CN117169118A - 一种非接触式孔内表面外观检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式孔内表面外观检测装置及方法，所述装置按功能分类可分为运动控制部分和图像采集部分,运动控制部分包括单轴位移台，单轴旋转台，二维对位台，运动控制器等，图像采集部分包括工业显微镜头、工业相机、视像管、LED照明光源等部分，实现测量包括如下步骤：1)利用高精度光学分辨率板实现测量装置标定；2)结合圆形标记点实现二维对位台标定；3)结合激光器实现旋转中心位置标定；4)根据标定结果完成待测孔与测头对中；5)开始自动图像采集与拼接；6)计算缺陷实际尺寸和在孔内的位置。本发明能够实现4mm‑8mm直径，深度<45mm的盲孔或沉孔内壁全景缺陷检测。

Description

一种非接触式孔内表面外观检测装置及方法

技术领域

本发明涉及产品竖直孔内表面缺陷的视觉检测技术领域，特别是涉及视觉探头与竖直孔的轴线对准方法，实现孔内表面全景范围图像获取以及缺陷定位方法，具体是一种非接触式孔内表面外观检测装置及方法。

背景技术

在能源化工、汽车制造、航空航天、医药、军事等领域，许多加工产品的表面都具有较为细小的加工孔，一般用于液体输送或是防止热胀冷缩对于产品结构的破坏，这些小孔作为产品结构的一部分，由于加工过程失误、长期使用磨损或是恶劣环境破坏，可能会在内壁表面产生缺损或裂纹，这些缺陷可能会对于产品的使用寿命和安全性产生影响，因此针对小孔内壁缺陷的检测一直是工业检测中的重要需求。在国防军工领域，特别是复杂结构件在加工制造过程中，表面同样加工有类似深孔，若孔内壁存在裂缝或缺陷，对后续加工、运输及使用过程带来安全隐患，因此有必要对孔内表面缺陷的检测，为其质量评估提供支撑。

目前针对孔内壁缺陷的检测方法主要分为结构光法和视觉方法，结构光法主要通过激光器向待测孔内部投射激光，并通过图像采集设备获取激光轮廓，从轮廓来判断孔内的凹坑或变形，目前该方法主要应用于直径20mm以上的待测孔。基于视觉的方法主要通过工业内窥镜来实现，目前最小的工业内窥镜可以用于测量直径2.5mm的小孔内壁，但工业内窥镜由于需要手动控制伸入待测孔，因此可能会由于接触摩擦对待测孔内表面产生破坏，另一方面，对于缺陷的具体位置和尺寸也无法实现定量评估。因此需要设计一种可用于直径8mm以下小孔内壁的非接触检测方法，实现对于孔内全景的缺陷检测以及尺寸和位置评估。

发明内容

本发明提供了一种非接触式孔内表面外观检测装置及方法，以解决上述问题，使得装置能够获取小孔内壁的完整图像，并完成对于内壁缺陷的位置和尺寸评估。

本发明采用的技术方案是：提供一种非接触式孔内表面外观检测装置，包括：

单轴位移台，包括Z轴电机、滑板，所述Z轴电机能带动滑板在竖直方向上运动；

悬臂梁，其一端通过第一连接板与单轴位移台上的滑板连接；

连接筒，固定安装在所述悬臂梁另一端；

镜头套筒，同轴的安装在所述连接筒的上方；

工业相机，同轴的安装在所述镜头套筒上，其工业显微镜头位于所述镜头套筒内；

单轴旋转台，同轴的安装在所述连接筒的下方，包括旋转电机、转盘，所述旋转电机能带动转盘旋转；所述单轴旋转台上设置有与转盘同轴的通光孔；

视像管，可拆卸的安装在所述转盘的圆心处，用于获取孔内表面的图像；

LED灯，用于对视像管提供照明光源；

激光器，可拆卸的安装在所述转盘的非圆心处，用于计算所述转盘的圆心所在位置；

二维对位台，包括X轴电机、Y轴电机、对位平台，所述X轴电机和Y轴电机能分别带动对位平台沿X轴和Y轴移动；以及

运动控制器，用于控制所述X轴电机、Y轴电机、Z轴电机和旋转电机运动。

进一步的，所述单轴位移台还包括位移台架、螺杆以及滑轨，所述滑轨竖直安装在所述位移台架上，所述螺杆安装在所述Z轴电机上，所述滑板上设置有与所述滑轨相配合的滑座以及与螺杆相配合的螺纹孔。

