基于光视觉技术的深孔直线度检测系统*

郝永鹏，于大国，李少敏，李忠秋

(中北大学 a.机械工程与自动化学院；b.山西省深孔加工工程技术研究中心，太原　030051)



基于光视觉技术的深孔直线度检测系统*

郝永鹏a，b，于大国a，b，李少敏a，b，李忠秋a，b

(中北大学 a.机械工程与自动化学院；b.山西省深孔加工工程技术研究中心，太原030051)

摘要：为了解决深孔直线度的高精度检测问题，利用线结构光视觉技术得到能够反映深孔截面形廓与位置的一对椭圆光弧；利用光纤传感技术将激光传送至光学系统并将得到的椭圆光弧图像传送给CCD相机；设计了相配套的自定心、自调节半径的自定心进给机构；针对在实际应用中一对椭圆光弧对不能严格共面问题，提出了利用坐标变换法等知识实现光弧椭圆中心定位。实验证明该检测系统能够满足检测要求,具有一定的理论意义和工程应用价值。

关键词：线结构光视觉；自定心；直线度

0引言

深孔加工在机械行业中有着广泛应用，如液压油缸、换油泵管、火炮身管、机械设备壳体等。由于受到几何形状的限制，深孔测量工具在其内部不能方便地进行操作和调整，如何快速准确地检测深孔直线度是当前的一个研究热点[1]。

在国外，瑞典Sandvik Coromant公司、德国Guhring公司以及日本机械技术研究所等都对深孔加工直线度等问题进行了研究和实验。日本的Masuzawa提出了振动扫描法，实现了直径为0.2mm、深度为0.3mm微孔的测量，后来日本学者在此基础上进行改进，实现了直径0.2mm、深度为1.0mm微孔的测量。德国联邦物理技术研究院和天津大学联合提出了光纤微力接触式测量方法。美国B.Muralikrishnan提出了光纤倾斜测孔法[4-5]。

在国内，科研人员也对深孔直线度的研究给予了高度重视，比较有代表性的有成都工具所、北京普锐科创科技有限公司等。北京理工大学徐永凯等通过对EST法测量深孔母线直线度不确定度的分析，导出了直线度评定误差的数学表达式。中北大学沈兴全、于大国、庞俊忠等发明了基于激光制导原理的深孔在线检测与纠偏方面发明专利多项[5]。

总之，在目前深孔类零件直线度测量中，涡流法、超声法、杠杆法、活塞法、超声波法测量精度较低，无法满足高精度零件的测量要求[3]，光学单点扫描法测量效率低，而目前比较先进的激光与PSD相结合的测量方法，不仅价格昂贵而且检测前期的对准调节操作存在无法避免的误差，从而造成测量结果不能满足要求。

本文设计了一种基于光视觉技术的深孔直线度检测系统，将线结构光视觉技术与光纤传感技术结合得到能反映深孔截面的一对椭圆光弧并将其传送给CCD相机，然后进行计算机处理。针对在实际应用中一对椭圆光弧不能严格共面问题，提出利用坐标变换等相关知识有效解决了椭圆中心拟合问题，得到椭圆中心坐标。该检测系统能够提高检测的精度和相应速度，具有一定的应用价值。

1测量系统

本深孔直线度检测系统，设计了双椎体同步定心的方法，能够快速精确复现被测轴孔的加工轴线，减小因圆心定位偏差造成的测量误差，从而提高测量精度，提高测量准确性。

深孔直线度检测系统结构如图1、图2所示，其主要由驱动机构、自定心机构和光学系统装置等3部分组成。

1.1驱动机构

驱动机构由伸缩顶杆和驱动电机组成。伸缩顶杆一端与后定心锥体连接，另一端与驱动电机相连，当驱动电机工作时，力作用于伸缩顶杆，推着整个测量系统在被测深孔中轴向运动。

图1　系统主视图

1.前定心锥体 2.位移传感器 3.钢球 4.微力弹片 5.定心臂杆 6.弹性连接体 7.光学装置 8.中心杆 9.后定心锥体 10.臂杆轴套 11.定心滚轮 12.轴套 13.伸缩顶杆 14.驱动电机 15.导像束 16.激光器 17.连接器 18.导光束 19.定心轴套

图2系统侧视图

1.2自定心机构

自定心机构采用三爪模式实现自动定心，如图1、图2所示，主要由钢球、微力弹片、定心臂杆、前定心锥体、弹性连接体、中心杆、后定心锥体、臂杆轴套、定心滚轮、定心轴套等组成。前定心锥体通过弹性连接体与中心杆连接，后定心锥体与弹性连接体固连[2]。定心臂杆位于臂杆轴套内并可在轴套内伸缩运动。6个定心臂杆通过定心滚轮与定心锥体接触。

