基于多線激光的大尺寸水冷板高度測(cè)量系統(tǒng)

徐思源,班兆軍

浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江省農(nóng)業(yè)生物資源生化制造協(xié)同創(chuàng)新中心

0 引言

水冷板作為電車電池組和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要散熱設(shè)備,其運(yùn)作流程簡(jiǎn)單而高效,冷卻液經(jīng)過電池組和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的散熱器,吸收其產(chǎn)生的熱量,經(jīng)過水冷板進(jìn)行熱交換,將熱量散發(fā)到外部空氣中,保持系統(tǒng)在適宜的工作溫度范圍內(nèi)[1-4]。因此,水冷板高度誤差檢測(cè)對(duì)于確保裝配精度、功能性能、制造成本、質(zhì)量控制和設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面都具有重要的意義[5-6]。

傳統(tǒng)的大尺寸工件高度測(cè)量以綜合量規(guī)測(cè)量和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(coordinate measuring machine,CMM)為主[7]。綜合量規(guī)需要人工操作且只能進(jìn)行定性檢測(cè)。CMM作為一種高精度的測(cè)量設(shè)備,其原理是建立一個(gè)三維坐標(biāo)系,利用測(cè)頭(探針)在3個(gè)方向上的移動(dòng)來觸碰工件表面,從而計(jì)算特征的高度誤差[8]。其特點(diǎn)是具有高精度、高可靠性,但是面對(duì)水冷板這種大尺寸物體時(shí),效率較低。綜上,由于冷板的尺寸偏大,測(cè)量特征多且分布比較分散等特點(diǎn),現(xiàn)有的設(shè)備不能滿足目前的檢測(cè)需求。

近幾年,工件的高度測(cè)量得益于機(jī)器視覺技術(shù)的進(jìn)步,在面對(duì)更復(fù)雜的測(cè)量、精度和效率并行的測(cè)量需求時(shí),為其提供了具有可行性的自動(dòng)化解決方案。非接觸式測(cè)量主要以光學(xué)原理為基礎(chǔ),包括激光三角法、機(jī)器視覺和激光掃描法等[9]。蔣玉林等[10]提出基于線激光獲取螺紋輪廓,通過B樣條曲線擬合采樣點(diǎn)彌補(bǔ)缺失算法,使螺距測(cè)量誤差在0.05 mm內(nèi);邱益等[11]設(shè)計(jì)了基于線激光位移傳感器的鉆孔毛刺高度測(cè)量系統(tǒng),提出了消除雜散光和校準(zhǔn)傾斜的方法,實(shí)現(xiàn)了鉆孔毛刺的精確快速測(cè)量。

基于線激光傳感器的非接觸三角測(cè)量技術(shù),可以精確獲取物體表面的深度信息[12-13]。本文設(shè)計(jì)了一種基于多線激光的大尺寸水冷板高度檢測(cè)系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)水冷板高度誤差測(cè)量自動(dòng)化,滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 水冷板檢測(cè)參數(shù)

電動(dòng)汽車水冷板的高度檢測(cè)特征眾多且復(fù)雜,如圖1所示,涉及進(jìn)水孔、出水孔、螺母以及PCB板上矩形接頭的高度。其中,水冷板螺母的高度與設(shè)計(jì)圖紙位置之間的偏差,可導(dǎo)致螺母緊固不當(dāng)使冷卻液泄漏或者阻塞不通等問題;水孔和矩形接頭的高度會(huì)影響到后期的工裝。因此,本文主要研究水冷板表面零件高度誤差測(cè)量方法。表1是水冷板設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 冷板設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 水冷板三維結(jié)構(gòu)模型

