一种完整成像视觉测量装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种完整成像视觉测量装置，其包括电控系统、底座、检测平台、立柱、X、Y轴向滑台和X、Y轴向伺服电机以及摄像机；检测平台上设有2D靶标平面和一对小孔；立柱滑动连接于X轴向滑台且顶端水平设有滑轨；X轴向滑台设有X轴光栅尺；X、Y轴向伺服电机均电连接电控系统并由电控系统控制动作；X轴向伺服电机驱动立柱；Y轴向伺服电机的动力输出轴连接有传动丝杠；Y轴向滑台固设有双自由度调整装置，其滑动连接于滑轨并连接传动丝杠；滑轨下侧设有Y轴光栅尺；摄像机设于双自由度调整装置底端，其可绕着Y轴摆动且光轴与检测平台保持垂直。本发明结构简单，使用方便，能提高图像测量分辨力和测量精度高，可有效满足实际应用要求。
【专利说明】一种完整成像视觉测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及完整成像【技术领域】，尤其涉及一种完整成像视觉测量装置。
【背景技术】
[0002] 目前视觉检测技术在工业的各个领域都有着广泛的应用，基于机器视觉的测量手 段和方法也得到了快速的发展，但对几何尺寸的视觉测量研究主要集中在对微小结构或尺 寸较小零件，其主要原因在于目前CCD器件像素级相对测量精度仅在ΚΓ 3数量级，而视觉系 统一次成像的成像区域与检测分辨率之间成反比关系。对微小物体进行图像测量时，由于 视场较小，可相应提高图像测量的分辨力来提高测量精度；而对于较大或细长类零件几何 尺寸的综合检测，一次成像获得的完整图像中由于分辨率不高从而导致检测精度满足不了 实际应用要求。
[0003] 依照化整为零、再集零为整的完整成像基本思想可以解决较大尺寸零件视觉测量 中视场与图像分辨率之间的矛盾，文献1【何博侠，张志胜，徐孙浩等.大尺寸机械零件的 机器视觉高精度测量方法。中国机械工程，2009 20 (1)】针对具有条形纹理表面的机械零 件提出了基于纹理特征的序列图像校准方法，但对具有光滑表面或者表面纹理无规则的检 测对象无能为力，其应用领域极其有限。
[0004] 文献2【刘凌云，罗敏等.基于图像拼接的尺寸精密检测算法研究，制造技术与 机床，2012, 11】中将图像拼接技术应用到视觉测量中，采用已标定摄像机方式建立图像投 影模型，提出了基于位姿变换的图像拼接算法实现图像之间的精确配准，并通过变位机驱 动摄像机精确变换位姿获取图像序列，实验验证该算法具有较高的拼接精度；但这种通过 变位机驱动实现摄像机位姿变换的方法存在以下缺陷：1.由于相邻两次采像时刻摄像机 位置和姿态均会改变，图像拼接运算复杂化；2.对于平面图像拼接，摄像机采集图像的景 深随着变位机旋转角度的变化而改变，因而等精度拼接的视场较小；上述问题使得该方法 的推广应用存在一定的局限性。
[0005] 刘凌云等先后对上述完整成像映射、图像拼接方法进行了改进，通过限定摄像机 的光轴垂直于检测平面提出了一种图像无畸变焦平面向后映射方法，解决了逐个像素产生 输出图像、计算简单、且便于高精度插值算法的应用的问题；摄像机移位采像时通过限定摄 像机只能沿着世界坐标系的X、Y轴作单向平移，推导出了完整成像图像拼接方法中所需的 内参、外参的递推公式，该图像拼接方法构思简单、合理，不仅图像拼接简单、累积误差小、 且能实现投影图像的等精度拼接；并以"一种基于坐标变换的完整成像映射方法"和"一种 基于坐标变换的完整成像图像拼接方法"为名，申请了两项发明专利。