进一步的，连接筒包括自上而下依次设置的上连接筒、连接块、下连接筒，所述上连接筒与镜头套筒可拆卸连接，所述连接块与悬臂梁可拆卸连接，所述下连接筒与单轴旋转台可拆卸连接。

本发明还公开一种非接触式孔内表面外观检测方法，所述非接触式孔内表面外观检测方法基于上述的一种非接触式孔内表面外观检测装置实现，所述非接触式孔内表面外观检测方法包括：

标定装置，确定图像每个像素对应的实际尺寸；

实现待测孔轴线与视像管轴线重合；

获取孔内壁全景图像并计算缺陷所在的位置。

进一步的，所述标定装置，确定图像每个像素对应的实际尺寸包括：

拆下视像管，使工业相机视野能穿过单轴旋转台的通光孔获取下方图像；

标定单轴转台旋转中心的像素坐标；

标定二维对位台运动距离和方向与图像像素的关系。

进一步的，所述标定单轴转台旋转中心的像素坐标包括：

在工业相机下方成像平面高度处放置一平整待测物块，微调工业显微镜头高度，使其能够清晰聚焦于该待测物块表面；

在单轴旋转台上安装固定激光器随单轴旋转台一同旋转，需保证激光器在以其光束所在的z轴方向具有俯仰和偏摆两旋转自由度；微调激光器指向方向，使其射出的激光点照射在下方待测物块上并且出现在工业相机成像视场中；

控制单轴旋转台带动激光器旋转至少3个位置，采集每个位置下的图像并提取出激光点中心；

利用最小二乘圆拟合方法确定所有位置下光点中心所构成的圆的圆心在图像中的像素坐标，记录该坐标值作为单轴旋转台的旋转中心，旋转中心即为整个光路的光轴。

进一步的，所述标定二维对位台运动距离和方向与图像像素的关系包括：

在待测物块上粘贴用于摄影测量的标记点；

将待测物块放置于二维对位台上，二维对位台的对位平台垂直于整个光路的光轴，移动二维对位台使待测物块上的小孔进入到工业相机视野范围靠中间位置，调整单轴位移台高度使待标记点在工业相机视野内清晰成像；

分别控制二维对位台沿机械x轴、y轴正负方向各运动αmm，采用OTSU阈值法和圆心提取算法得到初始位置，x轴±αmm位置和y轴±αmm共五个位置处圆心的像素坐标；五个位置的机械坐标分别为(x_t0，y_t0)，(x_t1，y_t1)，(x_t2，y_t2)，(x_t3，y_t3)，(x_t4，y_t4)，对应的像素坐标为(x_p1，y_p1)，(x_p2，y_p2)，(x_p3，y_p3)，(x_p4，y_p4)，采用如下公式分别计算两坐标系的夹角θ与缩放关系Scale：

