基于结构光视觉的矩形花键轴同轴度及键位置度测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于结构光视觉的矩形花键轴同轴度及键位置度测量方法，属于机器视觉测量技术领域。首先，对结构光测量系统进行标定，获得摄像机参数、线结构光光平面与花键轴轴线空间方程；其次，沿直线移动激光器，获得每个位置上线结构光光平面方程及轴上光条图像，通过多个线结构光光平面与花键轴的截平面，基于最小包容原则获得花键轴的同轴度误差；最后，以花键侧面上光条中心点作为数据点，依据国家标准推荐的矩形花键轴花键位置度的测量方法，提出一种基于距离迭代获得花键位置度测量算法。本发明专利技术在保证测量精度的基础上，实现了矩形花键轴同轴度和花键位置度的非接触测量，显著提高了花键轴几何公差的测量效率。

Measurement method of coaxiality and key position of rectangle spline shaft based on structured light vision

The invention relates to a method for measuring coaxiality and key position of a rectangular spline shaft based on structured light vision, belonging to the technical field of machine vision measurement. First, calibrate the structured light measurement system to obtain the camera parameters, the spatial equation of the linear structured light plane and the spline shaft axis; secondly, move the laser along the straight line to obtain the linear structured light plane equation and the optical strip image on the shaft at each position. Through the section planes of multiple linear structured light planes and the spline shaft, the coaxiality error of the spline shaft is obtained based on the minimum containment principle Finally, taking the center point of the smooth strip on the side of the spline as the data point, according to the measurement method of the spline position of the rectangular spline shaft recommended by the national standard, a measurement algorithm of the spline position based on the distance iteration is proposed. On the basis of ensuring the measurement accuracy, the invention realizes the non-contact measurement of the coaxiality and the position degree of the rectangular spline shaft, and significantly improves the measurement efficiency of the geometric tolerance of the spline shaft.

【技术实现步骤摘要】
基于结构光视觉的矩形花键轴同轴度及键位置度测量方法
本专利技术涉及机器视觉测量
，特别涉及一种基于结构光视觉的矩形花键轴同轴度及键位置度测量方法。
技术介绍
矩形花键轴作为一种典型的联接零件，被广泛的应用于机械传动部件中。根据国家标准GB/T1144-2001规定，花键轴的同轴度及花键位置度是主要的检测几何公差，这两个几何公差对矩形花键轴的装配有重要的影响。传统的花键轴同轴度及花键位置度测量属于接触式测量，由于效率很低无法应用于花键轴加工的在线测量。随着计算机科学的不断进步，以光学和机器视觉技术为基础的非接触测量得以发展。视觉非接触测量技术不仅可以大大提高检测速度，还为实现生产过程中的全产品检测提供了可能。视觉检测方法可以分为主动测量方法和被动测量方法，被动测量是只利用摄像机采集被测物体图像，并通过图像处理算法获得测量结果，该类方法虽然实现简便并且可以保证一定的测量精度，但测量精度易受测量环境影响，在零件加工环境下测量精度较难保证。主动测量方法一般是利用激光器和摄像机组成视觉检测系统，通过获得被测物体表面上的光条图像，经过图像处理算法获得测量结果。