郝永鵬，于大國，李少敏，李忠秋

(中北大學(xué) a.機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院；b.山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原　030051)

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基于光視覺技術(shù)的深孔直線度檢測(cè)系統(tǒng)*

郝永鵬a，b，于大國a，b，李少敏a，b，李忠秋a，b

(中北大學(xué) a.機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院；b.山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原030051)

摘要：為了解決深孔直線度的高精度檢測(cè)問題，利用線結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)得到能夠反映深孔截面形廓與位置的一對(duì)橢圓光??；利用光纖傳感技術(shù)將激光傳送至光學(xué)系統(tǒng)并將得到的橢圓光弧圖像傳送給CCD相機(jī)；設(shè)計(jì)了相配套的自定心、自調(diào)節(jié)半徑的自定心進(jìn)給機(jī)構(gòu)；針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中一對(duì)橢圓光弧對(duì)不能嚴(yán)格共面問題，提出了利用坐標(biāo)變換法等知識(shí)實(shí)現(xiàn)光弧橢圓中心定位。實(shí)驗(yàn)證明該檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足檢測(cè)要求,具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：線結(jié)構(gòu)光視覺；自定心；直線度

0引言

深孔加工在機(jī)械行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，如液壓油缸、換油泵管、火炮身管、機(jī)械設(shè)備殼體等。由于受到幾何形狀的限制，深孔測(cè)量工具在其內(nèi)部不能方便地進(jìn)行操作和調(diào)整，如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)深孔直線度是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。

在國外，瑞典Sandvik Coromant公司、德國Guhring公司以及日本機(jī)械技術(shù)研究所等都對(duì)深孔加工直線度等問題進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)。日本的Masuzawa提出了振動(dòng)掃描法，實(shí)現(xiàn)了直徑為0.2mm、深度為0.3mm微孔的測(cè)量，后來日本學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了直徑0.2mm、深度為1.0mm微孔的測(cè)量。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院和天津大學(xué)聯(lián)合提出了光纖微力接觸式測(cè)量方法。美國B.Muralikrishnan提出了光纖傾斜測(cè)孔法[4-5]。

在國內(nèi)，科研人員也對(duì)深孔直線度的研究給予了高度重視，比較有代表性的有成都工具所、北京普銳科創(chuàng)科技有限公司等。北京理工大學(xué)徐永凱等通過對(duì)EST法測(cè)量深孔母線直線度不確定度的分析，導(dǎo)出了直線度評(píng)定誤差的數(shù)學(xué)表達(dá)式。中北大學(xué)沈興全、于大國、龐俊忠等發(fā)明了基于激光制導(dǎo)原理的深孔在線檢測(cè)與糾偏方面發(fā)明專利多項(xiàng)[5]。

總之，在目前深孔類零件直線度測(cè)量中，渦流法、超聲法、杠桿法、活塞法、超聲波法測(cè)量精度較低，無法滿足高精度零件的測(cè)量要求[3]，光學(xué)單點(diǎn)掃描法測(cè)量效率低，而目前比較先進(jìn)的激光與PSD相結(jié)合的測(cè)量方法，不僅價(jià)格昂貴而且檢測(cè)前期的對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)操作存在無法避免的誤差，從而造成測(cè)量結(jié)果不能滿足要求。

本文設(shè)計(jì)了一種基于光視覺技術(shù)的深孔直線度檢測(cè)系統(tǒng)，將線結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)與光纖傳感技術(shù)結(jié)合得到能反映深孔截面的一對(duì)橢圓光弧并將其傳送給CCD相機(jī)，然后進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中一對(duì)橢圓光弧不能嚴(yán)格共面問題，提出利用坐標(biāo)變換等相關(guān)知識(shí)有效解決了橢圓中心擬合問題，得到橢圓中心坐標(biāo)。該檢測(cè)系統(tǒng)能夠提高檢測(cè)的精度和相應(yīng)速度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1測(cè)量系統(tǒng)

