基于机器视觉的大直径零件转角测量装置及其测量方法

1.本发明属于高精度检测技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的大直径零件转角测量装置及其测量方法。


背景技术：

2.角度计量是计量科学的重要组成部分，而转角测量在航空航天、精密加工、高精度检测等诸多领域中已经得到了广泛的应用。目前角度测量的研究任务主要集中在提高测量精度、分辨率以及扩展测量范围上。
3.专利申请号：200810013124.8，名称为“刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的在机测量仪”，采用摩擦盘测量方法获取大齿轮的回转角度，但通过摩擦盘获取大齿轮转角的方法易出现打滑现象，并且摩擦盘直径较小，与之发生纯滚动的大齿轮工作台直径较大，摩擦盘回转角度误差比实际大齿轮回转角度误差值小很多，不能反映大齿轮回转角度真实值，两种原因均会导致转角误差，无法保证高精度测量。
4.专利申请号：201110076643.0，名称为“高精度小角度测量的方法和装置”，该发明利用准直处理后得到的基准光束偏振光，将其分为光强之比为1:1的反射光与透射光，两束光分别入射到两个棱镜进行反射，反射后的光信号被两个探测器接收并处理，最终实现高精度小转角的测量，具有超高精度和大测量范围的优点，但测量过程较为复杂，对测量人员要求较高，并且对于大转角测量有一定的局限性。
5.专利申请号：201910580076.9，名称为“一种基于视觉的高精度动态转角测量系统”，采用激光束将微小的旋转角度特征提取转换为激光束直线拟合及斜率求解，具有操作简单、实时性好等优点，但对于大直径零件转角测量精度有待提高。
6.综上所述，有必要研制大直径零件转角测量装置，并采用新的测量方法对大直径零件转角实现快速、准确测量。


