专利名称：基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种圆柱度测量方法和系统，特别是一种基于多孔径拼接技术，采用数字光 栅条纹投射测量方式，实现圆柱度非接触精密测量的方法和系统。
背景技术：
在现代工业生产中，圆柱形零件不但要求保证其尺寸精度，对它的形状和位置精度也有 很高的要求，它直接影响配合表面的配合性质，回转表面的定位精度，进而影响整个机器的 回转精度、旋转件的振动、噪声、润滑及零件的使用寿命等。因此，对零件的回转面进行圆 柱度误差测量是检验该类零件加工质量的重要指标之一。
圆柱度误差测量技术目前大都是采用人工的、被动的、接触式的方法，测量仍采用以圆 度测量技术为基础的近似测量方法。其不足表现在采样点数过少，不能满足新一代GPS(几
何产品规范，Geometrical Product Specifications and Verification)标准规定的理想采样点数量 (采样密度)要求，从而导致信息量不足，影响测量精度和重复精度；评定结果不能综合反 映圆柱体形貌误差特征，误差评定与功能规范脱节，评定方法缺乏统一的认证准则。另外， 对于儿何特征需要精密测控的场合，接触式测头测力易引起表面的损伤和变形，以及偏差人 工无法补偿等问题更为突出。因此，圆柱度误差的高精度计量和准确评定已成为计量领域中 难以解决的问题之一，迫切需要高精度、高效率、非接触、面阵传感的圆柱度测量方法及应 用技术。
伴随研究的深入，已有一些技术策略可供选择，在以光学方法为代表的非接触式测量中， 传感器无需与物面接触，且可以方便地以面阵传感方式实现测量，无疑会极大地提高测量效 率，且能满足国标要求的采样密度。但由于测量有效孔径的限制，对于回转体的测量，如何 获得高精度的整体形貌成为问题的关键。
发明内容
本发明目的在于针对现有圆柱度测量方法的不足，结合圆柱体几何特征，提出一种基于 多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法和系统，具有满足ISO和国标采样密度要求、提供 完整面形特征、评定结果统一的特点。同时，本发明测量系统具有较好的重复性和不确定度。
为达到上述目的，本发明的构思是利用数字光栅条纹投射测量方式获得整个圆柱体多 个单视角面形(各视角间有重叠区)信息，运用多孔径拼接信息融合技术将其在圆柱坐标系下拼接得到完整的圆柱表面信息，依据GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度的数字化、 规范化评定。其工作流程图如图1所示。
圆柱度非接触测量系统主要由数字光栅条纹投射系统、图像采集系统、多视角重叠扫描 机构及控制系统和多孔径拼接信息融合软件系统组成，如图2所示。数字光栅条纹投射系统 中由计算机(9)实时生成标准余弦数字光栅，并由一台投影仪DLP (4)投射到待测物面， 能够任意改变光栅节距及频率。图像采集系统则是通过一台CCD(含光学镜头)G)来完成， 经图像采集卡(6)实现图像的模数(A/D)转换，监视器(7)用作信号的实时监测。采集 到的图像以二进制数据文件格式保存于计算机，计算机按专用的图像处理软件系统对其进行 处理，包括包裹相位求解、相位展开、相位分割、标定板控制点提取等。多视角重叠扫描机 构由传感器架(5)和载物台(2)两部分构成，可实现五自由度运动(①载物台旋转、②载 物台平移、③传感器水平移动、④传感器竖直移动、⑤传感器俯仰运动)，运动机构的控制是 利用计算机为上位机，通过可编程控制器PLC (10)和驱动控制器(12)驱动步进电机来实 现。在系统的测量过程中，可以采用上位计算机直接自动控制或采用触摸人机界面(11)进 行手动操作。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于首先对测量系统进行标 定，随后进行图像采集及条纹图像处理，通过控制二维图像传感器和被测圆柱体的相对运动 进行重叠扫描，依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据；其次，基于多孔径拼接融合技 术实现多视角面形数据的精确拼接，获得整体圆柱面形数据；进而，依据几何产品技术规范 GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度的数字化评定，并参照提出圆柱度测量面形半径 误差评定指标。