本深孔直線度檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了雙椎體同步定心的方法，能夠快速精確復(fù)現(xiàn)被測(cè)軸孔的加工軸線，減小因圓心定位偏差造成的測(cè)量誤差，從而提高測(cè)量精度，提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

深孔直線度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自定心機(jī)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)裝置等3部分組成。

1.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伸縮頂桿和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。伸縮頂桿一端與后定心錐體連接，另一端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，力作用于伸縮頂桿，推著整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在被測(cè)深孔中軸向運(yùn)動(dòng)。

圖1　系統(tǒng)主視圖

1.前定心錐體 2.位移傳感器 3.鋼球 4.微力彈片 5.定心臂桿 6.彈性連接體 7.光學(xué)裝置 8.中心桿 9.后定心錐體 10.臂桿軸套 11.定心滾輪 12.軸套 13.伸縮頂桿 14.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 15.導(dǎo)像束 16.激光器 17.連接器 18.導(dǎo)光束 19.定心軸套

圖2系統(tǒng)側(cè)視圖

1.2自定心機(jī)構(gòu)

自定心機(jī)構(gòu)采用三爪模式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心，如圖1、圖2所示，主要由鋼球、微力彈片、定心臂桿、前定心錐體、彈性連接體、中心桿、后定心錐體、臂桿軸套、定心滾輪、定心軸套等組成。前定心錐體通過彈性連接體與中心桿連接，后定心錐體與彈性連接體固連[2]。定心臂桿位于臂桿軸套內(nèi)并可在軸套內(nèi)伸縮運(yùn)動(dòng)。6個(gè)定心臂桿通過定心滾輪與定心錐體接觸。

自定心原理：當(dāng)伸縮頂桿推動(dòng)后定心錐體在定心軸套中軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈性連接體作用于前定心錐體進(jìn)而使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)在深孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)深孔截面發(fā)生變化時(shí)，前后定心錐形體通過定心滾輪轉(zhuǎn)化成定心臂桿的徑向伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心。由于彈性連接體提供的預(yù)緊力，其中一個(gè)截面的3個(gè)定心臂桿先伸縮進(jìn)行定位，隨后另一個(gè)截面上的3個(gè)定心臂桿同步撐緊定位。因每個(gè)定位截面的3個(gè)定心臂桿同步伸縮，可保證圓心在軸孔的軸線上。由于彈性連接體的調(diào)節(jié)作用，可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)定位面的前后定位，保證本系統(tǒng)測(cè)量軸線與深孔內(nèi)實(shí)際軸線能高精度同軸。定心臂桿利用鋼球與深孔內(nèi)壁點(diǎn)接觸，并且通過研磨的方式作用于微力彈片，可以實(shí)現(xiàn)定心的微調(diào)，進(jìn)一步提高了同軸定位精度。通過調(diào)節(jié)接觸球部分的微力彈片或者更換定心臂桿可適應(yīng)不同深孔的測(cè)量要求。

1.3光學(xué)系統(tǒng)原理

光學(xué)系統(tǒng)主要由帶有擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡的激光器、光纖耦合透鏡、光纖導(dǎo)像束、光纖導(dǎo)光束、CCD相機(jī)、物鏡等組成。光學(xué)裝置共有兩套，對(duì)稱分部在定心軸套兩側(cè)，用于得到某一深孔截面的兩端橢圓光弧。

圖3　線結(jié)構(gòu)光原理圖

線結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量的基本原理如圖3所示，先將激光器發(fā)出的激光束通過柱面鏡展成扇形的激光平面，該激光平面投射至被測(cè)物體，與被測(cè)物體表面截切形成一條變形結(jié)構(gòu)的光條紋，可以反映零件表面的形狀、位置等信息。

