專利名稱：一種基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在制品測量方法及其裝置，具體涉及一種基于機器視覺的大型在制工件三 維幾何形狀與尺寸檢測系統(tǒng)的方法及其系統(tǒng)。
背景技術：
目前機械制造業(yè)中零件的幾何加工質(zhì)量控制體系建立在加工后離機檢測的基礎上，且 以接觸式測量為主要方法。三坐標測量機等接觸式測量設備雖然有很高的測量精度，但是 工件必須撤離加工機床再安裝在測量機上檢測， 一旦發(fā)現(xiàn)加工尺寸、形位精度不合格，裝 回到加工機床上重新加工時，定位和加工往往累積超差。事后的被動式檢測既費時又效果 差，使零件加工的返工和報廢率很高。此外， 一方面精密接觸式測量設備需在測量室環(huán)境 下使用，另一方面，工件的很多復雜表面，尤其內(nèi)凹曲面或盲孔、窄槽等，接觸式測量往 往對之無能為力。加工與檢測(尤其非接觸式檢測)在加工現(xiàn)場結(jié)合，是當今制造業(yè)的最 薄弱之處，在加工位置的工件三維可視化、數(shù)字化幾何檢測是解決該類問題的關鍵技術之
近年來機器視覺技術的發(fā)展，數(shù)字化的視像識別與檢測系統(tǒng)已經(jīng)在許多行業(yè)得到實用 并取得顯著效益。在零件加工行業(yè)，商品化的二維視像檢測儀器已經(jīng)用于小物件的平面形 狀與尺寸測量，如國產(chǎn)的EP-1光學式投影儀的放大倍率有10X、 20X和50X三檔，對應的 測量視場分別為30mni、 15腿和6mm。投影儀的基本特征是具有內(nèi)置光源、光學放大鏡、透 光的玻璃工作臺面和大投影屏，實現(xiàn)將放在工作臺上的被測物放大后在投影屏上觀察、測 量的功能。也已經(jīng)有二維視像加一維(高度)接觸式測量的三維幾何測量儀器，但只適用 于較小高度的測量，如日本三豐(Mitut。yo)Quick Vision系列視像測量機，最大檢測高度 小于250mm，采用接觸式觸頭或激光實現(xiàn)高度方向測量，其基本特征是具有精密測量儀器 級的大龍門機身、機架及其位移與控制系統(tǒng)、內(nèi)置光源，除視像測頭外還需加裝接觸式觸 發(fā)測頭或激光測頭、激光光源、激光全息光柵尺等精密部件。上述兩類視像測量儀器都只 能在測量室環(huán)境中使用，被測物體必須置于儀器自身的載物臺上。目前尚無能在加工機床 上應用的二維平面視像測量儀器，也沒有只用視像法、適應大型工件三維測量的儀器，更 沒有直接在加工機床上應用的工件三維視像測量儀器?；诮Y(jié)構光調(diào)制原理的測量系統(tǒng)可 能應用于大型物體的三維幾何測量，但其系統(tǒng)構成和工作原理與本專利方法不同。結(jié)構光 三維視覺系統(tǒng)最基本的特征是必須具有專門的條紋光光學投射器，它將一定模式的條紋結(jié)
構光投射于物體的表面，形成由被測物體表面形狀所調(diào)制的光條圖像，處于另一位置的攝 像機攝取被調(diào)制光條圖像，經(jīng)軟件處理后得到三維點云圖，由此重構出被測物體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實用、費用相對較低的可直接在加工機床上測量大型在制 工件的系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的通過如下技術方案實現(xiàn)
一種基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，包括機械臂安裝座、機械臂、相機、 光源架、機械臂數(shù)控模塊、圖像采集卡和計算機；機械臂安裝座是內(nèi)置步進電機和傳動齒 輪的便捷接口件，安裝在機床主軸殼體或工作臺上，可驅(qū)動機械臂繞垂直或平行于安裝座 安裝平面的軸轉(zhuǎn)動；可兩維伸縮和繞兩軸轉(zhuǎn)動的機械臂安裝于機械臂安裝座上，其末端夾 持相機；光源架安裝在工件的上方；機械臂數(shù)控模塊一端與機械臂連接，另-一端與計算機 連接；計算機還通過圖橡采集卡與相機連接。
為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述便捷接口件為發(fā)蘭盤或燕尾槽或鐵磁性吸盤。
