一种视觉测量装置中回转台中心轴线的空间方位标定方法与流程

本发明是一种视觉测量装置中回转台中心轴线的空间方位标定方法，属于测量技术领域。

背景技术：

在航空、航天、船舶和汽车等众多工业领域中，回转体零件在各类零件中占有很大比重，这类零件的形位误差和制造精度会对其装配、使用等性能产生重要影响，不仅会影响到接触表面的配合性质，还会影响到旋转部件的振动、噪声、回转精度和使用寿命等。例如，炮弹的弹体就是典型的回转体零件，而弹体的轮廓形状误差过大将会影响弹丸与身管之间的配合间隙，进而对射击的初速度和飞行弹道产生不利影响；同时，弹体的尺寸误差过大也会引起身管的严重磨损，进而造成卡膛或炸膛事故。因此，在回转体零件的加工和生产现场，迫切需要实现对其形位误差等参数的高精高效的检测与评定，以保证此类零件的设计和制造精度。然而，回转体零件普遍具有变批量、几何元素多、轮廓形状复杂和精度要求高等特点，因而对相应的测量手段和设备提出了很大的挑战和很高的要求。

一般说来，回转体零件是指其形状特征符合回转体特点的机械零件。尽管回转体零件的结构与尺寸因其用途各异而不同，但对其结构与尺寸参数的检测与控制却具有很严格的要求，这是因为许多回转体零件都是机械设备中的关键组成部分。因此，对回转体零件进行高精度和高效率的检测，就成为了许多国民经济和国防部门的迫切需求。目前，对于回转体零件的形位误差和制造精度的检测，通常采用专用样板和接触式三坐标测量机等常规检测手段和设备来进行。前者的检测过程由人工完成，因而劳动强度大，而且测量结果易受人为因素影响、测量精度低、重复性差，并且只能做到定性判断；后者虽然能够达到很高的检测精度，但由于采用了接触式的测量方式，因而效率低下，无法满足变批量回转体零件的检测需求。

近年来，随着测量技术及其它相关学科的发展，视觉测量作为一种非接触式的测量手段，可以解决传统测量方法难以或无法解决的多种问题，目前已经广泛应用于现代工业的各个领域。视觉测量源于计算机视觉技术，是以工业相机、镜头和光源等为基础的新型测量技术。具体说来，视觉测量是将计算机视觉技术应用于几何尺寸的测量和定位，把图像作为获取信息的手段，不仅具有非接触式测量技术的效率高、适应性强、可靠性高以及信息丰富等优点，还具有成本低、操作简便、机动灵活和实时性强等独特优点，因而被广泛应用于工业现场，现已成为工业现场测量领域研究的重要内容。另外，三坐标测量系统具有移动范围大、定位精确和通用性强等优点，可以作为成像系统的移动载体，通过三个直线轴的移动来实现成像系统的运动轨迹，从而完成不同位置处的测量数据的获取。针对回转体零件的结构特点，单一方位的成像系统只能完成某一部分测量数据的获取，而要获取全部的测量数据，就需要在三个直线轴的基础上增加一个回转轴(第四轴)，即回转台。通过回转台的配合来实现被测物体的不同方位的测量，以获得完整的测量数据，并提高测量效率。然而，在理想情况下，回转台的中心轴线(回转轴线)与三坐标测量系统的z轴是相互平行的，因而回转台每旋转到一个角度位置，被测回转体零件上的这一部分测量数据只需要经过简单的平移、旋转等坐标变换就可以得出该数据在旋转之前的数值。通过回转台的连续旋转，最终可以拼接出被测回转体零件的全部测量数据。然而，在实际应用过程中，由于回转台在装配过程中不可避免地会存在安装误差，使得实际的中心轴线与三坐标测量系统的z轴之间并不平行，而是存在着夹角γ。在这种情况下，如果仍然按照上述简单的平移、旋转等坐标变换方法对测量数据进行数据整合，就会产生测量误差，从而降低回转体零件的测量精度。目前，对于这个难题，主要通过对回转台进行实际中心轴线的空间方位参数的标定并辅以精确的数据整合算法来实现，而对于本发明中的四轴视觉测量系统中的回转台中心轴线的空间方位标定问题，尚无有效且可靠的解决方法。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计并提供了一种视觉测量装置中回转台中心轴线的空间方位标定方法，其目的是准确确定回转台的中心轴线在视觉测量装置的机器坐标系中的空间方向和位置，有助于提高回转体零件的测量精度和测量效率，具有很大的实际应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种视觉测量装置中回转台中心轴线的空间方位标定方法，所述视觉测量装置包括工作台1、回转台2、图像采集装置3、相机安装座4和三维移动桥架5。该测量装置具有四个运动轴，分别为x、y、z三个直线轴和回转轴a，其中，x、y、z三个直线轴的运动方向相互正交，并且符合右手定则。在所述视觉测量装置的四轴布局中，x、y、z三个直线轴集成在一起，而回转轴a单独布置。所述视觉测量装置的x、y、z三个直线轴的运动由三维移动桥架5来实现，而回转轴a的运动由回转台2来实现。

