一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法

1.本发明涉及复杂轮廓曲线的线轮廓度测量技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法。


背景技术：

2.在航空航天检测领域内，有许多异形零件的形位公差需要进行高精度的检测，线轮廓度是表示在零件的给定平面上，任意形状的曲线，保持其理想形状的状况。线轮廓度公差是指非圆曲线的实际轮廓线的允许变动量。
3.传统的线轮廓度测量主要是使用三坐标机和使用模板法，模板法是用事先刻好的模板进行描摹再用网格纸进行拓印，再数格子进行计算，这种方法麻烦并且对于工件上某任意截面的线轮廓度测量是很难实现的。
4.激光扫描在非接触测量技术中发展的较早，相比于其他的测量方法，该方法具有原理简单、抗干扰能力强和测量范围大等优点，同时随着计算机技术和工业相机硬件的进步，使得测量精度有了进一步的提高，因此该方法广泛用于工业实际生产检测领域。
5.机器视觉系统在现代自动化生产过程中，多数用于工况监视、成品检验和质量控制等领域，其特点包括：提高生产的柔性、保证自动化程度，在不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉，在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量，其效率低且精度不高，用机器视觉检测可以大幅度提高生产效率和自动化程度。
6.综上所述，传统线轮廓度测量方法虽然已经基本能够满足需求，但考虑到工作环境，以及人工视觉有限和测量误差较大的情况，需要一种结合机器视觉和激光扫描的检测方法，从而进一步提高生产检测效率以及产品的合格率。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于解决传统复杂轮廓曲线的线轮廓度测量，在机器视觉与激光扫描的结合下，提供一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，该方法包括：具有解决复杂轮廓曲线的线轮廓度测量和评定的问题；实现非接触的测量方式以及灵活的扩大测量范围；并且机器视觉和激光扫描的引入，极大程度的提高了工件的生产检测效率，以及产品投放市场的质量；工作人员无需对测量数据作太多处理，数据反馈快速直观、测量准确，也可以为后期质量管理、产品追溯建立提供原始数据。
8.一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，包括如下步骤：步骤1：启动相机和伺服电机；步骤2：检测开始后，启动光栅检测器监测转盘运动角度；步骤3：转盘首次转动360
°
后伺服电机停止；步骤4：通过机器视觉算法处理相机所拍摄的照片，输出测量数据；步骤5：取零点并记录，同时记录角度数据；
步骤6：伺服电机再次带动转盘运动至中间角度；步骤7：放置专用夹具；步骤7：重复步骤3、4、5，计算偏心量；步骤8：伺服电机1.1，使转盘1.2运动，计算机工作实时解算位置点，算出曲率；步骤9：光栅检测头再次检测转盘转动360
°
时，测量停止；步骤10：在计算机上对输出的两种结合数据处理，并与标准数据进行对比；步骤11：设定阈值对最终数据进行筛选，以达到阈值范围内为合格产品。
9.进一步地，如上述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，所述采集图像包括以下步骤：（1）相机装置：采用相机托台、相机调整架、相机定位块和高精度工业相机，启动高精度工业相机后，通过调整相机托台、相机调整架和相机定位块，使得在工作过程中可以拍摄完整的图像进行机器视觉算法分析，提取数据；（2）工作装置：采用高精度工件转台、高精度转盘、专用夹具和光栅检测头及底座，其中被测量工件通过专用夹具固定在高精度转台和高精度转盘上，高精度工业相机在转台旋转的时候对被测工件进行拍照，并将此时刻的角度通过所述光栅检测头读取出来并记录；（3）控制与分析装置：采用计算机、伺服电机和光栅检测头，其中高精度转台的动力来源为伺服电机，由计算机按照预定规律控制，伺服电机配有驱动器，且驱动器和所述计算机之间的数据交换通过千兆网线实现。
10.进一步地，如上述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，所述步骤4中，高精度工业相机采用的是红外线作为光源，无需重新设计光源，无需担心环境变化导致取相质量的变化。
11.进一步地，如上述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，所述步骤8，通过计算机实现高精度转台和高精度工业相机的控制，以及通过被测工件该轮廓线的曲率变化来决定转台的停止时刻和取相频率，在曲率变化剧烈的地方取相频率更高，实现更快速度的检测。
12.进一步地，如上述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，所述步骤10，所测得的数据经过计算机中预先设计好的算法程序进行处理，能够直观的得出测量结果，并且在点云处理软件下可以得到清晰准确的点云图像。
13.进一步地，如上述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，通过改变专用夹具位置、调整相机的取相范围以及数据处理的软件，可以实现一次测量多件工件，提高了检测效率。
14.进一步地，如上述的基于机器视觉和激光扫描的测量线轮廓度方法，需采集40~50张图像导入处理系统进行分析。