上述获得被测圆柱体的多个单视角面形数据的方式是通过数字光栅条纹投射测量方法来 实现，利用面阵CCD图像传感器(3)采集投射到物体上的条纹图像，经过位相求解操作得 到包含物体三维信息的绝对位相，从而依据测量系统的标定参数获得单视角的空间三维面形 数据。
上所述依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据是利用多视角重叠扫描原理，通过分 析被测圆柱体几何特征确定相邻视角重叠区域的大小及视角数目，控制载物台(2)按照确定 的角度旋转，依次完成传感器与被测圆柱间的相对运动，从而实现各个单视角的测量。
上述获得整体圆柱面形数据利用多孔径拼接技术实现，即利用相邻视角重叠区面形信息 建立相对空间位置关系，通过坐标变换将各个单视角三维面形统一于同一坐标系下，从而获得最终的整个圆柱面数据，其关键在于依据拼接数学模型进行误差求解与坐标变换的迭代操 作。
一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，应用于上述的测量方法，其特征在 于包括数字光栅条纹投射系统、图像釆集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统，这些系统 通过计算机(9)连接成一个自动的圆柱度非接触式测量系统。
上述数字光栅条纹投射系统由所述计算机连接一个数字投影装置DLP构成；计算机实时 绘制模拟的余弦光栅条纹，通过数字投影装置DLP将其投射到待测物面，光栅节距和条纹频 率能够任意改变，以适应直径不同的被测零件。
上述图像采集系统由一个含光学镜头的CCD连接一个图像采集卡和一个监视器组成， 所述图像采集卡连接所述计算机；采集到的图像以二进制数据文件形式存储于计算机。
上述多视角重叠扫描机构及控制系统是由设置所述CCD (3)和DLP投影仪(4)的 一个传感器架(5)及一个载物台(2)构成多视角重叠扫描机构，所述传感器架(5)和载物 台(2)通过一个驱动控制器(12)和一个可编程控制器PLC (10)连接所述计算机(9)和 一个人机界面(11);传感器架(5)的调整以及载物台(2)的平动和旋转由计算机(9)通 过可编程控制器PLC (10)和驱动控制器(12)自动控制，同时，各项控制的手动操作可以 直接通过人机界面(11)触摸屏进行。
本发明方法及系统与现有技术相比，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点1、 可以实现圆柱度误差的非接触自动测量；2、利用多孔径拼接技术可以实现圆柱体整体面形的 精确测量，有效地解决了现有圆柱度测量方法中存在的采样点不足问题；3、测量系统标定引 入逆向标定策略，利用专门设计的标定板可以同时进行系统的横向和深度标定，提高了标定 的可操作性和检测精度；4、由于测量获得的是整体面形数据，可以提出新的圆柱度评定评 价指标，这将是对现有的误差评定方法及指标有效地补充；5、整个测量系统具有测量精度高， 重复性好，实现了圆柱度误差的数字化评定；6、测量装置结构简单紧凑，操作方便，自动化 程度较高，成本低，利于普及；7、该测量系统和方法还可以用于其它形位误差的测量，具有 很好的应用价值。
图1是本发明测量方法的工作流程图。
图2是本发明系统的构成示意图。
图3是本发明系统的多孔径拼接技术原理图。
图4是本发明系统的标定原理意图。图5是图2的数字光栅条纹投射测量几何光学原理图。
具体实施例方式
本发明的一个优选实施例结合
如下参见图1， 一种基于多孔径拼接技术的圆 柱度非接触测量方法，首先，对测量系统进行标定，随后进行图像采集及条纹图像处理，通 过控制二维图像传感器和被测圆柱体的相对运动进行重叠扫描，依次获得被测圆柱体的多个 单视角面形数据；其次，基于多孔径拼接融合技术实现多视角面形数据的精确拼接，获得整 体圆柱面形数据；进而，依据几何产品技术规范GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度 的数字化评定，并参照提出圆柱度测量面形半径误差评定指标。
