本發(fā)明涉及機器視覺測量，特別是一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在鋼鐵金屬加工與檢測領(lǐng)域，圓柱類零件的直徑尺寸是影響其質(zhì)量和性能的關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)的檢測方法通常采用接觸式測量，如卡尺和千分尺等工具，或利用激光測徑儀、三坐標測量儀等設(shè)備。然而，這些方法存在一定的局限性，接觸式測量可能導(dǎo)致被測表面受損，并且難以實現(xiàn)在線測量；而非接觸式的激光測量設(shè)備雖然精度較高，但成本較高，難以廣泛應(yīng)用于流水線生產(chǎn)環(huán)境。

2、近年來，隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，基于條紋投影的視覺測量方法逐漸應(yīng)用于工業(yè)檢測中。條紋投影技術(shù)通過將結(jié)構(gòu)光圖案投射到物體表面，根據(jù)投影條紋的變形特征來計算物體的幾何信息。該方法具有非接觸、高精度、可實時測量的優(yōu)點，適合于在生產(chǎn)線上對圓柱類零件的直徑進行自動化檢測。然而，目前尚缺乏一種專門用于圓柱類零件幾何特性檢測的低成本、高效率的條紋投影系統(tǒng)，能夠滿足生產(chǎn)線快速檢測的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置及方法，有效降低了硬件成本，提升了測量數(shù)據(jù)的處理效率，達到了對圓柱類零件幾何特性高效率、高精度的檢測。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，包括投影燈、50/50分光鏡、二維相機和圖像處理單元，所述二維相機連接所述圖像處理單元；所述投影燈將條紋投影至被測結(jié)構(gòu)的表面，用以測量被測零件的直徑信息；所述二維相機對被測零件表面的投影條紋圖像進行采集，并將采集到的條紋信號序列傳輸至圖像處理單元；所述圖像處理單元實時分析條紋信號序列，以獲得被測零件的直徑尺寸。

3、在一較佳的實施例中，所述投影燈包括led光源和正弦條紋薄片，所述led光源照射在正弦條紋薄片上投影出周期固定的正弦條紋至被測結(jié)構(gòu)表面。

4、在一較佳的實施例中，所述50/50分光鏡放置在投影燈和二維相機的前面，所述50/50分光鏡與投影燈和二維相機的光軸傾斜45°，50/50分光鏡用于將投影燈的光束均勻折射至被測結(jié)構(gòu)的表面，同時二維相機通過50/50分光鏡采集從被測結(jié)構(gòu)表面反射的投影條紋圖像。

5、在一較佳的實施例中，所述二維相機包括面陣傳感器、集成電路板、設(shè)備接口和電源。

6、在一較佳的實施例中，所述投影燈設(shè)置于被測結(jié)構(gòu)所在軸的左前方，使投影燈的投影軸平行于被測結(jié)構(gòu)所在軸，投影軸與50/50分光鏡的布置角度為45°，使投影燈的光束經(jīng)過50/50分光鏡后折射至被測被測結(jié)構(gòu)的表面，條紋圖案均勻覆蓋被測結(jié)構(gòu)的被測區(qū)域。

7、本發(fā)明還提供了一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量方法，采用所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，包括以下步驟：

8、步驟s1：利用條紋投影燈將設(shè)計好的正弦條紋圖案投射至被測結(jié)構(gòu)的測量區(qū)域，并通過50/50分光鏡折射條紋光束，使其均勻覆蓋被測區(qū)域；設(shè)置二維相機的采集參數(shù)，調(diào)整相機的位置與角度，使相機能夠通過分光鏡對被測結(jié)構(gòu)表面的投影條紋進行成像采集，并確保投影條紋圖案清晰成像于二維相機的中心位置；固定相機，以保證成像穩(wěn)定性；

9、步驟s2：通過二維相機對被測結(jié)構(gòu)表面的條紋圖像進行連續(xù)采集；

10、步驟s3：將二維相機采集的條紋圖像信號序列通過數(shù)據(jù)線傳輸至圖像處理單元，由圖像處理模塊對條紋信號序列進行分析，通過對條紋的密度變化和圖像變形的處理，提取出被測結(jié)構(gòu)的直徑信息。

