基于視覺成像的可變直徑孔型參數高精度測量方法

葛志靜

(寶武裝備智能科技有限公司上海金藝檢測技術有限公司,上海 201900)

機器視覺檢測與測量技術具有非接觸、效率高、檢測一致性高等優點,在工業自動化生產中得到廣泛應用[1-3],該技術的推廣和應用也是目前企業智慧化的重要支撐手段。

針對可變孔型或者較大尺寸孔型的參數測量,單個圖像傳感器的視野覆蓋整個區域時,圖像分辨率較低,難以實現較高精度的測量,縮減相機視野提高測量精度,又無法兼顧較大區域的測量。

本文設計一種視覺成像測量方法,采用旋轉機構帶動直線運動導軌,完成圓周旋轉和半徑變化的運動,圖像傳感器裝在直線導軌上獲取孔型輪廓信息。本方案組合機械結構的參數和圖像檢測的輪廓完成最終結果的計算,針對不同尺寸的標定孔進行測試和驗證表明,該方法檢測有效,能夠完成測量,滿足精度要求。

1 系統原理及實現

1.1 系統架構

本測量系統的核心原理是采用遠心鏡頭背光成像的方法獲得孔型圓周方向多張圖像,在圖像中精確查找孔型邊界,再利用圖像分析和數據擬合的方法最后獲得孔型參數計算結果。系統主要分為機器視覺測量和機械運動兩個模塊。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

機器視覺模塊主要實現圖像采集、數據分析的功能,由圖像傳感器、鏡頭和光源組成。為了獲得更好成像效果,采用了平行光背光成像方法,光源選用平行光光源,相機選用遠心鏡頭。待測孔型置于相機和光源之間,光源發出的平行光束一部分被遮擋,剩余的光線進入相機的視野,相機就可以捕捉到遮擋區域位置的圖像,即跟蹤孔型邊界的位置。選用遠心鏡頭的目的是使相機只接收光源的平行光,減少環境光的干擾,相機成像能夠更清晰地捕捉孔型邊界。

視覺檢測模塊每完成1個點數據的測量,機械模塊則輔助完成圓周方向上多個點的測量。機械測量模塊主要由旋轉主軸和直線導軌組成,旋轉主軸和導軌定制加工,分別配置旋轉光柵和線光柵,跟蹤角度變化和旋轉半徑變化。

測量時直線導軌將圖像傳感器運送至預估的測量半徑位置。旋轉主軸開始旋轉,旋轉時圖像傳感器以旋轉速度同步采集圖像,每張圖像可以解析出1個孔型邊界空間點的位置,包括旋轉半徑值d1、旋轉角度R和圖像邊界位置d2,主軸旋轉1周連續獲得多個邊界點的空間位置,通過數據分析得到最終的孔型輪廓參數。

1.2 視覺測量模塊設計

視覺測量模塊主要由光源、相機及鏡頭組成。測試選用500萬(2 592×2 048)像素面陣相機,像元尺寸為4.8 μm×4.8 μm,感光器件尺寸1英寸(1英寸=0.025 4 m)。相機鏡頭選用物方遠心鏡頭,如圖2所示。為了與相機適配,選用50 mm口徑鏡頭,成像視野達到直徑16.2 mm,大于相機感光器件尺寸;鏡頭放大倍數為0.9,則可計算成像分辨率為5.3 μm。

圖2 遠心鏡頭(單位:mm)

如圖3所示,光源選用大口徑平行光光源。LED點光源經過光源擴束器的放大作用變成直徑280 mm的平行光光源。

圖3 平行光光源(單位:mm)

視覺檢測模塊的核心器件選型及參數如表1所示。

表1 檢測模塊器件選型及參數

1.3 機械運動模塊設計

根據測量原理,主軸和直線導軌的精度直接影響測量結果的精度,以兩者定位旋轉半徑的尺寸作為測量基準,機械旋轉半徑的精度誤差直接傳遞至最終測量結果上面。為此定制開發了密珠滾動軸系,即采用高精度的鋼珠(圓度誤差0.1 μm)作為轉動的介質,實現旋轉主軸高精度控制。

在機械模塊組件選用高穩定性器件的基礎上,設計高精度閉環控制是影響精度的另外一個因素。為旋轉運動加載高精度旋轉光柵尺(海德漢EPN180 3600 01-03),如圖4所示;為直線運動加載高精度直線光柵尺(RGH24Y30D30A),如圖5所示。二者分別提高了旋轉角度和旋轉半徑基準尺寸精度。

圖4 旋轉光柵傳感器

圖5 長光柵傳感器

1.4 精度分析

本測量系統的測量精度取決于各個組成模塊的組合精度,根據設備選型,旋轉主軸周向跳動精度為2 μm,長光柵示值誤差為2 μm;視覺測量模塊中圖像采集和處理按兩個像素精度計算,邊界定位精度為10.6 μm。

測量誤差E1=(22+22+10.62)1/2=10.97 μm,則合計最大誤差為10.97 μm。

2 測試與驗證

2.1 數據模擬

針對成像測量原理進行算法驗證和模擬。以1張圓孔圖像為背景,見圖6(a),設定1個小的矩形,該矩形以固定圓心和半徑旋轉,掃描軌跡形成1個圓環,調整圓心和半徑,使圓環覆蓋圖形中的圓形輪廓,即每個小矩形能夠覆蓋圓孔邊界的圖像,見圖6(b)。按照旋轉角度,依次取得矩形區域在大圖中對應的區域子圖序列,見圖6(c),子圖序列與角度相關。以子圖序列為計算依據,利用角度信息與圖像中的邊界信息進行復原,還原原始圖像中的圓形輪廓。

圖6 測試圖像及截圖的子圖

如圖7所示,在二維空間坐標系XOY中,獲得相機成像區域,O點為旋轉中心,Ci(i=0～360)定義為圖像中心,OCi距離為相機旋轉半徑R,相機旋轉角度為θ;圖像中CiPi為邊界點到圖像中心的距離di,根據上述定義,可以得到Pi點在二維空間坐標系的數值,見式(1)。

圖7 圖像坐標系定義

(1)

獲得圓周上1組點的數據Pi(x,y),進行圓周數據擬合,即可以獲得圓心數據和圓半徑數據。

模擬測試表明,旋轉半徑或旋轉中心出現微小變化時都能完全復原孔型輪廓參數,驗證了方案的可行性和復原流程的有效性。

2.2 標定孔驗證

為了進一步測試方案和系統精度,專門制作兩個直徑分別為30 mm和200 mm的標定孔,對上述兩孔使用測量系統進行標定和性能驗證。測量結果給出擬合半徑和擬合圓心的位置,測試數據如表2所示。

表2 標定板測量數據

3 結語

本文提出一種基于機器視覺檢測技術的可變直徑孔型測量方案,該方案借助機械結構的穩定性和視覺測量技術非接觸、高精度等優點,能夠完成不同直徑孔型的圓形輪廓參數測量。測試和驗證表明,該方案可行,精度較高,能夠穩定應用于工業現場。