基于機(jī)器視覺(jué)的高精度工業(yè)尺寸測(cè)量系統(tǒng)研究?

王妹婷，齊永鋒，蔣 偉，李生權(quán)，包加桐，程宏輝，呂學(xué)智

（揚(yáng)州大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

機(jī)器視覺(jué)一般用于平面尺寸的測(cè)量，但工業(yè)中有時(shí)必須高精度測(cè)量三維尺寸［1］才能保證裝配等工藝的質(zhì)量，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法及儀器設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足在機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)工件三維尺寸的要求［2］。針對(duì)電子行業(yè)待測(cè)工件三維微小尺寸測(cè)量［3］，傳統(tǒng)的方法是靠非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配合夾具、棱鏡才能夠完成，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)化程度低。因此，本文提出一種基于多工業(yè)智能相機(jī)［4］的非接觸式高精度三維尺寸測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、成本較低、測(cè)量速度快，可部分取代價(jià)格昂貴的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在工業(yè)高精度尺寸測(cè)量中的應(yīng)用。

1 高精度三維尺寸測(cè)量系統(tǒng)研究

如圖1所示為待檢測(cè)工件，其具有兩條水平的邊框以及兩個(gè)軸線水平的圓孔，根據(jù)生產(chǎn)要求，需要測(cè)量出這兩個(gè)軸線水平的圓孔中心至兩邊框中分線的距離。由于邊框中分面和圓孔不處于同一平面，因此，涉及到三維尺寸的測(cè)量。

本文設(shè)計(jì)的高精度三維尺寸測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)包括機(jī)架、兩個(gè)相機(jī)支撐架、位于兩個(gè)相機(jī)支撐架之間且其上帶有多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的待測(cè)工件定位座，以及用于帶動(dòng)待測(cè)工件定位座在機(jī)架上平移的氣缸和3個(gè)工業(yè)智能相機(jī)，待測(cè)工件定位座上還設(shè)有將待測(cè)工件上的兩個(gè)水平圓孔折射至豎直方向的棱鏡，即從棱鏡上方觀察到的圓孔位于水平面上，從而使相機(jī)拍的兩圓孔與待測(cè)邊框的圖像處于同一水平面內(nèi)，便于圖像處理。

圖1 待檢測(cè)工件尺寸示意圖

2 三維尺寸檢測(cè)過(guò)程與數(shù)據(jù)融合研究

2．1 三維尺寸檢測(cè)過(guò)程

如圖3所示，待測(cè)工件定位座上帶有A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、D1、D2、D3、D4共16個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。

將待測(cè)工件放置到待測(cè)工件定位座上，開(kāi)啟定位座上的真空吸附機(jī)構(gòu)將待測(cè)工件吸附在定位座上?？删幊炭刂破骺刂?個(gè)工業(yè)智能相機(jī)拍照，其中工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ對(duì)兩個(gè)圓孔拍照，工業(yè)智能相機(jī)Ⅱ和工業(yè)智能相機(jī)Ⅲ分別對(duì)其中一條邊框的一段進(jìn)行拍照，并保存圖像處理后的數(shù)據(jù)。然后可編程控制器控制氣缸帶動(dòng)待測(cè)工件定位座動(dòng)作，使兩個(gè)邊框的另一段移動(dòng)到工業(yè)智能相機(jī)Ⅱ和工業(yè)智能相機(jī)Ⅲ的視野內(nèi)，可編程控制器再次控制3個(gè)工業(yè)智能相機(jī)拍照，其中工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ對(duì)兩個(gè)圓孔拍照，工業(yè)智能相機(jī)Ⅱ、Ⅲ分別對(duì)視野中另一條邊框進(jìn)行拍照，并保存圖像處理后的數(shù)據(jù)，然后對(duì)前后兩組圖像處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理便可得出兩圓孔距離邊框中分線的距離。然后，可編程控制器控制氣缸回到原來(lái)位置，并解除待測(cè)工件的真空吸附。

圖2 高精度三維尺寸測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2．2 多工業(yè)智能相機(jī)數(shù)據(jù)融合算法研究

對(duì)單個(gè)圖像處理數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的步驟如下：

（1）如圖3所示，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，以工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ視野中經(jīng)棱鏡折射后的工件定位座上某個(gè)特征點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，以該坐標(biāo)系原點(diǎn)為交點(diǎn)的兩條互相垂直的邊線為x軸、y軸。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中測(cè)量4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)A1、A2、A3、A4在坐標(biāo)系Oxy中的物理坐標(biāo)A1W（x，y）、A2W（x，y）、A3W（x，y）、A4W（x，y）。