15.本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，利用高精度伺服电机、工件转台和转盘实现对运动的控制，利用相机托台、相机调整架和定位块实现对高精度工业相机的固定，利用光栅检测头实现激光扫描的功能，利用计算机配置的处理算法程序对图像进行传输处理等步骤，输出数据并且在设定的阈值内进行筛选，获得在范围内的合格产品；整个过程实现了机器视觉与激光扫描检测方法的结合，提高了检
测精度，减少来了检测时间，而且操作方便、测量效率提高，具有较高的应用价值。
附图说明
16.图1为本发明的检测流程图；图2为本发明的分级流程图；图3为本发明的实施装置图。
17.其中，1、工件转台；1.1、伺服电机；1.2、转盘；2、相机托台；3、相机调整架；4、光栅检测头及底座；5、计算机；6、定位块；7、高精度工业相机。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明提供的一种基于机器视觉的测量复杂零件线轮廓度的方法，该方法用到的设备包括工件转台1、伺服电机1.1、转盘1.2、相机托台2、相机调整架3、光栅检测头4及底座、计算机5、定位块7、高精度工业相机8，其中高精度工业相机通过相机调整架和相机托台以及定位块保持固定，且距离测量工件具有一定的高度和检测区域，垂直测量工件上方布置，伺服电机1.1所配的驱动器、用于数据计算的计算机5和高精度工业相机所用的24v电源在图3中没有列出。
20.本发明实施例采用无基准要求的环形工件，采集关键的环形线轮廓度作为本技术检测方法的数据来源。
21.本发明实施例提供了一种基于机器视觉的测量复杂零件线轮廓度的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：启动摆放在相机托台2上的高精度工业相机8，以及伺服电机1.1和驱动器；步骤2：在计算机中可以观察到相机的成像质量，通过调整相机调整架3和高精度工业相机8的位置以及改变相机设置中的某些选项来改善成像质量，此时的测量对象是工件转台1上的转盘1.2的竖直轮廓线；步骤3：调整完成后，通过计算机5控制伺服电机1.1运动，同时启动光栅检测器4监测转盘1.2转过的角度，当光栅检测器4监测到转盘转过360
°
的时候，计算机控制伺服电机停止，并通过机器视觉算法处理相机所拍摄的照片；步骤4：输出测量数据，取出深度最小和最大的两个点分别命名为a、b记为零点并记录下此时的光栅检测头4读出的角度数据；步骤5：伺服电机带动转盘1.2运动至a、b角度的中间角度c，即a、b以及相机光源点三点共线，此时放置专用夹具保证测量工件的长轴与a、b连线重合、工件的旋转中心与几何中心重合；步骤6：重复操作（2）（3）（4）计算出工件摆放的偏心量e；步骤7：再次启动伺服电机1.1，使监测转盘1.2运动，计算机5工作实时解算位置点，算出曲率，根据曲率的变化决定转盘的运动规律，当曲率变化剧烈的时候转盘1.2以较
低转速运动，当曲率变化不明显的时候可适当加快转盘1.2的转速，以便缩短检测时间；步骤8：当光栅检测头4检测到再次已经转过360
°
的时候，测量停止；步骤9：在计算机5上对输出的数据与标准数据进行对比，设定阈值对最终数据进行筛选，以达到阈值范围内为合格产品。
22.所述步骤9包括：设定阈值模型作为标准的数据，前述等步骤后的图像作为对比数据进行比对。
23.本实施例所述的机器视觉和激光扫描采集图像环节，采集40~50张图像导入处理系统进行分析。
24.下面对本发明提供的检测方法作进一步的描述，如图1、图2、图3所示，包括检测流程以采集分级流程以及实施方式三个部分。
25.其中，所述检测流程如图1所示，包括：（1）相机装置：采用相机托台、相机调整架、相机定位块和高精度工业相机，启动高精度工业相机后，通过调整相机托台、相机调整架和相机定位块，使得在工作过程中可以拍摄完整的图像进行机器视觉算法分析，提取数据；（2）工作装置：采用高精度工件转台、高精度转盘、专用夹具和光栅检测头及底座，其中被测量工件通过专用夹具固定在高精度转台和高精度转盘上，高精度工业相机在转台旋转的时候对被测工件进行拍照，并将此时刻的角度通过所述光栅检测头读取出来并记录；（3）控制与分析装置：采用计算机、伺服电机和光栅检测头，其中高精度转台的动力来源为伺服电机，由计算机按照预定规律控制，伺服电机配有驱动器，且驱动器和所述计算机之间的数据交换通过千兆网线实现。
26.所述实施方式如图3所示，包括：高精度工业相机通过相机托台和相机调整架保持位置，距离检测工件具有一定的高度且垂直工件上方布置， 通过调整相机位置以及改变相机设置中的某些选项来改善成像质量，调整完成后通过计算机启动和控制伺服电机和驱动器，启动光栅检测器监测转盘转过的角度，360
°
时伺服电机停止且机器视觉算法处理相机所拍摄的照片，取零点和角度数据进行记录，伺服电机再次带动转盘运动至中间角度，放置专用夹具后重复操作启动相机、光栅检测器和记录零件以及角度数据，伺服电使转盘运动，计算机工作实时解算位置点和算出曲率，光栅检测头再次检测转盘转动360
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时，测量停止，在计算机上对输出的两种结合数据处理，并与标准数据进行对比，设定阈值对最终数据进行筛选，以达到阈值范围内为合格产品。
27.最后应说明的是：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本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。

