专利名称：一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种薄片零件的轮廓检测，尤其是涉及一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头。
背景技术：
薄片零件在计算机硬盘、机械式精密钟表、精密光电仪器等领域有广泛的应用。轮廓尺寸检测是控制薄片零件质量，保证薄片零件实现预定功能的重要手段。目前薄片零件轮廓尺寸检测主要有三种方式(I)专用量具手工检测法测量人员使用专用的尺、规等量具对薄片零件上的局部 尺寸进行测量。(2)三坐标测量机接触式检测手动控制三坐标测量机，以接触式测量方式，对薄片零件的轮廓进行逐点测量。(3)机器视觉影像检测使用(XD、CMOS照相机获取薄片零件的轮廓图像，通过图像处理获取薄片零件的数字化轮廓信息。该方法主要有两种方式①整体轮廓一次成像，即选择合适的镜头，使被测零件的整体轮廓都能显示在照相机的视野内，通过一次拍摄获取整体轮廓图像；②局部影像跟踪，即选择相对放大倍率大的镜头，然后摄取并实时提取照相机视野内显示的被测零件的局部轮廓，接着根据实时获取的数字化轮廓预测下一个拍摄点，然后移动照相机到下一个拍摄点，如此循环工作，直至完成被测零件整个轮廓的测量。上述方法中，方法(I)设备简单，但受测量人员主观性影响大、效率低下、测量精度低，且只能获得被测零件上的局部尺寸。方法(2)以三坐标测量机为测量平台，测量精度比方法(I)明显提高，测量灵活性增强，但接触式测量中存在的接触力可能引起薄片零件变形而产生测量误差，且为逐点测量方式，不能获取轮廓上完整的尺寸信息。方法(3)采用非接触式视觉测量方式，测量速度快，且可以获取被测零件的整体轮廓信息，但方法(3)也存在一些问题整体轮廓一次成像要求被测零件的整个轮廓都能显示在照相机视野内，所以需采用相对低倍的镜头，测量结果可能不满足精度要求。局部影像跟踪法采用相对高倍的镜头，但照相机视野缩�。丛勇掷倏赡苁В灰蛭挥姓迓掷畔⒅傅迹糠致掷赡艹鱿指僖怕┑那榭�。
发明内容针对现有薄片零件轮廓机器视觉影像检测方法的不足，本实用新型的目的是提供一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头。先使用低倍镜头获取薄片零件的整体轮廓，利用零件整体轮廓信息为高倍镜头二次测量规划测量路径，实现薄片零件轮廓高精度自动检测。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一、一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头CCD照相机安装在直角基座侧面，CCD照相机的镜头与直角基座底面的照相机观测孔对齐；镜头转换器通过轴承安装在直角基座下底面上；镜头转换器是一个圆盘形齿轮，其上有三个等圆周分布的镜头安装孔，镜头安装孔上分别安装有照相机第一镜头、第二镜头和第三镜头；电机安装在直角基座底面的电机安装孔中，电机的输出端装有小齿轮，该小齿轮与镜头转换器外圆周上的轮齿相互啮合；直角基座侧面与连接块的一侧固定；连接块的另一侧与磁力底盘的一侧固定，磁力底盘固定在三坐标测量机Z轴的测头座上，整个直角基座通过磁力底盘能在测头座上实现装卸。所述的直角基座，其材质为铝合金。所述的连接块，其材质为铁。一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法的步骤为(I)根据被测薄片零件的形状、尺寸和测量精度要求，选择三个照相机镜头第一镜头、第二镜头、第三镜头，然后将这三个镜头安装在镜头转换器上，这三个镜头的放大倍数关系为第一镜头<第二镜头<第三镜头；(2)开启电机，转动镜头转换器，将第一镜头转换至工作位置；然后移动测头装置， 使第一镜头对准测量基台上的基准标志，接着由自动对焦�？