一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统。该系统包括机械臂安装座、机械臂、相机、光源架、机械臂数控模块、图像采集卡和计算机；机械臂安装座是内置步进电机和传动齿轮的便捷接口件，安装在机床主轴壳体或工作台上；可两维伸缩和绕两轴转动的机械臂安装于机械臂安装座上，其术端夹持相机；光源架安装在工件的上方；机械臂数控模块一端与机械臂连接，另一端与计算机连接；计算机还通过图橡采集卡与相机连接。测量系统只需用相机摄取被测物体图像，经图像分析，计算出测量结果，完全采用视像法，无需激光光源及激光测头、接触式触发测头等机构，省却昂贵的激光机构费用和不受接触式测量方法的限制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在制品测量方法及其装置，具体涉及一种基于机器视觉的大型在制工件三 维几何形状与尺寸检测系统的方法及其系统。
技术介绍
目前机械制造业中零件的几何加工质量控制体系建立在加工后离机检测的基础上，且 以接触式测量为主要方法。三坐标测量机等接触式测量设备虽然有很高的测量精度，但是 工件必须撤离加工机床再安装在测量机上检测， 一旦发现加工尺寸、形位精度不合格，装 回到加工机床上重新加工时，定位和加工往往累积超差。事后的被动式检测既费时又效果 差，使零件加工的返工和报废率很高。此外， 一方面精密接触式测量设备需在测量室环境 下使用，另一方面，工件的很多复杂表面，尤其内凹曲面或盲孔、窄槽等，接触式测量往 往对之无能为力。加工与检测(尤其非接触式检测)在加工现场结合，是当今制造业的最 薄弱之处，在加工位置的工件三维可视化、数字化几何检测是解决该类问题的关键技术之近年来机器视觉技术的发展，数字化的视像识别与检测系统已经在许多行业得到实用 并取得显著效益。在零件加工行业，商品化的二维视像检测仪器已经用于小物件的平面形 状与尺寸测量，如国产的EP-1光学式投影仪的放大倍率有10X、 20X和50X三档，对应的 测量视场分别为30mni、 15腿和6mm。投影仪的基本特征是具有内置光源、光学放大镜、透 光的玻璃工作台面和大投影屏，实现将放在工作台上的被测物放大后在投影屏上观察、测 量的功能。也已经有二维视像加一维(高度)接触式测量的三维几何测量仪器，但只适用 于较小高度的测量，如日本三丰(Mitut。yo)Quick Vision系列视像测量机，最大检测高度 小于250mm，采用接触式触头或激光实现高度方向测量，其基本特征是具有精密测量仪器 级的大龙门机身、机架及其位移与控制系统、内置光源，除视像测头外还需加装接触式触 发测头或激光测头、激光光源、激光全息光栅尺等精密部件。上述两类视像测量仪器都只 能在测量室环境中使用，被测物体必须置于仪器自身的载物台上。目前尚无能在加工机床 上应用的二维平面视像测量仪器，也没有只用视像法、适应大型工件三维测量的仪器，更 没有直接在加工机床上应用的工件三维视像测量仪器。基于结构光调制原理的测量系统可 能应用于大型物体的三维几何测量，但其系统构成和工作原理与本专利方法不同。结构光 三维视觉系统最基本的特征是必须具有专门的条纹光光学投射器，它将一定模式的条纹结构光投射于物体的表面，形成由被测物体表面形状所调制的光条图像，处于另一位置的摄 像机摄取被调制光条图像，经软件处理后得到三维点云图，由此重构出被测物体。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实用、费用相对较低的可直接在加工机床上测量大型在制 工件的系统。本专利技术的目的通过如下技术方案实现一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，包括机械臂安装座、机械臂、相机、 光源架、机械臂数控模块、图像采集卡和计算机；机械臂安装座是内置步进电机和传动齿 轮的便捷接口件，安装在机床主轴壳体或工作台上，可驱动机械臂绕垂直或平行于安装座 安装平面的轴转动；可两维伸缩和绕两轴转动的机械臂安装于机械臂安装座上，其末端夹 持相机；光源架安装在工件的上方；机械臂数控模块一端与机械臂连接，另-一端与计算机 连接；计算机还通过图橡采集卡与相机连接。为进一步实现本专利技术目的，所述便捷接口件为发兰盘或燕尾槽或铁磁性吸盘。所述机械臂数控模块包括机械臂中的电机驱动元件和与计算机通讯的电路，用于实现 计算机对机械臂的数控。所述相机5机械地安装在机械臂的末端。 所述计算机为通用的个人计算机或工控机。所述相机为大尺寸、高分辨率的CCD或CMOS数字工业相机，包括成像畸变小的远 心、变焦或变倍镜头。