一种基于机器视觉的辊筒直径测量及精度检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于机器视觉的辊筒直径测量及精度检测装置。是一种非接触式的直径测量装置。因其可以方便地测得辊筒不同径向的直径值，从而可实现对被测辊筒圆度及圆柱度的精度检测。

背景技术：

目前，测量辊筒直径的方式主要是使用游标卡尺和千分尺，其中千分尺的测量精度相对比较高，常用于精度要求较高的辊筒的外径测量。这两种测量工具在测量时必须接触被测辊筒，很容易对被测辊筒造成碰伤和划伤。对于印刷用版辊等表面要求高的产品，在进行直径尺寸的检验过程中，这些碰伤或划伤通常会造成成品和半成品的报废。其次，在使用千分尺测量较大直径辊筒的时候，也常因其千分尺的两个砧座没有置于辊筒的直径位置上或千分尺与辊筒的轴向不垂直，所测数值也会产生人为的误差。除此之外，每把外径千分尺的测量范围是25mm，在实际应用中，被测量的辊筒规格多、直径跨度大，往往需要更换好几把不同规格的千分尺才能完成测量工作，比较耗时。

技术实现要素：

为了克服上述辊筒直径的测量方式存在的不足，本实用新型提供一种基于机器视觉的非接触方式的直径测量及精度检测装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

整个装置由底座、夹持装置、图像采集系统和机器视觉识别测量系统组成。夹持装置安装在底座上，实现对不同长度的被测辊筒进行固定，还可驱动其进行精准角度地转动，以测量其不同径向的直径值，从而实现对被测辊筒圆度及圆柱度的精度检测。

图像采集系统由支架、摄影灯、高清摄像头和高精度滑台组成。高精度滑台通过支架安装在夹持装置的上方，并与夹持装置顶锥的轴心线垂直。

高清摄像头安装在高精度滑台的滑块上，用于对被测辊筒的其中一侧进行图像采集。控制高精度滑台可以调整高清摄像头与被测辊筒的径向距离以获得最佳的图像采集位置，也使得本装置具有较大的直径测量范围和测量精度。

摄影灯安装在被测辊筒的旁边，使高清摄像头获得更好的辊筒边缘成像效果。机器视觉识别测量系统可对夹持装置、摄影灯、高精度滑台等进行全面控制，并对高清摄像头所采集的图像进行分析、识别，其过程为：首先找到成像中辊筒一侧与其周边环境分界线，再通过计算得出此分界线与所采集的图像中心线的距离。然后结合高清摄像头(8)的位置信息，即可计算得到被测辊筒的直径值，最后将计算结果在机器视觉识别测量系统中予以显示，也可通过语音的形式进行播放。

下面结合附图，对本实用新型的直径测量原理作进一步地说明。

根据高清摄像头(8)所在滑台上位置的不同和被测辊筒直径大小的不同，主要可分为三种不同的状态，下面分别说明其测得直径的原理和方法。

第一种状态，如图5所示，高清摄像头(8)的中心线(22)与被测辊筒(18)的轴心的水平距离小于被测辊筒(18)的直径。

高清摄像头(8)的焦点与被测辊筒(18)的轴心0的垂直距离为d(d为本测量装置的固定距离)，水平距离为X。高清摄像头(8)的镜头焦点与被测辊筒(18)外圆的所形成切线方向的成像(被测辊筒(18)柱体右侧边缘的投影图像)，其到图像中心[即：中心线(22)]的水平距离为d1，此切线与水平线所形成的夹角为θ。测得直径的过程如下：

1.图像尺寸的校正。在被测辊筒(18)轴心的水平方向设置标准尺与高清摄像头(8)所拍摄的标准尺图像的像素数值进行比对、矫正得到系数f。此过程只在初始化或校正测量装置的时候进行操作，校正后在具体测量时不需要每次操作此过程。