1.2 測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水冷板高度測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,其工作過程如下:運(yùn)動(dòng)控制模塊是由下位機(jī)(PLC)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制電流信號(hào),用于控制直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng),同時(shí)編碼器的脈沖信號(hào)向PLC反饋直線電機(jī)的位置和速度,通過閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性;圖像采集模塊由4個(gè)線激光傳感器并列組成;圖像處理模塊中,工業(yè)計(jì)算機(jī)集成了圖像采集卡、MATLAB圖像處理軟件和上位機(jī)(LabVIEW)軟件,MATLAB軟件處理完圖像后,與上位機(jī)實(shí)時(shí)交互測(cè)量數(shù)據(jù)。此外,讀碼器解析二維碼獲取產(chǎn)品信息,上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互。

圖2 水冷板高度測(cè)量系統(tǒng)總體框圖

1.2.1 運(yùn)動(dòng)控制硬件

直線電機(jī)采用壁掛的安裝方式,載荷為30 kg,此外,考慮直線電機(jī)加速、減速的過程,其滑軌長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2 300 mm。為了實(shí)時(shí)反饋傳感器的位置,在搭載傳感器的直線電機(jī)滑軌上安裝有精密光柵。由控制器、內(nèi)置編碼器的驅(qū)動(dòng)器、直線電機(jī)和精密光柵形成的閉環(huán)控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的直線運(yùn)動(dòng)控制。表2為器件的型號(hào)及主要參數(shù)。

表2 硬件選型

1.2.2 工作臺(tái)面

為了使設(shè)備能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,采用大理石材質(zhì)底座,其特點(diǎn)是不易變形且能抵抗工廠環(huán)境下輕微的振動(dòng)。如圖3所示,碳鋼-鋁合金底板放置在大理石臺(tái)面上,水冷板放置在碳鋼-鋁合金底板上,使用氣動(dòng)夾具夾緊。氣動(dòng)夾具能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的夾緊力分布,可以避免夾持過程中造成工件變形。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

2 測(cè)量方法

以水冷板表面螺母建立高度誤差測(cè)量模型,如圖4所示,由連接作用的高度和裸露在外的高度2部分組成。傳統(tǒng)的綜合量規(guī)法一般利用游標(biāo)卡尺,取多次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果,精度易受螺母外形(表面粗糙度,倒角邊緣等)影響,而且測(cè)量結(jié)果比較隨機(jī),精度不高。針對(duì)所研究的螺母,表面粗糙度Ra在6～1.5 μm范圍內(nèi),h2為3.93 mm,h2允許誤差為±0.2 mm?？紤]螺母鎖緊部位的形變程度,基準(zhǔn)面設(shè)置為螺母下表面點(diǎn)云擬合的平面,以螺母上表面所有的點(diǎn)到平面的投影距離的平均值作為螺母高度的測(cè)量結(jié)果。

圖4 螺母檢測(cè)原理

依據(jù)最小二乘法擬合平面P,假設(shè)基準(zhǔn)平面方程為ax+by+cz-1=0,將三維點(diǎn)Pi(xi,yi,zi)代入方程,使得點(diǎn)到平面的殘差平方和最小:

(1)

(2)

求得基準(zhǔn)平面方程的a、b、c參數(shù),此時(shí),螺母表面三維點(diǎn)xi到基準(zhǔn)平面的投影距離ki為

(3)

n為參與計(jì)算的螺母表面點(diǎn)云個(gè)數(shù),因此h2可以用式(4)表示:

(4)

3 圖像處理

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

為了精確建立被測(cè)物體的世界坐標(biāo)系與其像素坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,需要標(biāo)定系統(tǒng)中攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)(f,k,dx,dy,u0,y0)及外參數(shù)(R,T)。其中:f為相機(jī)焦距;k為畸變系數(shù);dx,dy為像素點(diǎn)的物理尺寸;(u0,v0)為主點(diǎn)坐標(biāo);R、T分別為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。根據(jù)黑白棋盤格采集的坐標(biāo)值,攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)可由式(5)、式(6)得到:

(5)

(6)

式中:(u,v)為實(shí)物在像素坐標(biāo)系中的投影點(diǎn);(xw,yw,zw)為世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn);zc為相機(jī)的縱坐標(biāo);λ為被測(cè)物體坐標(biāo)值在2個(gè)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的比例系數(shù)。

傳感器采集圖像的徑向畸變可由畸變模型式(7)表示:

