一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法，属于视觉测量领域。所述测量系统和方法通过两个方向视觉系统的配合实现刀具多个参数的测量，垂直方向上，工业相机连接远心镜头由步进电机驱动滑块移动，并结合了不同参数的照明方式，通过获取具有参数特征的清晰二维图像和标定参数的修正进而解算得到二维参数的测量结果。水平方向上，由工业相机连接超景深显微镜头由直线电机驱动滑台移动，光栅传感器监测移动的距离，通过层析扫描得到的序列图像进行特征的三维重构进而解算刀具三维参数的测量结果。本发明专利技术能够快速有效的实现具有复杂结构刀具的多种几何参数的测量，在工程应用中具有良好的应用。在工程应用中具有良好的应用。在工程应用中具有良好的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法


[0001]本专利技术属于视觉测量领域，涉及一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法。

技术介绍

[0002]刀具在航空、航天、运载等领域复合材料和金属零构件制造过程中有着广泛的应用。刀具的几何参数是影响加工精度、质量和效率的重要因素，为确保高效高质加工，在刀具研制和使用阶段对其几何参数的精准测量至关重要。现有基于机器视觉的刀具测量系统，能够测量的几何参数较为简单，且自动化程度低，仍需大量的人工操作，人为因素和环境干扰对测量精度产生很大的影响。随着刀具的发展，刀具的结构越来越复杂(如阶梯微齿钻削刀具)，且表面粗糙度低，无纹理，现有基于机器视觉的刀具检测系统易受光照不均的影响且测量界限难界定，导致待测特征难以提取，无法满足测量需求。
[0003]针对复杂结构的刀具参数的测量，南京航空航天大学的邵伟业等人于2020年在《机械设计与制造工程》第49卷第1期发表了文章《基于线阵CCD的刀具尺寸测量系统设计》，采用线阵CCD测量系统，得到了铣刀截面图像，进一步地通过拟合特性提取实现刀具径向尺寸的精确测量。该方法只能实现单一参量(铣刀半径)的测量，系统对于复杂结构的刀具的参数特征无法提取，对其参数的测量较难实现。单一参数的测量并不能满足对刀具性能设计和测试的需求，并且该方法尚未考虑光照对图像采集的影响，对于特征的提取精度和效率难以保证。因此，提供一种针对复杂结构刀具的几何参数自动测量系统十分重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了弥补现有技术的空白，专利技术了一种复合式视觉刀具几何参数测量系统及方法，其目的是针对复杂结构刀具的几何参数进行准确测量，满足刀具在设计和使用过程中测量的需求。所专利技术的刀具测量系统由可计算的光源系统、视觉系统、以及高精度的电控平台和软件系统组成，测量方法充分考虑了刀具的测量流程和参数的测量精度，该系统及测量方法自动化程度高、测量结果准确，具有良好的实际应用性。
[0005]本专利技术采用的技术方案是
[0006]一种复合式视觉刀具几何参数测量系统，包含两个方向的视觉系统，即垂直方向上的视觉系统和水平方向的视觉系统；
[0007]垂直方向上的视觉系统主要由第一工业相机1、多角度分区环型光源和矩形背光光源构成的第一光源系统2、远心镜头3以及步进电机4驱动的垂直方向滑台5组成，第一工业相机1与远心镜头3通过标准相机镜头接口连接，第一光源系统2中的多角度分区环型光源与远心镜头3同轴放置，由螺丝定位紧固，矩形背光光源固定于刀具夹具12正下方，由螺纹孔定位，螺丝紧固；步进电机4通过机械结构与垂直方向上滑台5连接，且第一工业相机1通过螺丝紧固在垂直方向上滑台5上，步进电机4的转动使得垂直方向滑台5带动第一工业相机1及其连接的机构做垂直方向上的直线运动；
[0008]水平方向的视觉系统主要由第二工业相机6、第二光源系统7和固定放大倍率的超
景深显微镜头8以及直线电机9驱动的水平方向滑台10组成，水平方向固定有光栅传感器11；第二工业相机6与超景深显微镜头8通过标准相机镜头接口连接，第二光源系统7与超景深显微镜头8同轴放置；直线电机9与水平方向滑台10通过机械结构连接，且光栅传感器11置于水平方向滑台10上；直线电机9的转动使得水平方向滑台10做水平方向上的直线运动，从而带动固定在水平方向滑台10上的第二工业相机6及其连接的机构做水平方向上的直线运动；
[0009]刀具由刀具夹具12固定在基准位置，两个方向的电机均由电机控制器13控制，图像处理系统14控制两台工业相机的图像采集及图像处理，光源控制器15控制两个方向上的光源系统；控制系统之间的配合和时序的协调以及最终测量结果的显示由软件系统16完成；步进电机4和直线电机9由电机控制器13通过标准协议进行通信和控制，同时光栅传感器11与电机控制器13进行通信，所采集的位移数据用于电机控制器13的反馈控制，达到精准定位的目的；第一工业相机1和第二工业相机6由图像处理系统14驱动控制，触发采集成像；第一光源系统2和第二光源系统7由光源控制器15通过模拟电路进行控制；上述所有控制系统由上位机中的软件系统16协同处理软件的时序，同时通过软件中的交互实现测量结果的可视化；上述所有装置固定于底座17上，能够保障系统平稳运行。
[0010]一种复合式视觉刀具几何参数测量方法，基于上述的复合式视觉刀具几何参数测量系统，在垂直方向上的视觉系统对刀具的二维参数进行测量，首先结合刀具的理论模型和刀具的材质，根据基于图像的光照反射模型：
[0011]I(x
u
,y
u
)＝I
s
·
cosθ
s
·
R(P(x
m
,y
m
，z
m
))
·
cosα
v1[0012]计算出每个测量参数所需要的光照方式和光照角度；其中I(x
