CN209445969U - 基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，由线激光器、旋转云台、丝杠滑块、滑块连接板、工业相机、丝杠模组、控制开关、电路板和电机驱动器组成。本实用新型选用高分辨率的工业CCD相机，采用旋转云台带动线激光器实现扫描功能，丝杠传动带动滑块组件可实现相机和结构光的转站目的，增加了系统的测量范围。该系统避免了双目视觉中目标匹配问题，通过结构光与高速摄像机的精密配合，可实现大尺寸三维立体的高精度测量。

Description

基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置

技术领域

本实用新型属于视觉测量技术领域，涉及一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，尤其适用于非接触式工业检测。

背景技术

大型锻件主要用于制造重大装备的关键和重要部件，是重大装备制造的关键技术之一，主要用于电力、冶金、造船、重型机械等领域。其质量直接影响到重大装备的整体水平和运行可靠性，是发展先进装备制造业的前提，是衡量一个国家制造业发展水平和先进程度的重要标志之一。传统的测量方式主要采用机械式量具，如大尺寸接杆式内径千分尺、带千分尺的卡规等。这些量具体积庞大，重量也大，需要数人同时操作。

随着机器视觉技术的发展，目前国内外已经开展了相关的研究及应用实验，将机器视觉系统引入到零件尺寸测量中来，但是目前大多数研究集中在小型轴类零件的识别与参数测量，并且是在一个视觉区域中对测量对象的测量，对大型零件尺寸测量及多视觉区域的研究相对较少。

综上所述，提出一种符合现代化工厂生产要求的非接触性大尺寸零件的线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置具有较大的应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，实现非接触测量并达到良好的可靠性和测量精度。

基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，由线激光器、旋转云台、丝杠滑块、滑块连接板、工业相机、丝杠模组、控制开关、电路板，电机驱动器、光平面和测量区域组成。测量对象为本视觉测量装置的测量对象，光平面为线结构光光平面，测量区域为工业相机的视觉测量区域。大型锻件尺寸视觉测量平台包括线激光器和固定并带动其转动扫描的旋转云台。旋转云台由固定连接件、电机和云台支座组成。固定连接件为圆筒状，固定连接件的径向安装紧定螺钉，用于安装固定线激光器。云台支座在旋转云台的最下面，和水平底座相连接。电机固联在云台支座上。固定连接件和电机的电机轴固定连接。工业相机由连接底托、相机镜头和镜头锁紧圈组成，是镜头对焦环，相机镜头通过镜头锁紧圈与工业相机连接，镜头对焦环在相机镜头上用于调节焦距。将旋转云台安放在工业相机一定距离的水平底座上，所述水平底座通过螺钉连接在丝杠模组的滑块上，测量装置水平移动，实现多视觉区域的测量。旋转云台通过螺栓固定连接在滑块连接板上。工业相机成测量角度固定在滑块连接板的另一端。滑块连接板与丝杠模组上的丝杠滑块通过螺钉连接。控制开关为本测量装置的控制开关，电路板为控制丝杠模组和旋转云台的控制电路板，电机驱动器为丝杠模组上电机的驱动器。

本实用新型的有益效果是：选用高分辨率的工业CCD相机，采用旋转云台带动线激光器实现扫描功能，丝杠传动带动滑块组件可实现相机和结构光的转站目的，增加了系统的测量范围。该系统避免了双目视觉中目标匹配问题，通过结构光与高速摄像机的精密配合，可实现大尺寸三维立体的高精度测量。

