基于结构光视觉技术的圆筒类零件内壁圆柱度检测系统

发布时间：2020-04-18

　　摘要：为了实现对圆筒类零件内壁圆柱度的自动化非接触检测，设计并实现了一种圆筒类零件内壁圆柱度检测系统。该设计基于结构光的视觉测量系统，以激光为光源照射待测物体，融合了激光检测技术与视觉检测技术。总体过程采用两次光路变向的激光三角检测法，实现了薄壁圆筒类零件圆柱度综合误差的评定。

　　关键词：圆筒检测;圆柱度;机器视觉;非接触测量

　　1 研究背景

　　圆筒类零件是机械工业中常见的零件类型，其形状误差精度不仅直接决定着零部件的使用精度、旋转精度、相互配合的精度，此外，也对产品质量的优劣及使用寿命的长短有最终影响。圆柱度公差是零件精密加工中需要进行检测和控制的主要几何形状误差，但由于圆筒类零件其自身的封闭性，内壁的检测和三维测量比较困难。目前在机械加工车间测量零件圆柱度误差普遍使用圆柱度测量仪。圆柱度测量仪是一种利用回转轴法测量工件圆度误差的测量仪器。圆柱度测量仪测量过程中，长度传感器的测头即可沿精密直线导轨移动，测量出被测圆筒的若干横截面，也可沿着被测圆筒的柱面作螺旋运动完成取样，测得的半径差数据由计算机处理得到圆柱度误差。但是圆柱度测量仪在生产中适用范围受限，给圆柱度检测带来困难及不便。

　　目前，对于圆柱度误差检测技术的理论与应用研究不断多元化。Hodgsonli Thom J 提出了一种以组合数学方法为依据，降低圆柱度误差的测评方案，该方法具有较高精度以及自包容性并[1]。Lai HsinYi 等人设立了圆柱度误差的基因算法模型，利用此种算法使测评效率与测评精度问题得到较大改善[2]，此外，还有很多学者也相继展开了此类研究，均获得良好效果并逐步应用于工程实践[3-4]。日本的 TOKUJI OKADA 等人运用承载有闭路电视的管道机器人进行管道检测，测试显示此方案的分析图像分析更加详尽，判断灵活便捷，但存在难以实现自动化的管道检测，且检测误差值高。

　　国内方面，熊有伦提出了利用极差极小化方法，建立了基于“小误差假设”与“小偏差假设”理论的数学模型，应用于评价圆柱度误差的统一判别准则[5]。刘中伟针对圆度、圆柱度误差值计算也提出了利用逐次逼近法求解，指出相对位置不同的轴线其最大最半径与最小半径差值分布的单调性规律，以及在直角坐标系下圆柱度误差值具备唯一性[6]。本文提出了一种基于结构光视觉技术的圆柱度检测系统，实现了对薄壁圆筒类零件圆柱度非接触测量，具有操作便捷、精度高、稳定性好的优点。

　　2 系统构成及工作原理

　　由于薄壁圆筒类零件外形、材料及温度等因素的限制，其内壁的圆柱度检测较为复杂。被测圆筒类零件内壁体现为略有不规则变化的圆柱面，整体轮廓呈圆柱形。其水平横切面呈圆形，为方便测量圆形切面，并对多个水平位置上的圆拟合出圆柱面，需要在半径方向上对圆周点位置进行采样。故可以利用对内壁上点的位置检测来表达其内壁圆柱面的检测。其中对内壁点位置的检测有诸多方案，包括红外线测量、探头式接触测量、超声波测量、视觉测量和激光测量。

　　本文采用基于结构光的视觉测量系统，以激光为光源照射待测物体，将激光检测与视觉检测相结合，通过数据采集卡集结图样，并根据待测目标的特殊性将离散数据图样进行统计，总体过程采用两次光路变向的激光三角检测法来进行设计。系统由可升降工作台、自动分度系统、衍射条纹采集、测量光路及数据处理部分组成。计算机作为控制系统，以单片机为桥梁，将脉冲信号传递给步进电机驱动器，从而控制步进电机的方向和步数。线阵(CCD)用于采集衍射条纹，同时可以作为传感器，完成衍射条纹的采集，采集卡是基于计算机 PIC 总线的，最终由计算机完成数据处理数据。步进电机通过分度装置带动回转体工件转动，并由纵向导轨沿工件轴线方向移动。采用反射镜反射激光，改变光路，三棱镜作为观察装置，可以在圆筒件外较远处放置视觉图像采集系统，采集三棱镜所成图像，并以此观察漫射斑的位移情况。

　　通过激光衍射测量方法，主要运用被测工件与棱缘所形成的狭缝，以单缝衍射原理为理论依据，将接收到的衍射条纹的光强信号以离散数据图像的形式，并通过转换器及数据采集卡存入计算机中，最终实现对回转体形位误差的非接触精密测量。采用两分法及最小二乘法拟合搜索找暗条纹峰值点坐标，信号经滤波、搜索条纹初步确定暗条纹中心位置，依据衍射条纹的平均间距，计算出不同采样点的缝宽，即半径的变化范围，推算形位误差值，从而实现圆筒类零件的圆柱度检测。

　　3 圆柱度误差的解析

　　实际测量过程中，圆柱度的精确测量与主轴的偏移密切相关，如何控制主轴偏移量是一项极其重要的任务。主轴位置随零件转动而改变，导致理想半径的测量工作无法完成。然而圆柱度误差是各项形状误差的综合结果，该误差结合了被测圆筒类零件的轴截面内和横截面的形状误差，通过圆度误差可以用来表示横截面，二平行度误差和直线度误差可以用来表示轴截面。视觉检测方法主轴位置变化不会改变直线度和平行度，而且对直线的检测也非常方便。因此本文选择将圆柱度分解的测量方式。

　　第一种情况，圆筒类零件圆柱面各截面内的实际被测直线度误差和平行度误差均为 0，圆度误差值相等，并且各截面的轮廓形状也相等，则此时在各截面内测得的圆柱度误差与圆度误差数值相等。

　　第二种情况，经测量圆筒类零件圆柱面各横向截面内圆度误差为 0，则圆柱度误差值等于被测轴向截面内的直线度误差值。

　　第三种情况，若各轴向截面内平行度最大误差值的一半，与实际被测圆筒类零件圆柱面各截面圆度误差的最大值，或等于最大直线度误差值，即在特殊状态下，圆柱度误差与第二种情况，中体现的误差值可能相等。

　　4 结语

　　本文研究了基于结构光视觉技术的薄壁圆筒类零件圆柱度的非接触检测方法，通过对将激光衍射测量技术、伺服控制技术的综合设计运用优化现有同类检测手段中光路设计环节，使整体结构更加简捷，缩小了系统整体分空间尺寸，综合测量出了薄壁圆筒类零件圆柱度数据，在工程应用中具有一定的优势。该方法测量效果准确，成本较低，是一种较为理想的薄壁圆筒类零件圆柱度综合测量方法。

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