标定完成后，根据下式计算沿图像中x轴正方向移动m个像素和沿y轴正方向移动n个像素的所需要的二维对位台运动距离：

式中x_pm，x_pn分别表示二维对位台x轴运动距离，y_pm，y_pn分别表示二维对位台y轴运动距离。

进一步的，所述实现待测孔轴线与视像管轴线重合包括：

将待测孔放置于二维对位台上，控制二维对位台将待测孔移动至相机视野内；

采用二值化和最小二乘法拟合待测孔圆心，计算拟合圆心与单轴旋转台旋转中心在图像x和y轴方向上的像素距离；

计算出二维对位台的实际移动距离，实现待测孔轴线与旋转中心轴线重合，完成对中；

安装视像管，通过机械加工精度保证视像管轴线与单轴旋转台轴线重合，此时视像管轴线、单轴旋转台旋转轴和待测孔轴线三者重合。

进一步的，所述获取孔内壁全景图像并计算缺陷所在的位置包括：

标定工业相机单个像素尺寸的实际空间距离；

选择适当的像素裁剪区域像素尺寸，根据工业相机的标定结果计算裁剪区域图像对应待测孔内壁区域的实际尺寸；

移动并旋转视像管，获取孔内壁全景图像；

计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置。

进一步的，所述标定相机单个像素尺寸的实际空间距离包括：

采用分辨率板进行相机标定实验，将标定板靠近视像管成像端面，使得相机能够采集到清晰的标定板表面图像；

利用边缘提取算法获取标定板上横向β组和纵向β组分辨率线的宽度，记为w_p1-w_pβ，h_p1-h_pβ，每组分辨率线的实际宽度为k，根据下式计算图像单个像素沿x和y方向对应的实际尺寸w和h：

所述移动并旋转视像管，获取孔内壁全景图像包括：

确定沿轴线方向单次运动距离，将单张裁剪图像的高度h_n作为单轴位移台单次的移动间隔；

确定沿绕轴线单次旋转角度，按照下式计算图像区域所对应的视场角ω：ω＝2arcsin(w_m/2r)，式中r表示待测孔的半径，计算出的视场角即为单轴旋转台单次的旋转间隔；

控制单轴位移台带动视像管伸入待测孔最底部，以w_m的间隔向上运动[l/w_m]次，每一次停下后由相机进行图像采集并截取相应尺寸的图像，到达孔的顶端后，控制单轴旋转台带视像管转动ω度，随后按照同样的方式向下运动至孔的低端，再次旋转ω度，直至旋转次数达到[360/ω]+1为止，表明对于待测孔内壁全景图像采集完成；

所述计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置包括：

计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置，获取竖直方向运动次数i，水平方向旋转次数为j，对于序号为k的图像，按照下式计算该图像所在的位置(l_k，ω_k)：

其中[]表示向下取整数，％表示取余数；

计算图像中缺陷所在的具体位置，第k张图像中缺陷像素坐标为(u_ki，v_ki)，根据工业相机的标定结果，按照下式计算距离图像左上角的实际间距(x_ki，y_ki)：

x_ki＝u_ki·w

y_ki＝v_ki·h

对于宽度方向，将距离x_ki转换为角度ω_ki，转换关系如下式所示：

根据第k张图像所在位置(l_k，ω_k)，缺陷的在孔内壁的全局位置(l_gi，ω_gi)如下式所示：

l_gi＝l_k+y_ki；

ω_gi＝ω_k+ω_ki。

本发明的有益效果是：

1)、本发明构建了一套用于检测直径4-8mm的竖直孔内表面质量的视觉装置，通过精密单轴位移台和单轴旋转台带动视像管沿待测孔轴线移动和绕待测孔轴线旋转，可实现对于小孔内壁图像的采集。结合图像裁剪和运动方案，可以获取小孔内壁进行全景图像并生成全景拼接图。结合标定方法以及精密位移台和旋转台的位置度数，可以实现对于内壁缺陷位置和尺寸的定量评估。

2)、本发明使用二维平面对位台作为载物台，结合设计的二维对位台标定方法、单轴旋转台旋转中心标定方法，可实现待测孔轴线与装置光轴的重合，减小了人工对中引入的不确定因素，保证了视野范围的稳定性，提高了图像拼接、缺陷位置和尺寸评估的精度。

