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(jī)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(diǎn),在工業(yè)自動(dòng)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(gè)圖像傳感器的視野覆蓋整個(gè)區(qū)域時(shí),圖像分辨率較低,難以實(shí)現(xiàn)較高精度的測量,縮減相機(jī)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(jì)一種視覺成像測量方法,采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌,完成圓周旋轉(zhuǎn)和半徑變化的運(yùn)動(dòng),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(jī)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(jì)算,針對不同尺寸的標(biāo)定孔進(jìn)行測試和驗(yàn)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(shí)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(yuǎn)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(jì)算結(jié)果。系統(tǒng)主要分為機(jī)器視覺測量和機(jī)械運(yùn)動(dòng)兩個(gè)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(jī)器視覺模塊主要實(shí)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(jī)選用遠(yuǎn)心鏡頭。待測孔型置于相機(jī)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(jìn)入相機(jī)的視野,相機(jī)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(yuǎn)心鏡頭的目的是使相機(jī)只接收光源的平行光,減少環(huán)境光的干擾,相機(jī)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(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的測量,機(jī)械模塊則輔助完成圓周方向上多個(gè)點(diǎn)的測量。機(jī)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(shí)直線導(dǎo)軌將圖像傳感器運(yùn)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(shí)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(gè)孔型邊界空間點(diǎn)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(gè)邊界點(diǎn)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(jì)

視覺測量模塊主要由光源、相機(jī)及鏡頭組成。測試選用500萬(2 592×2 048)像素面陣相機(jī),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(jī)鏡頭選用物方遠(yuǎn)心鏡頭,如圖2所示。為了與相機(jī)適配,選用50 mm口徑鏡頭,成像視野達(dá)到直徑16.2 mm,大于相機(jī)感光器件尺寸;鏡頭放大倍數(shù)為0.9,則可計(jì)算成像分辨率為5.3 μm。

圖2 遠(yuǎn)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(diǎn)光源經(jīng)過光源擴(kuò)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(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

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(jī)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(dòng)軸系,即采用高精度的鋼珠(圓度誤差0.1 μm)作為轉(zhuǎn)動(dòng)的介質(zhì),實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)主軸高精度控制。

在機(jī)械模塊組件選用高穩(wěn)定性器件的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)高精度閉環(huán)控制是影響精度的另外一個(gè)因素。為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)像素精度計(jì)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(jì)最大誤差為10.97 μm。

2 測試與驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)模擬

針對成像測量原理進(jìn)行算法驗(yàn)證和模擬。以1張圓孔圖像為背景,見圖6(a),設(shè)定1個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)算依據(jù),利用角度信息與圖像中的邊界信息進(jìn)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(jī)成像區(qū)域,O點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心,Ci(i=0～360)定義為圖像中心,OCi距離為相機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑R,相機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為θ;圖像中CiPi為邊界點(diǎn)到圖像中心的距離di,根據(jù)上述定義,可以得到Pi點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)據(jù)Pi(x,y),進(jìn)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(shí)都能完全復(fù)原孔型輪廓參數(shù),驗(yàn)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(yàn)證

為了進(jìn)一步測試方案和系統(tǒng)精度,專門制作兩個(gè)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(jìn)行標(biāo)定和性能驗(yàn)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(jī)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(jī)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(diǎn),能夠完成不同直徑孔型的圓形輪廓參數(shù)測量。測試和驗(yàn)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。