自定心原理：当伸缩顶杆推动后定心锥体在定心轴套中轴向运动时，弹性连接体作用于前定心锥体进而使整个检测系统在深孔内运动。当深孔截面发生变化时，前后定心锥形体通过定心滚轮转化成定心臂杆的径向伸缩运动，实现自动定心。由于弹性连接体提供的预紧力，其中一个截面的3个定心臂杆先伸缩进行定位，随后另一个截面上的3个定心臂杆同步撑紧定位。因每个定位截面的3个定心臂杆同步伸缩，可保证圆心在轴孔的轴线上。由于弹性连接体的调节作用，可以实现2个定位面的前后定位，保证本系统测量轴线与深孔内实际轴线能高精度同轴。定心臂杆利用钢球与深孔内壁点接触，并且通过研磨的方式作用于微力弹片，可以实现定心的微调，进一步提高了同轴定位精度。通过调节接触球部分的微力弹片或者更换定心臂杆可适应不同深孔的测量要求。

1.3光学系统原理

光学系统主要由带有扩束准直镜的激光器、光纤耦合透镜、光纤导像束、光纤导光束、CCD相机、物镜等组成。光学装置共有两套，对称分部在定心轴套两侧，用于得到某一深孔截面的两端椭圆光弧。

图3　线结构光原理图

线结构光视觉测量的基本原理如图3所示，先将激光器发出的激光束通过柱面镜展成扇形的激光平面，该激光平面投射至被测物体，与被测物体表面截切形成一条变形结构的光条纹，可以反映零件表面的形状、位置等信息。

2测量过程

测量开始后，自定心机构在深孔中轴向运动，带有扩束准直镜的激光器发出的光经扩束准直后进入光纤耦合透镜聚焦，聚焦后的激光束由光纤导光束导入光学装置，通过位于光学装置内的柱面镜后激光束以扇形光平面的形式射出并与深孔内表面相截，形成椭圆光弧[7]。由于有两套光学装置对称分布于定心轴两侧，所以对于同一截面有两条对应的椭圆光弧。内孔表面的椭圆光弧的反射光再由光学装置接收，经位于光学装置内的物镜成像在光纤导像束的光纤端面，再通过光纤导像束传到出射端，出射端的像再经物镜由CCD相机捕获，而后图像信号再传送给计算机进行图像处理，经过图像定位算法可得到出射光束在CCD上形成的光斑与深孔内截面的形位关系，通过对各个截面上一对椭圆光弧的计算机处理就得到深孔内截面的形廓和位置等信息[8]。

此外，测量系统定心轴套上装有位移传感器，可对检测系统在深孔中的位置进行定位。伴随着检测系统在深孔内进给运动，CCD摄像机将接收一系列不同位置处孔截面的椭圆光弧图像，经计算机实时图像处理求得各椭圆光弧曲线的空间坐标值。

该系统每个截面对应有一对椭圆光弧，这样获得了同一个椭圆轮廓线的两段椭圆弧，增加了用于拟合椭圆的数据量，可有效提高椭圆中心定位的精度，从而提高了最终测量精度。

3椭圆光弧中心定位方法

3.1建立孔截面方程

设测量坐标系为OXYZ，某截面处其中一条椭圆光弧所在平面为S，选取该椭圆光弧上n个测量点，用Ami(xmi,ymi,zmi)(i=1,2,…,n)表示。若平面S方程为z=B1+B2x+B3y，将测量点Ami坐标带入平面S的方程得超定方程组：

解该方程组可得参数B1，B2，B3的最小二乘解，从而得到了平面S的方程表达式。

3.2投影坐标计算

假设测量点Ami在平面S上的投影点为Aki(xki,yki,zki)，投影平面S的单位法向量n=(E,F,G)，则

由以上可知，椭圆光弧上测量点Ami在平面S上的投影点坐标Aki(i=1,2,…,n)为

Aki=Ami-n×(n·Ami+H)

3.3坐标变换

测量点Ami和投影点Aki是在测量坐标系OXYZ中的坐标值，为了在投影平面上利用投影点进行平面椭圆拟合，可将投影点Aki通过坐标变换的方法转变为在投影平面坐标系下进行平面椭圆拟合。

