基于光視覺技術的深孔直線度檢測系統*

郝永鵬，于大國，李少敏，李忠秋

(中北大學 a.機械工程與自動化學院；b.山西省深孔加工工程技術研究中心，太原　030051)

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基于光視覺技術的深孔直線度檢測系統*

郝永鵬a，b，于大國a，b，李少敏a，b，李忠秋a，b

(中北大學 a.機械工程與自動化學院；b.山西省深孔加工工程技術研究中心，太原030051)

摘要：為了解決深孔直線度的高精度檢測問題，利用線結構光視覺技術得到能夠反映深孔截面形廓與位置的一對橢圓光弧；利用光纖傳感技術將激光傳送至光學系統并將得到的橢圓光弧圖像傳送給CCD相機；設計了相配套的自定心、自調節半徑的自定心進給機構；針對在實際應用中一對橢圓光弧對不能嚴格共面問題，提出了利用坐標變換法等知識實現光弧橢圓中心定位。實驗證明該檢測系統能夠滿足檢測要求,具有一定的理論意義和工程應用價值。

關鍵詞：線結構光視覺；自定心；直線度

0引言

深孔加工在機械行業中有著廣泛應用，如液壓油缸、換油泵管、火炮身管、機械設備殼體等。由于受到幾何形狀的限制，深孔測量工具在其內部不能方便地進行操作和調整，如何快速準確地檢測深孔直線度是當前的一個研究熱點[1]。

在國外，瑞典Sandvik Coromant公司、德國Guhring公司以及日本機械技術研究所等都對深孔加工直線度等問題進行了研究和實驗。日本的Masuzawa提出了振動掃描法，實現了直徑為0.2mm、深度為0.3mm微孔的測量，后來日本學者在此基礎上進行改進，實現了直徑0.2mm、深度為1.0mm微孔的測量。德國聯邦物理技術研究院和天津大學聯合提出了光纖微力接觸式測量方法。美國B.Muralikrishnan提出了光纖傾斜測孔法[4-5]。

在國內，科研人員也對深孔直線度的研究給予了高度重視，比較有代表性的有成都工具所、北京普銳科創科技有限公司等。北京理工大學徐永凱等通過對EST法測量深孔母線直線度不確定度的分析，導出了直線度評定誤差的數學表達式。中北大學沈興全、于大國、龐俊忠等發明了基于激光制導原理的深孔在線檢測與糾偏方面發明專利多項[5]。

總之，在目前深孔類零件直線度測量中，渦流法、超聲法、杠桿法、活塞法、超聲波法測量精度較低，無法滿足高精度零件的測量要求[3]，光學單點掃描法測量效率低，而目前比較先進的激光與PSD相結合的測量方法，不僅價格昂貴而且檢測前期的對準調節操作存在無法避免的誤差，從而造成測量結果不能滿足要求。

本文設計了一種基于光視覺技術的深孔直線度檢測系統，將線結構光視覺技術與光纖傳感技術結合得到能反映深孔截面的一對橢圓光弧并將其傳送給CCD相機，然后進行計算機處理。針對在實際應用中一對橢圓光弧不能嚴格共面問題，提出利用坐標變換等相關知識有效解決了橢圓中心擬合問題，得到橢圓中心坐標。該檢測系統能夠提高檢測的精度和相應速度，具有一定的應用價值。

1測量系統

本深孔直線度檢測系統，設計了雙椎體同步定心的方法，能夠快速精確復現被測軸孔的加工軸線，減小因圓心定位偏差造成的測量誤差，從而提高測量精度，提高測量準確性。

深孔直線度檢測系統結構如圖1、圖2所示，其主要由驅動機構、自定心機構和光學系統裝置等3部分組成。

1.1驅動機構

驅動機構由伸縮頂桿和驅動電機組成。伸縮頂桿一端與后定心錐體連接，另一端與驅動電機相連，當驅動電機工作時，力作用于伸縮頂桿，推著整個測量系統在被測深孔中軸向運動。

圖1　系統主視圖

1.前定心錐體 2.位移傳感器 3.鋼球 4.微力彈片 5.定心臂桿 6.彈性連接體 7.光學裝置 8.中心桿 9.后定心錐體 10.臂桿軸套 11.定心滾輪 12.軸套 13.伸縮頂桿 14.驅動電機 15.導像束 16.激光器 17.連接器 18.導光束 19.定心軸套

圖2系統側視圖

1.2自定心機構

自定心機構采用三爪模式實現自動定心，如圖1、圖2所示，主要由鋼球、微力彈片、定心臂桿、前定心錐體、彈性連接體、中心桿、后定心錐體、臂桿軸套、定心滾輪、定心軸套等組成。前定心錐體通過彈性連接體與中心桿連接，后定心錐體與彈性連接體固連[2]。定心臂桿位于臂桿軸套內并可在軸套內伸縮運動。6個定心臂桿通過定心滾輪與定心錐體接觸。

