[發明專利]基于結構光視覺的軸類零件徑向跳動誤差在線測量方法

在審

• 申請號: 201710532513.0
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107101582A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 譚慶昌;包昊菁;張雅超;劉思遠;柴博森;周曉東
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 王怡敏

技術領域

本發明涉及機器視覺測量技術領域，特別涉及一種基于結構光視覺的軸類零件徑向跳動誤差在線測量方法。

背景技術

形位誤差影響零件之間的配合性質，進而影響機器的密封性、運動平穩性、耐磨性能等，而跳動公差作為形位公差的一項綜合指標，部分測量場合可同時控制圓度誤差及同軸度誤差。軸類零件跳動誤差超過允許值易引起機器振動，產生噪音，相比尺寸誤差測量技術，跳動誤差的測量仍是機械測量領域中的一個薄弱環節。

傳統上，跳動誤差測量主要是接觸式方法。如V型塊測量法、偏擺儀測量法、三坐標機測量法、圓度儀測量法等，然而，對于超大型軸類零件跳動誤差的測量，若采用人工檢測比較費時，采用三坐標測量機檢測裝卡變得復雜，所以效率不高。對于長徑比大于2的軸類零件，無論人工檢測還是機器自動檢測，接觸式測量對采點位置的分布及數量的多少要求較高。目前非接觸檢測有激光位移傳感器測量法和高精度CCD測微計法等。然而，利用激光位移傳感器時，觸頭的安裝必須垂直于基準軸線，而高精度CCD測微計測量時，如果待測截面既存在偏心誤差又存在圓度誤差，則測量值并不等于真實的跳度誤差，故這兩種方式都有限制的應用范圍。

從安全性考慮，因為觸頭的封閉接觸，極易損壞某些對表面有特殊要求的鍍層零件；另外，高速測量環境不適合接觸式測量方式。亟待改進。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于結構光視覺的軸類零件徑向跳動誤差在線測量方法，解決了現有傳統檢測方法和目前非接觸測量方法存在的上述問題，開發了跳動誤差在線檢測算法。基于結構光視覺測量技術和相機標定技術，提出了標定過程中圓形初始化窗口計算初始值的方法，利用模板匹配實現光條中心的快速提取，以及徑向跳動誤差測量模型的建立。計算模型考慮了鏡頭畸變且放松了相機和待測零件的位置約束，提高了測量精度。另外，本發明同時可以實現全跳動誤差的在線測量。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

基于結構光視覺的軸類零件徑向跳動誤差在線測量方法，結合相機標定技術和結構光視覺測量技術，建立跳動誤差的測量模型；通過圖像特征提取技術實現光條中心坐標、角點坐標等有效數據點的獲取，包括以下步驟：

1)標定相機參數及鏡頭畸變系數；

2)計算光刀平面方程；

3)計算空間基準方程；

4)計算徑向跳動誤差。

步驟1)中所述的標定相機參數及鏡頭畸變系數，是基于改進的張正友兩步標定算法，利用精度為1μm的標定板圖像在不同姿態下圖像角點坐標和其對應的Z＝0世界坐標之間的關系，標定出相機內參數和鏡頭的畸變系數，具體步驟如下：

1.1)利用工業相機采集9-12幅不同姿態下的標定板圖像；

1.2)利用改進的Bouguet工具箱檢測圖像特定圓形區域的角點亞像素坐標；

1.3)利用角點亞像素坐標和對應的世界坐標求解相機內參、相對于不同標定板位姿的相機外參及鏡頭畸變系數的初始值；

1.4)利用改進的Bouguet工具箱檢測圖像所有角點亞像素坐標；

1.5)根據非線性標定模型和步驟1.3)計算的初始值，利用Levenberg-Marquardt(L-M)優化算法對相機內參、鏡頭畸變系數、不同姿態下標定板外參優化求解。

步驟2)中所述的計算光刀平面方程，具體步驟如下：

2.1)采集6-8幅不同姿態下帶有結構光光條的標定板共面標靶圖像；

2.2)利用改進的Bouguet工具箱檢測共面標靶圖像所有角點亞像素坐標，利用已經求解的相機內參、鏡頭畸變系數計算不同姿態下的共面標靶外參；

2.3)建立光條模板圖像，對步驟2.1)采集的共面標靶圖像進行匹配，然后對匹配后的圖像進行光條中心提取；

2.4)利用步驟2.2)和步驟2.3)的結果得到光條中心的三維空間坐標，利用最小二乘擬合算法擬合光平面方程。

步驟3)中所述的計算空間基準方程，具體步驟如下：

3.1)利用夾具夾持標定板，保證軸線所在平面和標定板正面共面；

3.2)利用夾具將標定板置于光學分度頭上，旋轉標定板置于不同姿態，3-6個位置，拍攝圖像并保存；

3.3)計算不同姿態下的標定板平面方程，利用光平面方程計算空間基準軸線方程。

步驟4)中所述的計算徑向跳動誤差，具體步驟如下：

4.1)將待測軸安裝到測量平臺上，安裝相機和激光傳感器，標定相機參數、鏡頭畸變系數、光平面方程和空間基準軸線方程；