所述機械臂數(shù)控模塊包括機械臂中的電機驅(qū)動元件和與計算機通訊的電路，用于實現(xiàn) 計算機對機械臂的數(shù)控。
所述相機5機械地安裝在機械臂的末端。 所述計算機為通用的個人計算機或工控機。
所述相機為大尺寸、高分辨率的CCD或CMOS數(shù)字工業(yè)相機，包括成像畸變小的遠 心、變焦或變倍鏡頭。
所述機械臂包括依次連接的機械臂接口、大臂、關節(jié)、小臂和相機座；機械臂接口上 端與機械臂安裝座用滾動軸承連接，大臂的滾珠絲杠與機械臂安裝座的輸出軸通過聯(lián)軸器 連接，由機械臂安裝座中的電機帶動大臂及小臂旋轉(zhuǎn)；大臂的滾珠絲杠上配合有可在其上 移動的大滑板及其驅(qū)動電機，實現(xiàn)大臂的伸縮；關節(jié)安裝在大臂末端，設有鉸鏈軸及驅(qū)動 電機，可帶動小臂轉(zhuǎn)動；小臂通過關節(jié)與大臂連接，小臂中有齒輪軸，底部有齒的帶電機 滑塊可在齒輪軸上移動，實現(xiàn)小臂伸縮；小臂末端安裝可調(diào)的相機座。
在所述相機座與相機之間加裝數(shù)控相機云臺。
所述光源架包括剛性桿、光源、剛性桿座和調(diào)光器，通過位于四角的剛性桿座組成方 形結(jié)構；剛性桿一側(cè)固定LED光源，剛性桿兩端為螺紋段，旋入剛性桿座的螺紋通孔中， 可調(diào)節(jié)框架大??；通過旋動剛性桿可以調(diào)節(jié)光源條的照射角度；調(diào)光器與各條光源相連， 用于調(diào)節(jié)光強。
所述光源架安裝在工件的上方是指光源架用柔性的繩索或鏈吊裝在機械臂上，或安裝 在機床內(nèi)壁，或直接放置在加工機床工作臺上，或者直接放置在工件上。 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1) 本發(fā)明測量系統(tǒng)只需用相機攝取被測物體圖像，經(jīng)圖像分析，計算出測量結(jié)果。 因完全采用視像法，故無需激光光源及激光測頭、接觸式觸發(fā)測頭等基于其他測量方法的 機構，省卻昂貴的激光機構費用和不受接觸式測量方法的限制。
(2) 攜載相機的靈巧輕型數(shù)控機械臂可便捷安裝在加工機床上，無需另設機身、機架。 數(shù)控機械臂是個輕質(zhì)的多關節(jié)機器人，雖然其本身不行走，但可隨機床主軸大范圍三維移 動，自身還可多向轉(zhuǎn)動和伸縮，非測量時段可自行折起以保護相機和避免干涉加工。
(3) 工件不必撤離加工機床，相機由靈巧機械臂攜載，可對在加工位置的工件進行攝 像，由其圖像可計算出幾何測量值。
(4) 攜載相機的機械臂安裝在機床主軸殼體上隨主軸移動，可以實現(xiàn)對機床所能加工 最大工件的測量。即便工件尺寸比較大，也可由分區(qū)域多次攝取的圖像拼接成完整圖像， 并計算出幾何測量值。
(5) 相機由靈巧機械臂攜載，可對在加工位置的工件進行多方位攝像；經(jīng)圖像處理可 以重建出被測工件的三維立體，從而可以在加工機床上實現(xiàn)工件的三維測量。


圖1是本發(fā)明基于機器視覺的大型在制品幾何測量系統(tǒng)示意框圖； 圖2是圖1中機械臂的組成和運動示意圖3是圖1中貼附在工件被測表面的薄片標志及利用其進行圖像拼接的示意圖4是圖1中光源架的組成示意圖5是圖1中測量系統(tǒng)的工作流程框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一歩的說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局 限于實施方式表達的范圍。
如圖1所示基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)包括工件1、加工機床工作
臺2、機械臂安裝座3、機械臂4、相機5、光源架吊索6、光源架7、機械臂數(shù)控模塊8、 圖像采集卡9、顯示屏10和計算機11。安裝在加工機床工作臺2上的工件1保持在加工位 置，刀具退到加工區(qū)外適當距離。機械臂安裝座3是內(nèi)置歩進電機和傳動齒輪的便捷接口 件，安裝在機床主軸殼體或工作臺上，可驅(qū)動機械臂4繞垂直或平行于安裝座安裝平面的 軸轉(zhuǎn)動；可兩維伸縮和繞兩軸轉(zhuǎn)動的機械臂4固裝于機械臂安裝座3上，其末端夾持相機