附图说明

图1为本发明公开的非接触式孔内表面外观检测装置的结构示意图；

图2为本发明公开的单轴位移台的结构示意图；

图3为本发明公开的单轴旋转台的结构示意图；

图4为本发明公开的二维对位台的结构示意图；

图5为本发明公开的视像管的结构示意图；

图6为本发明公开的连接筒的结构示意图；

图7为本发明公开的悬臂梁的结构示意图；

图8为本发明公开的第一连接板的结构示意图；

图9为本发明公开的第二连接板的结构示意图；

图10为本发明公开的视像管成像光路及安装方式示意图；

图11为本发明公开的利用激光器确定旋转中心图像坐标示意图；

图12为本发明公开的标定二维对位台以及实现待测孔轴线与视像管轴线重合的流程示意图；

图13为本发明公开的获取孔内壁全景图像并计算缺陷所在的位置的流程示意图。

附图标记：1、单轴位移台；101、位移台架；102、滑轨；103、滑板；104、螺杆；105、Z轴电机；2、单轴旋转台；201、旋转电机；202、转盘；203、通光孔；204、旋转机构；3、二维对位台；301、对位平台；302、X轴电机；303、Y轴电机；4、运动控制器；5、工业相机；6、工业显微镜头；7、FPC软板LED光源；8、视像管；9、激光器；10、第一连接板；11、镜头套筒；12、连接筒；121、上连接筒；122、连接块；123、下连接筒；13、悬臂梁；14、第二连接板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

参见图1-11，本实施例公开一种非接触式孔内表面外观检测装置，包括：单轴位移台1，包括Z轴电机105、滑板103，所述Z轴电机105能带动滑板103在竖直方向上运动；悬臂梁13，其一端通过第一连接板10与单轴位移台1上的滑板103连接；连接筒12，固定安装在所述悬臂梁13另一端；镜头套筒11，同轴的安装在所述连接筒12的上方；工业相机5，同轴的安装在所述镜头套筒11上，其工业显微镜头6位于所述镜头套筒11内；单轴旋转台2，同轴的安装在所述连接筒12的下方，包括旋转电机201、转盘202，所述旋转电机201能带动转盘202旋转；所述单轴旋转台2上设置有与转盘202同轴的通光孔203；视像管8，可拆卸的安装在所述转盘202的圆心处，用于获取孔内表面的图像；LED灯，用于对视像管8提供照明光源；激光器9，可拆卸的安装在所述转盘202的非圆心处，用于计算所述转盘202的圆心所在位置；二维对位台3，包括X轴电机302、Y轴电机303、对位平台301，所述X轴电机302和Y轴电机303能分别带动对位平台301沿X轴和Y轴移动；以及运动控制器4，用于控制所述X轴电机302、Y轴电机303、Z轴电机105和旋转电机201运动。

如图2所示，本实施例通过图2所示的单轴旋转台2实现滑板103在Z轴的运动。具体的，所述单轴位移台1包括Z轴电机105、滑板103、位移台架101、螺杆104以及滑轨102，所述滑轨102竖直安装在所述位移台架101上，所述螺杆104安装在所述Z轴电机105上，所述滑板103上设置有与所述滑轨102相配合的滑座以及与螺杆104相配合的螺纹孔。

单轴旋转台2结构如图3所示，其包括旋转电机201、转盘202和旋转机构204，旋转机构204上设置有通光孔203，单轴旋转台2为现有成熟产品，其型号为TBR60，因此本实施例不再赘述其具体结构和连接关系。

二维对位台3的结构如图4所示，二维对位台3也为现有成熟产品，其型号为ZolixXY120120，因此本实施例不再赘述其具体结构和连接关系。

视像管8的结构如图5所示，视像管8能获取管体侧部的图像，进而传输到工业相机5中，视像管8也为现有成熟产品，本实施例采用SIJHT-PIPE公司生产的视像管8。

如图6所示，本实施例设计一种连接筒12，连接筒12包括自上而下依次设置的上连接筒121、连接块122、下连接筒123，所述上连接筒121与镜头套筒11可拆卸连接，所述连接块122与悬臂梁13可拆卸连接，所述下连接筒123与单轴旋转台2可拆卸连接。所述悬臂梁13另一端设置有水平方向的腰孔，螺钉穿过腰孔与所述连接块122连接；所述LED灯为FPC软板LED灯，所述FPC软板LED灯粘贴于所述下连接筒123内壁上。所述下连接筒123上开设有竖直的安装槽，方便FPC软板LED灯的粘贴。参见图1，两块悬臂梁13之间还安装有FPC软板LED光源7，用于控制FPC软板LED灯。