2.被测辊筒(18)的轴心通过本测量装置的夹持固定，其位置固定不变。X的数值为本实用新型的机器视觉识别测量系统的指令数值，为已知的高清摄像头(8)位置信息。设：所拍摄图像中单个像素的尺寸为P，经本实用新型的机器视觉识别测量系统识别，d1这段距离的像素总个数为n个，那么d1＝f*(P*n)。

3.根据反三角函数可得到θ的角度为：θ＝arctan(d/d1)。

4.由三角函数可得被测辊筒(18)的半径公式为：R＝(X+d1)*sin(θ)。

5.得出被测辊筒(18)的半径为：R＝(X+f*(P*n))*sin(arctan(d/d1))。

第二种状态，如图6所示，高清摄像头(8)的中心线(22)与被测辊筒(18)轴心的水平距离等于被测辊筒(18)的直径。此位置中心线(22)与被测辊筒(18)侧向剖面的外圆相切，是本实用新型最理想的测量位置，此时d1＝0，θ＝90度，半径R＝X。

第三种状态，如图7所示，高清摄像头(8)的中心线(22)与被测辊筒(18)轴心的水平距离大于被测辊筒(18)的直径。在此状态下，高清摄像头(8)的镜头焦点与被测辊筒(18)外圆的所形成切线方向的成像到图像中心的水平距离d1在中心线(22)的左侧，本实用新型的机器视觉识别测量系统以此设定此距离值的正负(左侧形成的数值为负，右侧的为正)。测量直径的过程如下：

1.经本实用新型的机器视觉识别测量系统取得d1的数值：d1＝f*(P*n)

2.根据反三角函数可得到θ的角度为：θ＝arctan(d/d1)

以上两个过程与第一种状态下所述的过程相同。

3.由三角函数可得被测辊筒(18)的半径公式为：R＝(X-d1)*sin(θ1)

4.根据两条直线相交，两对角相等可知：θ1＝θ

5.得出被测辊筒(18)的半径为：R＝(X-f*(P*n))*sin(arctan(d/d1))

以上3种状态所得半径乘以2，即可得到被测辊筒(18)的直径。

如上所述，第二种状态下为是本实用新型最理想的测量位置，当摄像头的位置处于第一、第三种状态时，可以通过机器视觉识别测量系统的自动定位功能，将高清摄像头(8)移动到第二种状态下的位置，实现的方式为：上述所测得的d1的数值，通过步进电机(21)控制滑块(19)上的高清摄像头(8)移动该距离即可，d1为正数时，向右移动，d1为负数时，向左移动。

在本实用新型的高清摄像头(8)上加装光学放大镜，可以获得更高的测量精度。其原理同上。

本实用新型的有益效果是，可以在不接触被测辊筒的情况下，方便、快捷地测得辊筒的直径及辊筒的圆度、圆柱度等精度数据。测量的直径范围大且不会对所测量的辊筒造成损伤。本实用新型的图像采集系统和机器视觉识别测量系统可单独用于圆柱体的加工设备上，可以实现对在加工的工件进行实时地直径测量和精度检测。省去了加工过程中停机测量的过程，可大大提高工作效率，也可避免因加工过度造成的不合格品。

附图说明

图1是本实用新型的测量装置的斜视图。

图2是本实用新型的测量装置在夹持被测辊筒状态下的正视图。

图3是本实用新型的测量装置在夹持被测辊筒状态下的俯视图。

图4是本实用新型的测量装置在夹持被测辊筒状态下的侧视图。

图5是摄像头的中心线与被测辊筒轴心的水平距离小于被测辊筒直径状态下的示意图。

图6是摄像头的中心线与被测辊筒轴心的水平距离等于被测辊筒直径状态下的示意图。

图7是摄像头的中心线与被测辊筒轴心的水平距离大于被测辊筒直径状态下的示意图。

图中1.显示屏，2.计算机控制器，3.伸缩缸，4.可移动尾座，5.伸缩顶锥，6.支架，7.摄影灯，8.高清摄像头，9.高精度滑台，10.转动顶锥，11.固定尾座，12.顶锥电机，13.尾座电机，14.直线轴承，15.直线导轨，16.丝杠，17.底座，18.被测辊筒，19.滑块，20.高清摄像头安装座，21.步进电机。22.高清摄像头的中心线。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3、图4，对本实用新型的实施例作进一步说明。