技术特征：
1.一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：启动相机和伺服电机；步骤2：检测开始后，启动光栅检测器监测转盘运动角度；步骤3：转盘首次转动360
°
后伺服电机停止；步骤4：通过机器视觉算法处理相机所拍摄的照片，输出测量数据； 步骤5：取零点并记录下，同时记录角度数据；步骤6：伺服电机再次带动转盘运动至中间角度；步骤7：放置专用夹具；步骤7：重复步骤3、4、5，计算偏心量；步骤8：伺服电机1.1，使转盘1.2运动，计算机工作实时解算位置点，算出曲率；步骤9：光栅检测头再次检测转盘转动360
°
时，测量停止；步骤10：在计算机上对输出的两种结合数据处理，并与标准数据进行对比；步骤11：设定阈值对最终数据进行筛选，以达到阈值范围内为合格产品。2.根据权利要求1，所述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，其特征在于，所述采集图像包括：相机装置，采用相机托台、相机调整架、相机定位块和高精度工业相机，启动高精度工业相机后，通过调整相机托台、相机调整架和相机定位块，使得在工作过程中可以拍摄完整的图像进行机器视觉算法分析，提取数据；工作装置，采用高精度工件转台、高精度转盘、专用夹具和光栅检测头及底座，其中被测量工件通过专用夹具固定在高精度转台和高精度转盘上，高精度工业相机在转台旋转的时候对被测工件进行拍照，并将此时刻的角度通过所述光栅检测头读取出来并记录；控制与分析装置，采用计算机、伺服电机和光栅检测头，其中高精度转台的动力来源为伺服电机，由计算机按照预定规律控制，伺服电机配有驱动器，且驱动器和所述计算机之间的数据交换通过千兆网线实现。3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，其特征在于：所述高精度工业相机的位置与高精度转台旋转中心的相对位置关系是可调的，所述高精度工业相机安装在所述相机底座上，且高精度工业相机采用的是红外线作为光源，无需重新设计光源，无需担心环境变化导致取相质量的变化。4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，其特征在于：所述高精度转台和高精度工业相机的控制通过计算机实现，以及通过被测工件该轮廓线的曲率变化来决定转台的停止时刻和取相频率，在曲率变化剧烈的地方取相频率更高，实现更快速度的检测，所述高精度转台通过自带的伺服电机进行驱动，使用光栅或者编码器来检测转盘的运动，此为位置环信息的采集传感器，构成闭环的运动控制系统，即使用所述光栅或者编码器来实时监测高精度转台转过的角度。5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，其特征在于：所述高精度相机带有红外线激光发生器和镜头，镜头用来采集照射在被测工件反射回来的激光，采用红外线作为照射光源可避免环境光的影响。6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，其特征在于：通过改变专用夹具位置、调整高精度工业相机的取相范围以及数据处理的软件，可以实现一次测量多件工件，且所测得的数据经过计算机中预先设计好的算法程序进行处理，能够直观的得出测量结果，并且在点云处理软件下可以得到清晰准确的点云图像。7.一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，采用权利要求1-5任一项所描述测量装置，其特征在于，以下步骤：步骤（1）：在测试之前需要对测量系统进行试测，即高精度转台上面不放置工件，转台
空转相机进行去像并计算，采用的特征点为转台转盘的边缘轮廓；步骤（2）：根据上述计算找到其中特殊的a、b点，并将转台转动至两点中的某一点作为下次测量的起始点零点；步骤（3）：将专用夹具放置在a、b朝向上，装夹工件的时候保证工件的长轴或者短轴与ab连线重合；步骤（4）：工件摆放好后，调整相机的位置，使得相机取相清晰完整；步骤（5）：转台及相机按照预定输入的程序工作，开始正式测量。

技术总结
本发明提供的一种基于机器视觉的线轮廓度测量方法，利用高精度伺服电机、工件转台和转盘实现对运动的控制，利用相机托台、相机调整架和定位块实现对高精度工业相机的固定，利用光栅检测头实现激光扫描的功能，利用计算机配置的处理算法程序对图像进行传输处理等步骤，输出数据并且在设定的阈值内进行筛选，获得在范围内的合格产品；整个过程实现了机器视觉与激光扫描检测方法的结合，提高了检测精度，减少来了检测时间，而且操作方便、测量效率提高，具有较高的应用价值。具有较高的应用价值。具有较高的应用价值。


技术研发人员：赵帅 江维 倪天浩 封志明
受保护的技术使用者：西华大学
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8