到世界坐標(biāo)系 的轉(zhuǎn)換系數(shù)Kxi、Kyi, i = 1、2、3、4、5、6 ;從像素坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換系數(shù)Kxi、Kyi, i = 1、 2、 3、4、5、6,通過(guò)以下3個(gè)計(jì)算公式獲得：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 其中：(x，y，z)為世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)，（x。，^。）為攝像機(jī)坐標(biāo)系中坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)矩 陣為R，平移矩陣為T(mén)，圖像坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為攝像機(jī)焦距為d，（u，v)為圖像 坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的行列坐標(biāo)值，（Uc^Vtl)為像素坐標(biāo)系中圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)。nxi，n yi為圖 像坐標(biāo)系中水平和垂直方向單位距離內(nèi)的像素?cái)?shù)，即：nxi= Nxi/10, nyi= Nyi/10, i = 1、2、 3、 4、5、6。旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T具體表示形式為：
[0046]
[0047] 因此，從世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式，即式（1)可具體表示為：
[0048]
[0049] (2)將激光發(fā)射器5發(fā)出的線性條紋投射到待測(cè)零部件表面，如圖2所示；
[0050] (3)通過(guò)控制移動(dòng)平臺(tái)2勻速移動(dòng)，使得激光發(fā)生器5發(fā)出的線性條紋對(duì)移動(dòng)平臺(tái) 2上待測(cè)零部件表面進(jìn)行線性掃描；
[0051] (4)利用CCD相機(jī)采集待測(cè)零部件表面的圖像信息，得到經(jīng)表面調(diào)制后的條紋 U~L 6，如圖3所示。將CXD相機(jī)采集的圖像信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析。
[0052] (5)根據(jù)三角測(cè)量原理從采集的圖像信息中獲得待測(cè)零部件高度值。再結(jié)合系統(tǒng) 標(biāo)定參數(shù)獲取圖片上像素坐標(biāo)與待測(cè)零部件世界坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)激光發(fā)射器5發(fā)出的 光投射到參考平面時(shí)，會(huì)有部分光發(fā)生反射，反射的光通過(guò)透鏡在光敏面上成像顯示。當(dāng)被 測(cè)零部件置于參考平面上時(shí)，顯示的像素點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生變化，這一變化量反映了零部件高 度變化。如圖4所示，被測(cè)零部件的高度值h，即，被測(cè)零部件在世界坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)的計(jì) 算公式為：
[0053]
(6)
[0054] 其中
[0055] 透鏡成像計(jì)算公式為：
[0056]
(7)
[0057] 其中，物距為u，像距為V，焦距為f。當(dāng)入射光點(diǎn)在待測(cè)零部件上時(shí)，u = I1, V = 12，
因此，被測(cè)零部件高度h的計(jì)算公式為：
[0058]
[0059] 其中，在光路確定之后參數(shù)I1, 12, α，β，Θ，f都是已知的，知道光敏單元上的位 移X，就可以確定待測(cè)零部件的高度h。實(shí)際平面在參考平面下時(shí)取在參考平面上時(shí)取
[0060] (6)將獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行飛點(diǎn)剔除、點(diǎn)云拼接以及融合處理，獲得待測(cè)零部 件完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)距離偏差E(Pi)與給定閾值E的比較進(jìn)行飛點(diǎn)剔除，其算法 公式為：
[0061]
[0062] 其中，Pi是點(diǎn)云數(shù)據(jù)中任意一點(diǎn)，k是臨近點(diǎn)個(gè)數(shù)，c」是pk鄰域內(nèi)一點(diǎn)（j = 1，...，k)，若點(diǎn)Pi的距離偏差E (p D大于給定閾值E，則將該點(diǎn)視為飛點(diǎn)，并將其剔除，否則 將其保留。
