[发明专利]一种机器视觉和扫描检测装置及其工作方法

权利要求书

1.一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：包括有一检测台，所述检测台上上下贯穿开设有透视孔，检测台下方正对透视孔架设有背光源，所述透视孔正上方检测台上表面固设有透明平台，所述透明平台正上方架设第二相机，所述第二相机一侧与第二相机成一定夹角并对准透明平台架设第一相机，所述第二相机另一侧与第二相机成一定夹角并对准透明平台架设结构光扫描机构，所述检测台前侧设置有活动夹具，该活动夹具延伸至透明平台上用以限位，所述检测台后侧安装有三轴运动平台，该三轴运动平台的Z轴上固设有测头。

2.根据权利要求1所述的一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：所述测头包括一壳体，壳体外壁固连在Z轴上，所述壳体内壁近下端嵌设外管状永磁铁，所述壳体内壁位于外管状永磁铁上方嵌设下环形永磁铁，所述壳体内壁位于下环形永磁铁上方嵌设上环形永磁铁；所述壳体内壁中心贯穿一测杆，测杆下端设有测球，所述测杆顶部延伸出外壳并安装有光源支撑板，沿光源支撑板周向均布有三个平面光源，所述平面光源上均安装有光刻透明标准圆，所述支撑板下方测杆上安装有悬浮环形永磁铁，悬浮环形永磁铁位于上环形永磁铁和下环形永磁铁之间；所述外管状永磁铁内的测杆上套设有内管状永磁铁，内管状永磁铁与侧杆固连。

3.根据权利要求2所述的一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：所述外管状永磁铁和内管状永磁铁相近处的极性相同，所述悬浮环形永磁铁和上下环形永磁铁相近处的极性相同。

4.根据权利要求1所述的一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：所述壳体内壁位于上下环形永磁铁之间处固设有波形弹簧固定环，所述波形弹簧固定环内安装有波形弹簧，所述波形弹簧上间隔设置两个被动触环；所述悬浮环形永磁铁周向固设有主动触环；所述壳体自外壁朝内水平穿过内壁成对设置上安全触板、上安全触点和下安全触板、下安全触点，上安全触板、上安全触点互相平行且位于悬浮环形永磁铁上方，下安全触板、下安全触点互相平行且位于悬浮环形永磁铁下方。

5.根据权利要求4所述的一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：所述上安全触点在主动触环正上方处朝上弯曲成弧形凸起状，以形成与上安全触板相配合的触点，所述下安全触点在主动触环正下方处朝下弯曲成弧形凸起状，以形成与下安全触板相配合的触点。

6.根据权利要求1所述的一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：所述活动夹具包括旋转台，所述旋转台上安装有夹爪气缸，所述夹爪气缸的两个夹爪上分别固定有立式设置的凹形支座，所述凹形支座上竖向设置有滑轨，所述滑轨上设置有与其滑动配合并可弹性升降的滑块，所述滑块的后端设置有夹臂，两夹臂均朝后水平延伸，两夹臂的后端内侧对称设置有若干个环形弹簧。

7.根据权利要求6所述的一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：所述凹形支座内侧的上、下部分别固定有立式弹簧，所述立式弹簧的另一端分别与滑块对应侧的端面固定连接；所述滑块的后端连接有固定块，所述固定块的后侧设置有用于夹臂前端嵌入的插槽，固定块上设置有用于锁定夹臂的锁定螺栓；所述环形弹簧设置有四个，两两间隔设置在夹臂的后端内侧壁上。

8.根据权利要求1所述的一种机器视觉和扫描检测装置，其特征在于：所述结构光扫描机构包括结构光扫描轴，所述结构光扫描轴上安装结构光支架，结构光支架侧边通过一结构光固定环连接有结构光，结构光穿设在结构光固定环内并固定。

