一种光学检测沉割槽的装置和沉割槽光学检测系统的制作方法

1.本发明公开了一种光学检测沉割槽的装置，属于轴类零件检测技术领域，具体公开了一种光学检测沉割槽的装置和沉割槽光学检测系统。


背景技术：

2.轴类零件广泛应用于工业的各个门类中，尤其是汽车组装生产中。在一些轴类零件制造中，对最终出厂的产品都需要按照严格标准进行尺寸测量以及产品品质评价，并对记过进行记录分析以指导后续生产。传统的测量采用人工抽检且使用手持式仪器操作，数据记录以人工抄录为主，到目前为止，这仍是大多数轴类零件加工厂商的质检方式。依靠人工质检繁琐且劳动强度大，对质检员要求较高，且质检员个人主观性对测量以及品质评价会造成一定的影响。质检数据无法形成格式化数据存储，也不利于后续对产品质量追溯以及由质检数据改良产线，提升产品合格率。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种光学检测沉割槽的装置和沉割槽光学检测系统，其测量灵活性高、测量精度高、兼容各种自动生产线、并适应各种类型的轴类零件沉割槽的非接触高效测量，且测量数据可量化分析。
4.本发明公开了一种光学检测沉割槽的装置，包括机械手、测量系统、双目光学镜头模组、机械手控制系统，所述机械手控制系统与所述机械手电连接，所述双目光学镜头模组连接于所述机械手的移动端；所述双目光学镜头模组包括用于连接机械手的机架，所述机架上设置有沿待测轴类零件的轴向间隔布置的v型定位块和u型悬臂，所述u型悬臂上设置有两组上下间隔布置的用于拍摄待测轴类零件上沉割槽的拍摄单元，每个拍摄单元包括同轴布置的相机和照明光源，所述相机和所述照明光源对称设置于待测轴类零件的两侧，所述相机与所述测量系统电连接。
5.在本发明的一种优选实施方案中，所述v型定位块的对称轴线与所述u型悬臂的对称轴线重合。
6.在本发明的一种优选实施方案中，所述v型定位块包括两个相对于待测轴类零件的中轴轴线对称布置的定位斜面。
7.在本发明的一种优选实施方案中，所述机架上设置有用于连接机械手的快换接头。
8.本发明还公开了一种光学检测沉割槽的装置，其包括用于定位承载待测轴类零件的支撑台架，所述支撑台架旁设置有三轴运动单元，所述三轴运动单元的移动端连接有图像采集与处理单元；所述三轴运动单元包括固定龙门架，所述固定龙门架上设置有处理单元，所述固定龙门架上设置有沿待测轴类零件的轴向布置的第一直线模组，所述第一直线模组的移动端连接有与其垂直布置的第二直线模组，所述第二直线模组的移动端设置有沿竖直方向布置的第三直线模组，所述第三直线模组的移动端上对称设置有连接悬臂，所述
连接悬臂上设置有两组上下间隔布置的图像采集与处理单元，每个图像采集与处理单元包括拍摄相机、光源和数据处理单元，所述拍摄相机和所述光源同轴布置，所述拍摄相机和所述数据处理单元电连接，所述拍摄相机和所述光源对称设置于待测轴类零件的两侧。
9.在本发明的一种优选实施方案中，所述支撑台架上连接有用于驱动其沿待测轴类零件的轴向移动的步进传输单元。
10.在本发明的一种优选实施方案中，所述支撑台架旁设置有用于触发相机拍照的红外触发单元。
11.在本发明的一种优选实施方案中，所述连接悬臂为h型。
12.在本发明的一种优选实施方案中，所述固定龙门架包括对称设置于所述支撑台架两侧的底座和连接于两个底座上的门架。
13.本发明还公开了一种沉割槽光学检测系统，其包括光学检测沉割槽的装置。
14.本发明的有益效果是：本发明结构简单、使用方便，其通过使用双目光学系统模组实现对轴类沉割槽的自动测量，其测量灵活性高，测量精度高，可以部署在线上，并适应各种类型的轴类零件沉割槽的非接触高效测量，测量数据可量化分析，有很好的前瞻性，未来产品有可能朝此方向发展；进一步的，本发明的v型定位块能够消除机械手的机械定位误差，从而全自动、高精度、高灵活性的测量轴类零件的沉割槽半径、沉割槽中心距、沉割槽底边间距等参数。
附图说明
15.图1是本发明一种光学检测沉割槽的装置的示意图；
