基于視覺成像的可變直徑孔型參數(shù)高精度測量方法

葛志靜

(寶武裝備智能科技有限公司上海金藝檢測技術(shù)有限公司,上海 201900)

機器視覺檢測與測量技術(shù)具有非接觸、效率高、檢測一致性高等優(yōu)點,在工業(yè)自動化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[1-3],該技術(shù)的推廣和應(yīng)用也是目前企業(yè)智慧化的重要支撐手段。

針對可變孔型或者較大尺寸孔型的參數(shù)測量,單個圖像傳感器的視野覆蓋整個區(qū)域時,圖像分辨率較低,難以實現(xiàn)較高精度的測量,縮減相機視野提高測量精度,又無法兼顧較大區(qū)域的測量。

本文設(shè)計一種視覺成像測量方法,采用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動直線運動導(dǎo)軌,完成圓周旋轉(zhuǎn)和半徑變化的運動,圖像傳感器裝在直線導(dǎo)軌上獲取孔型輪廓信息。本方案組合機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)和圖像檢測的輪廓完成最終結(jié)果的計算,針對不同尺寸的標(biāo)定孔進行測試和驗證表明,該方法檢測有效,能夠完成測量,滿足精度要求。

1 系統(tǒng)原理及實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本測量系統(tǒng)的核心原理是采用遠心鏡頭背光成像的方法獲得孔型圓周方向多張圖像,在圖像中精確查找孔型邊界,再利用圖像分析和數(shù)據(jù)擬合的方法最后獲得孔型參數(shù)計算結(jié)果。系統(tǒng)主要分為機器視覺測量和機械運動兩個模塊。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

機器視覺模塊主要實現(xiàn)圖像采集、數(shù)據(jù)分析的功能,由圖像傳感器、鏡頭和光源組成。為了獲得更好成像效果,采用了平行光背光成像方法,光源選用平行光光源,相機選用遠心鏡頭。待測孔型置于相機和光源之間,光源發(fā)出的平行光束一部分被遮擋,剩余的光線進入相機的視野,相機就可以捕捉到遮擋區(qū)域位置的圖像,即跟蹤孔型邊界的位置。選用遠心鏡頭的目的是使相機只接收光源的平行光,減少環(huán)境光的干擾,相機成像能夠更清晰地捕捉孔型邊界。

視覺檢測模塊每完成1個點數(shù)據(jù)的測量,機械模塊則輔助完成圓周方向上多個點的測量。機械測量模塊主要由旋轉(zhuǎn)主軸和直線導(dǎo)軌組成,旋轉(zhuǎn)主軸和導(dǎo)軌定制加工,分別配置旋轉(zhuǎn)光柵和線光柵,跟蹤角度變化和旋轉(zhuǎn)半徑變化。

測量時直線導(dǎo)軌將圖像傳感器運送至預(yù)估的測量半徑位置。旋轉(zhuǎn)主軸開始旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)時圖像傳感器以旋轉(zhuǎn)速度同步采集圖像,每張圖像可以解析出1個孔型邊界空間點的位置,包括旋轉(zhuǎn)半徑值d1、旋轉(zhuǎn)角度R和圖像邊界位置d2,主軸旋轉(zhuǎn)1周連續(xù)獲得多個邊界點的空間位置,通過數(shù)據(jù)分析得到最終的孔型輪廓參數(shù)。

1.2 視覺測量模塊設(shè)計

視覺測量模塊主要由光源、相機及鏡頭組成。測試選用500萬(2 592×2 048)像素面陣相機,像元尺寸為4.8 μm×4.8 μm,感光器件尺寸1英寸(1英寸=0.025 4 m)。相機鏡頭選用物方遠心鏡頭,如圖2所示。為了與相機適配,選用50 mm口徑鏡頭,成像視野達到直徑16.2 mm,大于相機感光器件尺寸;鏡頭放大倍數(shù)為0.9,則可計算成像分辨率為5.3 μm。

圖2 遠心鏡頭(單位:mm)

如圖3所示,光源選用大口徑平行光光源。LED點光源經(jīng)過光源擴束器的放大作用變成直徑280 mm的平行光光源。

圖3 平行光光源(單位:mm)

視覺檢測模塊的核心器件選型及參數(shù)如表1所示。

表1 檢測模塊器件選型及參數(shù)