5;光源架7安裝在工件的上方；機械臂數(shù)控模塊8附置于機械臂安裝座3外殼體上或單置 于計算機11附近，其電路一端與機械臂4連接，另一端與計算機11連接；計算機11還通
過圖橡采集卡9與相機5連接。具體說，機械臂安裝座3的一端是與具體機床主軸殼體或 工作臺相適配的便捷接口件，如用2 4個螺釘固定的發(fā)蘭盤，或燕尾溝槽、或鐵磁性吸盤， 座中內(nèi)置歩進電機和傳動齒輪，通過聯(lián)軸器將其齒輪軸與機械臂4中大臂13的絲杠聯(lián)結(jié)， 機械臂安裝座3的另一端與機械臂4的接口 12用滾珠軸承連接。機械臂安裝座3靜止，其 中的歩進電機可驅(qū)動機械臂4旋轉(zhuǎn)。機械臂4可兩維伸縮和兩向轉(zhuǎn)動，其末端夾持相機5。 機械臂數(shù)控模塊8是一個盒體，包括機械臂安裝座3中和機械臂4中各歩進電機的驅(qū)動器 和控制電路，與計算機ll連線通訊，用于實現(xiàn)計算機11對機械臂4的數(shù)控。由于只是確 定相機位置，控制精度不必太高，可以開環(huán)數(shù)控。光源架7用柔性的繩索6或鏈吊裝在機 械臂上，也可以機械地安裝在機床內(nèi)壁上或直接放置在機床工作臺上實現(xiàn)對工件的照明。 安裝在機械臂4末端的相機5直接攝取工件圖像，采用大尺寸、高分辨率的CCD(或CMOS) 數(shù)字工業(yè)相機、成像畸變小的遠心、變焦或變倍鏡頭，通過圖橡采集卡9進行相機和計算 機11之間的信息轉(zhuǎn)換和傳輸。計算機II為通用的個人計算機或工控機，用于對機械臂進 行數(shù)控和接收圖像采集卡傳來的圖像信息并進行后續(xù)圖像處理，計算和輸出測量結(jié)果。顯 示屏IO為與通用計算機配用的通用顯示屏，用于顯示人機交互界面和測量結(jié)果。
相機與工件的三維長距離相對位移由加工機床主軸相對機床工作臺移動來實現(xiàn)，機械 臂4本身可攜載相機在中小范圍(行程200mm以內(nèi))內(nèi)移動或轉(zhuǎn)動。如圖2所示，機械臂 4由機械臂接口 12、大臂13、關節(jié)14、小臂15和相機座16等部件組成。機械臂接口 12 上端與機械臂安裝座3用滾動軸承連接，大臂13的滾珠絲杠與機械臂安裝座3的輸出軸通 過聯(lián)軸器連接，由機械臂安裝座3中的步進電機帶動大臂13及小臂15作4),旋轉(zhuǎn)；大臂 13的滾珠絲杠上配合有可在其上移動的大滑板及其歩進驅(qū)動電機，大滑板的移動體現(xiàn)為大 臂13的伸縮(行程")；關節(jié)14為安裝在大臂13末端的鉸鏈軸及歩進驅(qū)動電機，可帶動 小臂15作小2轉(zhuǎn)動(b與(j)的轉(zhuǎn)軸正交)；小臂15通過關節(jié)14與大臂連接，小臂15中 有齒輪軸，底部有齒的滑塊(帶歩進電機)可在齒輪軸上移動，實現(xiàn)小臂伸縮(行程L2); 小臂末端安裝可調(diào)的相機座16，為叉式或卡式機械件，用螺釘緊固。為使相機5有更多自 由度，可在相機座16與相機5之間加裝數(shù)控相機云臺(通用件)。機械臂零件用高強度比 的輕質(zhì)不銹金屬制造。大臂13截面為U形，在非測量時段關節(jié)14可將小臂15向上轉(zhuǎn)動 直至完全套進大臂13之內(nèi)(即4>2接近0° )，可避免干涉加工和保護相機。
如圖3所示，當被測工件l比較大，無法一次拍攝LXH全面積，需要多次拍攝局部 圖像。如果工件被測表面本身缺乏區(qū)域識別標志，可外貼薄片標志17以利于分區(qū)拍攝和準
確拼接圖像(圖3中工件被測表面分成Z/X^、 /;X&、 /3X&、 ^X/^共4個區(qū)域拍攝后拼 成LXH全圖)。外加薄片標志17可以是設計成各種幾何圖案(有多個直線相交點或曲線 拐點)、采用薄而韌的材料沖壓或線切割成鏤空薄片(對鋼鐵被測物體，可采用厚度lmm 以下的鐵磁性材料)。根據(jù)對工件的分塊區(qū)域，把薄片標志17吸附或粘貼在各塊區(qū)域邊緣 附近，使相鄰塊的圖像包含同一個或數(shù)個標志圖案，利用標志圖案的特征，將各相鄰塊的 圖像準確拼接，得到被測工件的完整圖像。此外，選定一個特定圖案的鏤空標志片，準確 測定其尺寸，用作攝像系統(tǒng)的快速標定之標準尺寸(也可以采用其它材質(zhì)的標定塊)。
