一种数控机床工件在线自动测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种在线测量领域，特别是设及一种适用于数控机床工件几何尺寸及 复杂曲面的在线自动测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 在数控机床/加工中屯、上对被加工工件进行在线自动检测是提高数控机床自动 化加工水平和保证工件加工精度的有效方法，数控机床工件在线自动测量系统是衡量数控 机床技术水平的重要特征之一，已成为购置数控机床必不可少的基本选件。采用在线自动 测量系统，在加工前可协助操作者进行工件的装夹找正，自动完成工件坐标系的设定，从而 可简化工装夹具，节省夹具费用，缩短辅助时间，提高加工效率；在加工中和加工后可自动 对工件尺寸进行在线测量，并能根据测量结果自动生成误差补偿数据反馈到数控系统，W 保证工件的尺寸精度及批量工件的尺寸一致性；采用机内在线测量还可避免将工件移至测 量机测量所带来的二次误差，从而可提高加工精度及精度保持性，通过一次切削即可获得 合格产品，大大增强数控机床的智能化程度。
[0003] 激光扫描法利用激光扫描物体表面，通过出射点、投影点和成像点的=角关系确 定物体的=维坐标。其测量速度较快，精度较高，但零件材质和表面特性及光学系统的成像 误差对测量结果影响较大，且激光扫描系统的价格十分昂贵。
[0004] 立体视觉法是用两个摄像机从不同位置拍摄同一工件，在两个摄像机的图像平面 上提取和匹配需要测量的特征点，求出特征点在两个图像平面的坐标，再利用成像公式计 算出测量点的=维坐标。此法原理直观，但寻找对应点比较困难。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种匹配更容易，测量精度更高的数控机床工件 几何尺寸及复杂曲面的在线自动测量装置及测量方法。
[0006] 根据空间物体上任一标记点，在两幅CCD图像上成像后，图像上的标记点必为相 互对应的匹配点，提出加装线激光标示的方法，通过激光标记来解决目标物体上同一点在 两幅CCD图像上对应点的快速匹配问题。两个摄像机同时摄取同一线激光条图像，经过光 条中屯、线提取及角点提取，利用=角原理计算出中屯、线上所有特征点的=维信息，从而进 行摄像机标定和立体匹配。
[0007] 影响数控机床工件的在线立体测量精度的因素主要有数字量化效应、摄像机标定 误差、特征检测与匹配定位精度等。一般来说，测量精度与匹配定位精度成正比。增大基线 长度可W改善深度测量精度，但同时会增大图像间的差异，增加匹配的困难程度。因此，要 设计一个精确的立体视觉系统，必须综合考虑各个方面的因素，保证各个环节都具有较高 的精度。
[000引本发明针对双目立体视觉测量中立体匹配困难的问题，提出了在双目立体视觉的 原理上，结合激光线扫描的方法实现零件几何尺寸及复杂曲面的数控机床在线测量。W激 光线为定位，获取激光线的中屯、线，提取角点，根据特殊设计的扫描头结构和=角原理，得 到光屯、线上角点的3D信息。W此为依据，约束图像测量中摄像机标定和立体匹配过程。
[0009] 本发明采用的技术方案如下：一种数控机床工件在线自动测量装置，其特征在于： 包括装置在运动机构上组成数控机床在线测试平台的扫描头；所述扫描头包括2个摄像机 和线激光发射装置；所述2个摄像机参数相同；还包括检测图像中光条不同方向W及不同 频率的边缘特征的Gabor滤波器。
[0010] 作为优选，所述2个摄像机光轴平行，位于同一个平上的左右摄像机；所述线激光 发射装置与所述2个摄像机位于同一平面且位于两个摄像机中间位置。
[0011] 作为优选，所述摄像机为CCD摄像机。
[0012] 作为优选，所述G油or滤波器有16个，对应同一中屯、频率的4种不同方向，及同一 方向的4种不同中屯、频率。
[0013] 作为优选，所述G油or滤波器为Log-G油or滤波器。
[0014] 一种基于上述数控机床工件在线自动测量装置的测量方法，具体方法步骤为：
[0015] 步骤一、基于多尺度G油or滤波，利用不同方向G油or滤波值最大值对应方向的垂 线确定图像中光线中线的法线方向，通过求解法线方向上高斯拟合的极值点得到光条中屯、 的亚像素级位置；
[0016] 步骤二、提取所述中线的角点，计算其=维坐标点云，并标定摄像机，具体方法为： 通过光线光条中屯、角点的计算，在空间中生成一组控制点，同时计算出该些控制点的S维 世界坐标（xi，yi，zi)，给出该些控制点的S维世界坐标及其成像点的二维图像坐标；
[0017] 步骤S、应用中屯、线控制点对，建立模型算法进行立体匹配。
[0018] 作为优选，所述多尺度G油or滤波为对于同一中屯、频率取4种不同方向，同一方向 取4种不同中屯、频率，形成16个滤波器的组合，W检测图像中光条不同方向W及不同频率 的边缘特征。
[0019] 作为优选，所述同一中屯、频率的4种不同方向为0, 31/4, 31/2,331/4,即4种模式， 水平、垂直、左倾45。、右倾45。。