16.图2是本发明一种光学检测沉割槽的装置的主视图；
17.图3是本发明一种光学检测沉割槽的装置的侧视图
18.图4是本发明一种光学检测沉割槽的装置的示意图；
19.图5是本发明一种光学检测沉割槽的装置的工作流程图；
20.图6是本发明一种光学检测沉割槽的装置的拍摄状态示意图；
21.图7是本发明一种光学检测沉割槽的装置的坐标系系统的示意图；
22.图8是本发明一种光学检测沉割槽的装置的相机示意图；
23.图9是本发明一种光学检测沉割槽的装置的测量示意图；
24.图中：1-机械手；2-测量系统；3-双目光学镜头模组；4-机械手控制系统；5-待测轴类零件；6-支撑台架；7-步进传输单元；8-三轴运动单元；9-红外触发单元；10-图像采集与处理单元；31-机架；32-v型定位块；33-u型悬臂；34-相机；35-照明光源；51-沉割槽；81-固定龙门架；82-第一直线模组；83-第二直线模组；84-第三直线模组；85-连接悬臂；101-拍摄相机；102-光源。
具体实施方式
25.下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
26.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
27.进一步的，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
28.本发明公开了一种光学检测沉割槽的装置，包括机械手1、测量系统2、双目光学镜头模组3、机械手控制系统4，机械手控制系统4与机械手1电连接，双目光学镜头模组3连接于机械手1的移动端；双目光学镜头模组3包括用于连接机械手1的机架31，机架31上设置有沿待测轴类零件5的轴向间隔布置的v型定位块32和u型悬臂33，u型悬臂33上设置有两组上下间隔布置的用于拍摄待测轴类零件5上沉割槽的拍摄单元，每个拍摄单元包括同轴布置的相机34和照明光源35，相机34和照明光源35对称设置于待测轴类零件5的两侧，相机34与测量系统2电连接。
29.在本发明的一种优选实施方案中，v型定位块32的对称轴线与u型悬臂33的对称轴线重合。
30.在本发明的一种优选实施方案中，v型定位块32包括两个相对于待测轴类零件5的中轴轴线对称布置的定位斜面。
31.在本发明的一种优选实施方案中，机架31上设置有用于连接机械手1的快换接头。
32.在本发明的一种优选实施方案中，双目光学镜头模组3能够在机械手1控制下沿着待测轴类零件5轴线运动、调整焦距，以及沿着快换接头进行180旋转换向。
33.本发明的工作步骤包括：
34.步骤一、将双目光学系统与运动控制机械手通过快换接头固定；
35.步骤二、将轴类零件固定，或部署机械手至线上，使轴类零件在机械手的活动范围内；
36.步骤三、先使用标定板对双目光学系统标定，调整镜头焦距和光源距离，使其成像清晰，消除镜头畸变并确定世界坐标系；
37.步骤四、通过对运动控制系统示教或者按照图纸输入沉割槽坐标，使机械手能够带着双目光学系统依次自动运动至轴类零件每个需要测量沉割槽尺寸的位置的上方，使镜头轴线与沉割槽中心在同一个竖直平面上；
38.步骤五、机械手根据沉割槽在左侧还是在右侧，依程序判断是否需要将光学模组连同v型块沿z轴旋转180度，使v型定位块不会和沉割槽产生干涉；
39.步骤六、机械手下降使v型定位块卡在曲轴上，通过v型定位块保证光学系统光路中心线垂直轴线、双目镜头拍摄的沉割槽图像清晰锐利；
40.步骤七、在运行到每个沉割槽位置时，测量软件拍照上下两个沉割槽的图片，通过畸变消除算法、图像拼接合成后，再通过圆拟合，线查找，角度计算等算子计算沉割槽中心距，底边距，沉割槽半径等测量值；
41.步骤六、每次的测量数据保存至数据库，供使用方分析；
42.步骤七、运动控制系统通过记录不同产品的坐标方案，并保存为产品配方程序，不同产品只需一键调用不同的配方程序执行即可，可以实现快速高效的换产。