（2）通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量A1B1、A1D1之間的距離，測(cè)量A2B2、A2D2之間的距離，測(cè)量A3B3、A3D3之間的距離，測(cè)量A4B4、A4D4之間的距離，測(cè)量工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ視野中的兩個(gè)圓孔之間的距離。

（3）在工業(yè)智能相機(jī)Ⅱ和工業(yè)智能相機(jī)Ⅲ中測(cè)量各個(gè)視野中x方向兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（例如A1、B1）的像素距離和y方向兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（例如A1、D1）的像素距離，工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ視野中的兩個(gè)圓孔之間的像素距離，與步驟（2）中測(cè)得的世界坐標(biāo)系中的尺寸配合，校準(zhǔn)各工業(yè)智能相機(jī)視野中像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo)之間的比例關(guān)系，并將每個(gè)工業(yè)智能相機(jī)視野中的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成物理坐標(biāo)。

（4）通過(guò)測(cè)量待測(cè)工件定位座上標(biāo)記點(diǎn)A1、A2在工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ和工業(yè)智能相機(jī)Ⅱ中的像素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換成為物理坐標(biāo)后得到A1（x，y），A2（x，y），并將Oxy在工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ中的像素坐標(biāo)也轉(zhuǎn)換為物理坐標(biāo)，得到O（x，y），然后來(lái)確定各工業(yè)智能相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)在 坐 標(biāo) 系 Oxy 中 的 坐 標(biāo) 為：O1W（－Ox，Oy）；O2W（A2Wx－A2x，A2Wy＋A2y）；O3W（A1Wx－A1x，A1Wy＋A1y）。

（5）工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第一次同時(shí)拍照時(shí)，工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ抓取兩個(gè)圓孔的中心位置，工業(yè)智能相機(jī)Ⅱ、Ⅲ可以抓取待測(cè)工件的兩條邊框一側(cè)的兩段線段，進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理；工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第二次同時(shí)拍照時(shí)，工業(yè)智能相機(jī)Ⅱ、Ⅲ抓取待測(cè)工件兩條邊框另外一側(cè)的兩段線段，進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；經(jīng)過(guò)步驟（3）的數(shù)據(jù)處理后，能夠得到兩個(gè)邊框上各兩條線段的平均值在統(tǒng)一坐標(biāo)系Oxy中的物理坐標(biāo)。

（6）假如其中一條邊框的兩段線段平均值在統(tǒng)一坐標(biāo)系Oxy中的物理坐標(biāo)分別為L(zhǎng)1（x，y）、L2（x，y），另外一條邊框的兩段線段平均值分別為R1（x，y）、R2（x，y），則由邊框決定的中分線L上兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為Z1（（L1x＋R1x）／2，（L1y＋R1y）／2）、Z2（（L2x＋R2x）／2，（L2y＋R2y）／2）。

（7）在工業(yè)智能相機(jī)Ⅰ中檢測(cè)兩個(gè)圓孔中心位置，并轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系Oxy中的物理坐標(biāo)中，得到待檢測(cè)圓孔中心的物理坐標(biāo)CL（x，y）和CR（x，y）。

（8）通過(guò)點(diǎn)到直線的距離函數(shù)，可以得到兩個(gè)待檢測(cè)圓孔中心CL、CR至中分線L的距離。

圖3 工件定位座及坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換示意圖

3 結(jié)論

從實(shí)用化角度出發(fā)提出了基于三個(gè)工業(yè)智能相機(jī)及棱鏡光學(xué)作用的三維尺寸檢測(cè)新方案，并設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的高精度三維尺寸測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)多工業(yè)智能相機(jī)的數(shù)據(jù)融合方法，解決了三維尺寸精密測(cè)量的問(wèn)題，其綜合測(cè)量精度在±0．03mm以?xún)?nèi)。

［1］ 呂廣優(yōu)．應(yīng)用假軸巧解含有三維尺寸零件加工難題［J］．有色金屬加工，2012，41（5）：34－35．

［2］ 全燕鳴，黎淑梅，麥青群．基于雙目視覺(jué)的工件尺寸在機(jī)三維測(cè)量［J］．光學(xué)精密工程，2013，21（4）：1054－1061．

［3］ 樂(lè)靜，李樂(lè)，楊宇祥，等．微小零件尺寸的視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量方法和評(píng)價(jià)［J］．光電工程，2013，40（4）：8－13．

［4］ 何博俠，何勇，卜雄洙，等．機(jī)器視覺(jué)多視場(chǎng)協(xié)同測(cè)量方法［J］．光學(xué)精密工程，2012，20（12）：2821－2829．