[0020] 作为优选，所述同一方向的4种不同中屯、频率大小按比例递增。
[0021] 作为优选，进行高斯拟合的具体方法为；找出曲线的顶点位置，把高斯曲线做一下 变换，两边取对数得到公式：
[0022]
【主权项】
1. 一种数控机床工件在线自动测量装置，其特征在于：包括装置在运动机构上组成数 控机床在线测试平台的扫描头；所述扫描头包括2个摄像机和线激光发射装置；所述2个 摄像机参数相同；还包括检测图像中光条不同方向以及不同频率的边缘特征的Gabor滤波 器。
2. 根据权利要求1所述的数控机床工件在线自动测量装置，其特征在于：所述2个摄 像机光轴平行，位于同一个平上的左右摄像机；所述线激光发射装置与所述2个摄像机位 于同一平面且位于两个摄像机中间位置。
3. 根据权利要求1或2所述的数控机床工件在线自动测量装置，其特征在于：所述 Gabor滤波器有16个，对应同一中心频率的4种不同方向，及同一方向的4种不同中心频 率。
4. 基于权利要求1所述的数控机床工件在线自动测量装置的测量方法，具体方法步骤 为： 步骤一、基于多尺度Gabor滤波，利用不同方向Gabor滤波值最大值对应方向的垂线确 定图像中光线中线的法线方向，通过求解法线方向上高斯拟合的极值点得到光条中心的亚 像素级位置； 步骤二、提取所述中线的角点，计算其三维坐标点云，并标定摄像机，具体方法为：通过 光线光条中心角点的计算，在空间中生成一组控制点，同时计算出这些控制点的三维世界 坐标（xi，yi，zi)，给出这些控制点的三维世界坐标及其成像点的二维图像坐标； 步骤三、应用中心线控制点对，建立模型算法进行立体匹配。
5. 根据权利要求4所述的数据机床工件在线自动测量方法，所述多尺度Gabor滤波为 对于同一中心频率取4种不同方向，同一方向取4种不同中心频率，形成16个滤波器的组 合，以检测图像中光条不同方向以及不同频率的边缘特征。
6. 根据权利要求5所述的数据机床工件在线自动测量方法，所述同一中心频率的4种 不同方向为〇, π/4, π/2, 3 π/4,即4种模式，水平、垂直、左倾45°、右倾45°。
7. 根据权利要求5所述的数据机床工件在线自动测量方法，所述同一方向的4种不同 中心频率大小按比例递增。
8. 根据权利要求4所述的数据机床工件在线自动测量方法，进行高斯拟合的具体方法 为：找出曲线的顶点位置，把高斯曲线做一下变换，两边取对数得到公式：
设二次曲线的形式为y* = Af+Bx+C，根据方形孔径采样定理，每个像素输出的灰度值 为：
令差分值最大的点的序号为〇,值表不为&，相邻的两个点的序号分别表不为-1和1， 相应的值用匕和表示，求出三个像素输出的灰度值如下所示：
合并解出A、B、c得： A = 12(2^+^-^) B = -27^-13^+14^ C = ?+Α 抛物线的顶点横坐标为
把上面结果代入得到抛物线顶点坐标：
上式中的像素灰度值用对数值代替，得到亚像素边缘提取的公式：
9.根据权利要求4所述的数据机床工件在线自动测量方法，提取所述中线的角点，计 算其三维坐标点云的具体方法为：在Harrs算子中，首先确定给出的矩阵M，
通过分析矩阵M的特征值来判断特征点位置，其中：G(〇)是均值为零方差为〇的 高斯模版，用于高斯平滑；在模版图像中，求出每个像素位置（X，y)的矩阵M两个特征值 入i (X，y)和λ 2 (X，y),并使得λ i (X，y)大于等于λ 2 (X，y)，控制点筛选条件为：
其中JpT2为阀值，S(Xc^yci)表示（Xc^y ci)的邻域；计算激光中心线角点的三维立体坐 标，分别在左右二维坐标中利用三角原理得：
其中f是左右摄像机的焦距，d是左右摄像机光心与激光面的距离，L是左右摄像机光 心到被测物体中心的垂直距离，以被测物体中心为三位世界坐标原点，（x，y，z)是对应三维 座标，（ul，vl)和（u2, v2)是左右摄像机图像平面坐标。
【专利摘要】本发明提供了一种数控机床工件在线自动测量装置及测量方法。包括装置在运动机构上组成数控机床在线测试平台的扫描头；扫描头包括2个摄像机和线激光发射装置；2个摄像机参数相同；基于多尺度Gabor滤波，利用不同方向Gabor滤波值最大值对应方向的垂线确定图像中光线中线的法线方向，通过求解法线方向上高斯拟合的极值点得到光条中心的亚像素级位置；通过光线光条中心角点的计算，在空间中生成一组控制点，同时计算出这些控制点的三维世界坐标(xi，yi，zi)，给出这些控制点的三维世界坐标及其成像点的二维图像坐标；应用中心线控制点对，建立模型算法进行立体匹配。方法简单不需要额外的标定板，计算量小，误差小，位置精确。
【IPC分类】G01B11-00
【公开号】CN104748683
【申请号】CN201510167206
【发明人】孙兴波, 杨平先, 汤秀华
【申请人】四川理工学院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月10日