槭迪肿远越梗越雇瓿珊蟛饬炕╖轴在竖直方向上的自由度，然后由标定�？槿范ㄕ障嗷枷褡晗涤牖甲晗档淖还叵担北甓？槿范ǖ谝痪低返姆糯蟊妒蛔詈蠼徊獗∑慵椒胖迷诓饬炕ㄉ希谝痪低范宰急徊獗∑慵障嗷闳”徊獗∑慵娜巴枷瘢�(3)由图像处理�？槎员∑慵娜巴枷窠写恚崛”∑慵恼迓掷缓笠员∑慵恼迓掷。婊暾亩尾饬柯肪叮�(4)开启电机，转动镜头转换器，使第二镜头或第三镜头转换至工作位置，然后移动测头装置，使第二镜头或第三镜头对准基台上的基准标志，接着先由自动对焦�？槭迪肿远越梗缓笥杀甓？槿范ㄊ褂玫诙低坊虻谌低肥闭障嗷枷褡晗涤牖甲晗档淖还叵担北甓？槿范ǖ诙低坊虻谌低返姆糯蟊妒唤幼虐床街�(3)提供的测量路径逐步移动测头装置并拍摄薄片零件的局部轮廓图像，直至完整地走完测量路径;(5)由图像处理�？槎远尾饬炕竦玫耐枷窠衅唇樱缓筇崛∑唇油枷裰斜∑慵恼迓掷阉魑詈蟮牟饬拷峁Ｋ龅牟饬炕ㄊ且桓龇叫未罄硎实钠教ǎ教ǖ淖笊辖怯辛礁霭咨恼叫窝囟越窍叻较蛄樱饬礁稣叫挝急曛荆礁稣叫蔚牧拥阄饬炕甲晗翟悖换急曛镜挠冶吲帕凶攀霰叱ぶ鸾ピ龃笄冶叱こ叽缫阎陌咨叫危低贩糯笙凳慰急曛�。所述的由自动对焦�？槭迪肿远越梗涫迪址椒ㄎ哉障嗷裢枷竦腂renner函数作为清晰度评价函数，控制三坐标测量机的Z轴在竖直方向上下移动以调整照相机物距，直至Brenner函数达到极大值。所述的由标定�？槿范ㄕ障嗷枷褡晗涤氩饬炕甲晗档淖还叵担涫迪址椒ㄎ烧障嗷闳』急曛就枷瘢奔锹即耸比瓴饬炕庹こ咦晗档淖曛�(XMC，yMC)，然后提取所获基准标志图像中测量基准坐标系原点在图像坐标系中的坐标值(uc，V。)，同时确定测量基准坐标系原点在照相机传感器测量坐标系中的坐标值(xsc，ysc),最后根据(XM。，yMC) > (U。，V。)、(Xsc，Ysc)的关系确定照相机图像坐标系与测量基准坐标系的转换关系。[0021]所述的标定模块确定第一镜头的放大倍数，实现方法为在测量基台上选择一个镜头放大系数参考标志，然后移动测头装置使第一镜头对准被选择的参考标志并摄取该标志图像，然后提取图像中的正方形，并计算图像坐标系下正方形的边长，最后取该正方形在图像坐标系中的边长与实际边长的比值，此比值即为镜头的放大倍数。所述的对薄片零件的全景图像进行处理，处理内容包括用边缘保持滤波器Kuwahara滤波器对图像进行滤波；然后基于图像灰度对图像进行二值化；最后用Steger图像边缘检测算法提取轮廓线。本实用新型具有的有益效果是( I)以大视野低精度影像指导小视野高精度影像测量，实现薄片零件复杂轮廓自动化精密检测。(2)利用三坐标测量机精确的空间定位能力实现照相机自动对焦与二次测量路径自动化精确跟踪。 (3)装置结构简易，路径规划算法简单，易于实现。
图I是基于影像复合法的测头装置结构示意图。图2是基于影像复合法的测头装置配件装配关系示意图。图3是基台形貌示意图。图4是测量系统坐标转换过程示意图。图5是被测薄片零件形貌示意图。图6是被测薄片零件全景轮廓示意图。图7是二次测量路径过程示意图。图8是二次测量路径规划结果示意图。图9是最终获得的数字化轮廓示意图。图中I、C⑶照相机，2、直角基座，3、连接块，4、磁力底盘，5、三坐标测量机Z轴，6、磁力开关，7、测头座，8、电机，9、小齿轮，10、镜头转换器，11、第三镜头，12、第二镜头，13、第一镜头，14、镜头安装孔；15、轴承安装孔；16、电机安装孔，17、照相机观测孔，18轴承。
具体实施方式