(7)

式中:(x,y)為物體在成像平面坐標(biāo)系中的投影點(diǎn);(x′,y′)為校正后的投影點(diǎn)。

3.2 視覺檢測(cè)流程

視覺檢測(cè)算法流程如圖5所示,當(dāng)采集卡采集圖像后,首先,依據(jù)模板匹配從圖像中匹配待檢測(cè)對(duì)象;然后對(duì)模板匹配點(diǎn)云進(jìn)行濾波去噪;最后點(diǎn)云擬合基準(zhǔn)平面,將螺母上表面取樣點(diǎn)云投影到擬合平面,計(jì)算均值高度。

圖5 視覺檢測(cè)流程

3.2.1 圖像匹配

圖像匹配技術(shù)是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究,是已知模式(模板圖),在另一幅圖像中搜索設(shè)定閾值(匹配分?jǐn)?shù))內(nèi)相匹配的子圖像的過程。模板匹配技術(shù)可以分成基于特征提取和基于灰度值2種方法[14-15]。線激光傳感器在采集水冷板圖像會(huì)因?yàn)榫植繀^(qū)域的反射強(qiáng)度低,激光點(diǎn)未檢測(cè)到而使特征邊緣部分丟失,造成灰度邊緣提取困難,并且這個(gè)過程涉及幾何和圖像形態(tài)學(xué)處理,計(jì)算量大;較于前者,基于灰度值匹配地算法簡(jiǎn)單易行,其數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型收斂速度快、定位精度高。假設(shè)模板T的尺寸為N像素×N像素,待搜索圖像S的尺寸為M像素×M像素,M>N。模板T在圖像S上平移,搜索窗口所覆蓋的子圖記作Si,j,i,j為子圖的左上角頂點(diǎn)在圖S中的坐標(biāo),基于差方和法(sum of squared differences,SSD):

(6)

式中:S、T分別為圖像各個(gè)像素的灰度值;m、n為各個(gè)像素的坐標(biāo)。

冷板圖像尺寸偏大,若以全局方式搜索,不僅計(jì)算復(fù)雜而且容易出錯(cuò)。因此,為了縮短待搜索圖像的尺寸M,需要將特征圖像從源圖像中分割出來。在搜索過程前,可以通過判斷水冷板在氣動(dòng)夾具內(nèi)的活動(dòng)范圍,設(shè)置一個(gè)矩形框閾值,粗略得到特征在圖像中的位置,并以矩形框中的圖像作為待搜索對(duì)象。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案,創(chuàng)建如圖6所示的模板和待匹配對(duì)象,并展示了匹配結(jié)果。

(a)螺母模板

3.2.2 濾波降噪

在利用線激光傳感器獲取點(diǎn)云的過程中,會(huì)受到電子元件、光照影響、設(shè)備振動(dòng)及水冷板表面材質(zhì)的影響,得到的數(shù)據(jù)存在噪聲點(diǎn),不能正確表達(dá)實(shí)際被測(cè)物的空間位置,故本文采用高斯濾波對(duì)模板匹配后的點(diǎn)云進(jìn)行平滑操作。

高斯濾波屬于線性平滑濾波,對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,過濾不滿足標(biāo)準(zhǔn)的高頻信息,能夠保證去噪質(zhì)量的前提下保留住點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征信息。具體為計(jì)算所有點(diǎn)與它臨近點(diǎn)的平均距離,得到一個(gè)由均值、標(biāo)準(zhǔn)差確定的高斯分布,當(dāng)點(diǎn)的均值在全局距離平均值之外時(shí),可被認(rèn)為是離群點(diǎn)并從數(shù)據(jù)集中剔除。

