CNC零件尺寸快速檢測系統研究

李海歐 區海琪 成玲

摘要：本文針對CNC零件尺寸的檢測問題，研究了一種基于2D和3D聯合測量的方法，首先通過圓盤機構快速上下物料，物料快速通過相機和線激光，精確的模板匹配，軟件快速計算。從而實現長、寬和厚度等尺寸的一次性快速測量。

關鍵詞：CCD;線激光;圓盤上下料機構;快速檢測

三維激光掃描測量系統屬于一種非接觸測量，它基于激光三角法測量原理，是一種線測量方法。本文針對CNC 零件的檢測問題，研究了一種基于2D 和3D 聯合測量的方法，即相機+激光檢測系統，增加線激光同時掃描工件的上下面來實現工件厚度的測量，也可采用相機+線激光測量系統實現工件二維的長、寬和三維平面度、厚度等參數的一次性快速測量，大大提高CNC 加工零件的檢測速度和精度，以滿足生產需要。

1 測量系統的設計與標定

1.1 測量系統的組成

本系統主要由玻璃圓盤旋轉平臺及其運動控制卡、激光輪廓測量頭、線激光控制器、工業相機和遠心鏡頭等幾部分組成。下面介紹對硬件部分各模塊的選型。

1.1.1 轉臺選擇

本系統采用的玻璃圓盤旋轉平臺是由圓盤玻璃、DD 馬達和伺服電機組成，被測物件排列到玻璃圓盤上，隨著圓盤一起轉動，經過相機和激光，然后軟件對圖片進行處理。該轉臺具有速率平穩、定位精度高等優點。

1.1.2 相機和鏡頭的選擇

選用的是高分辨率工業相機，具有外形小、重量輕、優秀的功能性和出色的穩定性;知名相機公司提供了大視野低畸變遠心鏡頭，具有大光圈、高遠心度、超低畸變，超大景深等特點，而且可以通過計算機編程控制曝光時間、亮度、增益等參數。

1.1.3 激光輪廓測量頭的選擇

選用了激光輪廓測量頭，具有測量精度高、檢測速度快、應用方便靈活等特點;采用上下兩激光同時掃描的形式，大大縮短掃描時間，提高測量速度。

1.2 測量系統的工作原理

在測量工程中，首先要對二維和三維測量系統進行系統的標定，系統標定主要包括對相機的標定和線激光的標定。其中，對相機的標定主要是指計算相機的內、外參數以及畸變參數;對線激光的標定是指對線激光發射出的激光平面進行圖像處理以及對激光參數進行補償。對激光條紋進行圖像處理，包括二值化、去噪、圖像的坐標轉化。圖像坐標轉換后，最終得出來的圖像才是想要的圖像。

2 圖像處理

2.1 相機圖像標定

2.1.1 準備對稱圓形標定板

其為高精度鋁制標定板，精度為±0.01mm，是200*200mm 的標準標定板，圓的直徑為12.5mm，圓心距為25mm。

2.1.2 放圓盤上拍攝圖片

標定畸變系數，相機內參和相機外參，圖片包含上述要求，同時標定程序生成結果中每張照片會計算一個相機外參數因此根據實際需求。2.1.3 相機的參考坐標系

2.1.3.1 圖像坐標系

圖像坐標系包括圖像像素坐標系和圖像物理坐標系;圖像像素坐標系（u、v）是一個以像素為單位的坐標系，它的原點在圖片左上方，每個像素點的位置是以像素為單位來表示的， u 和v 分別表示像素在數字圖像中的列數和行數，但是并沒有用物理單位表示像素的位置，因此還需建立以物理單位表示的圖像坐標系，叫圖像物理坐標系（x、y）， 物理坐標系OXY 則是以長度單位比如毫米等所表示的圖像坐標系。在物理坐標系中，原點O 通常位于圖像的中心。兩個坐標軸分別與圖像像素坐標系平行。

2.1.3.2 相機坐標系

以相機的光心為原點Oc，Zc 軸與光軸重合，與成像平面垂直，Xc 和Yc 軸與圖像坐標系的兩個坐標軸平行。OOc 為攝像機的焦距，即相機坐標系的原點與圖像物理坐標系原點之間的距離。

2.1.3.3 世界坐標系

在整體環境中，相機的擺放位置是自由的，為了解決相機位置的不確定性問題，需要在整體環境中構建一個坐標系作為基準坐標系，這樣就能夠將相機位置或者其他任意物體位置標注出來，這就是世界坐標系。坐標軸WX ， WY ，WZ 是世界坐標系的三個坐標軸。

2.2 激光圖像標定

在激光掃描的圖像上建立笛卡爾直角坐標系，以標定后的圖像中心為原點建立極坐標系，標定前圖像坐標映射至標定后圖像的極坐標系坐標使，坐標的變換關系為：

2.4 圖像的邊緣提取

圖像的邊緣提取可以分為邊緣檢測、輪廓提取以及輪廓跟蹤。圖像的邊緣檢測是圖像分割、目標區域的識別、區域形狀提取等圖像分析領域十分重要的基礎，圖像分析和理解的第一步往往就是邊緣檢測。輪廓跟蹤是獲取圖像的外部輪廓特征，為圖像的形狀分析做準備。

3 結果與分析

3.1 數據采集

當圓盤開始轉動，測量物件首先經過相機，信號被觸發開始拍攝圖片;然后再經過激光輪廓測量頭，激光開始采集點云數據;經過測量系統的圖像處理、數據處理得到產品二維的長度和三維的平面度、厚度。

3. 2 相機測量結果與分析

準備10 個待測物件，依次標號經過相機測量;用相機測量物件4 個尺寸，在圖像上每1 個尺寸取兩個特征，計算兩個特征之間的距離，然后跟實際真實值作對比。

測量系統二維測量計算，計算值數據與實際真實值數據的誤差可在±0.01mm 以內，測量精度能達到要求。

3. 3 激光測量結果與分析

激光掃描被測物件，得到三維點云數據，在點云數據上取兩個特征點來計算兩個特征之間的相對高度值，最終得到的數值為被測物件的厚度值，然后跟實際真實值作對比;平面度的計算是在平面上取5 個高度值，這5 個高度值經過測量系統的計算得出平面度。

測量系統的三維測量計算，計算值數據與實際真實值數據的誤差也可在±0.01mm 以內，測量精度能達到要求。二維與三維結合的快速檢測系統，測量精度都可以達到預期目標。

4 結論

隨著科技的發展，由于CNC 零件加工精度對的不斷提高以及對CNC 零件尺寸的快速檢測要求，因此必須要有相應的高精度及快速檢測的檢測系統。成熟的二維檢測技術加上精度更高的三維激光技術的聯合檢測系統將會是未來一種趨勢，這樣的檢測系統不僅大大減少了成本支出，而且大大加快了尺寸檢測的速度。

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[5] J.P. Lewis. Fast Normalized Cross-Correlation， Industrial， Light& Magic， Vision.

第一作者：李海歐，女，講師，1982 年8 月，碩士，江門職業技術學院機電系專任教師，機械工程。

第二作者：成玲，女，講師，江門職業技術學院機電技術系，機械工程。

基金項目：

江門市科技計劃項目，項目名稱：CNC 零件尺寸快速檢測方法研究（項目編號：2019030100840009075）。

（江門職業技術學院機電技術系，廣東 江門 529090）