2測(cè)量過程

測(cè)量開始后，自定心機(jī)構(gòu)在深孔中軸向運(yùn)動(dòng)，帶有擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡的激光器發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后進(jìn)入光纖耦合透鏡聚焦，聚焦后的激光束由光纖導(dǎo)光束導(dǎo)入光學(xué)裝置，通過位于光學(xué)裝置內(nèi)的柱面鏡后激光束以扇形光平面的形式射出并與深孔內(nèi)表面相截，形成橢圓光弧[7]。由于有兩套光學(xué)裝置對(duì)稱分布于定心軸兩側(cè)，所以對(duì)于同一截面有兩條對(duì)應(yīng)的橢圓光弧。內(nèi)孔表面的橢圓光弧的反射光再由光學(xué)裝置接收，經(jīng)位于光學(xué)裝置內(nèi)的物鏡成像在光纖導(dǎo)像束的光纖端面，再通過光纖導(dǎo)像束傳到出射端，出射端的像再經(jīng)物鏡由CCD相機(jī)捕獲，而后圖像信號(hào)再傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，經(jīng)過圖像定位算法可得到出射光束在CCD上形成的光斑與深孔內(nèi)截面的形位關(guān)系，通過對(duì)各個(gè)截面上一對(duì)橢圓光弧的計(jì)算機(jī)處理就得到深孔內(nèi)截面的形廓和位置等信息[8]。

此外，測(cè)量系統(tǒng)定心軸套上裝有位移傳感器，可對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)在深孔中的位置進(jìn)行定位。伴隨著檢測(cè)系統(tǒng)在深孔內(nèi)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，CCD攝像機(jī)將接收一系列不同位置處孔截面的橢圓光弧圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖像處理求得各橢圓光弧曲線的空間坐標(biāo)值。

該系統(tǒng)每個(gè)截面對(duì)應(yīng)有一對(duì)橢圓光弧，這樣獲得了同一個(gè)橢圓輪廓線的兩段橢圓弧，增加了用于擬合橢圓的數(shù)據(jù)量，可有效提高橢圓中心定位的精度，從而提高了最終測(cè)量精度。

3橢圓光弧中心定位方法

3.1建立孔截面方程

設(shè)測(cè)量坐標(biāo)系為OXYZ，某截面處其中一條橢圓光弧所在平面為S，選取該橢圓光弧上n個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用Ami(xmi,ymi,zmi)(i=1,2,…,n)表示。若平面S方程為z=B1+B2x+B3y，將測(cè)量點(diǎn)Ami坐標(biāo)帶入平面S的方程得超定方程組：

解該方程組可得參數(shù)B1，B2，B3的最小二乘解，從而得到了平面S的方程表達(dá)式。

3.2投影坐標(biāo)計(jì)算

假設(shè)測(cè)量點(diǎn)Ami在平面S上的投影點(diǎn)為Aki(xki,yki,zki)，投影平面S的單位法向量n=(E,F,G)，則

由以上可知，橢圓光弧上測(cè)量點(diǎn)Ami在平面S上的投影點(diǎn)坐標(biāo)Aki(i=1,2,…,n)為

Aki=Ami-n×(n·Ami+H)

3.3坐標(biāo)變換

測(cè)量點(diǎn)Ami和投影點(diǎn)Aki是在測(cè)量坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)值，為了在投影平面上利用投影點(diǎn)進(jìn)行平面橢圓擬合，可將投影點(diǎn)Aki通過坐標(biāo)變換的方法轉(zhuǎn)變?yōu)樵谕队捌矫孀鴺?biāo)系下進(jìn)行平面橢圓擬合。

設(shè)投影坐標(biāo)系為O′X′Y′Z′，該坐標(biāo)系以Ak1為原點(diǎn)，以投影平面S為O′X′Y′平面，可知向量n為Z′軸的單位坐標(biāo)向量。假設(shè)各坐標(biāo)軸相對(duì)原坐標(biāo)系其單位坐標(biāo)矢量分別為：

ex=(ux1,ux2,ux3);ey=(uy1,uy2,uy3);ez=(uz1,uz2,uz3)

可知ez=(uz1,uz2,uz3)=n=(E,F,G)。

令投影點(diǎn)Ak1和Akp(p≤n)兩點(diǎn)構(gòu)成X′軸的方向向量，則

ux1=(xk1-xkp)/W；ux2=(yk1-ykp)/W

ux3=(zk1-zkp)/W

Y′軸按右手法則，可知ey=ex×ez，至此,投影坐標(biāo)系O′X′Y′Z′建立完畢。

將原坐標(biāo)系OXYZ下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成新坐標(biāo)系O′X′Y′Z′下的坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方程為：