三维移动桥架5安装在工作台1上，x轴和y轴位于水平面内，而z轴位于竖直方向，并且各轴均配备有气浮导轨和光栅尺以确保各轴的运动平稳性和位移精度。

相机安装座4固定在三维移动桥架5的z轴的移动末端上，图像采集装置3安装在相机安装座4上，并且通过位姿调整使图像采集装置3的成像光轴与三维移动桥架5的x轴方向平行。

回转台2的底座固定在工作台1上，并使回转台2位于三维移动桥架5的y轴行程的中间位置，其中心轴线8处于某一固定的空间方位；回转台2内置圆光栅尺以实现各个回转角度位置的精确测量。

该种视觉测量装置中回转台中心轴线的空间方位标定方法的特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、将标定球7和球杆6组合在一起并固定在回转台2的台面上，球杆6垂直安装在回转台2的台面上，而标定球7固定在球杆6的顶端，并且球杆6的安装位置偏离回转台2的中心轴线8；

步骤二、使回转台2转动到0°位置处，即δ0位置，然后由三维移动桥架5带动图像采集装置3运动到成像位置，使图像采集装置3对准标定球7并且能够拍摄到达到规定清晰程度且位置居中的标定球7的图像，记录此位置处的三维移动桥架5中的x、y和z三个直线轴的光栅尺读数(x0,y0,z0)，记为p0；

步骤三、使回转台2继续依次转动到δi位置处，i＝1,2,…,n，n≥2，n为整数，并且每次旋转的角度均相同，该角度为δ＝360°/(n+1)；

步骤四、在每个角度位置δi处，通过图像采集装置3对准标定球7并进行拍摄，得到与δ0位置处的清晰程度相同且位置居中的标定球7的图像，依次记录每个位置处的三维移动桥架5中的x、y和z三个直线轴的光栅尺读数(xi,yi,zi)，分别记为p1,p2,…,pn，则p0,p1,…,pn形成一个绕回转台2的中心轴线8的圆，而且p0,p1,…,pn均位于与回转台2的中心轴线8垂直的空间平面上；

步骤五、采用最小二乘法拟合出p0,p1,…,pn所在空间平面的方程，从而确定该空间平面的法向向量，而该空间平面的法向向量即为回转台2的中心轴线8的空间方向向量，再将中心轴线8的空间方向向量转化为单位向量，即可得到回转台2的中心轴线8的单位方向向量(l,m,n)，以确定中心轴线8的空间方向；

步骤六、采用最小二乘法拟合和坐标变换确定出p0,p1,…,pn所在圆的圆心or的坐标(xr,yr,zr)，or即为回转台2的中心轴线8的原点，从而确定中心轴线8的空间位置。根据回转台2的中心轴线8的单位方向向量(l,m,n)，将p0,p1,…,pn依次绕z轴和y轴旋转到与xoy平面平行的平面上，分别得到p0′,p1′,…,pn′。此时p0′,p1′,…,pn′均位于同一个与xoy平面平行的平面上，采用最小二乘法对p0′,p1′,…,pn′进行圆拟合，得到圆心or′的坐标为(xr′,yr′,zr′)。再将圆心or′的坐标(xr′,yr′,zr′)根据(l,m,n)依次绕y轴和z轴进行反向旋转，从而得到or(xr,yr,zr)，即为回转台2的中心轴线8的原点坐标。再结合步骤五得到的中心轴线8的空间方向，最后确定中心轴线8的空间方位。