具体操作方式如下i、本实施例利用多孔径拼接技术获取被测圆柱体的360 °面形信息， 通过多视角(子孔径)拼接实现测量，拼接原理图如图3所示。测量前需要根据单视角测量 的有效区域确定重叠区圆周角及单视角数目。测量过程中，CCD在完成一个视角的面形数据 采集后，相对于工件绕z轴按一定角度的转动，依次完成各视角的测量，并保证相邻视角满 足重叠区域大小。利用重叠区域面形信息求解各单视角之间的相对空间位置关系，据此以坐 标变换方式将各视角面形统一于同一坐标系下。由于多种误差因素的影响，实际运动量是名 义量与误差量的叠加。误差量可表示为向量(Ax， △;;， Az， ， ， Ay )，各分量分别
为关于三个坐标轴的移动与转动误差。因此，必须补偿检测仪器与待测表面之间相对机械运 动误差的影响，才能实现精确的圆柱面形拼接。通过几何关系分析可建立圆柱坐标系下的拼 接模型如下
「 ^
cos6> sinP0-zsin6> zcos6>o"] 4^ 一sin^/ cos^/ o -zcos^/ -zsin0/ i & / P / P 紐
0 0 1 yosin6> -/3cos^ 0」A"
其中，空间某点的坐标按照名义运动量进行坐标变换后为(A^z)，实测坐标为(p。,《,z。)， 其增量即是由误差运动引起。由于多孔径拼接技术须根据点位置坐标(即0、 z坐标)在相邻 视角重叠区内确定匹配点。由上式可以看出误差向量将会引起点匹配误差，本发明采用迭代 方法，可使点匹配误差逐次减�。敝镣耆�。
2、多视角拼接过程通过圆柱坐标下接迭代方法来实现，如图3所示，测量系统由视角l 运动到视角2，由于拼接模型中测量点的径向尺寸p对Az、 Ay的变化不敏感，故不将其计入， 误差运动分量可表示为(Ax， Ay, △ ， A/ )，这样，可以将多孔径拼接技术的原理表示为:
<1 A <3 A A A<formula>formula see original document page 8</formula>. 其中，坐标变换算子L与运动误差向量(Ar。， Ay。， A"。， AA)
构成一一映射关系。r,的求解可采用迭代方法实现，若以重叠区中坐标分量6及z相同的点 作为匹配点，则有(Al,") = nz,2).rfl。同样，7;与向量(AX6， a>v aa) 构成一一映射，通过在重叠区取若干点代入上式形成线性方程组，易求得算子r,， z^是算子 r,的近似值，可以构造以下迭代过程求解r,的精确解，该过程可描述为
<formula>formula see original document page 8</formula>
在上述迭代过程中，随着迭代次数的增加，视角2测得得面形逐渐靠近视角i的面形，
直至求解到足够精度的(Ax。， A凡，Acr。， A凡)后，对视角2面形数据进行坐标变换，实 现两相邻视角正确拼接。推广到多个视角上，即可实现整个面形的精确拼接。
3、 测量系统采用数字相移光栅投射方法获得被测圆柱单视角面形数据，当余弦光栅投射 到被测物面上后，CCD拍摄到的图像强度分布可以表示为
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，/为记录到的光强分布，aa力表示背景光强，6(ZJ)表示调制度，(K"/)是条纹位相。 本系统基于时域相位分析技术利用多歩相移法求解位相，通过DLP投影仪投射一组以 ,=/2;r/iV， (!'=0， 1…，iV-l)为相移量的光栅到被测物面上后，CCD拍摄到幅变形条纹 图像。令/,表示第/幅条纹图像强度分布
<formula>formula see original document page 8</formula>
则可计算该视角物体的位相为
<formula>formula see original document page 8</formula>
由于在求解过程中使用了 Arctangent函数，造成抽取出的相位信息被截在(-兀,兀]，所以必 须进行解包裹来回复真实的绝对相位。为此，采用变频条纹结合时域解包裹技术计算绝对位 相，即投射一系列频率不同的多组条纹图像到物体表面，以有效地提高位相解包裹操作的可 靠性。