3.4橢圓中心定位

設(shè)平面橢圓方程為：

B0x2+C0xy+D0y2+E0x+F0y+1=0

目標(biāo)函數(shù)為：

f(B0,C0,D0,E0,F0)=

通過求上述目標(biāo)函數(shù)的最小值來確定各系數(shù)。再由極值原理，欲使f(B0,C0,D0,E0,F0)值為最小，必有：

3.5直線度算法

式中，j=1,2,…,t

通過上述方法，當(dāng)各截面中心坐標(biāo)在測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)求出后，則可通過直線度評(píng)定準(zhǔn)則，評(píng)定出該深孔的直線度誤差[6,9]。

4實(shí)驗(yàn)

測(cè)量對(duì)象：油缸缸體，孔徑φ80H8，孔深1650mm，表面粗糙度Ra0.4μm，直線度要求為0.1mm，取t=10。經(jīng)CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)采樣后得到橢圓弧數(shù)字圖像，經(jīng)圖像處理后可計(jì)算得到橢圓曲線各點(diǎn)坐標(biāo)，再求得被測(cè)孔截面擬合圓心在測(cè)量坐標(biāo)系OXYZ下的坐標(biāo)值，如表1所示。

表1　孔截面圓擬合圓心坐標(biāo)值(單位：mm)

當(dāng)各截面中心坐標(biāo)值在測(cè)量坐標(biāo)中坐標(biāo)值求出后，則可通過直線度誤差評(píng)定準(zhǔn)則，用MATLAB軟件編程[11]計(jì)算得到該缸體軸孔直線度誤差值為0.085mm，與所要求的直線度誤差數(shù)值相差0.015mm，滿足檢測(cè)要求。

5結(jié)論

(1)基于線結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)得到可以反映深孔截面形狀和位置信息的橢圓光?。?/p>

(2)設(shè)計(jì)了可以在深孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)定心、自動(dòng)適應(yīng)孔截面變化的裝置；

(3)提出了利用同一截面上兩段橢圓光弧擬合橢圓中心，提高了測(cè)量精度；

(4)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中一對(duì)橢圓光弧不能嚴(yán)格共面問題，利用坐標(biāo)變換等相關(guān)知識(shí)有效解決了橢圓中心擬合問題；

(5)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)和所闡述理論具有一定的可行性和探索性

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(編輯趙蓉)

Linearity Detecting System for Deep Holes Based on the Light Vision Technology

HAO Yong-penga，b，YU Da-guoa，b，LI Shao-mina，b，LI Zhong-qiua，b

(a.College of Mechanical Engineering and Automation；b.Engineering Research Center for Deep-hole Drilling of Shanxi Province，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract：In order to solve the problem of high-precision detection for linearity of deep-hole,based on linear structured light vision technology,get the pair of elliptical light arc of deep hole section that can reflect its shape profile and position;Based on the optical fiber sensing technology transfer the light to the optical system and also transfer the elliptical arc light′s image to the CCD camera. Designed a feeding device with function of self-centering and self-adjusting radius feed matching with the detection system.To address the problem of two structured-light stripes are not strictly coplanar, put forward a new method to realize elliptical light arc′s central location by using the method of coordinate transformation.The result indicates that the measurement system can meet the testing requirements.Also it is really significant in theory and is valuable in engineering applications.

Key words：linear structured light vision；self-centering；linearity

中圖分類號(hào)：TH161;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：郝永鵬(1988—)，男，太原人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樯羁准庸ぜ夹g(shù)， (E-mail)291038673@qq.com。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175482/E050901);山西省發(fā)明專利轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(141004);中北大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目(201505);中北大學(xué)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目(201527)

收稿日期：2015-03-13；修回日期：2015-04-19

文章編號(hào)：1001-2265(2016)02-0051-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.015