[0006] 上述可知，有必要对现有技术进一步改进。
【发明内容】
[0007] 本发明是为了现有的完整成像视觉测量装置通常结构设计复杂，使用不够简单、 方便且测量精度低，影响完整图像分辨率，无法满足实际应用要求的问题而提出一种结构 设计简单、合理，使用方便，测量精度高，实用性强且可用于轴类零件径向跳动、同轴度、圆 柱度误差等检测的完整成像视觉测量装置。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的： 上述的完整成像视觉测量装置，包括电控系统、底座、设于所述底座上的检测平台和X 轴向滑台、装设于所述X轴向滑台上的立柱和X轴向伺服电机、装设于所述立柱上的Y轴向 滑台和Y轴向伺服电机以及装设于所述Y轴向滑台上的摄像机；所述检测平台的顶面中部 一侧设有2D靶标平面；所述立柱的底端滑动连接于所述X轴向滑台，顶端水平设有滑轨； 所述滑轨在空间上与X轴呈垂直；所述滑轨的下侧沿Y轴方向匹配设有Y轴光栅尺；所述Y 轴光栅尺与所述电控系统电连接；所述X轴向滑台位于所述检测平台一侧，其在沿X轴向的 侧壁上设有X轴光栅尺；所述X轴光栅尺与所述电控系统电连接；所述X轴向伺服电机电连 接所述电控系统并由所述电控系统控制动作，其动力输出轴连接并驱动所述立柱，使所述 立柱沿所述X轴向滑台的X轴方向直线位移；所述Y轴向伺服电机电连接所述电控系统并 由所述电控系统控制动作，其动力输出轴还连接有传动丝杠；所述Y轴向滑台一侧设有滑 槽，另一侧固设有双自由度调整装置，顶部向一侧延伸形成有连接臂；所述Y轴向滑台通过 所述滑槽匹配滑动连接于所述滑轨，通过所述连接臂匹配螺纹连接所述传动丝杠，以使其 在所述传动丝杠的带动下沿着所述滑轨的Y轴方向直线位移；所述摄像机装设于所述双自 由度调整装置的底端，其与所述电控系统电连接；所述摄像机的光轴与所述检测平台保持 垂直，同时还可绕着Y轴摆动。
[0009] 所述完整成像视觉测量装置，其中：所述检测平台上还设有一对小孔，所述一对小 孔之间的连线与所述X轴向滑台的X轴平行；所述2D靶标平面位于所述一对小孔一侧。 [0010] 所述完整成像视觉测量装置，其中：所述摄像机的光轴与测量平面的夹角可通过 手轮调整所述双自由度调整装置的俯仰及偏转角度进行改变。
[0011] 所述完整成像视觉测量装置，其中：所述电控系统是由数控装置及与所述数控装 置电连接的上位PC机组成，所述数控装置连接并控制所述X、Y轴向伺服电机，所述上位PC 机分别与所述X轴光栅尺、Y轴光栅尺以及摄像机电连接。
[0012] 所述完整成像视觉测量装置，其中：所述立柱包括纵梁和横梁；所述纵梁的底端 与所述X轴向滑台匹配滑动连接；所述横梁呈槽型结构，其呈水平固定连接于所述纵梁的 顶端。
[0013] 所述完整成像视觉测量装置，其中：所述滑轨水平设于所述横梁一侧外壁。
[0014] 所述完整成像视觉测量装置，其中：所述Y轴向伺服电机装设于所述横梁的顶部 一侧；所述传动丝杠一端固定连接于所述Y轴向伺服电机的动力输出轴，另一端则通过通 过固定座装设于所述横梁的顶部另一侧。
[0015] 有益效果： 本发明完整成像视觉测量装置结构设计简单、合理，使用方便且测量精度高，其可通 过摄像机对检测平台上2D靶标平面进行视觉位姿检测，获取摄像机的光轴与检测平台的 倾斜角度；以此为依据调整双自由度精确调整装置的俯仰角及偏转角，最终保证摄像机光 轴垂直于检测平台，可用于轴类零件径向跳动、同轴度、圆柱度误差的检测，能提高图像测 量的分辨力，来提高测量精度，一次成像获得的完整图像分辨率高，能有效满足实际应用要 求。