实施例1

夹持装置安装在底座(17)上，夹持装置由伸缩缸(3)、可移动尾座(4)，伸缩顶锥(5)、转动顶锥(10)、固定尾座(11)、顶锥电机(12)、尾座电机(13)、直线轴承(14)、直线导轨(15)、丝杠(16)组成。两条直线导轨(15)分别平行、水平地固定在底座(17)的前后位置，与固定安装在可移动尾座(4)上的直线轴承(14)装配在一起。丝杠(16)与尾座电机(13)相连，安装在两条线导轨(15)之间位置的底座(17)上。丝杠(16)上的丝母固定安装在可移动尾座(4)上。伸缩顶锥(5)和伸缩缸(3)相连共同安装在可移动尾座(4)上。伸缩顶锥(5)可自由转动。固定尾座(11)固定安装在底座(17)的右端，转动顶锥(10)与顶锥电机(12)相连共同安装在固定尾座(11)上。

转动顶锥(10)与伸缩顶锥(5)的轴心相重合，也与被固定其上的被测辊筒的轴心重合。

伸缩缸(3)可由液压或气压控制，推动伸缩顶锥(5)左右伸缩，实现近距离的夹持或释放被测辊筒的操作。

控制尾座电机(13)转动，即可通过丝杠(16)驱动可移动尾座(4)实现左右方向的直线运动，完成对不同长度辊筒的夹持操作。

为实现对被测辊筒的角度控制，顶锥电机(12)和尾座电机(13)为伺服电机或步进电机。

顶锥电机(12)用以驱动被测辊筒(18)实现任意角度的旋转、定位，以便测量其不同径向的直径值。

图像采集系统由支架(6)、摄影灯(7)、高清摄像头(8)和高精度滑台(9)组成。支架(6)安装在底座(17)上，摄影灯(7)安装在支架(6)上，高精度滑台(9)水平安装在支架(6)的顶部，其安装的方向与伸缩顶锥(5)和转动顶锥(10)的轴向垂直，即：也与被测辊筒的轴心方向垂直。此安装方式在于为计算所测辊筒的直径提供必要的条件。高清摄像头(8)通过高清摄像头安装座(20)安装在高精度滑台(9)的滑块(19)上。控制高精度滑台(9)上的步进电机(21)，即可调整高清摄像头(8)与被测辊筒(18)的径向距离，从而可提高直径的测量范围，也可以将高清摄像头(8)的位置控制在最佳的图像采集处，使得本装置达到更高的测量精度。

机器视觉识别测量系统由显示屏(1)、计算机控制器(2)及视觉识别测量软件组成。

机器视觉识别测量系统可对夹持装置、摄影灯(7)、高精度滑台(9)等进行全面控制，并对高清摄像头(8)所采集的图像进行分析、识别，其过程为：首先找到被测辊筒(18)一侧与其周边环境的分界线，再通过计算得出此分界线与所采集的图像中心线的距离。然后结合高清摄像头(8)的位置信息，计算得到被测辊筒的直径值及精度等数据，最后将此结果通过显示屏(1)予以显示，也可通过语音的形式进行播放。

实施例2

在实施例1的基础上，在高清摄像头(8)上加装光学放大镜，可以获得更高的直径测量精度。

实施例3

将本实用新型中的图像采集系统和机器视觉识别测量系统安装在现有的圆柱体的加工设备上，利用现有加工设备上的夹持装置，实现对正在加工的工件进行实时地直径测量和精度检测。省去了加工过程中停机测量的过程，可大大提高工作效率，也可避免因加工过度造成的不合格品。