所述机械臂包括依次连接的机械臂接口、大臂、关节、小臂和相机座；机械臂接口上 端与机械臂安装座用滚动轴承连接，大臂的滚珠丝杠与机械臂安装座的输出轴通过联轴器 连接，由机械臂安装座中的电机带动大臂及小臂旋转；大臂的滚珠丝杠上配合有可在其上 移动的大滑板及其驱动电机，实现大臂的伸缩；关节安装在大臂末端，设有铰链轴及驱动 电机，可带动小臂转动；小臂通过关节与大臂连接，小臂中有齿轮轴，底部有齿的带电机 滑块可在齿轮轴上移动，实现小臂伸縮；小臂末端安装可调的相机座。在所述相机座与相机之间加装数控相机云台。所述光源架包括刚性杆、光源、刚性杆座和调光器，通过位于四角的刚性杆座组成方 形结构；刚性杆一侧固定LED光源，刚性杆两端为螺纹段，旋入刚性杆座的螺纹通孔中， 可调节框架大小；通过旋动刚性杆可以调节光源条的照射角度；调光器与各条光源相连， 用于调节光强。所述光源架安装在工件的上方是指光源架用柔性的绳索或链吊装在机械臂上，或安装 在机床内壁，或直接放置在加工机床工作台上，或者直接放置在工件上。 相对于现有技术，本专利技术具有如下优点(1) 本专利技术测量系统只需用相机摄取被测物体图像，经图像分析，计算出测量结果。 因完全采用视像法，故无需激光光源及激光测头、接触式触发测头等基于其他测量方法的 机构，省却昂贵的激光机构费用和不受接触式测量方法的限制。(2) 携载相机的灵巧轻型数控机械臂可便捷安装在加工机床上，无需另设机身、机架。 数控机械臂是个轻质的多关节机器人，虽然其本身不行走，但可随机床主轴大范围三维移 动，自身还可多向转动和伸縮，非测量时段可自行折起以保护相机和避免干涉加工。(3) 工件不必撤离加工机床，相机由灵巧机械臂携载，可对在加工位置的工件进行摄 像，由其图像可计算出几何测量值。(4) 携载相机的机械臂安装在机床主轴壳体上随主轴移动，可以实现对机床所能加工 最大工件的测量。即便工件尺寸比较大，也可由分区域多次摄取的图像拼接成完整图像， 并计算出几何测量值。(5) 相机由灵巧机械臂携载，可对在加工位置的工件进行多方位摄像；经图像处理可 以重建出被测工件的三维立体，从而可以在加工机床上实现工件的三维测量。附图说明图1是本专利技术基于机器视觉的大型在制品几何测量系统示意框图； 图2是图1中机械臂的组成和运动示意图3是图1中贴附在工件被测表面的薄片标志及利用其进行图像拼接的示意图4是图1中光源架的组成示意图5是图1中测量系统的工作流程框图。具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一歩的说明，但本专利技术要求保护的范围并不局 限于实施方式表达的范围。如图1所示基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统包括工件1、加工机床工作台2、机械臂安装座3、机械臂4、相机5、光源架吊索6、光源架7、机械臂数控模块8、 图像采集卡9、显示屏10和计算机11。安装在加工机床工作台2上的工件1保持在加工位 置，刀具退到加工区外适当距离。机械臂安装座3是内置歩进电机和传动齿轮的便捷接口 件，安装在机床主轴壳体或工作台上，可驱动机械臂4绕垂直或平行于安装座安装平面的 轴转动；可两维伸縮和绕两轴转动的机械臂4固装于机械臂安装座3上，其末端夹持相机5;光源架7安装在工件的上方；机械臂数控模块8附置于机械臂安装座3外壳体上或单置 于计算机11附近，其电路一端与机械臂4连接，另一端与计算机11连接；计算机11还通过图橡采集卡9与相机5连接。具体说，机械臂安装座3的一端是与具体机床主轴壳体或 工作台相适配的便捷接口件，如用2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机器视觉的大型在制工件几何测量系统，其特征在于该系统包括机械臂安装座、机械臂、相机、光源架、机械臂数控模块、图像采集卡和计算机；机械臂安装座是内置步进电机和传动齿轮的便捷接口件，安装在机床主轴壳体或工作台上，可驱动机械臂绕垂直或平行于安装座安装平面的轴转动；可两维伸缩和绕两轴转动的机械臂安装于机械臂安装座上，其末端夹持相机；光源架安装在工件的上方；机械臂数控模块一端与机械臂连接，另一端与计算机连接；计算机还通过图橡采集卡与相机连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：全燕鸣，龚金云，全思博，许雄超，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]