附图说明

图1为本实用新型装置的总体结构示意图；

图2为本实用新型装置大型锻件尺寸视觉测量平台的结构示意图；

图3为本实用新型装置旋转云台2的结构示意图；

图4为本实用新型装置工业相机5的结构示意图；

图5为本实用新型装置滑块连接板的结构示意图；

图6为本实用新型扫描测量流程图；

图7为本实用新型坐标系示意图；

图8为本实用新型摄像机移动方式示意图；

图9为本实用新型匹配点配准原理图。

具体实施方式

结合附图1-9对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

本实用新型基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，包括线激光器1、旋转云台2、丝杠滑块3、滑块连接板4、工业相机5、丝杠模组6、控制开关7、电路板8，电机驱动器9、光平面11和测量区域12。测量对象10为本视觉测量装置的测量对象，光平面11为线结构光光平面，测量区域12为工业相机的视觉测量区域。大型锻件尺寸视觉测量平台包括线激光器1和固定并带动其转动扫描的旋转云台2。旋转云台2由固定连接件21、电机22和云台支座23组成。固定连接件21为圆筒状，固定连接件21的径向安装紧定螺钉211，用于安装固定线激光器1。云台支座23在旋转云台2的最下面，和水平底座相连接。电机22固联在云台支座23上。固定连接件21和电机22的电机轴固定连接。

所述工业相机5包括连接底托51、相机镜头52和镜头锁紧圈53，521是镜头对焦环，相机镜头52通过镜头锁紧圈53与工业相机5连接，镜头对焦环 521在相机镜头52上用于调节焦距。将旋转云台2安放在工业相机5一定距离的水平底座上，所述水平底座通过螺钉连接在丝杠模组6的滑块上，测量装置水平移动，实现多视觉区域的测量。旋转云台2通过螺栓固定连接在滑块连接板4上。工业相机5成测量角度固定在滑块连接板4的另一端。滑块连接板4与丝杠模组6上的丝杠滑块3通过螺钉连接。控制开关7为本测量装置的控制开关，电路板8为控制丝杠模组6和旋转云台2的控制电路板，电机驱动器9为丝杠模组6上电机22的驱动器。

所述工业相机5为CCD相机。丝杠模组6为滚珠丝杠模组，丝杠模组6的驱动电机为步进电机，电机驱动器9为步进电机驱动器。

所述电路板8带有无线发射模块。

基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量方法，采用上述装置，具体步骤包括：

(1)测量系统标定；

(2)扫描测量；

(3)ICP算法拼接。

该测量系统运用光学三角测量原理，工业相机5的光心，线激光器1 的光心以及测量区域12和线激光器1的结构光的焦点形成三角形。由线激光器1将线结构光投射于测量对象表面，形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像，该图像由处于零位置的工业相机5捕捉，从而获得光条的二维畸变图像。

具体操作步骤如下：

1.测量系统的标定

测量系统的标定就是为了统一参考对象，为后续测量对象的三维空间结算做准备。测量系统标定包括相机参数的标定和结构光参数的标定。

采用张正友标定法对工业相机进行标定，获得摄像机地内参、外参和畸变参数。线激光器向测量对象投射线结构光，进行测量系统标定，建立世界坐标系Ow-XwYwZw，并确定工业相机和结构光参数。