如圖4所示，光源架7包括剛性桿18、光源19、剛性桿座20和調(diào)光器21，通過位于 四角的剛性桿座20組成方形結(jié)構；剛性桿一側(cè)固定LED光源條19，光源條19也可以是其 他高照度光源，如鹵素燈、無極燈等。剛性桿18兩端為外螺紋圓柱段，旋入剛性桿座20 的螺紋通孔中，可調(diào)節(jié)框架大小。通過旋動剛性桿可以調(diào)節(jié)光源條19的照射角度(圖中各 ^角)。為防止螺紋退松，剛性桿端可加螺母壓緊。根據(jù)工件材質(zhì)和表面光亮狀況，選擇LED 的顏色和照射角度。根據(jù)欲攝像面積的大小，選擇光源的形狀和尺寸。光源表面可以加裝 磨砂玻璃或薄塑料片以獲得漫光效果。為減輕光源架7的重量，剛性桿18和剛性桿19用 輕質(zhì)材料如鋁或塑料制造。調(diào)光器21與各條光源相連，用于調(diào)節(jié)光強。
光源架7可用軟索6吊裝，或通過任兩個相鄰的剛性桿座機械地安裝在機床內(nèi)壁上， 或直接置于工件上。如用軟索吊裝可直接調(diào)整索長；如直接放在工作臺上，可在數(shù)個剛性 桿座20底面加設高度調(diào)整螺釘如安裝在機床內(nèi)壁，在機床內(nèi)壁用螺釘附裝兩個有一定長 度的滑槽座，使用兩根可伸縮桿與之配合并滑動升降，可伸縮桿另一端與光源架剛性桿座 20機械連接。非測量時段將光源架縮進折起或取下以避免干涉加工。
此外，也可以把多個條狀LED或許多個小燈泡狀LED并接固定在柔性塑料條上，塑 成所需形狀和大小的光源框。
采用已商品化的圖像處理軟件平臺，二次開發(fā)圖像拼接和三維重建及二維與三維測量 軟件。
本系統(tǒng)工作流程如圖5所示在機床停止加工時實施工件測量，刀具退出加工區(qū)域。 首先根據(jù)被測工件大小和形狀及檢測要求，確定分區(qū)攝像次數(shù)和各次攝像時的相機工作距 離和方位；根據(jù)被測材質(zhì)和表面反光狀況選擇光源并調(diào)好光源架大?。皇箼C械臂和光源架 安裝或釋放就位；如需分區(qū)域攝取多幅圖像而工件表面本身特征標志不足，則在被測表面 增貼標志薄片；啟動機床，由數(shù)控機床主軸帶著機械臂和光源架作三維平移，使相機初歩 移到首次拍攝位置；在被測表面區(qū)域放置標定片，拍攝包含標定片的區(qū)域圖像；根據(jù)標定 片圖像調(diào)節(jié)光源高度、照射角和光強；根據(jù)標定片圖像通過PC機數(shù)控調(diào)整相機相對被測
面的距離與方位，直到由標定片圖像分析測量的幾何值符合期望值，拍攝工件第一幅圖像; 由PC機數(shù)控機械臂移動或轉(zhuǎn)動，依次拍攝工件各區(qū)域平面圖像或體視圖像；通過計算機 軟件進行圖像處理和拼接、三維重建，計算并輸出測量結(jié)果。計算機圖像處理軟件是在商 品化圖像處理軟件平臺上自行二次開發(fā)，包括數(shù)控機床坐標系、相機坐標系、圖像坐標系 之間的變換、相機內(nèi)外參數(shù)標定、測量系統(tǒng)標定、圖像二值化、圖像平滑去噪、圖像邊緣 銳化和提取、圖像匹配和拼接、三維點云生成、密化插值、立體重建、測量計算等功能。
權利要求
1、一種基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括機械臂安裝座、機械臂、相機、光源架、機械臂數(shù)控模塊、圖像采集卡和計算機；機械臂安裝座是內(nèi)置步進電機和傳動齒輪的便捷接口件，安裝在機床主軸殼體或工作臺上，可驅(qū)動機械臂繞垂直或平行于安裝座安裝平面的軸轉(zhuǎn)動；可兩維伸縮和繞兩軸轉(zhuǎn)動的機械臂安裝于機械臂安裝座上，其末端夾持相機；光源架安裝在工件的上方；機械臂數(shù)控模塊一端與機械臂連接，另一端與計算機連接；計算機還通過圖橡采集卡與相機連接。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于所 述便捷接口件為發(fā)蘭盤或燕尾槽或鐵磁性吸盤。