技术实现要素：

7.本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于机器视觉的大直径零件转角测量装置及其测量方法。
8.为满足大直径零件测量过程中大视野的需求，采用“双目”测量的方式，解决测量点之间大距离的问题，但两个相机所在位置分别在各自的区域坐标系中，为解决区域坐标系不统一的问题，设计高精度转角测量基准板，建立相机视野中心与转角测量基准板物理坐标之间的关系；将转角测量基准板固连在大直径零件上，并随着大直径零件转动，通过测量两个相机视野中心点在基准板坐标系内连线所转过的角度，获得大直径零件转角。
9.一种大直径零件转角高精度测量装置，包括转角测量基准板、双目视觉测量机构。其特征在于，转角测量基准板置于大直径零件上，随大直径零件转动；双目视觉测量机构置于转角测量基准板正上方。
10.进一步地，所述转角测量基准板包括基准板主体框架、平行光光源、二维点阵标定
板、压条、基准板水平调整装置；平行光光源置于基准板主体框架下方，二维点阵标定板置于基准板主体框架上方，并用压条压紧，基准板水平调整装置与基准板主体框架侧面相连接。
11.进一步地，所述基准板水平调整装置包括磁力吸座、双头螺柱、调节块以及l型弯板；磁力吸座置于大直径零件上，双头螺柱与磁力吸座相连接，调节块套在双头螺柱上，l型弯板一端固定于转角测量基准板上，一端与双头螺柱相连接，基准板调平后，用螺母锁紧固定。
12.进一步地，所述双目视觉测量机构包括双远心镜头、相机、槽钢、镜头夹具以及镜头水平调整装置，槽钢一端与本机主体立柱相连接，相机与双远心镜头相连接，镜头夹具夹紧双远心镜头置于镜头水平调整装置上方，镜头水平调整装置置于槽钢内侧并与其相连接。
13.进一步地，所述镜头夹具和镜头水平调整装置，为便于安装与调整，根据双远心镜头外形中间直径小的特点，镜头夹具分为左侧夹具与右侧夹具，左右夹具通过螺栓进行连接，并夹紧镜头中间小直径处，镜头夹具下表面压紧球面垫圈并与镜头水平调整装置底座用四个调整螺栓进行连接，球面垫圈与水平调整装置底座为线接触，分别对四个调整螺栓进行旋转，来达到双远心镜头水平调整的目的。
14.一种大直径零件转角高精度测量方法，包括如下步骤：
15.(1)采用基准板水平调整装置对转角测量基准板进行调平，通过相机采集标定板上的标定圆图像。提取标定圆的中心点坐标，求得标定圆中心之间的距离，若标定圆中心之间距离均相等，说明基准板水平，反之，则根据标定圆中心之间距离的分布情况调整基准板，重复上述过程，直至标定圆中心之间距离处处相等。
16.(2)两个相机分别采集转角测量基准板图像，并分别确定视野中央5
×
5标定圆的中心坐标，进而推出二维点阵标定板中最靠近视野中央的标定圆中心像素坐标a1(x1，y1)，b1(u1，v1)。
17.(3)以转角测量基准板左下角作为物理坐标系的原点，可以得到二维点阵标定板上相机视野中央的标定圆中心在物理坐标系中的坐标c1(t1，s1)，c2(t2，s2)。由于两个相机视野中心像素坐标(m，n)固定不变，则可建立相机视野中心与二维点阵标定板中最靠近视野中央的标定圆中心物理坐标之间的关系，两个相机视野中心的物理坐标d1(t3，s3)，e1(t4，s4)可通过下式求解。
[0018][0019][0020]
上式中，l为物理坐标系与图像坐标系之间的像素当量，可通过系统标定确定。
[0021]
(4)转角测量基准板随大直径零件一起转动任意角度，重复步骤2)、步骤3)，得到转动后相机视野中心物理坐标d2(t5，s5)，e2(t6，s6)。
[0022]
(5)计算大直径零件转角，将相应参数代入下式
[0023][0024]
与现有技术相比本发明有益效果。
[0025]
(1)本发明采用双目测量的方式，将转角测量基准板固连在大直径零件上，并随着大直径零件转动，通过测量两个相机视野中心点在基准板坐标系内连线所转过的角度，高精度获得大直径零件回装，解决了大直径零件转角测量精度低的问题。
[0026]
(2)本发明结合视觉测量技术，打破传统测量方法中测量设备昂贵、测量过程繁琐的局限，同等测量条件下，可有效提高大直径零件转角检测精度与测量效率，拓展了视觉测量技术在大直径零件测量领域的应用。
附图说明
[0027]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
[0028]
图1为大直径零件转角高精度测量装置示意图。
[0029]
图2为转角测量基准板示意图。
[0030]
图3为双目视觉测量机构示意图。
[0031]
图4为镜头夹具与镜头水平调整装置图。
[0032]
图中，1被测大直径零件、2转角测量基准板、3双目视觉测量机构、4基准板主体框架、5标定板、6压条、7基准板水平调整装置、8平行光光源、9l型弯板、10调节块、11磁力吸座、12双头螺柱、13相机、14镜头夹具、15镜头水平调整装置、16本体立柱、17双远心镜头、18槽钢，19左镜头夹具，20镜头夹具底座，21调整螺栓，22固定螺栓，23球面大垫圈，24右镜头夹具。
具体实施方式
[0033]
如图1-4，直径大于500mm的零件被称为大直径零件。本发明所提出一种大直径零件转角高精度测量装置包括转角测量基准板，双目视觉测量机构；转角测量基准板置于大直径零件上，随大直径零件转动；双目视觉测量机构与本机主体立柱上端相连接，置于转角测量基准板正上方。
[0034]