[0016] 同时，采用检测对象固定不动，摄像机在检测平台上方移位采像的形式，降低了传 送功率及简化了传送机构，同时增加了摄像机的可达区域，构思新颖，结构简单；借助于双 自由度精确调整装置及采用摄像机对检测平台上2D靶标平面的视觉位姿检测可以快速实 现摄像机的找正，保证摄像机光轴垂直于检测平台；另外整个完整成像过程采用全自动控 制，使用方便，提高了检测效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明完整成像视觉测量装置的结构示意图； 图2为本发明完整成像视觉测量装置的控制原理图。
【具体实施方式】
[0018] 如图1、2所示，本发明完整成像视觉测量装置，包括底座1、检测平台2、X轴向滑 台3、立柱4、X轴向伺服电机5、Y轴向滑台6、Y轴向伺服电机7、摄像机8和电控系统9。
[0019] 该底座1为长方体结构，该检测平台2固设于该底座1的顶部，其中，检测平台2 的顶面中部一侧设有2D靶标平面21，位于该2D靶标平面21 -侧设有一对小孔，即第一小 孔22和第二小孔23,该第一小孔22和第二小孔23之间的连线与X轴平行。其中，在摄像 机8找正时，可将2D靶标平面21放于第一小孔22和第二小孔23 -侧，使2D靶标平面21 及第一小孔22和第二小孔23在摄像机视野中清晰成像，利用视觉位姿检测方法提供摄像 机8找正依据。
[0020] 该X轴向滑台3位于检测平台2-侧，即设于该底座1 一侧边，其沿X轴向侧壁上 还设有X轴光栅尺31，以用于图像拼接时所需X轴向精确位移量的检测。
[0021] 该立柱4装设于该X轴向滑台3的顶部，其包括纵梁41和横梁42,其中，该纵梁 41的底端与该X轴向滑台3匹配滑动连接；该横梁42呈槽型结构，其水平固定连接于该纵 梁41的顶端；其中，该横梁42 -侧外壁水平设有滑轨421，该滑轨421在空间上与X轴呈 垂直，同时，在该滑轨421的下侧沿Y轴方向还匹配设有Y轴光栅尺422,以用于图像拼接时 所需Y轴向精确位移量的检测。
[0022] 该X轴向伺服电机5装设于该X轴向滑台3 -端部，其与电控系统电连接并由电 控系统控制动作；其中，该X轴向伺服电机5的动力输出轴与立柱4连接且可驱动立柱4沿 X轴向滑台3的X方向直线位移。
[0023] 该Y轴向伺服电机6装设于该立柱4的横梁42顶部一侧，其与电控系统电连接并 由电控系统控制动作；其中，该Y轴向伺服电机6的动力输出轴还连接有传动丝杠61，该传 动丝杠61的端部通过固定座62限位于横梁42的顶部另一侧。
[0024] 该Y轴向滑台7装设于该立柱4的横梁42 -侧，其一侧设有滑槽71并通过滑槽 71与立柱4的横梁42上的滑轨421匹配滑动连接，另一侧固设有双自由度调整装置72,顶 部向一侧延伸形成有连接臂73 ;该Y轴向滑台7通过连接臂73与Y轴向伺服电机6的传 动丝杠61螺纹连接，并在传动丝杠61的带动下沿着滑轨421的Y轴方向直线位移。
[0025] 该摄像机8装设于该Y轴向滑台7上的双自由度调整装置71的底端，其与电控系 统电连接。该摄像机8随Y轴向滑台7 -起沿Y轴方向直线位移且光轴与检测平台2保持 垂直，同时，该摄像机8还可绕着Y轴摆动，即摄像机8的光轴与测量平面的夹角可通过手 轮81调整双自由度调整装置71的俯仰及偏转角度进行改变，其中，该摄像机8在X轴向滑 台3、Y轴向滑台7的带动下对检测平面的有效区域进行图像采集。