自定心原理：當伸縮頂桿推動后定心錐體在定心軸套中軸向運動時，彈性連接體作用于前定心錐體進而使整個檢測系統在深孔內運動。當深孔截面發生變化時，前后定心錐形體通過定心滾輪轉化成定心臂桿的徑向伸縮運動，實現自動定心。由于彈性連接體提供的預緊力，其中一個截面的3個定心臂桿先伸縮進行定位，隨后另一個截面上的3個定心臂桿同步撐緊定位。因每個定位截面的3個定心臂桿同步伸縮，可保證圓心在軸孔的軸線上。由于彈性連接體的調節作用，可以實現2個定位面的前后定位，保證本系統測量軸線與深孔內實際軸線能高精度同軸。定心臂桿利用鋼球與深孔內壁點接觸，并且通過研磨的方式作用于微力彈片，可以實現定心的微調，進一步提高了同軸定位精度。通過調節接觸球部分的微力彈片或者更換定心臂桿可適應不同深孔的測量要求。

1.3光學系統原理

光學系統主要由帶有擴束準直鏡的激光器、光纖耦合透鏡、光纖導像束、光纖導光束、CCD相機、物鏡等組成。光學裝置共有兩套，對稱分部在定心軸套兩側，用于得到某一深孔截面的兩端橢圓光弧。

圖3　線結構光原理圖

線結構光視覺測量的基本原理如圖3所示，先將激光器發出的激光束通過柱面鏡展成扇形的激光平面，該激光平面投射至被測物體，與被測物體表面截切形成一條變形結構的光條紋，可以反映零件表面的形狀、位置等信息。

2測量過程

測量開始后，自定心機構在深孔中軸向運動，帶有擴束準直鏡的激光器發出的光經擴束準直后進入光纖耦合透鏡聚焦，聚焦后的激光束由光纖導光束導入光學裝置，通過位于光學裝置內的柱面鏡后激光束以扇形光平面的形式射出并與深孔內表面相截，形成橢圓光弧[7]。由于有兩套光學裝置對稱分布于定心軸兩側，所以對于同一截面有兩條對應的橢圓光弧。內孔表面的橢圓光弧的反射光再由光學裝置接收，經位于光學裝置內的物鏡成像在光纖導像束的光纖端面，再通過光纖導像束傳到出射端，出射端的像再經物鏡由CCD相機捕獲，而后圖像信號再傳送給計算機進行圖像處理，經過圖像定位算法可得到出射光束在CCD上形成的光斑與深孔內截面的形位關系，通過對各個截面上一對橢圓光弧的計算機處理就得到深孔內截面的形廓和位置等信息[8]。

此外，測量系統定心軸套上裝有位移傳感器，可對檢測系統在深孔中的位置進行定位。伴隨著檢測系統在深孔內進給運動，CCD攝像機將接收一系列不同位置處孔截面的橢圓光弧圖像，經計算機實時圖像處理求得各橢圓光弧曲線的空間坐標值。

該系統每個截面對應有一對橢圓光弧，這樣獲得了同一個橢圓輪廓線的兩段橢圓弧，增加了用于擬合橢圓的數據量，可有效提高橢圓中心定位的精度，從而提高了最終測量精度。

3橢圓光弧中心定位方法

3.1建立孔截面方程

設測量坐標系為OXYZ，某截面處其中一條橢圓光弧所在平面為S，選取該橢圓光弧上n個測量點，用Ami(xmi,ymi,zmi)(i=1,2,…,n)表示。若平面S方程為z=B1+B2x+B3y，將測量點Ami坐標帶入平面S的方程得超定方程組：

解該方程組可得參數B1，B2，B3的最小二乘解，從而得到了平面S的方程表達式。

3.2投影坐標計算

假設測量點Ami在平面S上的投影點為Aki(xki,yki,zki)，投影平面S的單位法向量n=(E,F,G)，則

由以上可知，橢圓光弧上測量點Ami在平面S上的投影點坐標Aki(i=1,2,…,n)為

Aki=Ami-n×(n·Ami+H)

3.3坐標變換

測量點Ami和投影點Aki是在測量坐標系OXYZ中的坐標值，為了在投影平面上利用投影點進行平面橢圓擬合，可將投影點Aki通過坐標變換的方法轉變為在投影平面坐標系下進行平面橢圓擬合。

設投影坐標系為O′X′Y′Z′，該坐標系以Ak1為原點，以投影平面S為O′X′Y′平面，可知向量n為Z′軸的單位坐標向量。假設各坐標軸相對原坐標系其單位坐標矢量分別為：

ex=(ux1,ux2,ux3);ey=(uy1,uy2,uy3);ez=(uz1,uz2,uz3)