4、 测量系统标定采用逆向标定策略来实现，标定原理如图4所示。参考面采用黑白网格 构成的标定板，将标定板沿深度方向从初始位置//=0处作多次平移，在每一已知深度位置， 投射W幅互有相移余弦数字光栅于标定板，取白方格区域的相位为有效相位，并进行整个参 考面的最小二乘拟合。依据系统几何关系图5，其中i 为参考平面，/为虚拟平面，可以推导出相位与深度的映射关系为A萍,y)-["(/j)/z(/，力]/[i+6(/j)w,y)]。参考平面移动后其相
位与初始位置相位(基准相位)之间的位相差为A^，由于每次移动量/z已知，将每次平移测 量结果代入上式，即可获得系统特征参数a和6。因此，在计算物面深度时，只需求出待测 点的相位分布A^(/,力就可以算出/2(/,力，A即为深度方向z值的大小。将黑白网格的角点作 为控制点，可以进行摄像机横向标定。由此，数字光栅条纹投射一次就实现了深度——相位 和图像像素——横向坐标的标定。
5、 测量系统误差分析，系统主要受到噪声、CCD摄像机畸变、数字投影仪非线性因素的 影响。由于采用了多步相移的方法求解位相，本系统噪声的影响可以有效地抑制。本发明中 对参考面的横向坐标进行了成像误差补偿，以消除CCD摄像机畸变的影响。对于数字投影仪 的非线性，采用统计分析的方法从条纹图的标准化累积直方图中计算出gamma值，实现非线 性校正。实际上，被测物体通常是在投射中心区域，因此，CCD摄像机的畸变及投射条纹非 线性的影响均可以得到有效抑制。
6、 对本发明获得的圆柱体面型数据，既可采用GPS标准规范的操作算子(分离、提取、 拟合、滤波估值)，给出圆柱度最小区域法(MZC)、最小外接柱法(MCC)、最大内切柱法
(MIC)、最小二乘法(LSM)四种评定结果。同时，又可用本发明提出的评价指标，如半径 误差的PV值、RMS值、C-map (误差分布等高图)、以及表面功率谱密度等予以评定。
参见图2，本基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，包括数字光栅条纹投射系 统、图像采集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统，这些系统通过计算机9连接成一个自 动的圆柱度非接触式测量系统。数字光栅条纹投射系统由所述计算机9连接一个数字投影装 置DLP4构成；计算机9实时绘制模拟的余弦光栅条纹，通过数字投影装置DLP4将其投射 到待测物面，光栅节距和条纹频率能够任意改变，以适应直径不同的被测零件。图像采集系 统由一个含光学镜头的CCD 3连接一个图像采集卡6和一个监视器7组成，所述图像采集卡 6连接所述计算机9;采集到的图像以二进制数据文件形式存储于计算机9。多视角重叠扫描 机构及控制系统是由设置所述CCD 3和DLP投影仪4的一个传感器架5及一个载物台2 构成多视角重叠扫描机构，所述传感器架5和载物台2通过一个驱动控制器12和一个可编程 控制器PLC 10连接所述计算机9和一个人机界面11;传感器架5的调整以及载物台2的平 动和旋转由计算机9通过可编程控制器PLC 10和驱动控制器12自动控制，同时，各项控制 的手动操作可以直接通过人机界面11触摸屏进行。
权利要求
1. 一种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于首先对测量系统进行标定，随后进行图像采集及条纹图像处理，通过控制二维图像传感器和被测圆柱体的相对运动进行重叠扫描，依次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据；其次，基于多孔径拼接融合技术实现多视角面形数据的精确拼接，获得整体圆柱面形数据；进而，依据几何产品技术规范GPS关键技术设计检验操作算子实现圆柱度的数字化评定，并参照提出圆柱度测量面形半径误差评定指标。
2. 根据权利要求1所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于所述获 得被测圆柱体的多个单视角面形数据的方式是通过数字光栅条纹投射测量方法来实现，利 用面阵CCD图像传感器(3)采集投射到物体上的条纹图像，经过位相求解操作得到包含 物体三维信息的绝对位相，从而依据测量系统的标定参数获得单视角的空间三维面形数 据。
