CNC零件尺寸快速檢測(cè)系統(tǒng)研究

李海歐 區(qū)海琪 成玲

摘要：本文針對(duì)CNC零件尺寸的檢測(cè)問(wèn)題，研究了一種基于2D和3D聯(lián)合測(cè)量的方法，首先通過(guò)圓盤機(jī)構(gòu)快速上下物料，物料快速通過(guò)相機(jī)和線激光，精確的模板匹配，軟件快速計(jì)算。從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)、寬和厚度等尺寸的一次性快速測(cè)量。

關(guān)鍵詞：CCD;線激光;圓盤上下料機(jī)構(gòu);快速檢測(cè)

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)屬于一種非接觸測(cè)量，它基于激光三角法測(cè)量原理，是一種線測(cè)量方法。本文針對(duì)CNC 零件的檢測(cè)問(wèn)題，研究了一種基于2D 和3D 聯(lián)合測(cè)量的方法，即相機(jī)+激光檢測(cè)系統(tǒng)，增加線激光同時(shí)掃描工件的上下面來(lái)實(shí)現(xiàn)工件厚度的測(cè)量，也可采用相機(jī)+線激光測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件二維的長(zhǎng)、寬和三維平面度、厚度等參數(shù)的一次性快速測(cè)量，大大提高CNC 加工零件的檢測(cè)速度和精度，以滿足生產(chǎn)需要。

1 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與標(biāo)定

1.1 測(cè)量系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要由玻璃圓盤旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及其運(yùn)動(dòng)控制卡、激光輪廓測(cè)量頭、線激光控制器、工業(yè)相機(jī)和遠(yuǎn)心鏡頭等幾部分組成。下面介紹對(duì)硬件部分各模塊的選型。

1.1.1 轉(zhuǎn)臺(tái)選擇

本系統(tǒng)采用的玻璃圓盤旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是由圓盤玻璃、DD 馬達(dá)和伺服電機(jī)組成，被測(cè)物件排列到玻璃圓盤上，隨著圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)相機(jī)和激光，然后軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理。該轉(zhuǎn)臺(tái)具有速率平穩(wěn)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2 相機(jī)和鏡頭的選擇

選用的是高分辨率工業(yè)相機(jī)，具有外形小、重量輕、優(yōu)秀的功能性和出色的穩(wěn)定性;知名相機(jī)公司提供了大視野低畸變遠(yuǎn)心鏡頭，具有大光圈、高遠(yuǎn)心度、超低畸變，超大景深等特點(diǎn)，而且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制曝光時(shí)間、亮度、增益等參數(shù)。

1.1.3 激光輪廓測(cè)量頭的選擇

選用了激光輪廓測(cè)量頭，具有測(cè)量精度高、檢測(cè)速度快、應(yīng)用方便靈活等特點(diǎn);采用上下兩激光同時(shí)掃描的形式，大大縮短掃描時(shí)間，提高測(cè)量速度。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

在測(cè)量工程中，首先要對(duì)二維和三維測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定，系統(tǒng)標(biāo)定主要包括對(duì)相機(jī)的標(biāo)定和線激光的標(biāo)定。其中，對(duì)相機(jī)的標(biāo)定主要是指計(jì)算相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)以及畸變參數(shù);對(duì)線激光的標(biāo)定是指對(duì)線激光發(fā)射出的激光平面進(jìn)行圖像處理以及對(duì)激光參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)激光條紋進(jìn)行圖像處理，包括二值化、去噪、圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，最終得出來(lái)的圖像才是想要的圖像。

2 圖像處理

2.1 相機(jī)圖像標(biāo)定

2.1.1 準(zhǔn)備對(duì)稱圓形標(biāo)定板

其為高精度鋁制標(biāo)定板，精度為±0.01mm，是200*200mm 的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板，圓的直徑為12.5mm，圓心距為25mm。

2.1.2 放圓盤上拍攝圖片

標(biāo)定畸變系數(shù)，相機(jī)內(nèi)參和相機(jī)外參，圖片包含上述要求，同時(shí)標(biāo)定程序生成結(jié)果中每張照片會(huì)計(jì)算一個(gè)相機(jī)外參數(shù)因此根據(jù)實(shí)際需求。2.1.3 相機(jī)的參考坐標(biāo)系

2.1.3.1 圖像坐標(biāo)系

圖像坐標(biāo)系包括圖像像素坐標(biāo)系和圖像物理坐標(biāo)系;圖像像素坐標(biāo)系（u、v）是一個(gè)以像素為單位的坐標(biāo)系，它的原點(diǎn)在圖片左上方，每個(gè)像素點(diǎn)的位置是以像素為單位來(lái)表示的， u 和v 分別表示像素在數(shù)字圖像中的列數(shù)和行數(shù)，但是并沒(méi)有用物理單位表示像素的位置，因此還需建立以物理單位表示的圖像坐標(biāo)系，叫圖像物理坐標(biāo)系（x、y）， 物理坐標(biāo)系OXY 則是以長(zhǎng)度單位比如毫米等所表示的圖像坐標(biāo)系。在物理坐標(biāo)系中，原點(diǎn)O 通常位于圖像的中心。兩個(gè)坐標(biāo)軸分別與圖像像素坐標(biāo)系平行。

