建铆接孔内外圆的轮廓区域，采用最小外接圆法处理得到一个标准的圆环区域，利用结构元素对得到的区域进行膨胀、腐蚀处理，分割出铆接孔内外圆区域，若未成功提取圆区域或提取区域不完整，则重复进行形态学处理，直到提取出完整的圆环区域；

步骤3.3：通过调用HALCON中封装的卡尺工具获取铆接孔各边缘点及其坐标，首先给定一个圆形区域，调用HALCON的画圆工具，分别绘制直径略大于和略小于此圆形区域的两个同心圆，以此来逼近它的边缘区域，把包含待测量圆边界的环状区域分割出来，然后选取45个长度x宽度为50*15的卡尺工具，对分割出的环形区域进行精细边缘提取，得到一系列的亚像素边界轮廓，其大致流程如下：

S1)、创建卡尺模型，添加测量项信息；

S2)、创建用于形状匹配的匹配模型；

S3)、用匹配模型与实际图像进行匹配；

S4)、展示匹配结果；

步骤3.4：将上述步骤检测到的边缘点采用RANSAC算法进行圆拟合，产生圆轮廓并获取直径，首先采用迭代的方式从包含局外点的数据中估算出适用于局内点的最小数据集X，计算出模板图像的特征点与待匹配图像的相应特征点之间的坐标转换关系，即变换矩阵M，假设Y为数据模型，则变换矩阵和特征点之间关系如下式：

如果估计n个边缘点模型，则这些点全部是局内点的概率为Pⁿ，至少有一个是局外点的概率为1－Pⁿ，则置信度L与迭代次数K关系式为：

经过一定次数的迭代后，选取接近合理解概率最大的样本集，得到最合理解，即铆接孔圆轮廓集；

步骤4：在PC机客户端软件上设置参数后便可进行测量，实时输出铆接孔深度图像和铆接孔径尺寸检测结果；

步骤4.1：启动客户端软件后，点击【查找设备】，搜索设备IP，直到下拉框显示摄像头IP：192.168.0.2，表示设备地址搜索成功，再点击【连接相机】，设备连接完成；

步骤4.2：根据需要可对传感器属性进行修改，包括帧率、曝光率、增益、线数；

步骤4.3：设置孔径的偏差值，本检测系统设置铆接孔径D基准值为7200um，极限偏差值为50um，按照上述操作后，即表示检测结果在7150um<D<7250um范围内的孔均为合格孔，外圈用绿颜色圆形显示；否则为不合格孔，外圈用红颜色圆形显示；

步骤4.4：点选【孔径】复选按钮，之后，点击【采集图像】，启动相机扫描按钮后，开始检测铆接孔径；

步骤4.5：软件界面左侧逐渐出现扫描孔深度图，如图3所示；界面右侧便显示出孔径的亮度图以及铆钉的孔径数据，如图4所示。

如图2所示，本发明提供了一种铆接孔径尺寸检测系统，包括3D激光轮廓传感器1、同步带传动机构2、双波位移光栅尺3、激光导向器4、手持式支撑机构5、同步带控制器6、测量处理模块7(即PC机)，3D激光轮廓传感器1装配在同步带传动机构2的滑块上，同步带传动机构2设置在手持式支撑机构5内，带动光栅尺测头和3D激光轮廓传感器1沿传送带运动方向做直线运动，双波位移光栅尺3设置在同步带传动机构2下方，其测头固定在同步带传动机构的滑块后端，由传送带上的步进电机驱动，发出双波脉冲触发相机持续拍照，激光导向器4装配在把手8内侧，用于布置被测工件，对准铆接孔表面，手持式支撑机构5为铝合金箱体，内侧布置海绵防撞体，用于保护传感器镜头及其辅助电气设备，箱体两侧带有把手，方便手持扫描工件，箱体底部装有6个触角，保证检测设备稳定。

激光导向器4照射待测工件10上的铆接孔，确保3D激光轮廓传感器1采集清晰、完整的铆接孔图像，3D激光轮廓传感器1与测量处理模块7连接并通过千兆网卡将图像以电信号的形式传输给测量处理模块7，同步带控制器6独立集成在一个框架盒内，与同步带传动机构2中的步进电机连接，用于控制步进电机的运动，可编程设置往返距离、运动速度等参数，测量处理模块7通过内置程序对3D激光轮廓传感器1所采集的铆接孔图像进行图像处理，得到铆接孔各边缘点及其坐标，结合RANSAC算法进行圆拟合，产生圆轮廓并获取直径数据，实时输出高精度三维点云数据和铆接孔径数据。