如图7所示，悬臂梁13左端还设置有水平方向的腰孔，螺钉穿过腰孔与连接块122连接，腰孔的设置使得连接筒12可以进行位置微调。

如图10为视像管8成像光路及安装方式示意图，视像管8通过第二连接板14连接在下连接筒133上，视像管8从孔的侧壁采集图像经过通光孔203传输到工业显微镜头6和工业相机5中。

如图11为本发明利用激光器9确定旋转中心图像坐标示意图，拆下视像管8后将激光器9安装在单轴旋转台2的转盘202上，通过多次旋转可确定唯一的圆形，从而确定圆点，该圆点即为旋转中心所在点，该旋转中心也为光轴所在直线。

实施例2

参见图12，本实施例公开一种非接触式孔内表面外观检测方法，所述非接触式孔内表面外观检测方法基于实施例1所述的一种非接触式孔内表面外观检测装置实现，所述非接触式孔内表面外观检测方法包括：

S1、标定装置，确定图像每个像素对应的实际尺寸；

S2、实现待测孔轴线与视像管轴线重合；

S3、获取孔内壁全景图像并计算缺陷所在的位置。

具体的，所述S1、标定装置，确定图像每个像素对应的实际尺寸包括：

S1.1、拆下视像管，使工业相机视野能穿过单轴旋转台的通光孔获取下方图像(结合工业相机工作距离，最清晰位置的物块表面距转台下方高度应为40mm左右)；

S1.2、标定单轴转台旋转中心的像素坐标；

S1.3、标定二维对位台运动距离和方向与图像像素的关系。

具体的，所述S1.2、标定单轴转台旋转中心的像素坐标包括：

S1.2.1、在工业相机下方成像平面高度处放置一平整待测物块，微调工业显微镜头高度，使其能够清晰聚焦于该待测物块表面；

S1.2.2、在单轴旋转台上安装固定激光器随单轴旋转台一同旋转，需保证激光器在以其光束所在的z轴方向具有俯仰和偏摆两旋转自由度；微调激光器指向方向，使其射出的激光点照射在下方待测物块上并且出现在工业相机成像视场中；

S1.2.3、控制单轴旋转台带动激光器旋转至少3个位置，采集每个位置下的图像并提取出激光点中心；本实施例中，控制单轴旋转台以36°的旋转检测转动10次，每个位置计算机自动获取激光点质心所在的像素坐标。旋转结束后，对所述像素坐标进行圆心拟合，获取的圆心坐标即为单轴旋转台的旋转中心，也是视像管旋转轴线；

S1.2.4、利用最小二乘圆拟合方法确定所有位置下光点中心所构成的圆的圆心在图像中的像素坐标，记录该坐标值作为单轴旋转台的旋转中心，旋转中心即为整个光路的光轴。

具体的，所述S1.3、标定二维对位台运动距离和方向与图像像素的关系包括：

S1.3.1、在待测物块上粘贴用于摄影测量的标记点(考虑到图像采集模块的视野大小，本实施例中采用直径0.7mm的摄影测量标记点)；

S1.3.2、将待测物块放置于二维对位台上，二维对位台的对位平台垂直于整个光路的光轴，移动二维对位台使待测物块上的小孔进入到工业相机视野范围靠中间位置，调整单轴位移台高度使待标记点在工业相机视野内清晰成像；

S1.3.3、分别控制二维对位台沿机械x轴、y轴正负方向各运动αmm，本实施例选取1mm，采用OTSU阈值法和圆心提取算法得到初始位置，x轴±1mm位置和y轴±1mm共五个位置处圆心的像素坐标；五个位置的机械坐标分别为(x_t0，y_t0)，(x_t1，y_t1)，(x_t2，y_t2)，(x_t3，y_t3)，(x_t4，y_t4)，对应的像素坐标为(x_p1，y_p1)，(x_p2，y_p2)，(x_p3，y_p3)，(x_p4，y_p4)，采用如下公式分别计算两坐标系的夹角θ与缩放关系Scale：

