基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法与装置

1.本发明涉及基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法与装置，特别是涉及图像传感器和接触式传感器协同测量的方法，属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域。


背景技术：

2.随着高端装备制造业的发展及对技术指标的提升需求，产品越来越趋近高精度和微型化。一些高性能器件上有许多高深径比特性的微孔阵列结构，例如在航空发动机叶片、航天喷注盘以及光刻机气浮轴承节流孔上均有直径小于1mm的空间阵列微孔，其数量高达数百甚至上千个，有些结构其深径比在高达 10，对孔径和孔轴线的位置要求需要微米级的测量精度，微孔结构加工的好坏会决定零部件的质量，从而影响整机的性能，所以对大尺寸的结构下高深径比特性的微孔结构的几何参数测量具有非常重要的意义。
3.目前对于微孔的测量，光学检测的方法能够对获取图像进行处理从而快速获取工件二维几何形状，通过主动视觉方式对图像算法进行优化也可以恢复三维轮廓，但是测量精度和分辨率相对较低，且只能测量表面，容易受到遮蔽效应。接触式测头具有测量精度高的优势，但是对于接触式光纤探针来说，由于测头直径和孔径都非常小，手动将探针移入微孔内，测量过程非常耗时，对工业生产来说其测量效率是无法接受的。通常将测量cad模型导入三坐标测量机，通过对待测特征的分析进行采样策略的规划，进行自动生成测量路径，来提高测量效率和测量智能化程度。但是零件的初定位仍然需要人工操作，并且当工件出现加工误差与cad模型不符时，测头可能与工件出现干涉发生损坏。
4.由相机和激光组成多光学传感器集成测量法可以高效的扫描深孔内壁获得三维点云数据，但是无法深入孔内对深径比较大的微孔实现三维测量，存在遮蔽效应。接触式传感器与激光测量传感器相结合测量方法，激光容易受到环境影响，无法测量出空间孔的倾斜角度，不适用于亚毫米的微孔测量。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有方法与装置中的不足，为实现和达到高深径比特性的微孔结构的几何参数高精度测量目的，提出了一种基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法与装置，对孔径斜孔进行校正，方便探针深入进行高精度测量。
6.本发明所采用的的技术方案是：设计一种集图像传感器与接触式传感器为一体的大行程的五轴测量系统，xyz三轴的平移和ab轴的转动增加了测量范围。被测对象放在工作台上测量系统的底座和z轴立柱选择大理石材料，保证系统的稳定性。
7.基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法包括如下步骤：
8.(1)首先将待测斜孔工件放在二维旋转台上，二维旋转台放在工作台上，移动工作台到相机视野内；
9.(2)图像传感器进行自动聚焦获取待测斜孔图像；
10.(3)对获取的图像进行滤波和图像分割等处理获取；
11.(4)对处理后的图像进行最小二乘拟合，投影椭圆的几何中心坐标、长短轴以及旋转角；
12.(5)通过得到的椭圆几何参数可以确定空间斜孔的倾斜角和旋转角的大小；
13.(6)将探针移动到斜孔中心，深入斜孔一定深度，分别沿着椭圆短轴两个方向移动，通过得到的坐标值距离椭圆曲线距离的远近，从而得到空间斜孔倾斜角的方向。
14.(7)对得到的空间斜孔的倾斜角和旋转角进行旋转，将斜孔回转中心调整至和z轴平行。
15.本发明的基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法与装置，利用视觉传感器无接触力的特点，快速获取待测孔径的几何参数信息，结合探针测量精度高的优势，从而导探针深入孔内进行测量，该方法不依赖于工件cad模型，可降低cad输入模型带来误差，而且解决了光学结构屏蔽的问题，可以显着校正空间微孔，便于亚毫米孔的精确测量。
附图说明
16.图1是五轴测量系统结构示意图
17.图中：1、z轴机构 2、探针传感器 3、ab轴转台 4、工作台 5、x轴机构 6、y轴机构 7、斜孔工件 8、光源 9、镜头 10、相机传感器
18.图2是空间斜孔相机成像原理示意图
19.图3是探针触测斜孔原理示意图
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法与装置做详细描述：
21.如图1所示，本发明集图像传感器与接触式传感器为一体的大行程的五轴测量系统，集图像传感器与接触式传感器组成复合测头负责测量工件，x轴机构5、y轴机构6和z轴机构1三轴的平移和ab轴3的转动增加了测量范围。被测对象7放在工作台上测量系统的底座和z轴立柱选择大理石材料，保证系统的稳定性。xyz轴分别由电机带动丝杠提供动力源，工作台可以沿x和y轴移动，z轴上装有相机系统组件光源8、镜头9、图像传感器和10和探针2，相机系统组件和探针2相对位置固定，由led环形光源8提供照明，复合测头跟随z轴机构1移动，工作台上有二维旋转台3可以将倾斜孔分别绕a和b轴旋转。
22.本发明的测量原理与过程是：
23.(1)首先将待测斜孔工件放在二维旋转台上，二维旋转台放在工作台上，通过控制图1中x轴机构5和y轴机构6移动工作台到相机视野内。
24.(2)z轴机构1带动图像传感器移动进行自动聚焦获取待测斜孔7图像；
25.(3)对获取的图像进行滤波和图像分割等处理获取；
26.(4)如图2所示，对处理后的图像进行最小二乘拟合，投影椭圆的几何中心坐标o0(x0,y0)、长轴ra、短轴rb及椭圆旋转角如式(1)；
27.(5)通过得到的椭圆几何参数可以确定空间斜孔的倾斜角θ和斜孔旋转角γ的大小，如式(2)；
28.(6)如图3所示，由于倾斜角的倾斜方向可能为θ'和θ"，将探针移动到斜孔中心，深
入斜孔一定深度h，分别沿着椭圆短轴两个方向移动得到 p和q点，p和q点连线为斜率k，p和q点坐标带入椭圆二次曲线方程，通过得到的p和q点坐标值距离椭圆曲线距离的远近，从而得到空间斜孔倾斜角θ的方向的唯一性，如式(3)(4)。
29.(7)对得到的空间斜孔的倾斜角θ和旋转角γ进行旋转，将斜孔回转中心调整至和z轴平行。
30.式：
[0031][0032][0033]
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0
ꢀꢀꢀ
(3)
[0034][0035]
因此基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法与装置可以实现倾斜校正的测量，其特点在于用视觉传感器无接触力的特点，快速获取待测孔径的几何参数信息，结合探针测量精度高的优势，从而导探针深入孔内进行测量，该方法不依赖于工件cad模型，可降低cad输入模型带来误差，而且解决了光学结构屏蔽的问题，可以显着校正空间微孔，便于亚毫米孔的精确测量。