[0063] 利用移動(dòng)最小二乘曲面對(duì)需要拼接的點(diǎn)云P和Q重疊區(qū)域進(jìn)行擬合得到的2片曲 面P (u，V)和Q (u，V)，并確定初始對(duì)應(yīng)點(diǎn)集，然后根據(jù)曲率約束去除錯(cuò)誤對(duì)應(yīng)點(diǎn)集，確定最 終對(duì)應(yīng)點(diǎn)集。計(jì)算獲得點(diǎn)云P中的點(diǎn)Pi的法向量N pi，其在法向量方向與點(diǎn)云Q交于qi點(diǎn)， 然后對(duì)重疊點(diǎn)Pi點(diǎn)和q 做平均得新點(diǎn)云d i，最終拼接融合為完整的一個(gè)模型。
[0064] (7)在計(jì)算機(jī)中利用非均勻有理B樣條（NURBS)將所測(cè)得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理構(gòu) 造出光滑的曲面。由三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造光滑曲面的公式為：
[0065]
[0066] 其中：Pi，j(i = 0, 1，· · ·，m ;j = 0, 1，· · ·，n)是控制頂點(diǎn)，它呈拓?fù)渚仃囆问?，形?一個(gè)控制網(wǎng)格;Wu為與頂點(diǎn)Pu對(duì)應(yīng)的權(quán)值；Ni;p(x)和Nlp(y)分別為參數(shù)X向p次和參數(shù) y向q次的規(guī)范B樣條基函數(shù)，它們是由X向和y向的節(jié)點(diǎn)矢量U = (Xci, X1, . . .，xm_p+1)與V =(y。，yi，· · ·，yn-q+i)按 deBoor-Cox 遞推公式?jīng)Q定。
[0067] Ni,p (X)的遞推公式為：
[0068]
[0069] 其中，規(guī)定0/0 = 0。Nj，p(y)的遞推公式與上式類似。
[0070] (8)將測(cè)量獲得的待測(cè)零部件三維模型與初始設(shè)計(jì)的三維模型在同一坐標(biāo)系下進(jìn) 行對(duì)比分析，獲取最大誤差Emax，其計(jì)算公式為：
[0071] Emax= IM2-M1I (12)
[0072] 其中，M1S設(shè)計(jì)值，M2為測(cè)量值。
[0073] (9)根據(jù)各點(diǎn)最大誤差在計(jì)算機(jī)中顯示待測(cè)零部件各處誤差云圖，判斷最大誤差 是否在最大允許誤差范圍內(nèi)，若在其設(shè)置的允許范圍內(nèi)，則通過(guò)篩選機(jī)構(gòu)將合格的零部件 篩選出來(lái)，若誤差過(guò)大，則在不合格零件上標(biāo)記最大誤差所在位置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢驗(yàn)裝置，其特征在于：包括安裝在導(dǎo)軌 (1)上能夠沿導(dǎo)軌（1)勻速滑動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)（2)，移動(dòng)平臺(tái)（2)上固定待測(cè)零部件，所述的 導(dǎo)軌（1)上方通過(guò)支架（3)安裝有攝像機(jī)（4)以及若干個(gè)用于向待測(cè)零部件投射等間距線 性條紋的激光發(fā)射器（5);攝像機(jī)（4)與激光發(fā)射器（5)的光心連線與未放置待測(cè)零部件的 移動(dòng)平臺(tái)（2)上表面平行，通過(guò)置于移動(dòng)平臺(tái)（2)中央的標(biāo)定板（6)調(diào)節(jié)激光發(fā)射器（5)和 攝像機(jī)（4)，使光線完整投射到標(biāo)定板（6)并確保攝像機(jī)能拍攝到完整光線；所述的攝像機(jī) (4)采集激光發(fā)射器投影到待測(cè)零部件表面并經(jīng)表面調(diào)制后變形的圖像，攝像機(jī)（4)將采集 到的圖像數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢驗(yàn)裝置，其特征在于： 所述的激光發(fā)射器（5)采用六個(gè)沿直線等間距布置的激光發(fā)射器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢驗(yàn)裝置，其特征在于： 所述的標(biāo)定板（6)采用500mmX500mm的黑白格子板，每個(gè)黑白格子的尺寸為IOmmX10mm， 黑白格子板的一個(gè)頂角上設(shè)有用于標(biāo)定的原點(diǎn)作為方位點(diǎn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢驗(yàn)裝置，其特征在于： 所述的攝像機(jī)（4)為CXD相機(jī)。5. -種基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、將攝像機(jī)（4)以及若干個(gè)激光發(fā)射器（5)通過(guò)支架（3)安裝在導(dǎo)軌（1)的上方， 攝像機(jī)（4)與激光發(fā)射器（5)的光心連線與未放置待測(cè)零部件的移動(dòng)平臺(tái)（2)上表面平行， 通過(guò)置于移動(dòng)平臺(tái)（2)中央的標(biāo)定板（6)調(diào)節(jié)激光發(fā)射器（5)和攝像機(jī)（4)，使光線完整投 射到標(biāo)定板（6)并確保攝像機(jī)能拍攝到完整光線； 步驟二、將待測(cè)零部件固定于移動(dòng)平臺(tái)（2)上，通過(guò)激光發(fā)射器（5)發(fā)出等間距線性條 紋投射到待測(cè)零部件表面； 