[0026] 该电控系统9是由数控装置91及与数控装置91电连接的上位PC机92组成，其 中，该数控装置91连接并控制X轴向伺服电机5和Y轴向伺服电机6的动作，该上位PC机 92分别与X轴光栅尺31、Y轴光栅尺422以及摄像机8电连接。
[0027] 本发明完整成像的视觉测量装置结构设计简单、合理，使用方便，其可通过摄像机 对检测平台上2D靶标平面进行视觉位姿检测，获取摄像机的光轴与检测平台的倾斜角度； 以此为依据调整双自由度精确调整装置的俯仰角及偏转角，最终保证摄像机光轴垂直于检 测平台，可用于轴类零件径向跳动、同轴度、圆柱度误差的检测，测量精度高。
【权利要求】
1. 一种完整成像视觉测量装置，其特征在于：所述测量装置包括电控系统、底座、设于 所述底座上的检测平台和X轴向滑台、装设于所述X轴向滑台上的立柱和X轴向伺服电机、 装设于所述立柱上的Y轴向滑台和Y轴向伺服电机以及装设于所述Y轴向滑台上的摄像 机； 所述检测平台的顶面中部一侧设有2D靶标平面； 所述立柱的底端滑动连接于所述X轴向滑台，顶端水平设有滑轨；所述滑轨在空间上 与X轴呈垂直；所述滑轨的下侧沿Y轴方向匹配设有Y轴光栅尺；所述Y轴光栅尺与所述电 控系统电连接； 所述X轴向滑台位于所述检测平台一侧，其在沿X轴向的侧壁上设有X轴光栅尺；所述 X轴光栅尺与所述电控系统电连接；所述X轴向伺服电机电连接所述电控系统并由所述电 控系统控制动作，其动力输出轴连接并驱动所述立柱，使所述立柱沿所述X轴向滑台的X轴 方向直线位移； 所述Y轴向伺服电机电连接所述电控系统并由所述电控系统控制动作，其动力输出轴 还连接有传动丝杠； 所述Y轴向滑台一侧设有滑槽，另一侧固设有双自由度调整装置，顶部向一侧延伸形 成有连接臂； 所述Y轴向滑台通过所述滑槽匹配滑动连接于所述滑轨，通过所述连接臂匹配螺纹连 接所述传动丝杠，以使其在所述传动丝杠的带动下沿着所述滑轨的Y轴方向直线位移； 所述摄像机装设于所述双自由度调整装置的底端，其与所述电控系统电连接；所述摄 像机的光轴与所述检测平台保持垂直，同时还可绕着Y轴摆动。
2. 如权利要求1所述的完整成像视觉测量装置，其特征在于：所述检测平台上还设有 一对小孔，所述一对小孔之间的连线与所述X轴向滑台的X轴平行；所述2D靶标平面位于 所述一对小孔一侧。
3. 如权利要求1所述的完整成像视觉测量装置，其特征在于：所述摄像机的光轴与测 量平面的夹角可通过手轮调整所述双自由度调整装置的俯仰及偏转角度进行改变。
4. 如权利要求1所述的完整成像视觉测量装置，其特征在于：所述电控系统是由数控 装置及与所述数控装置电连接的上位PC机组成，所述数控装置连接并控制所述X、Y轴向伺 服电机，所述上位PC机分别与所述X轴光栅尺、Υ轴光栅尺以及摄像机电连接。
5. 如权利要求1所述的完整成像视觉测量装置，其特征在于：所述立柱包括纵梁和横 梁； 所述纵梁的底端与所述X轴向滑台匹配滑动连接； 所述横梁呈槽型结构，其呈水平固定连接于所述纵梁的顶端。
6. 如权利要求1所述的完整成像视觉测量装置，其特征在于：所述滑轨水平设于所述 横梁一侧外壁。
7. 如权利要求1所述的完整成像视觉测量装置，其特征在于：所述Y轴向伺服电机装 设于所述横梁的顶部一侧； 所述传动丝杠一端固定连接于所述Y轴向伺服电机的动力输出轴，另一端则通过通过 固定座装设于所述横梁的顶部另一侧。
【文档编号】G01B11/00GK104048602SQ201410275227
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】刘凌云, 罗敏, 吴岳敏 申请人:湖北汽车工业学院