1.3 機械運動模塊設(shè)計

根據(jù)測量原理,主軸和直線導(dǎo)軌的精度直接影響測量結(jié)果的精度,以兩者定位旋轉(zhuǎn)半徑的尺寸作為測量基準(zhǔn),機械旋轉(zhuǎn)半徑的精度誤差直接傳遞至最終測量結(jié)果上面。為此定制開發(fā)了密珠滾動軸系,即采用高精度的鋼珠(圓度誤差0.1 μm)作為轉(zhuǎn)動的介質(zhì),實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)主軸高精度控制。

在機械模塊組件選用高穩(wěn)定性器件的基礎(chǔ)上,設(shè)計高精度閉環(huán)控制是影響精度的另外一個因素。為旋轉(zhuǎn)運動加載高精度旋轉(zhuǎn)光柵尺(海德漢EPN180 3600 01-03),如圖4所示;為直線運動加載高精度直線光柵尺(RGH24Y30D30A),如圖5所示。二者分別提高了旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)半徑基準(zhǔn)尺寸精度。

圖4 旋轉(zhuǎn)光柵傳感器

圖5 長光柵傳感器

1.4 精度分析

本測量系統(tǒng)的測量精度取決于各個組成模塊的組合精度,根據(jù)設(shè)備選型,旋轉(zhuǎn)主軸周向跳動精度為2 μm,長光柵示值誤差為2 μm;視覺測量模塊中圖像采集和處理按兩個像素精度計算,邊界定位精度為10.6 μm。

測量誤差E1=(22+22+10.62)1/2=10.97 μm,則合計最大誤差為10.97 μm。

2 測試與驗證

2.1 數(shù)據(jù)模擬

針對成像測量原理進行算法驗證和模擬。以1張圓孔圖像為背景,見圖6(a),設(shè)定1個小的矩形,該矩形以固定圓心和半徑旋轉(zhuǎn),掃描軌跡形成1個圓環(huán),調(diào)整圓心和半徑,使圓環(huán)覆蓋圖形中的圓形輪廓,即每個小矩形能夠覆蓋圓孔邊界的圖像,見圖6(b)。按照旋轉(zhuǎn)角度,依次取得矩形區(qū)域在大圖中對應(yīng)的區(qū)域子圖序列,見圖6(c),子圖序列與角度相關(guān)。以子圖序列為計算依據(jù),利用角度信息與圖像中的邊界信息進行復(fù)原,還原原始圖像中的圓形輪廓。

圖6 測試圖像及截圖的子圖

如圖7所示,在二維空間坐標(biāo)系XOY中,獲得相機成像區(qū)域,O點為旋轉(zhuǎn)中心,Ci(i=0～360)定義為圖像中心,OCi距離為相機旋轉(zhuǎn)半徑R,相機旋轉(zhuǎn)角度為θ;圖像中CiPi為邊界點到圖像中心的距離di,根據(jù)上述定義,可以得到Pi點在二維空間坐標(biāo)系的數(shù)值,見式(1)。

圖7 圖像坐標(biāo)系定義

(1)

獲得圓周上1組點的數(shù)據(jù)Pi(x,y),進行圓周數(shù)據(jù)擬合,即可以獲得圓心數(shù)據(jù)和圓半徑數(shù)據(jù)。

模擬測試表明,旋轉(zhuǎn)半徑或旋轉(zhuǎn)中心出現(xiàn)微小變化時都能完全復(fù)原孔型輪廓參數(shù),驗證了方案的可行性和復(fù)原流程的有效性。

2.2 標(biāo)定孔驗證

為了進一步測試方案和系統(tǒng)精度,專門制作兩個直徑分別為30 mm和200 mm的標(biāo)定孔,對上述兩孔使用測量系統(tǒng)進行標(biāo)定和性能驗證。測量結(jié)果給出擬合半徑和擬合圓心的位置,測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 標(biāo)定板測量數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文提出一種基于機器視覺檢測技術(shù)的可變直徑孔型測量方案,該方案借助機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和視覺測量技術(shù)非接觸、高精度等優(yōu)點,能夠完成不同直徑孔型的圓形輪廓參數(shù)測量。測試和驗證表明,該方案可行,精度較高,能夠穩(wěn)定應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。