3、 根據(jù)權利要求l所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于所 述機械臂數(shù)控模塊包括機械臂中的電機驅(qū)動元件和與計算機通訊的電路，用于實現(xiàn)計算機 對機械臂的數(shù)控。
4、 根據(jù)權利要求1所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于所 述相機5機械地安裝在機械臂的末端。
5、 根據(jù)權利要求1所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于所 述計算機為通用的個人計算機或工控機。
6、 根據(jù)權利要求1所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于所 述相機為大尺寸、高分辨率的CCD或CMOS數(shù)字工業(yè)相機，包括成像畸變小的遠心、變 焦或變倍鏡頭。
7、 根據(jù)權利要求1所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于所 述機械臂包括依次連接的機械臂接口、大臂、關節(jié)、小臂和相機座；機械臂接口上端與機 械臂安裝座用滾動軸承連接，大臂的滾珠絲杠與機械臂安裝座的輸出軸通過聯(lián)軸器連接， 由機械臂安裝座中的電機帶動大臂及小臂旋轉(zhuǎn)；大臂的滾珠絲杠上配合有可在其上移動的 大滑板及其驅(qū)動電機，實現(xiàn)大臂的伸縮；關節(jié)安裝在大臂末端，設有鉸鏈軸及驅(qū)動電機， 可帶動小臂轉(zhuǎn)動；小臂通過關節(jié)與大臂連接，小臂中有齒輪軸，底部有齒的帶電機滑塊可 在齒輪軸上移動，實現(xiàn)小臂伸縮；小臂末端安裝可調(diào)的相機座。
8、 根據(jù)權利要求7所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于在 所述相機座與相機之間加裝數(shù)控相機云臺。
9、 根據(jù)權利要求1所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于所 述光源架包括剛性桿、光源、剛性桿座和調(diào)光器，通過位于四角的剛性桿座組成方形結(jié)構； 剛性桿一側(cè)固定LED光源，剛性桿兩端為螺紋段，旋入剛性桿座的螺紋通孔中，可調(diào)節(jié)框 架大?。煌ㄟ^旋動剛性桿可以調(diào)節(jié)光源條的照射角度；調(diào)光器與各條光源相連，用于調(diào)節(jié) 光強。
10、根據(jù)權利要求1所述的基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)，其特征在于 所述光源架安裝在工件的上方是指光源架用柔性的繩索或鏈吊裝在機械臂上，或安裝在機 床內(nèi)壁，或直接放置在加工機床工作臺上，或者直接放置在工件上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于機器視覺的大型在制工件幾何測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括機械臂安裝座、機械臂、相機、光源架、機械臂數(shù)控模塊、圖像采集卡和計算機；機械臂安裝座是內(nèi)置步進電機和傳動齒輪的便捷接口件，安裝在機床主軸殼體或工作臺上；可兩維伸縮和繞兩軸轉(zhuǎn)動的機械臂安裝于機械臂安裝座上，其術端夾持相機；光源架安裝在工件的上方；機械臂數(shù)控模塊一端與機械臂連接，另一端與計算機連接；計算機還通過圖橡采集卡與相機連接。測量系統(tǒng)只需用相機攝取被測物體圖像，經(jīng)圖像分析，計算出測量結(jié)果，完全采用視像法，無需激光光源及激光測頭、接觸式觸發(fā)測頭等機構，省卻昂貴的激光機構費用和不受接觸式測量方法的限制。
文檔編號G01B11/00GK101182990SQ20071003186
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者全思博, 全燕鳴, 許雄超, 龔金云 申請人:華南理工大學