2.1.3.2 相機(jī)坐標(biāo)系

以相機(jī)的光心為原點(diǎn)Oc，Zc 軸與光軸重合，與成像平面垂直，Xc 和Yc 軸與圖像坐標(biāo)系的兩個(gè)坐標(biāo)軸平行。OOc 為攝像機(jī)的焦距，即相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)與圖像物理坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的距離。

2.1.3.3 世界坐標(biāo)系

在整體環(huán)境中，相機(jī)的擺放位置是自由的，為了解決相機(jī)位置的不確定性問(wèn)題，需要在整體環(huán)境中構(gòu)建一個(gè)坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，這樣就能夠?qū)⑾鄼C(jī)位置或者其他任意物體位置標(biāo)注出來(lái)，這就是世界坐標(biāo)系。坐標(biāo)軸WX ， WY ，WZ 是世界坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸。

2.2 激光圖像標(biāo)定

在激光掃描的圖像上建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，以標(biāo)定后的圖像中心為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，標(biāo)定前圖像坐標(biāo)映射至標(biāo)定后圖像的極坐標(biāo)系坐標(biāo)使，坐標(biāo)的變換關(guān)系為：

2.4 圖像的邊緣提取

圖像的邊緣提取可以分為邊緣檢測(cè)、輪廓提取以及輪廓跟蹤。圖像的邊緣檢測(cè)是圖像分割、目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別、區(qū)域形狀提取等圖像分析領(lǐng)域十分重要的基礎(chǔ)，圖像分析和理解的第一步往往就是邊緣檢測(cè)。輪廓跟蹤是獲取圖像的外部輪廓特征，為圖像的形狀分析做準(zhǔn)備。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

當(dāng)圓盤開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量物件首先經(jīng)過(guò)相機(jī)，信號(hào)被觸發(fā)開(kāi)始拍攝圖片;然后再經(jīng)過(guò)激光輪廓測(cè)量頭，激光開(kāi)始采集點(diǎn)云數(shù)據(jù);經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的圖像處理、數(shù)據(jù)處理得到產(chǎn)品二維的長(zhǎng)度和三維的平面度、厚度。

3. 2 相機(jī)測(cè)量結(jié)果與分析

準(zhǔn)備10 個(gè)待測(cè)物件，依次標(biāo)號(hào)經(jīng)過(guò)相機(jī)測(cè)量;用相機(jī)測(cè)量物件4 個(gè)尺寸，在圖像上每1 個(gè)尺寸取兩個(gè)特征，計(jì)算兩個(gè)特征之間的距離，然后跟實(shí)際真實(shí)值作對(duì)比。

測(cè)量系統(tǒng)二維測(cè)量計(jì)算，計(jì)算值數(shù)據(jù)與實(shí)際真實(shí)值數(shù)據(jù)的誤差可在±0.01mm 以內(nèi)，測(cè)量精度能達(dá)到要求。

3. 3 激光測(cè)量結(jié)果與分析

激光掃描被測(cè)物件，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上取兩個(gè)特征點(diǎn)來(lái)計(jì)算兩個(gè)特征之間的相對(duì)高度值，最終得到的數(shù)值為被測(cè)物件的厚度值，然后跟實(shí)際真實(shí)值作對(duì)比;平面度的計(jì)算是在平面上取5 個(gè)高度值，這5 個(gè)高度值經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算得出平面度。

測(cè)量系統(tǒng)的三維測(cè)量計(jì)算，計(jì)算值數(shù)據(jù)與實(shí)際真實(shí)值數(shù)據(jù)的誤差也可在±0.01mm 以內(nèi)，測(cè)量精度能達(dá)到要求。二維與三維結(jié)合的快速檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量精度都可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，由于CNC 零件加工精度對(duì)的不斷提高以及對(duì)CNC 零件尺寸的快速檢測(cè)要求，因此必須要有相應(yīng)的高精度及快速檢測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)。成熟的二維檢測(cè)技術(shù)加上精度更高的三維激光技術(shù)的聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)將會(huì)是未來(lái)一種趨勢(shì)，這樣的檢測(cè)系統(tǒng)不僅大大減少了成本支出，而且大大加快了尺寸檢測(cè)的速度。

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[5] J.P. Lewis. Fast Normalized Cross-Correlation， Industrial， Light& Magic， Vision.

第一作者：李海歐，女，講師，1982 年8 月，碩士，江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系專任教師，機(jī)械工程。

第二作者：成玲，女，講師，江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)系，機(jī)械工程。

基金項(xiàng)目：

江門市科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：CNC 零件尺寸快速檢測(cè)方法研究（項(xiàng)目編號(hào)：2019030100840009075）。

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)系，廣東 江門 529090）