步驟三、控制移動(dòng)平臺(tái)（2)勻速移動(dòng)，使得激光發(fā)生器（5)發(fā)出的線性條紋對(duì)移動(dòng)平臺(tái) 上待測(cè)零部件表面進(jìn)行線性掃描； 步驟四、通過(guò)攝像機(jī)（4)連續(xù)采集待測(cè)零部件上的圖像信息，并將圖像數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算 機(jī)中進(jìn)行分析處理； 步驟五、根據(jù)三角測(cè)量原理及攝像機(jī)（4)拍攝圖片的像素坐標(biāo)與待測(cè)零部件空間中世 界坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算獲得世界坐標(biāo)系下待測(cè)零部件的三維坐標(biāo)； 步驟六、對(duì)世界坐標(biāo)系下待測(cè)零部件的三維坐標(biāo)進(jìn)行飛點(diǎn)剔除、點(diǎn)云拼接以及融合處 理，獲得待測(cè)零部件完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟七、將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)非均勻有理B樣條構(gòu)造出光滑的曲面，得到 測(cè)量獲得的待測(cè)零部件三維模型； 步驟八、在計(jì)算機(jī)中將測(cè)量獲得的待測(cè)零部件三維模型與初始設(shè)計(jì)的三維模型在同一 坐標(biāo)系下進(jìn)行對(duì)比分析，顯示待測(cè)零部件各處誤差云圖； 步驟九、通過(guò)誤差云圖判斷最大誤差是否在最大允許誤差范圍內(nèi)，若在其設(shè)置的允許 范圍內(nèi)，則通過(guò)篩選機(jī)構(gòu)將合格的零部件篩選出來(lái)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢測(cè)方法，其特征在于： 所述的步驟五中攝像機(jī)（4)拍攝圖片的像素坐標(biāo)與待測(cè)零部件空間中世界坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 是指通過(guò)旋轉(zhuǎn)陣和平移陣的坐標(biāo)變換，結(jié)合使用標(biāo)定板（6)獲取的標(biāo)定數(shù)據(jù)，確定攝像機(jī) (4 )拍攝圖片的像素坐標(biāo)與空間中世界坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢測(cè)方法，其特征在于： 所述的步驟六中飛點(diǎn)剔除通過(guò)比較距離偏差E(pi)與給定閾值E的大小進(jìn)行飛點(diǎn)剔除。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢測(cè)方法，其特征在于： 所述的步驟六中點(diǎn)云拼接是利用移動(dòng)最小二乘曲面對(duì)要拼接的兩片點(diǎn)云進(jìn)行擬合，確定對(duì) 應(yīng)點(diǎn)集進(jìn)行拼接；所述的融合處理是指根據(jù)點(diǎn)云中一點(diǎn)的法向量方向確定兩片點(diǎn)云的重疊 點(diǎn)，并取均值進(jìn)行融合處理。
【專利摘要】一種基于線激光三維測(cè)量的零部件質(zhì)量檢驗(yàn)裝置及其檢測(cè)方法，質(zhì)量檢驗(yàn)裝置包括安裝在導(dǎo)軌上能夠沿導(dǎo)軌勻速滑動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)上固定待測(cè)零部件，導(dǎo)軌上方通過(guò)支架安裝有攝像機(jī)以及若干個(gè)激光發(fā)射器；攝像機(jī)采集激光發(fā)射器投影到待測(cè)零部件表面并經(jīng)表面調(diào)制后變形的圖像，攝像機(jī)將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。檢測(cè)方法通過(guò)將激光發(fā)射器發(fā)出的線性條紋投射到待測(cè)零部件表面進(jìn)行線性掃描，利用攝像機(jī)連續(xù)采集待測(cè)零部件上的圖像信息，使所測(cè)得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與初始設(shè)計(jì)的三維圖形在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行對(duì)比分析，判斷最大誤差是否在最大允許誤差范圍內(nèi)，將合格的零部件篩選出來(lái)。本發(fā)明的檢測(cè)精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、流水線生產(chǎn)。
【IPC分類】G01B11/25
【公開(kāi)號(hào)】CN104913737
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510375337
【發(fā)明人】劉晶郁, 楊涎林, 姚樹(shù)森, 張可可, 焦彬, 蒙紹夫
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)安大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日