优选地，所述转角测量基准板包括基准板主体框架、平行光光源、二维点阵标定板、压条、基准板水平调整装置；平行光光源置于基准板主体框架下方，二维点阵标定板置于基准板主体框架上方，并用压条压紧，基准板水平调整装置与基准板主体框架侧面相连接。
[0035]
优选地，所述基准板水平调整装置包括磁力吸座、双头螺柱、调节块以及l型弯板；磁力吸座置于大直径零件上，双头螺柱与磁力吸座相连接，调节块套在双头螺柱上，l型弯板一端固定于转角测量基准板上，一端与双头螺柱相连接，基准板调平后，用螺母锁紧固定。
[0036]
优选地，所述双目视觉测量机构包括双远心镜头、相机、槽钢、镜头夹具以及水平调整装置，槽钢一端与本机主体立柱相连接，相机与双远心镜头相连接，镜头夹具夹紧双远心镜头置于水平调整装置上方，水平调整装置置于槽钢内侧并与其相连接。
[0037]
优选地，所述双目视觉测量机构包括双远心镜头、相机、槽钢、镜头夹具以及镜头水平调整装置，槽钢一端与本机主体立柱相连接，相机与双远心镜头相连接，镜头夹具夹紧双远心镜头置于镜头水平调整装置上方，镜头水平调整装置置于槽钢内侧并与其相连接。
[0038]
优选地，所述镜头夹具和镜头水平调整装置，为便于安装与调整，根据双远心镜头外形中间直径小的特点，镜头夹具分为左侧夹具与右侧夹具，左右夹具通过螺栓进行连接，并夹紧镜头中间小直径处，镜头夹具下表面压紧球面垫圈并与镜头水平调整装置底座用四个调整螺栓进行连接，球面垫圈与水平调整装置底座为线接触，分别对四个调整螺栓进行旋转，来达到双远心镜头水平调整的目的。
[0039]
一种大直径零件转角高精度测量方法，包括如下步骤：
[0040]
(1)采用基准板水平调整装置对转角测量基准板进行调平，采用镜头水平调整装置对镜头进行调平，通过相机采集标定板上的标定圆图像。提取标定圆的中心点坐标，求得标定圆中心之间的距离，若标定圆中心之间距离均相等，说明基准板水平，反之，则根据标定圆中心之间距离的分布情况调整基准板，重复上述过程，直至标定圆中心之间距离处处相等。
[0041]
(2)两个相机分别采集转角测量基准板图像，并分别确定视野中央5
×
5标定圆的中心坐标，进而推出二维点阵标定板中最靠近视野中央的标定圆中心像素坐标a1(x1，y1)，b1(u1，v1)。
[0042]
(3)以转角测量基准板左下角作为物理坐标系的原点，可以得到二维点阵标定板上相机视野中央的标定圆中心在物理坐标系中的坐标c1(t1，s1)，c2(t2，s2)。由于两个相机视野中心像素坐标(m，n)固定不变，则可建立相机视野中心与二维点阵标定板中最靠近视野中央的标定圆中心物理坐标之间的关系，两个相机视野中心的物理坐标d1(t3，s3)，e1(t4，s4)可通过下式求解。
[0043][0044][0045]
上式中，l为物理坐标系与图像坐标系之间的像素当量，可通过系统标定确定。
[0046]
(4)转角测量基准板随大直径零件一起转动任意角度，重复步骤2)、步骤3)，得到转动后相机视野中心物理坐标d2(t5，s5)，e2(t6，s6)。
[0047]
(5)计算大直径零件转角，将相应参数代入下式
[0048][0049]
本发明的工作原理和工作过程如下：
[0050]
1)将转角测量基准板2通过磁力吸座11固定到被测量大直径零件1上，其中，两个磁力吸座11需靠近大直径零件的外端。分别旋转三个位置的基准板水平调整装置7中的调节块10，对转角测量基准板2进行水平调整，分别旋转镜头水平调整装置15的四个调整螺栓21对双远心镜头17进行水平调整。
[0051]
2)通过相机13采集标定板5上的标定圆图像。采用亚像素边缘定位算法提取标定圆的亚像素边缘，并由最小二乘法圆拟合确定标定圆中心点坐标，计算相邻标定圆中心之间的距离。根据标定圆中心距离分布情况，微调基准板水平调整装置7对转角测量基准板2进行调平，直至标定圆中心距离处处相等。转角测量基准板2调平后，通过水平调整装置15，保证两个双远心镜头20的中心视野分别在标定板中心位置附近。
[0052]
3)根据设计的转角测量基准板2机械结构，以转角测量基准板2某一角点为原点，建立测量物理坐标系，确定标定板各中心坐标ci，i＝1，2，3
……
，n。
[0053]
4)采用双目视觉测量机构3对转角测量基准板2进行连续拍照，对于两个相机13采集的图片进行处理，提取图像中视野中央5
×
5标定圆的亚像素边缘，并根据最小二乘圆拟合确定标定圆在图像坐标系中的中心点坐标，通过加权的方式确定图像中最靠近视野中央的标定圆中心坐标ai，i＝1，2，3
……
，n，bi，i＝1，2，3
……
，n。
[0054]
5)由于两个相机13视野中心坐标(m，n)固定不变，则根据图像坐标系中相机13视野中心与标定板5中最靠近视野中央的标定圆中心坐标已知，则可以确定两者之间的位置关系，包括两者之间的角度和距离。而测量物理坐标系中标定板中标定圆各中心坐标已知，则根据相机13视野中心与标定板5中标定圆在图像坐标系之间的位置关系，可确定测量物理坐标系中的相机13视野中心坐标di，i＝1，2，3
……
，n，ei，i＝1，2，3
……
，n。
[0055]
6)根据每次拍照获取的两个相机13视野中心的物理坐标均可以确定一条直线，任意相邻两条直线之间的夹角即为所测量的大直径零件转角。
[0056]
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。