通过文献查阅，关于矩形花键轴几何公差非接触测量的相关文献很少。2018年合肥工业大学的朱华炳等人在专利技术专利《一种花键轴的花键端面的图像采集设备及花键检测方法》中，提出了利用一个摄像机采集花键轴端面图像，通过对花键轴的端面图像进行处理获得花键轴的键宽及大小直径的方法。虽然理论上这种方法也可以获得端面上各花键位置度，但是方法只能获得花键轴端面的图像，无法采集花键轴轴线的信息，不可能实现花键轴同轴度的测量。2018年吉林大学的刘长英在论文《动车组车轴的同轴度测量及误差分析》中，提出一种通过光幕及CCD摄像机组成阶梯轴同轴度测量系统，虽然该方法为同轴度测量提出了一种视觉检测方法，但是该方法并且不适用于花键轴的同轴度测量。综上所述，在矩形花键轴的加工制造中，如何在复杂的实际工厂环境下，完成花键轴同轴度及花键位置度的精确、自动、高效的非接触测量，是实现矩形花键轴自动化生产的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于结构光视觉的矩形花键轴同轴度及键位置度测量方法，不仅解决了现有接触式测量方法效率低，无法实现在线检测的问题，还通过本专利技术中的线结构光测量系统提高了花键轴测量的鲁棒性，降低了视觉测量的硬件成本。本专利技术所采用的方法是一种主动的非接触方法，由于主动测量方法有较好的测量鲁棒性，对外界环境的适应性强，应用范围相比被测测量方法要大很多。在初始位置上将线结构光投射至矩形花键轴上，通过以结构光光平面平行平面作为坐标平面建立局部坐标系，把空间椭圆拟合问题简化为平面椭圆问题；在该局部坐标系下，分别利用花键轴大径及小径圆柱上的光条中心点获得花键轴大径及小径对应的椭圆中心；接着，沿滑轨移动线激光器，计算花键轴上不同截面的大径及小径对应的椭圆中心，利用整体二乘法获得基准轴线的轴线方程，并根据最小包容原则获得花键轴的同轴度。在花键位置度测量中，考虑光条图像质量对测量的影响，只在每幅图像中选取最上端及最下端两个花键侧面的光条中心点坐标，旋转花键轴采集每个位置对应的花键轴上光条图像并记录每次的旋转角度，利用坐标变换及花键轴轴线空间方程获得旋转初始位置上所有花键侧面上光条中心点的空间坐标；以任意一个花键两侧上光条中心点坐标计算该花键对称线的直线方程，并将该直线作为基准线；根据被测花键轴上花键的个数，依次旋转基准线相应的角度，利用每个花键两侧对应的中点与旋转后基准线的距离差获得位置度误差，位置度误差等于最大距离的2倍。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：基于线结构光视觉的花键轴同轴度及花键位置度测量方法，利用结构光视觉检测技术，实现了花键轴同轴度及花键位置度的非接触测量，具体过程包括下列步骤：步骤1)标定摄像机参数及花键轴轴线方程；1.1)标定摄像机内参及畸变系数；1.2)通过线激光器将结构光投射至共面标靶，采集共面标靶图像，并利用图像获得结构光光平面在摄像机平面下的空间平面方程；1.3)将标定板通过夹具固定于双顶尖之间，在测量时花键轴也通过该双顶尖固定于实验台上，顶尖连线即为花键轴轴线；1.4)旋转标定板并采集两个不同位置上的标定板图像，通过两个位置上标定板所对应的平面方程可以获得被测轴线方程；步骤2)在滑轨上沿直线移动线激光器，在每个位置上获得线结构光光平面方程、花键轴上光条中心点的摄像机坐标、线结构光光平面与花键轴截面对应的椭圆中心坐标，并基于最小包容原则获得花键轴的同轴度误差；步骤3)在滑轨上任意位置作为测量花键位置度的测量位置，采集花键轴上光条图像，提取图像中最上端和最下端两个花键侧面对应的光条中心点，接着沿同一方向旋转花键轴，并记录每次旋转角度，提取每次旋转后图像中最上端和最下端的两个花键侧面上的光条中心点，根据花键轴轴线方程，通过坐标变换可以获得花键轴旋转前所有花键侧面上光条中心点的摄像机坐标；步骤4)根据花键轴轴线方程建立一个与花键轴垂直的投影平面，将花键侧面上所有光条中心点向投影平面进行投影，在投影坐标系中，以任意一个花键两侧的光条中心点作为数据点，获得该花键两个侧面的对称线，并以该对称线作为基准获得每个花键的位置度误差。步骤2)所述的获得花键轴的同轴度误差，具体步骤如下：2.1)在线激光器移动的初始位置，将线激光器发射出的线结构光投射到共面标靶上，通过摄像机采集共面标靶上的光条图像，并利用所采集的图像获得该位置下的线结构光光平面方程；2.2)将被测花键轴放置于两顶尖之间进行固定，线激光器标定后位置不变，通过摄像机采集花键轴上光条图像，并利用光条中心点检测算法获得花键轴上光条中心点的摄像机坐标；2.3)建立局部坐标系Oe—XeYeZe，在该坐标系中，坐标面XeOeZe与结构光光平面平行，坐标原点Oe与摄像机光心重合，根据几何关系可知，结构光光平面与花键轴圆柱区域的截交线为椭圆的一部分，所以将坐标轴OeXe与截交椭圆的长轴平行，坐标轴OeYe与短轴平行，OeZe轴垂直于结构光光平面；2.4)通过顶尖连线方程及线结构光光平面方程，获得摄像机坐标系与局部坐标系的变换矩阵，其中包括一个旋转矩形和一个平移矩阵，并通过坐标变换得到花键轴上所有光条中心点的局部坐标；2.5)分别利用大径圆柱及小径圆柱对应的光条中心点的局部坐标，通过几何椭圆拟合算法获得第一个位置上大径圆弧所在椭圆对应的中心坐标及小径圆弧所在椭圆对应的中心坐标；2.6)移动滑台，在多个位置