技术特征：
1.一种基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法，其特征在于：对象7放在工作台上测量系统的底座和z轴立柱选择大理石材料，保证系统的稳定性。xyz轴分别由电机带动丝杠提供动力源，工作台可以沿x和y轴移动，z轴上装有相机系统组件光源8、镜头9、图像传感器和10和探针2，相机系统组件和探针2相对位置固定，由led环形光源8提供照明，复合测头跟随z轴机构1移动，工作台上有二维旋转台3可以将倾斜孔分别绕a和b轴旋转。2.根据权利要求1所述，本发明的测量原理与过程是：(1)首先将待测斜孔工件放在二维旋转台上，二维旋转台放在工作台上，通过控制图1中x轴机构5和y轴机构6移动工作台到相机视野内。(2)z轴机构1带动图像传感器移动进行自动聚焦获取待测斜孔7图像；(3)对获取的图像进行滤波和图像分割等处理获取；(4)如图2所示，对处理后的图像进行最小二乘拟合，投影椭圆的几何中心坐标o0(x0,y0)、长轴r
a
、短轴r
b
及椭圆旋转角如式(1)；(5)通过得到的椭圆几何参数可以确定空间斜孔的倾斜角θ和斜孔旋转角γ的大小，如式(2)；(6)如图3所示，由于倾斜角的倾斜方向可能为θ'和θ"，将探针移动到斜孔中心，深入斜孔一定深度h，分别沿着椭圆短轴两个方向移动得到p和q点，p和q点连线为斜率k，p和q点坐标带入椭圆二次曲线方程，通过得到的p和q点坐标值距离椭圆曲线距离的远近，从而得到空间斜孔倾斜角θ的方向的唯一性，如式(3)(4)。(7)对得到的空间斜孔的倾斜角θ和旋转角γ进行旋转，将斜孔回转中心调整至和z轴平行。式：式：ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0
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(3)k≥0时，k＜0时，

技术总结
基于视觉引导探针对微孔倾斜校正的测量方法与装置属于精密仪器制造和精密测试计量技术，本发明搭建五轴测量系统，采用视觉测量原理，通过单目CCD相机对微孔图像采集并处理，初步确定测量的几何参数，然后需要建立视觉与探针的协同测量模型，利用视觉原理指导探针深入孔内进行测量，实现了倾斜微孔的测量校正。本发明不依赖于工件CAD模型，可降低CAD输入模型带来误差，可以快速有效的对倾斜微孔进行校正，为下一步探针深入进行斜孔孔内测量的精确找正做好准备。找正做好准备。找正做好准备。


技术研发人员：崔继文 张贺 谭久彬
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.09.09
技术公布日：2023/3/21