S1.3.4、标定完成后，根据下式计算沿图像中x轴正方向移动m个像素和沿y轴正方向移动n个像素的所需要的二维对位台运动距离：

式中x_pm，x_pn分别表示二维对位台x轴运动距离，y_pm，y_pn分别表示二维对位台y轴运动距离。

具体的，所述S2、实现待测孔轴线与视像管轴线重合包括：

S2.1、将待测孔放置于二维对位台上，控制二维对位台将待测孔移动至相机视野内；

S2.2、采用二值化和最小二乘法拟合待测孔圆心，计算拟合圆心与单轴旋转台旋转中心在图像x和y轴方向上的像素距离；

S2.3、计算出二维对位台的实际移动距离，实现待测孔轴线与旋转中心轴线重合，完成对中；

S2.4、安装视像管，通过机械加工精度保证视像管轴线与单轴旋转台轴线重合，此时视像管轴线、单轴旋转台旋转轴和待测孔轴线三者重合。

参见图13，具体的，所述S3、获取孔内壁全景图像并计算缺陷所在的位置包括：

S3.1、标定工业相机单个像素尺寸的实际空间距离；

S3.2、选择适当的像素裁剪区域像素尺寸，根据工业相机的标定结果计算裁剪区域图像对应待测孔内壁区域的实际尺寸；

S3.3、移动并旋转视像管，获取孔内壁全景图像；

S3.4、计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置。

具体的，所述S3.1、标定相机单个像素尺寸的实际空间距离包括：

S3.1.1、采用Edmund光学公司的分辨率板进行相机标定实验，将标定板靠近视像管成像端面，使得相机能够采集到清晰的标定板表面图像；

S3.1.2、利用边缘提取算法获取标定板上横向β组和纵向β组分辨率线的宽度，记为w_p1-w_pβ，h_p1-h_pβ，每组分辨率线的实际宽度为k，根据下式计算图像单个像素沿x和y方向对应的实际尺寸w和h：

具体的，所述S3.3、移动并旋转视像管，获取孔内壁全景图像包括：

S3.3.1、确定沿轴线方向单次运动距离，将单张裁剪图像的高度hn作为单轴位移台单次的移动间隔；

S3.3.2、确定沿绕轴线单次旋转角度，按照下式计算图像区域所对应的视场角ω：ω＝2arcsin(w_m/2r)，式中r表示待测孔的半径，计算出的视场角即为单轴旋转台单次的旋转间隔；

S3.3.3、控制单轴位移台带动视像管伸入待测孔最底部，以w_m的间隔向上运动[l/w_m]次，每一次停下后由相机进行图像采集并截取相应尺寸的图像，到达孔的顶端后，控制单轴旋转台带视像管转动ω度，随后按照同样的方式向下运动至孔的低端，再次旋转ω度，直至旋转次数达到[360/ω]+1为止，表明对于待测孔内壁全景图像采集完成。

具体的，所述S3.4、计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置包括：

S3.4.1、计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置，获取竖直方向运动次数i，水平方向旋转次数为j，对于序号为k的图像，按照下式计算该图像所在的位置(l_k，ω_k)：

其中[]表示向下取整数，％表示取余数；

S3.4.2、计算图像中缺陷所在的具体位置，第k张图像中缺陷像素坐标为(u_ki，v_ki)，根据工业相机的标定结果，按照下式计算距离图像左上角的实际间距(x_ki，y_ki)：

x_ki＝u_ki·w

y_ki＝v_ki·h

S3.4.3、对于宽度方向，将距离x_ki转换为角度ω_ki，转换关系如下式所示：

S3.4.4、根据第k张图像所在位置(l_k，ω_k)，缺陷的在孔内壁的全局位置(l_gi，ω_gi)如下式所示：

l_gi＝l_k+y_ki；

ω_gi＝ω_k+ω_ki。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非接触式孔内表面外观检测装置，其特征在于，包括：