上重复步骤2.1)至2.5)，获得每个位置上大径圆弧所在椭圆对应的中心坐标及小径圆弧所在椭圆对应的中心坐标，组成大径圆弧中心数组O及小径圆弧中心数组E，移动次数和被测花键轴长度及测量同轴度精度有关；2.7)当被测花键轴在装配过程中采用小径定心，则将小径圆柱对应的轴线作为基准轴线，将数组E作为拟合数据点，利用整体最小二乘法获得基准轴线的直线方程，如果被测花键轴在装配过程中采用大径定心，则将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结构光视觉的矩形花键轴同轴度及键位置度测量方法，其特征在于：利用结构光视觉检测技术，实现了花键轴同轴度及花键位置度的非接触测量，具体过程包括下列步骤：/n步骤1）标定摄像机参数及花键轴轴线方程；/n1.1）标定摄像机内参及畸变系数；/n1.2）通过线激光器将结构光投射至共面标靶，采集共面标靶图像，并利用图像获得结构光光平面在摄像机平面下的空间平面方程；/n1.3）将标定板通过夹具固定于双顶尖之间，在测量时花键轴也通过该双顶尖固定于实验台上，顶尖连线即为花键轴轴线；/n1.4）旋转标定板并采集两个不同位置上的标定板图像，通过两个位置上标定板所对应的平面方程可以获得被测轴线方程；/n步骤2）在滑轨上沿直线移动线激光器，在每个位置上获得线结构光光平面方程、花键轴上光条中心点的摄像机坐标、线结构光光平面与花键轴截面对应的椭圆中心坐标，并基于最小包容原则获得花键轴的同轴度误差；/n步骤3）在滑轨上任意位置作为测量花键位置度的测量位置，采集花键轴上光条图像，提取图像中最上端和最下端两个花键侧面对应的光条中心点，接着沿同一方向旋转花键轴，并记录每次旋转角度，提取每次旋转后图像中最上端和最下端的两个花键侧面上的光条中心点，根据花键轴轴线方程，通过坐标变换可以获得花键轴旋转前所有花键侧面上光条中心点的摄像机坐标；/n步骤4）根据花键轴轴线方程建立一个与花键轴垂直的投影平面，将花键侧面上所有光条中心点向投影平面进行投影，在投影坐标系中，以任意一个花键两侧的光条中心点作为数据点，获得该花键两个侧面的对称线，并以该对称线作为基准获得每个花键的位置度误差。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于结构光视觉的矩形花键轴同轴度及键位置度测量方法，其特征在于：利用结构光视觉检测技术，实现了花键轴同轴度及花键位置度的非接触测量，具体过程包括下列步骤：
步骤1）标定摄像机参数及花键轴轴线方程；
1.1）标定摄像机内参及畸变系数；
1.2）通过线激光器将结构光投射至共面标靶，采集共面标靶图像，并利用图像获得结构光光平面在摄像机平面下的空间平面方程；
1.3）将标定板通过夹具固定于双顶尖之间，在测量时花键轴也通过该双顶尖固定于实验台上，顶尖连线即为花键轴轴线；
1.4）旋转标定板并采集两个不同位置上的标定板图像，通过两个位置上标定板所对应的平面方程可以获得被测轴线方程；
步骤2）在滑轨上沿直线移动线激光器，在每个位置上获得线结构光光平面方程、花键轴上光条中心点的摄像机坐标、线结构光光平面与花键轴截面对应的椭圆中心坐标，并基于最小包容原则获得花键轴的同轴度误差；
步骤3）在滑轨上任意位置作为测量花键位置度的测量位置，采集花键轴上光条图像，提取图像中最上端和最下端两个花键侧面对应的光条中心点，接着沿同一方向旋转花键轴，并记录每次旋转角度，提取每次旋转后图像中最上端和最下端的两个花键侧面上的光条中心点，根据花键轴轴线方程，通过坐标变换可以获得花键轴旋转前所有花键侧面上光条中心点的摄像机坐标；
步骤4）根据花键轴轴线方程建立一个与花键轴垂直的投影平面，将花键侧面上所有光条中心点向投影平面进行投影，在投影坐标系中，以任意一个花键两侧的光条中心点作为数据点，获得该花键两个侧面的对称线，并以该对称线作为基准获得每个花键的位置度误差。


2.根据权利要求1所述的基于线结构光视觉的花键轴同轴度及花键位置度测量方法，其特征在于：步骤2）所述的获得花键轴的同轴度误差，具体步骤如下：
2.1）在线激光器移动的初始位置，将线激光器发射出的线结构光投射到共面标靶上，通过摄像机采集共面标靶上的光条图像，并利用所采集的图像获得该位置下的线结构光光平面方程；
2.2）将被测花键轴放置于两顶尖之间进行固定，线激光器标定后位置不变，通过摄像机采集花键轴上光条图像，并利用光条中心点检测算法获得花键轴上光条中心点的摄像机坐标；
2.3）建立局部坐标系Oe—XeYeZe，在该坐标系中，坐标面XeOeZe与结构光光平面平行，坐标原点Oe与摄像机光心重合，根据几何关系可知，结构光光平面与花键轴圆柱区域的截交线为椭圆的一部分，所以将坐标轴OeXe与截交椭圆的长轴平行，坐标轴OeYe与短轴平行，OeZe轴垂直于结构光光平面；
2.4）通过顶尖连线方程及线结构光光平面方程，获得摄像机坐标系与局部坐标系的变换矩阵，其中包括一个旋转矩形和一个平移矩阵，并通过坐标变换得到花键轴上所有光条中心点的局部坐标；
2.5）分别利用大径圆柱及小径圆柱对应的光条...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘思远，张志辉，廉凤汇，张云辉，苗建伟，包昊菁，于征磊，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22