本实用新型针对薄片零件轮廓检测，所使用的测头装置结构及测头装置中配件的装配关系分别如图I、图2所示，具体结构描述如下CXD照相机I通过螺钉安装在直角基座2侧面，CXD照相机I的镜头与直角基座2底面的照相机观测孔17对齐；镜头转换器10通过轴承18安装在直角基座下底面2上，其中轴承18安装在直角基座2的轴承安装孔15中；镜头转换器10是一个圆盘形齿轮，其上有三个等圆周分布的镜头安装孔14，镜头安装孔14上分别安装有照相机第一镜头13、第二镜头12和第三镜头11 ;电机8安装在直角基座2底面的电机安装孔16中，电机8的输出端装有小齿轮9，该小齿轮9与镜头转换器10外圆周上的轮齿相互啮合；直角基座2侧面通过螺钉与连接块3的一侧固定；连接块3的另一侧与磁力底盘4的一侧固定，磁力底盘4通过螺钉固定在三坐标测量机Z轴5的测头座7上，整个直角基座2通过磁力底盘4能在测头座7上实现装卸。电机8安装在直角基座2上的电机安装孔16中，电机8的输出端装有小齿轮9，该小齿轮9上的轮齿与镜头转换器10外圆周上的轮齿相互啮合。小齿轮9的转动可以带动镜头转换器10转动，从而实现照相机第一镜头13、第二镜头12和第三镜头11的自动更换。整个直角基座2通过螺钉与连接块3的一个侧面固定，连接块3的另一个侧面上有三个外凸的半球形定位标志。磁力底盘4通过螺钉固定在三坐标测量机Z轴5的测头座7上，磁力底盘4的侧面上有三个内凹槽，这三个内凹槽的空间分布与连接块3侧面上的三个外凸半球对应。磁力底盘4上有一个磁力开关6，当该磁力开关6打开时，连接块3与磁力底盘4发生吸引，整个直角基座2被固定在测头座7上；当该磁力开关6关闭时，连接块3与磁力底盘4之间的磁吸引力消失，整个直角基座2可以从测头座7上卸载。所以通过磁力底盘4可以方便地实现整个直角基座2在测头座7上的装卸。上述部件中，直角基座2、镜头
转换器10的材质采用铝合金，主要是为了减轻测头装置的重量从而减轻三坐标测量机Z轴5的负担；连接块3采用铁质材料，是为了配合磁力底盘4实现装卸功能。测量过程中，薄片零件将放置在测量基台上，测量基台的形貌如图3所示，其中图3(a)是测量基台的三维形状示意图，图3(b)是测量基台的俯视图。测量基台是一个黑色大理石材质的方形平台，如图3(b)所示，平台的左上角有两个白色的正方形沿对角线方向连接，这两个正方形为基准标志，这两个正方形的连接点为测量基准坐标系原点。基准标志的右边排列着十个边长逐渐增大且边长尺寸已知的白色正方形，这十个正方形为镜头放大系数参考标志。基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法实现主要包括五个步骤，具体实施方法说明如下一、测头装置准备首先将测量基台放置在三坐标测量机测量台的正中位置，然后根据被测薄片零件的形状、大小和测量精度要求，选择三个合适的照相机镜头第一镜头13、第二镜头12、第三镜头11，并将这三个镜头安装在镜头转换器上，假设这三个镜头的放大倍数关系为 第一镜头13 <第二镜头12 <第三镜头11。接着将整个测头装置安装到三坐标测量机Z轴的测头座上，并打开测头座上的磁力开关，固定测头装置；最后将照相机、电机的信号线与测头座上的信号接口连接。二、全景图像获取开启电机，转动镜头转换器，将第一镜头13转换至工作位置；然后通过控制三坐标测量机Z轴移动测头装置，使第一镜头13对准测量基台上的基准标志，接着由自动对焦�？槭迪肿远越�。自动对焦�？槭迪肿远越狗椒ㄎ障嗷裢枷竦腂renner函数值F作为清晰度评价指标，测量系统自动控制三坐标测量机Z轴向下运动直到Brenner函数达到预值Qtl，这时第一镜头13靠近基准标志；然后测量系统自动控制三坐标测量机Z轴向上运动，F值逐渐增大；iF值由逐渐增大变为逐渐减小时，Z轴停止向上运动；然后测量系统自动控制三坐标测量机Z轴向下运动，如此反复，直至F达到极大值，第一镜头13即完成自动对焦。自动对焦过程主要利用了三坐标测量机精确的空间定位能力，当Z轴在竖直方向上移动时，第一镜头13的物距发生变化，从而图像的清晰度发生变化，相应的Brenner函数值发生变化，当搜索到了 Brenner函数值的极大值时，第一镜头13即完成自动对焦。使用基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法时涉及多个测量镜头，测量过程中应该将各个镜头的测量结果统一转换到基准坐标系下，以便于数据处理。