3. 根据权利要求1所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于所述依 次获得被测圆柱体的多个单视角面形数据是利用多视角重叠扫描原理，通过分析被测圆柱 体几何特征确定相邻视角重叠区域的大小及视角数目，控制载物台(2)按照确定的角度 旋转，依次完成传感器与被测圆柱间的相对运动，从而实现各个单视角的测量。
4. 根据权利要求1所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于所述获 得整体圆柱面形数据利用多孔径拼接技术实现，即利用相邻视角重叠区面形信息建立相对 空间位置关系，通过坐标变换将各个单视角三维面形统一于同一坐标系下，从而获得最终 的整个圆柱面数据，其关键在于依据拼接数学模型进行误差求解与坐标变换的迭代操作。
5. —种基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，应用于权利要求1所述的基于多孔径 拼接技术的圆柱度非接触测量方法，其特征在于包括数字光栅条纹投射系统、图像采集系 统、多视角重叠扫描机构及控制系统，这些系统通过计算机(9)连接成一个自动的圆柱 度非接触式测量系统。
6. 根据权利要求5所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，其特征在于所述数 字光栅条纹投射系统由所述计算机(9)连接一个数字投影装置DLP (4)构成；计算机(9) 实时绘制模拟的余弦光栅条纹，通过数字投影装置DLP (4)将其投射到待测物面，光栅 节距和条纹频率能够任意改变，以适应直径不同的被测零件。
7. 根据权利要求5所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，其特征在于所述图 像采集系统由一个含光学镜头的CCD (3)连接一个图像采集卡(6)和一个监视器(7) 组成，所述图像采集卡(6)连接所述计算机(9);采集到的图像以二进制数据文件形式存储于计算机(9)。
8.根据权利要求5所述的基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触测量系统，其特征在于所述多 视角重叠扫描机构及控制系统是由设置所述CCD (3)和DLP投影仪(4)的一个传感器 架(5)及一个载物台(2)构成多视角重叠扫描机构，所述传感器架(5)和载物台(2) 通过一个驱动控制器(12)和一个可编程控制器PLC (10)连接所述计算机(9)和一个 人机界面(11);传感器架(5)的调整以及载物台(2)的平动和旋转由计算机(9)通过 可编程控制器PLC (10)和驱动控制器(12)自动控制，同时，各项控制的手动操作可以 直接通过人机界面(11)触摸屏进行。
全文摘要
本发明涉及一种基于多孔径拼接技术的非接触圆柱度测量方法和系统。该系统主要由数字光栅投射系统、图像采集系统、多视角重叠扫描机构及控制系统、计算机软件处理系统组成。测量首先对系统进行深度和横向标定，然后，通过多视角重叠扫描机构进行被测圆柱各个视角的条纹图像采集，经过图像处理后，获得各视角三维数据。对各视角三维数据利用多孔径拼接技术实现完整的圆柱面形拼接，从而依据GPS(几何产品技术规范)实现圆柱度精确评定。该系统可以实现基于多孔径拼接技术的圆柱度非接触式测量和评定，有效地解决了目前圆柱度测量存在的采样点不足、评定结果不统一等问题。测量系统能够达到较高的测量精度，且具有较好的重复性。
文档编号G01B11/25GK101419063SQ20081020197
公开日2009年4月29日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者于瀛洁, 周文静, 鹏 郑, 郭红卫, 陈明仪 申请人:上海大学
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