[发明专利]轴类零件直线度在线非接触测量方法

说明书

技术领域

    本发明涉及图像测量技术领域，特别涉及一种轴类零件直线度在线非接触测量方法。

背景技术

机械、汽车、电机等行业中大量使用各种轴类零件，其中包括汽车的传动轴、齿轮轴、机床的主轴、纺织机的罗拉轴、麻花钻、拉刀、钻杆等。然而这些零件在加工、制造过程中或热处理后不可避免地会出现各种不同程度的弯曲变形，据统计我国年产轴的总量约为 10 亿件，需要经过校直后才能使用的约占 70%。轴类零件在机械加工或热处理过程中发生的弯曲变形若不能得到有效地校直，在后续的精加工过程中将会带来各种各样的影响，会直接影响产品的质量，甚至直接影响废品率的上升速度。因此，为了降低废品率、提高成品率、节约加工和原材料的成本以及保证工件能够达到最终设计公差的要求，热处理后校直是轴类零件加工过程中保证产品质量的重要工序。

古老的校直方法就是凭借工人的经验，对需要校直的工件进行手工敲击，这种方法不仅效率低、校直精度低，而且劳动成本高。随着科技的进步，自动校直机代替了手工校直。自动校直机主要包括工件的直线度检测装置、压缩校正装置、自动上下料装置、控制装置等部分。其中直线度检测装置是轴类自动校直机中的关键部分。其测量效率和准确度直接影响校直工艺的效率和品质。

目前，直线度的主要测量方法按照测量装置是否与被测零件相接处，通常分为接触测量和非接触测量。接触测量方法包括：误差分离法、光隙法、测微仪法和三坐标法等方法，这些测量方法的工作强度大、效率低、很难实现在线测量。非接触测量方法主要是指基于光学原理的测量方法，包括激光准直仪法、机器视觉测量法、结构光测量法等方法。与传统的接触式测量方法相比，在生产过程中可实现在线测量，可以实时地将零件的信息反馈到控制系统，具有非接触、全视场测量和自动化程度高的特点。

计算机视觉测量技术利用物体的图像作为检测的载体，目前，机器视觉测量方法的测量对象大多限于二维尺寸，被测尺寸所在的物体表面就是成像平面，可以利用机器视觉中的边缘检测实现测量，或者用边缘检测和摄像机标定相结合完成高精度测量。然而，轴类零件是三维实体，测量尺寸所在的物体表面不再是成像平面，对于二维尺寸的测量方法就不再适用。并且，由于被测零件的基准尺寸往往在几十到上百毫米，远大于摄像机镜头的尺寸，此时，机器视觉测量方法就不再适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴类零件直线度在线非接触测量方法，克服了现有的检测方法存在的不足，实现在线检测，同时保证较低的成本、较高的检测效率和较好的测量精度。基于结构光视觉成像模型，建立轴类零件直线度的测量模型，结合光条中心线检测技术、角点检测技术和摄像机标定技术等实现轴类零件的直线度的测量，是一种更有效的轴类零件直线度在线非接触测量方法是采用结构光测量方法，考虑零件的成像几何关系，并综合应用摄像机标定，结构光光条中心线检测、角点检测等方法实现测量。利用CCD摄像机检测激光器照射到轴类零件上的光点位置变化，按照系统的标定模型计算轴类零件的直线度。在标定过程中，本方法考虑了光条图像的畸变，可有效的提高标定精度。测量过程中，激光器平行于轴线方向照射，被测轴仅需旋转几次就可得到足够数据点来计算直线度，更有利于实际应用。

本发明的轴类零件直线度在线非接触测量方法，通过建立基于机器视觉技术的线结构光测量系统成像模型，结合摄像机标定技术、图像特征提取技术等方法实现轴类零件的直线度在线测量，其包括以下步骤：

（1）标定CCD摄像机的内部参数及畸变系数；

（2）建立光平面与摄像机像平面之间的关系；

（3）求取标定轴的轴线方程；

（4）测量被测轴的直线度。

上述步骤（1）中所述的标定CCD摄像机的内部参数及畸变系数，是基于张正友提出的摄像机平面标定算法，利用高精度标定板的不同姿态的图像，标定出摄像机内部参数，以修正镜头畸变对图像造成的失真变形，提高尺寸测量精度，具体过程包括下列步骤：

（1.1）把CCD摄像机和激光投射器固定在支架上，保持位置不变；关闭激光投射器，利用CCD摄像机采集9幅不同位姿的标定板图像；

（1.2）使用摄像机标定工具箱检测出标定板图像中角点的亚像素坐标；

（1.3）基于张正友提出的摄像机平面标定算法，利用检测得到的角点的像素坐标和世界坐标求解摄像机内参、畸变系数和外参的初值；

（1.4）利用所有不同位姿的标定板图像中提取到的角点的像素坐标和世界坐标，对摄像机内部参数矩阵和畸变系数进行优化求精，采用Levenberg-Marquardt(L-M)法优化求解。