进一步，工作台1采用具有良好热稳定性的大理石或天然花岗岩制成，能够承受一定的外部冲击和干扰，并且其上表面经过网格法检验后，表面平整度达到00级标准。

进一步，图像采集装置3由工业相机9、镜头10和环形照明光源11构成；镜头10通过标准接口安装到工业相机9上，而环形照明光源11固定在镜头10的前端。

进一步地，三维移动桥架5可以实现x、y和z三个方向上的直线运动，从而通过相机安装座4带动图像采集装置3进行空间移动，以使图像采集装置3处于正确的测量方位。一方面可以调节图像采集装置3的视场和工作距离，另一方面也可以使视觉测量装置适应不同形状和大小的被测物体的测量需求，从而使整个装置具有较大的柔性和灵活性。

进一步，标定球7为金属球或陶瓷球，具有良好的形状精度和表面质量，并且其外表面为亚光表面。

该技术方案的目的是确定回转台2的中心轴线8在视觉测量装置的机器坐标系o-xyz中的空间方位，即确定回转台2的中心轴线8在机器坐标系o-xyz中的空间方向和空间位置。其中，中心轴线8的空间方向由其单位方向向量(l,m,n)表示，而中心轴线8的空间位置由其原点or的坐标(xr,yr,zr)表示。

本发明基于机器视觉测量原理，应用图像采集装置采集具有相同清晰程度且位置居中的多幅标定球图像，并通过后续解算标定出了多轴视觉测量装置中的回转台中心轴线的空间方向和位置，从而为多轴视觉坐标测量装置的研制和开发提供了一项技术支撑。本发明具有原理简单和使用方便的优点，解决了回转体零件视觉测量中的关键问题，有助于提高其测量精度和效率，并且具有较强的可实施性和应用价值。

附图说明

图1为本发明所述视觉测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述视觉测量装置中的回转台、标定球和球杆的结构示意图；

图3为本发明所述视觉测量装置中的图像采集装置的结构示意图；

图4为标定过程中回转台转动示意图；

图5为回转台的中心轴线与视觉测量装置的机器坐标系o-xyz之间的位置关系示意图；

图6为标定过程中采集到的标定球的图像示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详述：

参见附图1～6所示，该种视觉测量装置包括工作台1、回转台2、图像采集装置3、相机安装座4和三维移动桥架5。其中，由三维移动桥架5和工作台1构成的整体框架采用北京航空精密研究所生产的pearl1298型三坐标测量机来实现，其工作台1由具有良好热稳定性的天然花岗岩制成，并且其上表面经过网格法检验后，表面平整度达到00级标准。该型三坐标测量机能够产生x、y和z三个方向上的直线运动，并且各轴均配备有气浮导轨和高精度光栅尺，从而确保各轴的运动平稳性和位移精度。

相机安装座4固定在pearl1298型三坐标测量机的z轴的移动末端上，图像采集装置3安装在相机安装座4上，并且通过位姿调整使图像采集装置3的成像光轴与pearl1298型三坐标测量机的x轴方向平行。

回转台2选用日本yaskawa公司的sgmcs型直接驱动伺服电机，可以在不带减速器的状态下直接驱动负载，能够实现从低速到高速的强力平滑运行，并且内置高分辨率的编码器，可以实现精确分度和定位。其底座固定在工作台1上，并使回转台2位于pearl1298型三坐标测量机的y轴行程的中间位置。

图像采集装置3由工业相机9、镜头10和环形照明光源11构成；镜头10通过标准接口安装到工业相机9上，而环形照明光源11固定在镜头10的前端。工业相机9选用大恒图像视觉有限公司的mer-125-30gm型工业相机；镜头10选用日本moritex公司的mml3型高分辨率定倍远心镜头；环形照明光源11选用大恒图像视觉有限公司的dh-rl-50-90-w型环形光源。