9.一种机器视觉和扫描检测装置的工作方法，其特征在于，采用如权利要求1-8所述的任一种机器视觉和扫描检测装置，并按以下步骤进行：步骤S1：相机模型标定：对第二相机镜头进行标定，建立背光投影模型参数；对第一相机镜头、第二相机镜头进行标定，建立双目视觉三维投影模型参数；对第二相机镜头和结构光扫描机构进行标定,建立结构光视觉三维扫描模型参数；标定时把3个投影模型参数都标定到同一个参考座标系；步骤S2：背光投影图像座标系与运动平台座标系的转换参数标定：把一标准光面环规放置在透明平台上，用背光投影测量单元测量出标准光面环规工作面的圆轮廓C₁，手动控制运动平台对环规工作面圆轮廓进行扫描，计算出C₁圆轮廓圆心座标[C_1x,C_1y]和扫描轨迹的圆心座标[V_1x,V_1y]，重复上述步骤2次，分别把光面环规放置透明平台不同位置进行检测和扫描，得到光面环规另外2个位置的圆轮廓圆心座标[C_2x,C_2y]、[C_3x,C_3y]和扫描轨迹的圆心座标[V_2x,V_2y]、[V_3x,V_3y]，利用其中对应的2对四点座标，[C_1x,C_1y]、[C_2x,C_2y]和[V_1x,V_1y]、[V_2x,V_2y]计算背光投影图像座标系到运动平台座标系的平移和旋转参数p1、m1，为了判断是左手座标系还是右手座标系，再以[C_2x,C_2y]、[C_1x,C_1y]的输入顺序和[V_1x,V_1y]、[V_2x,V_2y]计算转换座标系的平移和旋转参数p2、m2，之后把[C_3x,C_3y]用两次计算出的的平移和旋转参数进行转换，把两次转换的结果x、y座标分别与[V_3x,V_3y]的x、y相减取绝对值，取绝对值小的那次的平移和旋转参数及背光投影图像座标的输入顺序作为转换时的平移和旋转参数及座标点的输入顺序；

步骤S3：对结构光视觉三维座标系与运动平台座标系的转换参数进行标定；利用背光投影模型和双目视觉三维投影模型对测头的三个光刻透明标准圆圆心到测球球心距离进行标定：在透明平台上放置一光面环规，通过背光投影检测出环规的工作面圆轮廓，由圆轮廓计算圆轮廓的圆心XY座标[C₁_X,C₁_Y]和沿圆轮廓的扫描轨迹系列XY座标[X_i,Y_i]，把扫描轨迹系列XY座标转换到运动平台座标，三轴运动平台驱动测头测球同时与环规的工作面和透明平台接触并沿着系列[X_i,Y_i]座标扫描，双目视觉系统同时追踪测头上方的三个光刻透明标准圆，计算出这些标准圆的系列三维圆心座标,把这些系列三维圆心座标拟合成三个圆，得到这三个圆的三维圆心座标:[C₂_X,C₂_Y,C₂_Z]、[C₃_X,C₃_Y,C₃_Z]、[C₄_X,C₄_Y,C₄_Z]，由于扫描时测球同时与环规的工作面和透明平台接触，因此，由圆轮廓计算出的圆心XY座标[C₁_X,C₁_Y]的Z向座标为测球半径R，由此得到与[C₂_X,C₂_Y,C₂_Z]、[C₃_X,C₃_Y,C₃_Z]、[C₄_X,C₄_Y,C₄_Z]对应的测球球心三维座标[C₁_X,C₁_Y，R],依据三维空间中点到点的距离公式，可以列方程求出[C₂_X,C₂_Y,C₂_Z]、[C₃_X,C₃_Y,C₃_Z]、[C₄_X,C₄_Y,C₄_Z]到[C₁_X,C₁_Y，R]的距离d1、d2、d3即为三个光刻透明标准圆圆心到测球球心的距离；

步骤S4：双目视觉扫描测量方法：在扫描的同时双目视觉追踪测头上方的三个光刻透明标准圆，计算出这些标准圆的系列三维圆心座标,由于圆心座标到测球球心的距离已通过标定得到，因此依据三维空间中点到点的距离公式，可以计算出与三个光刻透明标准圆圆心座标对应的测球球心三维座标点，再依据测球半径计算出实际的测量参数；如要得到零件的实际扫描轨迹座标点，则根据扫描的轨迹类型，把计算得到的测球球心系列三维座标点拟合成与扫描的轨迹类型对应的直线、圆、椭圆、或曲线等轮廓，由于拟合轮廓与零件实际轮廓平行，距离等于测球半径，因此可以得到零件实际轮廓；

步骤S5：测量零件过程：活动夹具夹取零件到透明平台，依据零件和尺寸的特征、精度要求等从背光投影、双目视觉和结构光扫描中选择一种或多种方式配合进行测量；测量完成后，活动夹具上升，旋转180度，再下降到透明平台进行另一面测量，两面都测量完成后，依据检测结果进行分类，活动夹具把检测完成的零件放置到指定的位置；当使用双目视觉扫描测量时，如果有CAD图形，可以预先设定好扫描路径，把CAD图形与背光投影或结构光扫描的得到的零件实际轮廓进行匹配，得到CAD图形的座标与背光投影或结构光扫描的座标系的转换关系矩阵，由此矩阵把扫描路径座标转换到背光投影或结构光扫描座标系，再依据背光投影或结构光扫描座标系与运动平台的座标系转换矩阵转换到运动平台的座标系进行扫描；如没有CAD图形，可以利用背光投影或结构光扫描先检测出须要扫描的路径再进行双目视觉扫描测量。