[发明专利]基于结构光视觉的轴类零件径向跳动误差在线测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器视觉测量技术领域，特别涉及一种基于结构光视觉的轴类零件径向跳动误差在线测量方法。

背景技术

形位误差影响零件之间的配合性质，进而影响机器的密封性、运动平稳性、耐磨性能等，而跳动公差作为形位公差的一项综合指标，部分测量场合可同时控制圆度误差及同轴度误差。轴类零件跳动误差超过允许值易引起机器振动，产生噪音，相比尺寸误差测量技术，跳动误差的测量仍是机械测量领域中的一个薄弱环节。

传统上，跳动误差测量主要是接触式方法。如V型块测量法、偏摆仪测量法、三坐标机测量法、圆度仪测量法等，然而，对于超大型轴类零件跳动误差的测量，若采用人工检测比较费时，采用三坐标测量机检测装卡变得复杂，所以效率不高。对于长径比大于2的轴类零件，无论人工检测还是机器自动检测，接触式测量对采点位置的分布及数量的多少要求较高。目前非接触检测有激光位移传感器测量法和高精度CCD测微计法等。然而，利用激光位移传感器时，触头的安装必须垂直于基准轴线，而高精度CCD测微计测量时，如果待测截面既存在偏心误差又存在圆度误差，则测量值并不等于真实的跳度误差，故这两种方式都有限制的应用范围。

从安全性考虑，因为触头的封闭接触，极易损坏某些对表面有特殊要求的镀层零件；另外，高速测量环境不适合接触式测量方式。亟待改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构光视觉的轴类零件径向跳动误差在线测量方法，解决了现有传统检测方法和目前非接触测量方法存在的上述问题，开发了跳动误差在线检测算法。基于结构光视觉测量技术和相机标定技术，提出了标定过程中圆形初始化窗口计算初始值的方法，利用模板匹配实现光条中心的快速提取，以及径向跳动误差测量模型的建立。计算模型考虑了镜头畸变且放松了相机和待测零件的位置约束，提高了测量精度。另外，本发明同时可以实现全跳动误差的在线测量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于结构光视觉的轴类零件径向跳动误差在线测量方法，结合相机标定技术和结构光视觉测量技术，建立跳动误差的测量模型；通过图像特征提取技术实现光条中心坐标、角点坐标等有效数据点的获取，包括以下步骤：

1)标定相机参数及镜头畸变系数；

2)计算光刀平面方程；

3)计算空间基准方程；

4)计算径向跳动误差。

步骤1)中所述的标定相机参数及镜头畸变系数，是基于改进的张正友两步标定算法，利用精度为1μm的标定板图像在不同姿态下图像角点坐标和其对应的Z＝0世界坐标之间的关系，标定出相机内参数和镜头的畸变系数，具体步骤如下：

1.1)利用工业相机采集9-12幅不同姿态下的标定板图像；

1.2)利用改进的Bouguet工具箱检测图像特定圆形区域的角点亚像素坐标；

1.3)利用角点亚像素坐标和对应的世界坐标求解相机内参、相对于不同标定板位姿的相机外参及镜头畸变系数的初始值；

1.4)利用改进的Bouguet工具箱检测图像所有角点亚像素坐标；

1.5)根据非线性标定模型和步骤1.3)计算的初始值，利用Levenberg-Marquardt(L-M)优化算法对相机内参、镜头畸变系数、不同姿态下标定板外参优化求解。

步骤2)中所述的计算光刀平面方程，具体步骤如下：

2.1)采集6-8幅不同姿态下带有结构光光条的标定板共面标靶图像；

2.2)利用改进的Bouguet工具箱检测共面标靶图像所有角点亚像素坐标，利用已经求解的相机内参、镜头畸变系数计算不同姿态下的共面标靶外参；

2.3)建立光条模板图像，对步骤2.1)采集的共面标靶图像进行匹配，然后对匹配后的图像进行光条中心提取；

2.4)利用步骤2.2)和步骤2.3)的结果得到光条中心的三维空间坐标，利用最小二乘拟合算法拟合光平面方程。

步骤3)中所述的计算空间基准方程，具体步骤如下：

3.1)利用夹具夹持标定板，保证轴线所在平面和标定板正面共面；

3.2)利用夹具将标定板置于光学分度头上，旋转标定板置于不同姿态，3-6个位置，拍摄图像并保存；

3.3)计算不同姿态下的标定板平面方程，利用光平面方程计算空间基准轴线方程。

步骤4)中所述的计算径向跳动误差，具体步骤如下：

4.1)将待测轴安装到测量平台上，安装相机和激光传感器，标定相机参数、镜头畸变系数、光平面方程和空间基准轴线方程；