采用上述视觉测量装置对回转台的中心轴线的空间方位进行标定，该标定方法的步骤如下：

步骤一、将标定球7和球杆6组合在一起并固定在回转台2的台面上，其中，标定球7为金属球或陶瓷球，具有良好的形状精度和表面质量，并且其外表面为亚光表面；球杆6垂直安装在回转台2的台面上，而标定球7固定在球杆6的顶端，并且球杆6的安装位置偏离回转台2的中心轴线8；

步骤二、使回转台2转动到0°位置处，即δ0位置，然后由pearl1298型三坐标测量机带动图像采集装置3运动到成像位置，使图像采集装置3对准标定球7并且能够拍摄到达到规定清晰程度且位置居中的标定球7的图像，记录此位置处的pearl1298型三坐标测量机的x、y和z三个直线轴的光栅尺读数(x0,y0,z0)，记为p0；

步骤三、使回转台2继续依次转动到δi位置处，i＝1,2,…,n，n≥2，n为整数，并且每次旋转的角度均相同，该角度为δ＝360°/(n+1)；

步骤四、在每个角度位置δi处，通过图像采集装置3对准标定球7并进行拍摄，得到与δ0位置处的清晰程度相同且位置居中的标定球7的图像，依次记录每个位置处的pearl1298型三坐标测量机的x、y和z三个直线轴的光栅尺读数(xi,yi,zi)，分别记为p1,p2,…,pn，则p0,p1,…,pn形成一个绕回转台2的中心轴线8的圆，而且p0,p1,…,pn均位于与回转台2的中心轴线8垂直的空间平面上；

步骤五、采用最小二乘法拟合出p0,p1,…,pn所在空间平面的方程，从而确定该空间平面的法向向量。设该空间平面的方程为z＝a·x+b·y+c，即a·x+b·y-z+c＝0，其中，a、b和c为未知参数。将p0,p1,…,pn的坐标依次代入该平面方程，并且记s为

根据最小二乘原理，a、b和c的最小二乘解即为使s达到最小值时的a、b和c的值。而要使s达到最小值，需要满足

由此可以得到以下方程组：

求解上述方程组，即可得到a、b和c的最小二乘解，从而得到该空间平面的法向向量(a,b,-1)。

而该平面的法向向量(a,b,-1)即为回转台2的中心轴线8的空间方向向量，将其转化为单位向量后即为回转台2的中心轴线8的单位方向向量(l,m,n)，即

该空间平面的法向向量即为回转台2的中心轴线8的空间方向向量，将中心轴线8的空间方向向量转化为单位向量后即为回转台2的中心轴线8的单位方向向量(l,m,n)，以确定中心轴线8的空间方向；

步骤六、采用最小二乘法拟合和坐标变换确定出p0,p1,…,pn所在圆的圆心or的坐标(xr,yr,zr)，而or即为回转台2的中心轴线8的原点，从而确定中心轴线8的空间位置。为了求or，首先计算中心轴线8在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角θ以及中心轴线8与z轴之间的夹角γ。根据回转台2的中心轴线8的单位方向向量(l,m,n)和三余弦定理，θ和γ可由以下方程组解算得到

将p0,p1,…,pn依次绕z轴和y轴旋转θ和γ到与xoy平面平行的平面上，分别得到p0′,p1′,…,pn′。在此过程中，绕z轴的旋转矩阵为rz，而绕y轴的旋转矩阵为ry，

此时p0′,p1′,…,pn′均位于同一个与xoy平面平行的平面上，采用最小二乘法对p0′,p1′,…,pn′进行圆拟合，得到圆心or′的坐标为(xr′,yr′,zr′)。再将圆心or′的坐标(xr′,yr′,zr′)根据(l,m,n)依次绕y轴和z轴反向旋转γ和θ，从而得到or(xr,yr,zr)，即为回转台的中心轴线的原点。

再结合步骤五得到的中心轴线8的空间方向，最后确定了回转台2的中心轴线8的空间方位。