以第一镜头13为例，坐标系转换过程如下所述。( I)建立坐标系首先建立如图4所示的三个坐标系。①机器坐标系oMxMyMzM，以CMM在初始状态下，照相机的光学中心Os为所在位置为原点，三个坐标轴分别与测量机的三个导轨方向一致。且此时的光栅尺位置将作为光栅尺读数的相对零位；②传感器测量坐标系osxsyszs,以照相机的光学中心Os为原点,Zs轴与镜头的光轴 一致，与像平面交于点O, OsXs与oMxM平行且方向相同，osys与oMyM平行且方向相反，OsZs与0MZM平行且方向相反，OsO为照相机的焦距f ；③测量基准坐标系oxyz，以测量基台上基准标志中心为原点，三个坐标轴分别与机器坐标系平行且方向一致。(2)照相机数学模型照相机数学模型如图4所示，模型中两个坐标系的含义为①OpUV是以像素表示的图像坐标系，以图像的左上角为原点oP，以两相邻边为U、V轴建立。该坐标系以像素为单位，像素的坐标值(U，V)表示该像素在图像阵列中的列数与行数；②OXY是以长度单位(如mm)表示的图像坐标系，以镜头光轴与像平面的交点O为原点，O在OpUv下的坐标为(u0，v0)，OX、OY轴分别平行于U、V轴，且方向一致。设P(xs，ys，zs)为传感器坐标系下一点，P在像平面上的像点为G (u，V)或M(X，Y)，其中G(u，V)为P在OpUv中的像点，M(X，Y)为P在OXY中的像点。设每个像素在X、Y轴方向上的物理尺寸分别为dx，dY，为已知值，则G (U，V)与M(X，Y)的关系如下
[A = (u-u0)cixi(I)
1f = (v-v0wy由图4可得，M(X，Y)与P(xs，ys，zs)之间存在如下关系
\X = fk、丨.ζκ彳s s (2)由式(I)、⑵可得
(w- o￥x<(3)
I f(3)坐标系转换因为影像测量只涉及平面二维坐标，所以这里只讨论二维坐标系转换问题，坐标系转换的顺序为osxsys — oMxMyM — oxy,其中osxsys — oMxMyM的转换关系可以表示为[0066]xM =R1 Xs +T1(4)
L 少S」式中，Rp T1为osxsys相对oMxMyM的旋转矩阵与平移矩阵，由图4可知， _1 O"
R\=; T1表示Os在oMxMyM中的位置,其值由各轴上的光栅尺读数给出，设Kxjh,
O — I
yMi)T ^R1J1、式⑶分别代入式⑷可得
xM 10 Xs Xm Xm + Zs (u-u0 )dx / f=· + =(5)
_3;mJ L0 -1JUd L-^MdoMxMyM — oxy的转换关系可以表示为
XI ΓχΜ= R1 ·+ Tj(6)
W - L^mJ -
'I 0_式中，R2、T2SoMxMyM相对oxy的旋转矩阵与平移矩阵。如图4可知，i 2= ι ;
T2表示oM在oxy中的位置，其值可以通过如下方法获得完成对焦后测量系统摄取基准标志图像，设此时光栅尺读数为(xMC，yK)，提取图像中基准标志原点的坐标ο (uD vc)，然后将O (uc, vc)代入式(3)得 ο 在 osxsys 下的二维坐标值(xsc, ysc)为(zs (uc-u0) dx/f, zs (vc~v0)dY/f),将(zs (uc-u0) dx/f, zs (vc-v0) dY/f)代入式(5)得 o 在 oMxMyM 下的二维坐标值为(xmc+zs (uc_uci) dx/f，Ymc-zS (vc_vo) dY/f) 则 T2-(_xMC_zs (uc_uQ) dx/f，_yMC+zs (vc_vQ) dY/f);将R2、T2代入式(6)可得
工 10 Xm —Xmc — Zs(Wc-W0)Jx//" Xm — Xmc — Zs (wc-W0 )c/x / /
=· +=(7)