在PC机客户端软件上设置参数和测量铆接孔径时，需注意1)参数修改需要在传感器扫描前完成，确保所有参数设置好后再启动扫描按钮；2)调整好孔径基准值和极限偏差后，应点击【设置】按钮，否则将无法将默认数值输入到变量中，检测结果均为红色显示；3)检测过程中，若发现扫描孔图片存在残缺或不清晰等情况，可启动停止按钮，调整扫描位置后重新采集图像，以获得完整的扫描特征形状，扫描结束后，点击【停止采集】即可；4)扫描图片自动保存在EXE执行文件根目录下，文件名以当前计算机时间为前缀，后缀是Hole(孔径)，扩展名是bmp，在亮度图上显示的数据、尺寸、标识都能保存在该图片上，便于后期查看和整理。

本发明通过软硬件相结合的方式，实现了铆接孔径尺寸的检测，激光导向器4对准待测工件，3D激光轮廓传感器1采集铆接孔图像并通过千兆网卡将图像以电信号的形式传输给测量处理模块7，测量处理模块7通过内置程序对铆接孔图像进行图像处理，得到铆接孔各边缘点及其坐标，结合RANSAC算法进行圆拟合，产生圆轮廓并获取直径数据，实时输出高精度铆接孔深度图像和铆接孔径尺寸检测结果，为保证检测结果的准确性，本系统对多个铆接孔进行了多次重复检测，记录下每个位置的铆接孔径尺寸，求出检测出的多组铆接孔径的均值并与人工检测的均值数据进行对比，如图5所示，两组检测数据的整体变化趋势一致，且折线波动部分的检测结果相差都不超过20μm。

Claims (5)

1.一种铆接孔径尺寸检测系统，其特征在于，包括：3D激光轮廓传感器、同步带传动机构、双波位移光栅尺、激光导向器、手持式支撑机构、同步带控制器和测量处理模块；所述手持式支撑机构为铝合金箱体，箱体两侧带有把手，箱体底部安装有6个触角，所述同步带传动机构为一带有步进电机的传送带，装配在手持式支撑机构中，3D激光轮廓传感器装配在同步带传动机构的滑块上，所述双波位移光栅尺装配在同步带传动机构下方，其测头固定在同步带传动机构的滑块上，由传送带上的步进电机驱动，发出双波脉冲触发相机持续拍照；所述激光导向器为一带有十字激光线光源，固定在把手内侧。

2.根据权利要求1所述的一种铆接孔径尺寸检测系统，其特征在于，所述3D激光轮廓传感器用于采集铆接孔图像，并将图像传输到测量处理模块；

所述同步带传动机构用于带动光栅尺测头，使3D激光轮廓传感器沿传送带运动方向做直线运动；

所述激光导向器用于布置被测工件对准铆接孔表面；

所述步进电机为同步带传动机构提供动力，驱动同步带上的滑块运动；

所述同步带控制器用于控制同步带传动机构的运动；

所述测量处理模块用于提取图像的边缘点，并利用RANSAC算法进行圆拟合，输出铆接孔的直径数据。

3.根据权利要求1所述的一种铆接孔径尺寸检测系统，其特征在于，所述手持式支撑机构为铝合金箱体，箱体两侧带有把手，方便手持扫描工件，箱体底部装有6个触角，保证检测设备稳定；

所述测量处理模块为PC机，与3D激光轮廓传感器连接。

4.一种铆接孔径尺寸检测方法，基于权利要求1～3任意一项所述的铆接孔径尺寸检测系统实现，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：将手持式检测设备底部触角完全接触工件表面，并利用激光导向器对准铆钉孔表面；

步骤2：启动扫描按钮，通过3D激光轮廓传感器采集铆接孔图像并通过千兆网卡传输到PC机端；

步骤3：通过PC机端对采集到的铆接孔图像进行图像处理，得到铆接孔的尺寸。

5.根据权利要求4所述的一种铆接孔径尺寸检测方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：采用直方图均衡化法对铆接孔径图像的灰度直方图进行变换；

步骤3.2：创建铆接孔内外圆的轮廓区域；

步骤3.3：采用卡尺工具算法获取铆接孔各边缘点及其坐标；

步骤3.4：针对获取的边缘点，利用RANSAC算法进行圆拟合，得到铆接孔的圆轮廓并计算出直径结果。

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