43.本发明还公开了一种光学检测沉割槽的装置，其包括用于定位承载待测轴类零件5的支撑台架6，支撑台架6旁设置有三轴运动单元8，三轴运动单元8的移动端连接有图像采集与处理单元10；三轴运动单元8包括固定龙门架81，固定龙门架81上设置有处理单元，固定龙门架81上设置有沿待测轴类零件5的轴向布置的第一直线模组82，第一直线模组82的移动端连接有与其垂直布置的第二直线模组83，第二直线模组83的移动端设置有沿竖直方向布置的第三直线模组84，第三直线模组84的移动端上对称设置有连接悬臂85，连接悬臂85上设置有两组上下间隔布置的图像采集与处理单元10，每个图像采集与处理单元10包括拍摄相机101、光源102和数据处理单元，拍摄相机101和光源102同轴布置，拍摄相机101与数据处理单元电连接，两个图像采集与处理单元10可以共用一个数据处理单元，拍摄相机101和光源102对称设置于待测轴类零件5的两侧。
44.在本发明的一种优选实施方案中，第一直线模组82、第二直线模组83、第三直线模组84可以选用滑台模组，第一直线模组82、第二直线模组83、第三直线模组84任意两者两两相互垂直布置。
45.在本发明的一种优选实施方案中，图像采集与处理单元10能够用于采集处理零件图片并得到处理结果，所得结果包括轴类零件的各段轴径尺寸、轮廓建模点阵信息。
46.在本发明的一种优选实施方案中，支撑台架6上连接有用于驱动其沿待测轴类零件5的轴向移动的步进传输单元7，步进传输单元7可以包括步进电机、步进电机控制器，传动结构；步进传输单元7通过plc与工控机通信，工控机发送调速信号到电机控制器，控制待测零件在支撑台架6上传送。
47.在本发明的一种优选实施方案中，支撑台架6旁设置有用于触发相机拍照的红外触发单元9，红外触发单元9包括红外发射与接收装置，红外发送端口准直正对于接收端口，且发送装置与接收装置的连线垂直于支撑台架6的纵轴线，当待测量轴类零件5传输至预先设置区域时，挡住红外光线，红外触发单元9产生脉冲信号，并通过io接口板传送至工控机，工控机触发拍摄相机84采集图片。
48.在本发明的一种优选实施方案中，拍摄相机84可以选用为千万像素面阵工业相机；拍摄相机84的端部配备抗畸变性较好的工业镜头，光源85为高准直工业光源。待测零件触发红外触发单元9产生拍照脉冲信号，并发送至工控机，工控机触发拍摄相机84拍摄零件照片并处理得到结果。
49.在本发明的一种优选实施方案中，连接悬臂85为h型。
50.在本发明的一种优选实施方案中，固定龙门架81包括对称设置于支撑台架6两侧的底座和连接于两个底座上的门架。
51.本发明还公开了一种沉割槽光学检测系统，其包括光学检测沉割槽的装置。
52.下面结合附图对本发明的操作方法做出进一步解释：
53.先进性标定，其标定步骤：
54.步骤一、固定镜头和光源，并调整单套镜头和光源的中心线，使其在一条直线上。
55.步骤二、调整两套光学镜头系统的中心线至准直，两套镜头间距根据标定板长度调整，使被测物体两侧的边界的中点尽可能落在光学系统中心线上。
56.步骤三、调节标定板或者双目视觉系统，使两套相机拍出的图片都达到最清晰。
57.步骤四、启动图像处理单元，拍摄标定件的上端和下端投影照片，并消除两个镜头的径向畸变，再消除切向畸变，并计算径向畸变和切向畸变的消除方程的系数。
58.其消除畸变实现步骤：
59.k1，k2为径向畸变参数，p1，p2为切向畸变参数，r2为已知的畸变圆半径，(x，y)为畸变前图像坐标点，(x^，y^)为经矫正后的坐标点，因为(x^，y^)为棋盘格或者点阵校准图，其坐标已知，(x，y)为实拍图坐标，因此，通过(x^，y^)和(x，y)可以计算每个像素的k1，k2和p1，p2参数。
60.对于镜像畸变，将拍摄图片代入公式1，2进行计算：
61.x^＝x+x[k1(x2+y2)2+k2(x2+y2)2]
ꢀꢀ
(1)
[0062]