3.2.3 點(diǎn)云篩選

傳感器在獲取螺母表面圖像的過程中,獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu),包括部分垂直面的邊緣、外徑倒角以及內(nèi)徑倒角,如圖7(a)所示。由于掃描點(diǎn)密度較高,傳統(tǒng)的點(diǎn)云分割算法在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分割時(shí)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,難以準(zhǔn)確將不同部分的點(diǎn)云分開?？紤]螺母表面比較平整,其上點(diǎn)云所占面積占比大,采取統(tǒng)計(jì)分析并識(shí)別出高度值分布較為集中范圍的策略來提高測(cè)量的準(zhǔn)確性,這些范圍內(nèi)的點(diǎn)被選定作為螺母高度的測(cè)量點(diǎn)。具體篩選方法如下:

(a)待分割點(diǎn)云圖

步驟1:根據(jù)像素物理尺寸和螺母圓環(huán)面積,初步估計(jì)掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)約為l=6 500;

步驟2:以傳感器最小分辨率3 μm作為統(tǒng)計(jì)的最小刻度,將點(diǎn)云高度數(shù)值按照大小排序歸納;

步驟3:將點(diǎn)云頻率出現(xiàn)最多的范圍[u,v]作為初始目標(biāo),點(diǎn)云數(shù)量記為m1;擴(kuò)大刻度范圍,記[u-0.003,v+0.003]范圍點(diǎn)云數(shù)量為m2。

為了保證有足夠多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)參與高度計(jì)算,將閾值范圍個(gè)數(shù)設(shè)置在4 000～6 000左右,即當(dāng)4 000

這種方法不僅能夠適應(yīng)點(diǎn)云密集的情況,而且計(jì)算速度快穩(wěn)定性高,給螺母高度測(cè)量提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖7(b)是圖7(a)的點(diǎn)云統(tǒng)計(jì)直方圖,圖7(c)是根據(jù)閾值范圍分割結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 系統(tǒng)標(biāo)定精度

本文以如圖8所示的標(biāo)準(zhǔn)件為檢測(cè)對(duì)象,標(biāo)準(zhǔn)件有上下2個(gè)表面,上表面到下表面的標(biāo)準(zhǔn)高度為25 mm,精度為±0.001 mm。在測(cè)量的過程中,標(biāo)準(zhǔn)件放置在傳感器行程的不同位置,采用視覺測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)對(duì)比來驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量誤差。如表3所示,系統(tǒng)測(cè)量值為同一個(gè)位置測(cè)量10次的平均值。

表3 系統(tǒng)標(biāo)定誤差

圖8 標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)物圖

4.2 重復(fù)測(cè)量精度試驗(yàn)

用本文所述硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并基于MATLAB軟件平臺(tái)和OpenCV庫對(duì)采集圖像進(jìn)行算法編寫、測(cè)試和實(shí)驗(yàn);上位機(jī)軟件基于LabVIEW對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和存儲(chǔ)。表4是選取的一組參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。

表4 視覺檢測(cè)結(jié)果

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,螺母、矩形接頭和水孔的高度最大偏差為23 μm,重復(fù)性測(cè)量精度均在30 μm以內(nèi)。并且每次試驗(yàn)中,測(cè)量所有特征參數(shù)用時(shí)不到1 min,滿足測(cè)量精度要求和效率要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于多線激光的大尺寸水冷板高度測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量方法上,首先采用最小二乘法擬合一個(gè)平面;接著,計(jì)算檢測(cè)特征表面點(diǎn)云到平面的平均投影高度,其結(jié)果即為測(cè)量高度。該系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制、圖像采集和圖像處理3個(gè)模塊。運(yùn)動(dòng)控制上,由控制器、內(nèi)置編碼器的驅(qū)動(dòng)器、直線電機(jī)和精密光柵形成的閉環(huán)控制方式,確保圖像采集的一致性。圖像采集上,采用多個(gè)線激光傳感器垂直于靶面,同時(shí)采集圖像。圖像處理上,采用高斯濾波對(duì)模板匹配后的點(diǎn)云圖像剔除噪聲;提出了基于點(diǎn)云高度統(tǒng)計(jì)的方法,對(duì)螺母表面點(diǎn)云篩選取樣。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,本文設(shè)計(jì)的水冷板高度測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量誤差小于30 μm,滿足生產(chǎn)需求。