李海歐 區(qū)海琪 成玲

摘要：本文針對CNC零件尺寸的檢測問題，研究了一種基于2D和3D聯(lián)合測量的方法，首先通過圓盤機構(gòu)快速上下物料，物料快速通過相機和線激光，精確的模板匹配，軟件快速計算。從而實現(xiàn)長、寬和厚度等尺寸的一次性快速測量。

關(guān)鍵詞：CCD;線激光;圓盤上下料機構(gòu);快速檢測

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

1 測量系統(tǒng)的設(shè)計與標定

1.1 測量系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要由玻璃圓盤旋轉(zhuǎn)平臺及其運動控制卡、激光輪廓測量頭、線激光控制器、工業(yè)相機和遠心鏡頭等幾部分組成。下面介紹對硬件部分各模塊的選型。

1.1.1 轉(zhuǎn)臺選擇

本系統(tǒng)采用的玻璃圓盤旋轉(zhuǎn)平臺是由圓盤玻璃、DD 馬達和伺服電機組成，被測物件排列到玻璃圓盤上，隨著圓盤一起轉(zhuǎn)動，經(jīng)過相機和激光，然后軟件對圖片進行處理。該轉(zhuǎn)臺具有速率平穩(wěn)、定位精度高等優(yōu)點。

1.1.2 相機和鏡頭的選擇

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

1.1.3 激光輪廓測量頭的選擇

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

1.2 測量系統(tǒng)的工作原理

在測量工程中，首先要對二維和三維測量系統(tǒng)進行系統(tǒng)的標定，系統(tǒng)標定主要包括對相機的標定和線激光的標定。其中，對相機的標定主要是指計算相機的內(nèi)、外參數(shù)以及畸變參數(shù);對線激光的標定是指對線激光發(fā)射出的激光平面進行圖像處理以及對激光參數(shù)進行補償。對激光條紋進行圖像處理，包括二值化、去噪、圖像的坐標轉(zhuǎn)化。圖像坐標轉(zhuǎn)換后，最終得出來的圖像才是想要的圖像。

2 圖像處理

2.1 相機圖像標定

2.1.1 準備對稱圓形標定板

其為高精度鋁制標定板，精度為±0.01mm，是200*200mm 的標準標定板，圓的直徑為12.5mm，圓心距為25mm。

2.1.2 放圓盤上拍攝圖片

標定畸變系數(shù)，相機內(nèi)參和相機外參，圖片包含上述要求，同時標定程序生成結(jié)果中每張照片會計算一個相機外參數(shù)因此根據(jù)實際需求。2.1.3 相機的參考坐標系

2.1.3.1 圖像坐標系

圖像坐標系包括圖像像素坐標系和圖像物理坐標系;圖像像素坐標系（u、v）是一個以像素為單位的坐標系，它的原點在圖片左上方，每個像素點的位置是以像素為單位來表示的， 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系，叫圖像物理坐標系（x、y）， 物理坐標系OXY 則是以長度單位比如毫米等所表示的圖像坐標系。在物理坐標系中，原點O 通常位于圖像的中心。兩個坐標軸分別與圖像像素坐標系平行。

2.1.3.2 相機坐標系

以相機的光心為原點Oc，Zc 軸與光軸重合，與成像平面垂直，Xc 和Yc 軸與圖像坐標系的兩個坐標軸平行。OOc 為攝像機的焦距，即相機坐標系的原點與圖像物理坐標系原點之間的距離。

2.1.3.3 世界坐標系

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

2.2 激光圖像標定

在激光掃描的圖像上建立笛卡爾直角坐標系，以標定后的圖像中心為原點建立極坐標系，標定前圖像坐標映射至標定后圖像的極坐標系坐標使，坐標的變換關(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、輪廓提取以及輪廓跟蹤。圖像的邊緣檢測是圖像分割、目標區(qū)域的識別、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。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備。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

當圓盤開始轉(zhuǎn)動，測量物件首先經(jīng)過相機，信號被觸發(fā)開始拍攝圖片;然后再經(jīng)過激光輪廓測量頭，激光開始采集點云數(shù)據(jù);經(jīng)過測量系統(tǒng)的圖像處理、數(shù)據(jù)處理得到產(chǎn)品二維的長度和三維的平面度、厚度。

3. 2 相機測量結(jié)果與分析

準備10 個待測物件，依次標號經(jīng)過相機測量;用相機測量物件4 個尺寸，在圖像上每1 個尺寸取兩個特征，計算兩個特征之間的距離，然后跟實際真實值作對比。

測量系統(tǒng)二維測量計算，計算值數(shù)據(jù)與實際真實值數(shù)據(jù)的誤差可在±0.01mm 以內(nèi)，測量精度能達到要求。

3. 3 激光測量結(jié)果與分析

激光掃描被測物件，得到三維點云數(shù)據(jù)，在點云數(shù)據(jù)上取兩個特征點來計算兩個特征之間的相對高度值，最終得到的數(shù)值為被測物件的厚度值，然后跟實際真實值作對比;平面度的計算是在平面上取5 個高度值，這5 個高度值經(jīng)過測量系統(tǒng)的計算得出平面度。

測量系統(tǒng)的三維測量計算，計算值數(shù)據(jù)與實際真實值數(shù)據(jù)的誤差也可在±0.01mm 以內(nèi)，測量精度能達到要求。二維與三維結(jié)合的快速檢測系統(tǒng)，測量精度都可以達到預(yù)期目標。

4 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，由于CNC 零件加工精度對的不斷提高以及對CNC 零件尺寸的快速檢測要求，因此必須要有相應(yīng)的高精度及快速檢測的檢測系統(tǒng)。成熟的二維檢測技術(shù)加上精度更高的三維激光技術(shù)的聯(lián)合檢測系統(tǒng)將會是未來一種趨勢，這樣的檢測系統(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)院機電系專任教師，機械工程。

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

基金項目：

江門市科技計劃項目，項目名稱：CNC 零件尺寸快速檢測方法研究（項目編號：2019030100840009075）。

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