_y _ _0 1_ _^M_ _ _^MC +ZS (VC _V0 Y1 M — 3；MC +zS (VC _V0 )^Y 丨 f _式(5)代入式(7)得
XXMi + ZS (U~U0 )^X If — XMC — ZS (WC "W0、I f/QN=(8)
J」L - Zs (V-V0 )d.Yi f~ Jmc +Zs (vc -V0 ) / / _因为当测头装置完成对焦后测量机竖直方向上的自由度被锁定，即zs、f的值都保持不变，所以式⑶*zs/f为常数。由式⑶可知，zs/f即为第一镜头13的放大倍数，设SK1，代入式⑶得(公式(9)中K加了下标I)
XxMi _ xMC + K^dx (U -Uc)=(9)
_yj L少M厂-KldY(v-vc)_通过式(9)便可以把测量结果从图像坐标系统一转换到基准坐标系下。其中放大倍数K1的确定方法如下所述。使第一镜头13在放大系数参考标志上方移动，选择一个大小合适的放大系数参考标志，使该标志能完整地出现在第一镜头13的视野内，摄取该标志图像，并提取标志边界。设所选参考标志的实际边长为h,在图像坐标系OpUv中,在OpU方向上标志所占像素数目为m，在OpV方向上所占像素数据为η，则在OXY中的OX方向上边长为mdx，OY方向上边长为ndY，则
权利要求1.一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头，其特征在于CCD照相机(I)安装在直角基座(2)侧面，CCD照相机(I)的镜头与直角基座(2)底面的照相机观测孔(17)对齐；镜头转换器(10)通过轴承(18)安装在直角基座下底面(2)上；镜头转换器(10)是一个圆盘形齿轮，其上有三个等圆周分布的镜头安装孔(14)，镜头安装孔(14)上分别安装有照相机第一镜头(13)、第二镜头(12)和第三镜头(11);电机(8)安装在直角基座(2)底面的电机安装孔(16)中，电机⑶的输出端装有小齿轮(9)，该小齿轮(9)与镜头转换器(10)外圆周上的轮齿相互啮合；直角基座(2)侧面与连接块(3)的一侧固定；连接块(3)的另一侧与磁力底盘(4)的一侧固定，磁力底盘(4)固定在三坐标测量机Z轴(5)的测头座(7)上，整个直角基座(2)通过磁力底盘(4)能在测头座(7)上实现装卸。
2.根据权利要求I所述的一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头，其特征在于所述的直角基座(2)，其材质为铝合金。
3.根据权利要求I所述的一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头，其特征在于所述的连接块(3)，其材质为铁。
专利摘要本实用新型公开了一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头。将镜头转换器和CCD照相机安装在直角基座上，镜头转换器通过电机实现旋转定位，直角基座通过连接块和磁力底盘安装在三坐标测量机的Z轴上。测量过程中将放大倍数不同的三个照相机镜头安装在镜头转换器上，先将低倍镜头转换至工作位置，由CCD照相机获取薄片零件的全景图像，并提取零件轮廓；然后由路径规划�？楦萘慵迓掷植记榭龉婊尾饬柯肪叮唤幼沤弑毒低纷恢凉ぷ魑恢茫蒀CD照相机按二次测量路径对薄片零件的轮廓分区域进行精确测量；最后以二次测量获得的数据作为最终的检测结果。本实用新型装置结构简单，能实现复杂形状薄片零件的自动化检测。
文档编号G01B11/24GK202582507SQ20122022654
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者卢科青, 王文, 陆军华, 韦东波, 陈子辰 申请人:浙江大学, 杭州博洋科技有限公司
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