单轴位移台，包括Z轴电机、滑板，所述Z轴电机能带动滑板在竖直方向上运动；

悬臂梁，其一端通过第一连接板与单轴位移台上的滑板连接；

连接筒，固定安装在所述悬臂梁另一端；

镜头套筒，同轴的安装在所述连接筒的上方；

工业相机，同轴的安装在所述镜头套筒上，其工业显微镜头位于所述镜头套筒内；

单轴旋转台，同轴的安装在所述连接筒的下方，包括旋转电机、转盘，所述旋转电机能带动转盘旋转；所述单轴旋转台上设置有与转盘同轴的通光孔；

视像管，可拆卸的安装在所述转盘的圆心处，用于获取孔内表面的图像；

LED灯，用于对视像管提供照明光源；

激光器，可拆卸的安装在所述转盘的非圆心处，用于计算所述转盘的圆心所在位置；

二维对位台，包括X轴电机、Y轴电机、对位平台，所述X轴电机和Y轴电机能分别带动对位平台沿X轴和Y轴移动；以及

运动控制器，用于控制所述X轴电机、Y轴电机、Z轴电机和旋转电机运动。

2.根据权利要求1所述的非接触式孔内表面外观检测装置，其特征在于，所述单轴位移台还包括位移台架、螺杆以及滑轨，所述滑轨竖直安装在所述位移台架上，所述螺杆安装在所述Z轴电机上，所述滑板上设置有与所述滑轨相配合的滑座以及与螺杆相配合的螺纹孔。

3.根据权利要求1所述的非接触式孔内表面外观检测装置，其特征在于，连接筒包括自上而下依次设置的上连接筒、连接块、下连接筒，所述上连接筒与镜头套筒可拆卸连接，所述连接块与悬臂梁可拆卸连接，所述下连接筒与单轴旋转台可拆卸连接。

4.一种非接触式孔内表面外观检测方法，其特征在于，所述非接触式孔内表面外观检测方法基于权利要求1-3任意一项所述的一种非接触式孔内表面外观检测装置实现，所述非接触式孔内表面外观检测方法包括：

标定装置，确定图像每个像素对应的实际尺寸；

实现待测孔轴线与视像管轴线重合；

获取孔内壁全景图像并计算缺陷所在的位置。

5.根据权利要求4所述的非接触式孔内表面外观检测方法，其特征在于，所述标定装置，确定图像每个像素对应的实际尺寸包括：

拆下视像管，使工业相机视野能穿过单轴旋转台的通光孔获取下方图像；

标定单轴转台旋转中心的像素坐标；

标定二维对位台运动距离和方向与图像像素的关系。

6.根据权利要求5所述的非接触式孔内表面外观检测方法，其特征在于，所述标定单轴转台旋转中心的像素坐标包括：

在工业相机下方成像平面高度处放置一平整待测物块，微调工业显微镜头高度，使其能够清晰聚焦于该待测物块表面；

在单轴旋转台上安装固定激光器随单轴旋转台一同旋转，需保证激光器在以其光束所在的z轴方向具有俯仰和偏摆两旋转自由度；微调激光器指向方向，使其射出的激光点照射在下方待测物块上并且出现在工业相机成像视场中；

控制单轴旋转台带动激光器旋转至少3个位置，采集每个位置下的图像并提取出激光点中心；

利用最小二乘圆拟合方法确定所有位置下光点中心所构成的圆的圆心在图像中的像素坐标，记录该坐标值作为单轴旋转台的旋转中心，旋转中心即为整个光路的光轴。

7.根据权利要求6所述的非接触式孔内表面外观检测方法，其特征在于，所述标定二维对位台运动距离和方向与图像像素的关系包括：

在待测物块上粘贴用于摄影测量的标记点；

将待测物块放置于二维对位台上，二维对位台的对位平台垂直于整个光路的光轴，移动二维对位台使待测物块上的小孔进入到工业相机视野范围靠中间位置，调整单轴位移台高度使待标记点在工业相机视野内清晰成像；