2.扫描测量

扫描测量过程就是通过线结构光扫描和摄像机对扫描过程的图像采集的到测量对象的结构特征，再通过光学三角原理解算出被测对象的空间点坐标。

3.ICP算法拼接

ICP算法拼接的目的是将两个站点位置分别测量到的被测对象的特征点坐标数据统一到同一坐标系下，然后重建被测对象形貌，分别计算被测对象尺寸。

ICP算法拼接的具体步骤为：

步骤1：在站点1测量位置采集到拼接板上目标特征点云P中的取点集pi∈P；

步骤2：找出源点云Q中的对应点集qi∈Q，使得||qi-pi||＝min；

步骤3：计算旋转矩阵R和平移矩阵t，使得误差函数最小；

步骤4：对pi使用步骤3求得的旋转矩阵R和平移矩阵t进行旋转和平移转换的到新的对应点击pi’＝{pi’＝Rpi+t，pi∈P}；

步骤5：计算pi与对应点集qi的平均距离：

步骤6：如果d小于某一给定的阈值或者大于预设的最大迭代次数，则停止迭代计算，否则返回步骤2，直到满足收敛条件为止。

根据扫描的到的光条像素信息计算其三维空间坐标，然后根据三维数据点云重建锻件形貌，分析计算锻件尺寸信息。

ICP算法拼接时，匹配点配准的具体步骤为：

步骤1：线结构光竖直投射到锻件表面形成光条L1，工业相机捕捉该光条信息；

步骤2：线结构光云台每移动一个角度Δβ，得到光条Li，并采集该光条信息；

步骤3：工业相机采集拼接板信息，移动测量位置；

步骤4：采集步骤3的拼接板信息，线结构光和工业相机重复步骤1 和2，直到扫描完锻件整体。

具体实施方法如下所述：

步骤1：连接硬件设备，构建测量系统，打开Matlab测量软件；

步骤2：打开工业CCD相机采集开关，并在工业CCD相机前方放置标定板，采集标定板图像，变换标定板的位置，得到十组标定图像，运行Matlab张氏标定程序，完成工业CCD相机的内外参数标定。

步骤3：打开线激光器开关，使线结构光竖直投射到测量对象表面形成光条L1，工业相机捕捉该光条信息；

步骤4：控制旋转云台电机，使线结构光云台每转动一个角度Δβ，得到光条Li，并采集该光条图像信息；

步骤5：工业相机采集拼接板信息，移动相机和结构光的测量位置；

步骤6：摄像机采集步骤5所述的拼接板信息，线结构光和摄像机重复步骤1和2，直到扫描完测量对象整体；

步骤7：对采集到的图像通过Matlab软件进行图像处理。

以上所述的实施是本实用新型优先选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，所述装置包括线激光器(1)、旋转云台(2)、丝杠滑块(3)、滑块连接板(4)、工业相机(5)、丝杠模组(6)、控制开关(7)、电路板(8)和电机驱动器(9)，其特征在于，测量对象(10)为本视觉测量装置的测量对象，光平面(11)为线结构光光平面，测量区域(12)为工业相机的视觉测量区域，大型锻件尺寸视觉测量平台包括线激光器(1)和固定并带动其转动扫描的旋转云台(2)，旋转云台(2)包括固定连接件(21)、电机(22)和云台支座(23)，所述固定连接件(21)为圆筒状，固定连接件(21)的径向安装紧定螺钉(211)，用于安装固定线激光器(1)，云台支座(23)在旋转云台(2)的最下面，和水平底座相连接，电机(22)固联在云台支座(23)上，固定连接件(21)和电机(22)的电机轴固定连接，工业相机(5)由连接底托(51)、相机镜头(52)和镜头锁紧圈(53)组成，(521)是镜头对焦环，相机镜头(52)通过镜头锁紧圈(53)与工业相机(5)连接，镜头对焦环(521)在相机镜头(52)上用于调节焦距；将旋转云台(2)安放在工业相机(5)一定距离的水平底座上，所述水平底座通过螺钉连接在丝杠模组(6)的滑块上，测量装置水平移动，实现多视觉区域的测量，旋转云台(2)通过螺栓固定连接在滑块连接板(4)上，工业相机(5)成测量角度固定在滑块连接板(4)的另一端，滑块连接板(4)与丝杠模组(6)上的丝杠滑块(3)通过螺钉连接，控制开关(7)为本测量装置的控制开关，电路板(8)为控制丝杠模组(6)和旋转云台(2)的控制电路板，电机驱动器(9)为丝杠模组(6)上电机(22)的驱动器。

2.如权利要求1所述的基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，其特征在于，所述工业相机(5)为CCD相机。

3.如权利要求1所述的基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，其特征在于，所述丝杠模组(6)为滚珠丝杠模组，丝杠模组(6)的驱动电机为步进电机，所述电机驱动器(9)为步进电机驱动器。