u
,y
u
)为图像在(x
u
,y
u
)处的灰度值，I
s
为入射光源强度，θ
s
为入射光源角度，R为反射函数与待测刀具参数对应模型的坐标P(x
m
,y
m
，z
m
)相关，α
v
为相机相对于待测参数对应面法线方向的夹角；对不同的待测参数特征所对应的像素的灰度值进行优化求解，可输出每一种待测最佳的参数的光照角度θ
s
和强度I
s
；然后通过步进电机4驱动垂直方向滑台5，结合图像清晰度评价函数：
[0013][0014]其中，f(I)为图像的清晰度，S(x
u
,y
u
)为在图像的(x
u
,y
u
)像素的灰度梯度函数；按照待测量参数的顺序依次使待测的刀具定位到参数对焦的平面；接着分别在测量参数的光照条件下获取合焦平面处的图像，并对图像中的参数进行识别、拟合，获取特征的亚像素坐标；最后根据远心镜头3的成像模型：
[0015][0016]其中，为图像坐标的齐次矩阵，M为远心镜头的有效放大倍率，参数r，t表征坐
标旋转和平移，为物体世界坐标系下的齐次矩阵；通过通用的标定方法求可解出有效放大倍率M；进一步的，通过上一步求解的特征像素坐标距离求解刀具几何量参数的测量结果；
[0017][0018]其中Δx
u
，Δy
u
为图像中识别拟合的特征点的像素横纵坐标之差；
[0019]水平方向的视觉系统获取刀具三维几何参数，首先，由直线电机9驱动水平方向滑台10带动第二工业相机6移动，然后获取对应位置下的序列图图像进行层析扫描，接着基于公式2清晰度评价函数和对应的由光栅传感器11测得的位移参数Δd实现对刀具的三维形貌的测量；具体计算方式为：
[0020][0021]其中，h(x
u
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合式视觉刀具几何参数测量系统，其特征在于，该复合式视觉刀具几何参数测量系统包含两个方向的视觉系统，即垂直方向上的视觉系统和水平方向的视觉系统；垂直方向上的视觉系统主要由第一工业相机(1)、多角度分区环型光源和矩形背光光源构成的第一光源系统(2)、远心镜头(3)以及步进电机(4)驱动的垂直方向滑台(5)组成，第一工业相机(1)与远心镜头(3)通过标准相机镜头接口连接，第一光源系统(2)中的多角度分区环型光源与远心镜头(3)同轴放置，由螺丝定位紧固，矩形背光光源固定于刀具夹具(12)正下方，由螺纹孔定位，螺丝紧固；步进电机(4)通过机械结构与垂直方向上滑台(5)连接，且第一工业相机(1)通过螺丝紧固在垂直方向上滑台(5)上，步进电机(4)的转动使得垂直方向滑台(5)带动第一工业相机(1)及其连接的机构做垂直方向上的直线运动；水平方向的视觉系统主要由第二工业相机(6)、第二光源系统(7)和固定放大倍率的超景深显微镜头(8)以及直线电机(9)驱动的水平方向滑台(10)组成，水平方向固定有光栅传感器(11)；第二工业相机(6)与超景深显微镜头(8)通过标准相机镜头接口连接，第二光源系统(7)与超景深显微镜头(8)同轴放置；直线电机(9)与水平方向滑台(10)通过机械结构连接，且光栅传感器(11)置于水平方向滑台(10)上；直线电机(9)的转动使得水平方向滑台(10)做水平方向上的直线运动，从而带动固定在水平方向滑台(10)上的第二工业相机(6)及其连接的机构做水平方向上的直线运动；刀具由刀具夹具(12)固定在基准位置，两个方向的电机均由电机控制器(13)控制，图像处理系统(14)控制两台工业相机的图像采集及图像处理，光源控制器(15)控制两个方向上的光源系统；控制系统之间的配合和时序的协调以及最终测量结果的显示由软件系统(16)完成；步进电机(4)和直线电机(9)由电机控制器(13)通过标准协议进行通信和控制，同时光栅传感器(11)与电机控制器(13)进行通信，所采集的位移数据用于电机控制器(13)的反馈控制，达到精准定位的目的；第一工业相机(1)和第二工业相机(6)由图像处理系统(14)驱动控制，触发采集成像；第一光源系统(2)和第二光源系统(7)由光源控制器(15)通过模拟电路进行控制；上述所有控制系统由上位机中的软件系统(16)协同处理软件的时序，同时通过软件中的交互实现测量结果的可视化；上述所有装置固定于底座(17)上，能够保障系统平稳运行。2.一种复合式视觉刀具几何参数测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的复合式视觉刀具几何参数测量系统，在垂直方向上的视觉系统对刀具的二维参数进行测量，首先结合刀具的理论模型和刀具的材质，根据基于图像的光照反射模型：I(x
u
,y
u
)＝I
s
·
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R(P(x
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,y
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))
·
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(1)计算出每个测量参数所需要的光照方式和光照角度；其中I(x
u
,y
u
)为图像在(x
u
,y
u
)处的灰度值，I
s
为入射光源强度，θ
s
为入射光源角度，R为反射函数与待测刀具参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，王文琪，张沛东，张洋，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：