y^＝y+y[k1(x2+y2)2+k2(x2+y2)2]
ꢀꢀ
(2)
[0063]
对于切向畸变，如公式3，4：
[0064]
x^＝x+[2p1xy+p2(r2+2x2)]
ꢀꢀ
(3)
[0065]
y^＝y+[2p1(r2+2y2)+2p2xy]
ꢀꢀ
(4)
[0066]
步骤五、对消除畸变的图像连同标定板的宽度wa和长度la进行计算，通过边查找、线段测量以及二维坐标变换等得到每个相机相对标定板的旋转角度θ1、θ2，单位像素μ1、μ2和上下图像标定板中点p1、p2，其p1(x
p1
，y
p1
)和p2(x
p2
，y
p2
)坐标根据标定板已知尺寸，根据wa可得p1和p2在世界坐标系内映射点为：
[0067]
x
wp1
＝x
wp2
＝0
ꢀꢀ
(5)
[0068][0069][0070]
其中上相机测量出来的标定板像素宽度值记为wu，下相机测量出来的像素宽度值记为w
l
，则μ1、μ2的计算方法如下：
[0071][0072][0073]
通过以上步骤就可求得世界坐标系的坐标轴方向、原点，以及上下相机内每个点在世界坐标系内的映射点。
[0074]
对于上相机，其内部点为(xu，yu)，对应世界坐标系内的点为(x
world
，y
world
)：
[0075]
x
world
＝cosθ1μ1(x
u-x
p1
)
ꢀꢀ
(8)
[0076]yworld
＝sinθ1μ1(y
u-y
wp1
)
ꢀꢀ
(9)
[0077]
对于下相机，其内部点为(x
l
，y
l
)，对应世界坐标系内的点为(x
world
，y
world
)：
[0078]
x
world
＝cosθ1μ2(x
u-x
p2
)
ꢀꢀ
(10)
[0079]yworld
＝cosθ1μ2(yu+y
wp2
)
ꢀꢀ
(11)
[0080]
步骤六、将标定板图像经确定系数的径向畸变和切向畸变方程重新计算输出后，在此基础上计算出基于标定板和双目视觉系统中心线所得到的世界坐标系。
[0081]
在标定后的参数上进行测量，其测量步骤：
[0082]
步骤一、基于标定好的相机镜头和机架，将轴类零件置于两组镜头之间，使一组镜头能清晰捕获轴类零件的沉割槽的投影，另一组镜头清晰捕获另一侧沉割槽的投影。
[0083]
步骤二、使用相机拍摄获取2张轴类零件沉割槽照片，并输入进视觉处理单元进行图像运算。
[0084]
步骤三、视觉处理系统根据标定后的世界坐标系，先将两张图片经世界坐标系映射拼接，合成并输出成一张图像。
[0085]
步骤四、在此拼接图像上，如图3，通过最小二乘法拟合沉割槽的圆心，寻找上沉割槽和下沉割槽圆心记为cu(xu，yu)、c
l
(x
l
，y
l
)，并按照公式(8)(9)，(10)(11)转换成世界坐标系中的点c1(x1，y1)、c2(x2，y2)，则沉割槽的中心距d1为：
[0086][0087]
因为两个圆心的连线可能并非垂直轴的轴线，其x1和x2可能并不相等，因此上下沉割槽圆心可能存在偏移。
[0088]
步骤五、对上下相机直线做轮廓拟合，确定上下外径直线方程，在轮廓拟合的点上取2点，并通过公式(8)(9)，(10)(11)转换成世界坐标系内的点位，其中：
[0089]
上相机点记为：a
u1
(x1，y1)a
u2
(x2，y2)
[0090]
下相机点记为：a
l1
(x3，y4)a
l2
(x3，y4)
[0091]
其直线方程为：
[0092][0093]
因两条直线不一定平行，因此使用上相机点a
u1
(x1，y1)来求解到下相机直线的距离，即可求出轴径，记为d2：
[0094]
设下面相机的拟合直线为：
[0095]
ax+by+c＝0
ꢀꢀ
(14)
[0096]
其中
[0097][0098]
则
[0099][0100]