可知ez=(uz1,uz2,uz3)=n=(E,F,G)。

令投影點Ak1和Akp(p≤n)兩點構成X′軸的方向向量，則

ux1=(xk1-xkp)/W；ux2=(yk1-ykp)/W

ux3=(zk1-zkp)/W

Y′軸按右手法則，可知ey=ex×ez，至此,投影坐標系O′X′Y′Z′建立完畢。

將原坐標系OXYZ下的坐標轉換成新坐標系O′X′Y′Z′下的坐標的轉換方程為：

3.4橢圓中心定位

設平面橢圓方程為：

B0x2+C0xy+D0y2+E0x+F0y+1=0

目標函數為：

f(B0,C0,D0,E0,F0)=

通過求上述目標函數的最小值來確定各系數。再由極值原理，欲使f(B0,C0,D0,E0,F0)值為最小，必有：

3.5直線度算法

式中，j=1,2,…,t

通過上述方法，當各截面中心坐標在測量坐標系中的坐標求出后，則可通過直線度評定準則，評定出該深孔的直線度誤差[6,9]。

4實驗

測量對象：油缸缸體，孔徑φ80H8，孔深1650mm，表面粗糙度Ra0.4μm，直線度要求為0.1mm，取t=10。經CCD相機和計算機采樣后得到橢圓弧數字圖像，經圖像處理后可計算得到橢圓曲線各點坐標，再求得被測孔截面擬合圓心在測量坐標系OXYZ下的坐標值，如表1所示。

表1　孔截面圓擬合圓心坐標值(單位：mm)

當各截面中心坐標值在測量坐標中坐標值求出后，則可通過直線度誤差評定準則，用MATLAB軟件編程[11]計算得到該缸體軸孔直線度誤差值為0.085mm，與所要求的直線度誤差數值相差0.015mm，滿足檢測要求。

5結論

(1)基于線結構光視覺技術得到可以反映深孔截面形狀和位置信息的橢圓光弧；

(2)設計了可以在深孔內實現自動進給、自動定心、自動適應孔截面變化的裝置；

(3)提出了利用同一截面上兩段橢圓光弧擬合橢圓中心，提高了測量精度；

(4)針對實際應用中一對橢圓光弧不能嚴格共面問題，利用坐標變換等相關知識有效解決了橢圓中心擬合問題；

(5)實驗證明該系統和所闡述理論具有一定的可行性和探索性

[參考文獻]

[1] 王世清．深孔加工技術[M]．西安: 西北工業大學出版社,2003．

[2] 濮良貴,紀名剛．機械設計[M]．西安：高等教育出版社,2006．

[3] 馬清艷,王彪,武慧紅,等．深孔直線度檢測系統[J]．機械設計與研究,2013,29(3):56-58．

[4] 寧延平,劉戰鋒．國內外高精度直線度測量技術的研究現狀[J]．現代制造工程,2005(6):82-84.

[5] 沈興全,龐俊忠.深孔加工關鍵技術研究[J].中北大學學報(自然版),2010,52(6):43-46.

[6] 曲東升,伍星,劉彥武,等.基于預加工孔CCD圖像的零件視覺定位[J].組合機床與自動化加工技術,2010(9):79-82.

[7] 鄭樹彬,柴曉冬,韓國閣,等．基于光平面的軌距測量方法[J]．城市軌道交通研究,2010(10):22-25．

[8] 尹中會,李春．CCD技術在煤礦機械中的應用[J]．煤礦機械, 2011,32(6):229-230．

[9] 王曉嘉,高雋,王磊,等．大直徑孔同軸度的測量方法與精度分析[J]．煤礦機械, 2013,34(10):134-135．

[10] 于大國,寧磊,孟曉華．基于最小二乘法深孔軸線直線度誤差評定[J]．組合機床與自動化加工技術, 2014(1):39-42．

[11] 岳奎．最小二乘圓法評定圓度誤差的程序設計[J]．工具技術，2006，40(4)：79-81．

(編輯趙蓉)

Linearity Detecting System for Deep Holes Based on the Light Vision Technology

HAO Yong-penga，b，YU Da-guoa，b，LI Shao-mina，b，LI Zhong-qiua，b

(a.College of Mechanical Engineering and Automation；b.Engineering Research Center for Deep-hole Drilling of Shanxi Province，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract：In order to solve the problem of high-precision detection for linearity of deep-hole,based on linear structured light vision technology,get the pair of elliptical light arc of deep hole section that can reflect its shape profile and position;Based on the optical fiber sensing technology transfer the light to the optical system and also transfer the elliptical arc light′s image to the CCD camera. Designed a feeding device with function of self-centering and self-adjusting radius feed matching with the detection system.To address the problem of two structured-light stripes are not strictly coplanar, put forward a new method to realize elliptical light arc′s central location by using the method of coordinate transformation.The result indicates that the measurement system can meet the testing requirements.Also it is really significant in theory and is valuable in engineering applications.

Key words：linear structured light vision；self-centering；linearity

中圖分類號：TH161;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：郝永鵬(1988—)，男，太原人，中北大學碩士研究生，研究方向為深孔加工技術， (E-mail)291038673@qq.com。

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51175482/E050901);山西省發明專利轉化項目(141004);中北大學科技成果轉化資助項目(201505);中北大學自制實驗設備項目(201527)

收稿日期：2015-03-13；修回日期：2015-04-19

文章編號：1001-2265(2016)02-0051-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.015