分别控制二维对位台沿机械x轴、y轴正负方向各运动αmm，采用OTSU阈值法和圆心提取算法得到初始位置，x轴±αmm位置和y轴±αmm共五个位置处圆心的像素坐标；五个位置的机械坐标分别为(x_t0，y_t0)，(x_t1，y_t1)，(x_t2，y_t2)，(x_t3，y_t3)，(x_t4，y_t4)，对应的像素坐标为(x_p1，y_p1)，(x_p2，y_p2)，(x_p3，y_p3)，(x_p4，y_p4)，采用如下公式分别计算两坐标系的夹角θ与缩放关系Scale：

标定完成后，根据下式计算沿图像中x轴正方向移动m个像素和沿y轴正方向移动n个像素的所需要的二维对位台运动距离：

式中x_pm，x_pn分别表示二维对位台x轴运动距离，y_pm，y_pn分别表示二维对位台y轴运动距离。

8.根据权利要求7所述的非接触式孔内表面外观检测方法，其特征在于，所述实现待测孔轴线与视像管轴线重合包括：

将待测孔放置于二维对位台上，控制二维对位台将待测孔移动至相机视野内；

采用二值化和最小二乘法拟合待测孔圆心，计算拟合圆心与单轴旋转台旋转中心在图像x和y轴方向上的像素距离；

计算出二维对位台的实际移动距离，实现待测孔轴线与旋转中心轴线重合，完成对中；

安装视像管，通过机械加工精度保证视像管轴线与单轴旋转台轴线重合，此时视像管轴线、单轴旋转台旋转轴和待测孔轴线三者重合。

9.根据权利要求8所述的非接触式孔内表面外观检测方法，其特征在于，所述获取孔内壁全景图像并计算缺陷所在的位置包括：

标定工业相机单个像素尺寸的实际空间距离；

选择适当的像素裁剪区域像素尺寸，根据工业相机的标定结果计算裁剪区域图像对应待测孔内壁区域的实际尺寸；

移动并旋转视像管，获取孔内壁全景图像；

计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置。

10.根据权利要求9所述的非接触式孔内表面外观检测方法，其特征在于，

所述标定相机单个像素尺寸的实际空间距离包括：

采用分辨率板进行相机标定实验，将标定板靠近视像管成像端面，使得相机能够采集到清晰的标定板表面图像；

利用边缘提取算法获取标定板上横向β组和纵向β组分辨率线的宽度，记为w_p1-w_pβ，h_p1-h_pβ，每组分辨率线的实际宽度为k，根据下式计算图像单个像素沿x和y方向对应的实际尺寸w和h：

所述移动并旋转视像管，获取孔内壁全景图像包括：

确定沿轴线方向单次运动距离，将单张裁剪图像的高度h_n作为单轴位移台单次的移动间隔；

确定沿绕轴线单次旋转角度，按照下式计算图像区域所对应的视场角ω：ω＝2arcsin(w_m/2r)，式中r表示待测孔的半径，计算出的视场角即为单轴旋转台单次的旋转间隔；

控制单轴位移台带动视像管伸入待测孔最底部，以w_m的间隔向上运动[l/w_m]次，每一次停下后由相机进行图像采集并截取相应尺寸的图像，到达孔的顶端后，控制单轴旋转台带视像管转动ω度，随后按照同样的方式向下运动至孔的低端，再次旋转ω度，直至旋转次数达到[360/ω]+1为止，表明对于待测孔内壁全景图像采集完成；

所述计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置包括：

计算图像所在的位置以及缺陷所在的具体位置，获取竖直方向运动次数i，水平方向旋转次数为j，对于序号为k的图像，按照下式计算该图像所在的位置(l_k，ω_k)：

其中[]表示向下取整数，％表示取余数；

计算图像中缺陷所在的具体位置，第k张图像中缺陷像素坐标为(u_ki，v_ki)，根据工业相机的标定结果，按照下式计算距离图像左上角的实际间距(x_ki，y_ki)：

x_ki＝u_ki·w

y_ki＝v_ki·h

对于宽度方向，将距离x_ki转换为角度ω_ki，转换关系如下式所示：

根据第k张图像所在位置(l_k，ω_k)，缺陷的在孔内壁的全局位置(l_gi，ω_gi)如下式所示：

l_gi＝l_k+y_ki；

ω_gi＝ω_k+ω_ki。