基于機器視覺的高精度工業尺寸測量系統研究?

王妹婷，齊永鋒，蔣 偉，李生權，包加桐，程宏輝，呂學智

（揚州大學 能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

機器視覺一般用于平面尺寸的測量，但工業中有時必須高精度測量三維尺寸［1］才能保證裝配等工藝的質量，而傳統的測量方法及儀器設備無法滿足在機實時檢測工件三維尺寸的要求［2］。針對電子行業待測工件三維微小尺寸測量［3］，傳統的方法是靠非接觸式三坐標測量機配合夾具、棱鏡才能夠完成，該方法費時費力，自動化程度低。因此，本文提出一種基于多工業智能相機［4］的非接觸式高精度三維尺寸測量系統，該系統自動化程度高、成本較低、測量速度快，可部分取代價格昂貴的三坐標測量機在工業高精度尺寸測量中的應用。

1 高精度三維尺寸測量系統研究

如圖1所示為待檢測工件，其具有兩條水平的邊框以及兩個軸線水平的圓孔，根據生產要求，需要測量出這兩個軸線水平的圓孔中心至兩邊框中分線的距離。由于邊框中分面和圓孔不處于同一平面，因此，涉及到三維尺寸的測量。

本文設計的高精度三維尺寸測量系統如圖2所示，該系統包括機架、兩個相機支撐架、位于兩個相機支撐架之間且其上帶有多個標記點的待測工件定位座，以及用于帶動待測工件定位座在機架上平移的氣缸和3個工業智能相機，待測工件定位座上還設有將待測工件上的兩個水平圓孔折射至豎直方向的棱鏡，即從棱鏡上方觀察到的圓孔位于水平面上，從而使相機拍的兩圓孔與待測邊框的圖像處于同一水平面內，便于圖像處理。

圖1 待檢測工件尺寸示意圖

2 三維尺寸檢測過程與數據融合研究

2．1 三維尺寸檢測過程

如圖3所示，待測工件定位座上帶有A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、D1、D2、D3、D4共16個標記點。

將待測工件放置到待測工件定位座上，開啟定位座上的真空吸附機構將待測工件吸附在定位座上。可編程控制器控制3個工業智能相機拍照，其中工業智能相機Ⅰ對兩個圓孔拍照，工業智能相機Ⅱ和工業智能相機Ⅲ分別對其中一條邊框的一段進行拍照，并保存圖像處理后的數據。然后可編程控制器控制氣缸帶動待測工件定位座動作，使兩個邊框的另一段移動到工業智能相機Ⅱ和工業智能相機Ⅲ的視野內，可編程控制器再次控制3個工業智能相機拍照，其中工業智能相機Ⅰ對兩個圓孔拍照，工業智能相機Ⅱ、Ⅲ分別對視野中另一條邊框進行拍照，并保存圖像處理后的數據，然后對前后兩組圖像處理后的數據進行數據融合處理便可得出兩圓孔距離邊框中分線的距離。然后，可編程控制器控制氣缸回到原來位置，并解除待測工件的真空吸附。

圖2 高精度三維尺寸測量系統結構示意圖

2．2 多工業智能相機數據融合算法研究

對單個圖像處理數據后的數據進行融合的步驟如下：

（1）如圖3所示，通過三坐標測量機，以工業智能相機Ⅰ視野中經棱鏡折射后的工件定位座上某個特征點為坐標系原點O，以該坐標系原點為交點的兩條互相垂直的邊線為x軸、y軸。在三坐標測量機中測量4個標記點A1、A2、A3、A4在坐標系Oxy中的物理坐標A1W（x，y）、A2W（x，y）、A3W（x，y）、A4W（x，y）。

（2）通過三坐標測量機，測量A1B1、A1D1之間的距離，測量A2B2、A2D2之間的距離，測量A3B3、A3D3之間的距離，測量A4B4、A4D4之間的距離，測量工業智能相機Ⅰ視野中的兩個圓孔之間的距離。

（3）在工業智能相機Ⅱ和工業智能相機Ⅲ中測量各個視野中x方向兩個標記點（例如A1、B1）的像素距離和y方向兩個標記點（例如A1、D1）的像素距離，工業智能相機Ⅰ視野中的兩個圓孔之間的像素距離，與步驟（2）中測得的世界坐標系中的尺寸配合，校準各工業智能相機視野中像素坐標與物理坐標之間的比例關系，并將每個工業智能相機視野中的像素坐標轉換成物理坐標。

（4）通過測量待測工件定位座上標記點A1、A2在工業智能相機Ⅰ和工業智能相機Ⅱ中的像素坐標，轉換成為物理坐標后得到A1（x，y），A2（x，y），并將Oxy在工業智能相機Ⅰ中的像素坐標也轉換為物理坐標，得到O（x，y），然后來確定各工業智能相機坐標系原點在 坐 標 系 Oxy 中 的 坐 標 為：O1W（－Ox，Oy）；O2W（A2Wx－A2x，A2Wy＋A2y）；O3W（A1Wx－A1x，A1Wy＋A1y）。

（5）工業智能相機Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第一次同時拍照時，工業智能相機Ⅰ抓取兩個圓孔的中心位置，工業智能相機Ⅱ、Ⅲ可以抓取待測工件的兩條邊框一側的兩段線段，進行圖像處理和數據存儲處理；工業智能相機Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第二次同時拍照時，工業智能相機Ⅱ、Ⅲ抓取待測工件兩條邊框另外一側的兩段線段，進行圖像處理和數據存儲；經過步驟（3）的數據處理后，能夠得到兩個邊框上各兩條線段的平均值在統一坐標系Oxy中的物理坐標。

（6）假如其中一條邊框的兩段線段平均值在統一坐標系Oxy中的物理坐標分別為L1（x，y）、L2（x，y），另外一條邊框的兩段線段平均值分別為R1（x，y）、R2（x，y），則由邊框決定的中分線L上兩個點的坐標為Z1（（L1x＋R1x）／2，（L1y＋R1y）／2）、Z2（（L2x＋R2x）／2，（L2y＋R2y）／2）。

（7）在工業智能相機Ⅰ中檢測兩個圓孔中心位置，并轉換到統一坐標系Oxy中的物理坐標中，得到待檢測圓孔中心的物理坐標CL（x，y）和CR（x，y）。

（8）通過點到直線的距離函數，可以得到兩個待檢測圓孔中心CL、CR至中分線L的距離。

圖3 工件定位座及坐標統一轉換示意圖

3 結論

從實用化角度出發提出了基于三個工業智能相機及棱鏡光學作用的三維尺寸檢測新方案，并設計了基于機器視覺的高精度三維尺寸測量系統，通過多工業智能相機的數據融合方法，解決了三維尺寸精密測量的問題，其綜合測量精度在±0．03mm以內。

［1］ 呂廣優．應用假軸巧解含有三維尺寸零件加工難題［J］．有色金屬加工，2012，41（5）：34－35．

［2］ 全燕鳴，黎淑梅，麥青群．基于雙目視覺的工件尺寸在機三維測量［J］．光學精密工程，2013，21（4）：1054－1061．

［3］ 樂靜，李樂，楊宇祥，等．微小零件尺寸的視覺坐標測量方法和評價［J］．光電工程，2013，40（4）：8－13．

［4］ 何博俠，何勇，卜雄洙，等．機器視覺多視場協同測量方法［J］．光學精密工程，2012，20（12）：2821－2829．