设投影坐标系为O′X′Y′Z′，该坐标系以Ak1为原点，以投影平面S为O′X′Y′平面，可知向量n为Z′轴的单位坐标向量。假设各坐标轴相对原坐标系其单位坐标矢量分别为：

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

可知ez=(uz1,uz2,uz3)=n=(E,F,G)。

令投影点Ak1和Akp(p≤n)两点构成X′轴的方向向量，则

ux1=(xk1-xkp)/W；ux2=(yk1-ykp)/W

ux3=(zk1-zkp)/W

Y′轴按右手法则，可知ey=ex×ez，至此,投影坐标系O′X′Y′Z′建立完毕。

将原坐标系OXYZ下的坐标转换成新坐标系O′X′Y′Z′下的坐标的转换方程为：

3.4椭圆中心定位

设平面椭圆方程为：

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

目标函数为：

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

通过求上述目标函数的最小值来确定各系数。再由极值原理，欲使f(B0,C0,D0,E0,F0)值为最小，必有：

3.5直线度算法

式中，j=1,2,…,t

通过上述方法，当各截面中心坐标在测量坐标系中的坐标求出后，则可通过直线度评定准则，评定出该深孔的直线度误差[6,9]。

4实验

测量对象：油缸缸体，孔径φ80H8，孔深1650mm，表面粗糙度Ra0.4μm，直线度要求为0.1mm，取t=10。经CCD相机和计算机采样后得到椭圆弧数字图像，经图像处理后可计算得到椭圆曲线各点坐标，再求得被测孔截面拟合圆心在测量坐标系OXYZ下的坐标值，如表1所示。

表1　孔截面圆拟合圆心坐标值(单位：mm)

当各截面中心坐标值在测量坐标中坐标值求出后，则可通过直线度误差评定准则，用MATLAB软件编程[11]计算得到该缸体轴孔直线度误差值为0.085mm，与所要求的直线度误差数值相差0.015mm，满足检测要求。

5结论

(1)基于线结构光视觉技术得到可以反映深孔截面形状和位置信息的椭圆光弧；

(2)设计了可以在深孔内实现自动进给、自动定心、自动适应孔截面变化的装置；

(3)提出了利用同一截面上两段椭圆光弧拟合椭圆中心，提高了测量精度；

(4)针对实际应用中一对椭圆光弧不能严格共面问题，利用坐标变换等相关知识有效解决了椭圆中心拟合问题；

(5)实验证明该系统和所阐述理论具有一定的可行性和探索性

[参考文献]

[1] 王世清．深孔加工技术[M]．西安: 西北工业大学出版社,2003．

[2] 濮良贵,纪名刚．机械设计[M]．西安：高等教育出版社,2006．

[3] 马清艳,王彪,武慧红,等．深孔直线度检测系统[J]．机械设计与研究,2013,29(3):56-58．

[4] 宁延平,刘战锋．国内外高精度直线度测量技术的研究现状[J]．现代制造工程,2005(6):82-84.

[5] 沈兴全,庞俊忠.深孔加工关键技术研究[J].中北大学学报(自然版),2010,52(6):43-46.

[6] 曲东升,伍星,刘彦武,等.基于预加工孔CCD图像的零件视觉定位[J].组合机床与自动化加工技术,2010(9):79-82.

[7] 郑树彬,柴晓冬,韩国阁,等．基于光平面的轨距测量方法[J]．城市轨道交通研究,2010(10):22-25．

[8] 尹中会,李春．CCD技术在煤矿机械中的应用[J]．煤矿机械, 2011,32(6):229-230．

[9] 王晓嘉,高隽,王磊,等．大直径孔同轴度的测量方法与精度分析[J]．煤矿机械, 2013,34(10):134-135．

[10] 于大国,宁磊,孟晓华．基于最小二乘法深孔轴线直线度误差评定[J]．组合机床与自动化加工技术, 2014(1):39-42．

[11] 岳奎．最小二乘圆法评定圆度误差的程序设计[J]．工具技术，2006，40(4)：79-81．

(编辑赵蓉)

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

中图分类号：TH161;TG506

文献标识码：A

作者简介：郝永鹏(1988—)，男，太原人，中北大学硕士研究生，研究方向为深孔加工技术， (E-mail)291038673@qq.com。

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175482/E050901);山西省发明专利转化项目(141004);中北大学科技成果转化资助项目(201505);中北大学自制实验设备项目(201527)

收稿日期：2015-03-13；修回日期：2015-04-19

文章编号：1001-2265(2016)02-0051-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.015