11、在一較佳的實施例中，所述步驟s3具體為：

12、步驟s31：通過對條紋圖像中測量區(qū)域采集到的每行條紋圖像進行灰度處理，提取每行條紋的強度信號；

13、步驟s32：通過對每行條紋的強度進行傅里葉變換，以獲得頻域信息，提取條紋頻譜中的主要成分，計算出每行條紋的頻率密度分布；

14、步驟s33：采用頻譜校正技術(shù)求得每行條紋精確的密度信息即可求被測零件表面條紋的密度變化曲線，生成條紋密度分布圖；

15、步驟s34：利用條紋密度與實際尺寸之間的映射關(guān)系，將條紋密度變化曲線映射為被測結(jié)構(gòu)測量區(qū)域的表面輪廓曲線。

16、在一較佳的實施例中，所述步驟s34具體為：

17、步驟s341：將采集到的各行條紋密度轉(zhuǎn)換為實際高度h(x)，其計算公式為：

18、

19、其中：do為相機物距，ρ0為參考行條紋密度，ρ(x)為各行條紋密度，x＝1，2，...，n，n為像素點行數(shù)；

20、步驟s342：將各行條紋密度所在像素點大小轉(zhuǎn)換為實際寬度w(x)，其計算公式為：

21、

22、其中：do為相機物距，h(x)為各行條紋密度的實際高度，α為相機視野角度，p為成像寬度尺寸中對應(yīng)的像素點數(shù)量；

23、步驟s343：將各行條紋所在像素點的實際寬度w(x)與實際高度h(x)進行一一映射，得到點集(xi，yi)，擬合點集使其滿足圓曲線的標準形式：

24、(xi-xc)2+(yi-yc)2＝r2

25、其中：(xc，yc)為擬合圓的圓心坐標，r為擬合圓的半徑；

26、步驟s344：采用最小二乘法將點集(xi，yi)進行擬合，計算擬合結(jié)果的測量誤差，對測量直徑dm和標準值ds進行比較，計算測量誤差：

27、er＝|dm-ds|

28、其中所述最小二乘法擬合原理為：通過最小化點集到圓的幾何誤差找到最佳擬合參數(shù)(xc，yc，r)；誤差計算公式為：

29、

30、總誤差為所有點的誤差平方和：

31、

32、將圓形方程重新表達為線性形式：

33、x2+y2+ax+by+c＝0

34、其中：a＝-2xc，b＝-2yc，

35、根據(jù)點集(xi,yi)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建矩陣形式求解：

36、

37、解得a，b，c后，通過最小化誤差函數(shù)e，計算圓心和半徑：

38、

39、根據(jù)擬合結(jié)果，圓的直徑計算公式為：

40、d＝2r

41、其中r為擬合得到的圓的半徑。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明實現(xiàn)了對圓柱類零件直徑的非接觸式高精度測量，有效降低了硬件成本，提升了測量數(shù)據(jù)的處理效率，達到了對圓柱類零件幾何特性高效率、高精度的檢測。

技術(shù)特征：

1.一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，其特征在于，包括投影燈、50/50分光鏡、二維相機和圖像處理單元，所述二維相機連接所述圖像處理單元；所述投影燈將條紋投影至被測結(jié)構(gòu)的表面，用以測量被測零件的直徑信息；所述二維相機對被測零件表面的投影條紋圖像進行采集，并將采集到的條紋信號序列傳輸至圖像處理單元；所述圖像處理單元實時分析條紋信號序列，以獲得被測零件的直徑尺寸。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，其特征在于，所述投影燈包括led光源和正弦條紋薄片，所述led光源照射在正弦條紋薄片上投影出周期固定的正弦條紋至被測結(jié)構(gòu)表面。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，其特征在于，所述50/50分光鏡放置在投影燈和二維相機的前面，所述50/50分光鏡與投影燈和二維相機的光軸傾斜45°，50/50分光鏡用于將投影燈的光束均勻折射至被測結(jié)構(gòu)的表面，同時二維相機通過50/50分光鏡采集從被測結(jié)構(gòu)表面反射的投影條紋圖像。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，其特征在于，所述二維相機包括面陣傳感器、集成電路板、設(shè)備接口和電源。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，其特征在于，所述投影燈設(shè)置于被測結(jié)構(gòu)所在軸的左前方，使投影燈的投影軸平行于被測結(jié)構(gòu)所在軸，投影軸與50/50分光鏡的布置角度為45°，使投影燈的光束經(jīng)過50/50分光鏡后折射至被測被測結(jié)構(gòu)的表面，條紋圖案均勻覆蓋被測結(jié)構(gòu)的被測區(qū)域。

6.一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量方法，其特征在于采用權(quán)利要求1-5中任一所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置，包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量方法，其特征在于，所述步驟s3具體為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量方法，其特征在于，所述步驟s34具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于條紋投影的圓柱類零件直徑測量裝置及方法，包括投影燈，50/50分光鏡，二維相機和圖像處理單元；所述投影燈將條紋投影至被測結(jié)構(gòu)表面，用以測量被測零件截面的直徑信息；所述二維相機對被測零件表面的投影條紋圖像進行采集，并將采集到的條紋信號序列由數(shù)據(jù)線傳輸至圖像處理單元；所述圖像處理單元實時分析條紋信號序列，以獲得被測零件的直徑尺寸。本發(fā)明實現(xiàn)了對圓柱類零件直徑高精度測量，有效降低了硬件成本，提升了測量數(shù)據(jù)的處理效率，達到了對圓柱類零件幾何特性高效率、高精度的檢測。

技術(shù)研發(fā)人員：鐘劍鋒,丘志鋒,鐘舜聰,黃云華,葉愛麗,伍玉根
受保護的技術(shù)使用者：福州大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8