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光学检测沉割槽的装置，其特征在于：包括机械手(1)、测量系统(2)、双目光学镜头模组(3)、机械手控制系统(4)，所述机械手控制系统(4)与所述机械手(1)电连接，所述双目光学镜头模组(3)连接于所述机械手(1)的移动端；所述双目光学镜头模组(3)包括用于连接机械手(1)的机架(31)，所述机架(31)上设置有沿待测轴类零件(5)的轴向间隔布置的v型定位块(32)和u型悬臂(33)，所述u型悬臂(33)上设置有两组上下间隔布置的用于拍摄待测轴类零件(5)上沉割槽的拍摄单元，每个拍摄单元包括同轴布置的相机(34)和照明光源(35)，所述相机(34)和所述照明光源(35)对称设置于待测轴类零件(5)的两侧，所述相机(34)与所述测量系统(2)电连接。2.根据权利要求1所述的光学检测沉割槽的装置，其特征在于：所述v型定位块(32)的对称轴线与所述u型悬臂(33)的对称轴线重合。3.根据权利要求1所述的光学检测沉割槽的装置，其特征在于：所述v型定位块(32)包括两个相对于待测轴类零件(5)的中轴轴线对称布置的定位斜面。4.根据权利要求1所述的光学检测沉割槽的装置，其特征在于：所述机架(31)上设置有用于连接机械手(1)的快换接头。5.一种光学检测沉割槽的装置，其特征在于：包括用于定位承载待测轴类零件(5)的支撑台架(6)，所述支撑台架(6)旁设置有三轴运动单元(8)，所述三轴运动单元(8)的移动端连接有图像采集与处理单元(10)；所述三轴运动单元(8)包括固定龙门架(81)，所述固定龙门架(81)上设置有处理单元，所述固定龙门架(81)上设置有沿待测轴类零件(5)的轴向布置的第一直线模组(82)，所述第一直线模组(82)的移动端连接有与其垂直布置的第二直线模组(83)，所述第二直线模组(83)的移动端设置有沿竖直方向布置的第三直线模组(84)，所述第三直线模组(84)的移动端上对称设置有连接悬臂(85)，所述连接悬臂(85)上设置有两组上下间隔布置的图像采集与处理单元(10)，每个图像采集与处理单元(10)包括拍摄相机(101)、光源(102)和数据处理单元，所述拍摄相机(101)和所述光源(102)同轴布置，所述拍摄相机(101)和所述数据处理单元电连接，所述拍摄相机(101)和所述光源(102)对称设置于待测轴类零件(5)的两侧。6.根据权利要求5所述的光学检测沉割槽的装置，其特征在于：所述支撑台架(6)上连接有用于驱动其沿待测轴类零件(5)的轴向移动的步进传输单元(7)。7.根据权利要求5所述的光学检测沉割槽的装置，其特征在于：所述支撑台架(6)旁设置有用于触发相机拍照的红外触发单元(9)。8.根据权利要求5所述的光学检测沉割槽的装置，其特征在于：所述连接悬臂(85)为h型。9.根据权利要求1所述的光学检测沉割槽的装置，其特征在于：所述固定龙门架(81)包括对称设置于所述支撑台架(6)两侧的底座和连接于两个底座上的门架。10.一种沉割槽光学检测系统，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的光学检测沉割槽的装置。

技术总结
本发明公开了一种光学检测沉割槽的装置和沉割槽光学检测系统，包括机械手、测量系统、双目光学镜头模组、机械手控制系统，机械手控制系统与机械手电连接，双目光学镜头模组连接于机械手的移动端；双目光学镜头模组包括机架，机架上设置有沿待测轴类零件的轴向间隔布置的V型定位块和U型悬臂，U型悬臂上设置有两组上下间隔布置的用于拍摄待测轴类零件上沉割槽的拍摄单元，每个拍摄单元包括同轴布置的相机和照明光源，相机和照明光源对称设置于待测轴类零件的两侧，相机与测量系统电连接。本发明的测量灵活性高、测量精度高、兼容各种自动生产线、并适应各种类型的轴类零件沉割槽的非接触高效测量，且测量数据可量化分析。且测量数据可量化分析。且测量数据可量化分析。


技术研发人员：邓力榛 吴勉 刘继斌
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8