CNC零件尺寸快速检测系统研究

李海欧 区海琪 成玲

摘要：本文针对CNC零件尺寸的检测问题，研究了一种基于2D和3D联合测量的方法，首先通过圆盘机构快速上下物料，物料快速通过相机和线激光，精确的模板匹配，软件快速计算。从而实现长、宽和厚度等尺寸的一次性快速测量。

关键词：CCD;线激光;圆盘上下料机构;快速检测

三维激光扫描测量系统属于一种非接触测量，它基于激光三角法测量原理，是一种线测量方法。本文針对CNC 零件的检测问题，研究了一种基于2D 和3D 联合测量的方法，即相机+激光检测系统，增加线激光同时扫描工件的上下面来实现工件厚度的测量，也可采用相机+线激光测量系统实现工件二维的长、宽和三维平面度、厚度等参数的一次性快速测量，大大提高CNC 加工零件的检测速度和精度，以满足生产需要。

1 测量系统的设计与标定

1.1 测量系统的组成

本系统主要由玻璃圆盘旋转平台及其运动控制卡、激光轮廓测量头、线激光控制器、工业相机和远心镜头等几部分组成。下面介绍对硬件部分各模块的选型。

1.1.1 转台选择

本系统采用的玻璃圆盘旋转平台是由圆盘玻璃、DD 马达和伺服电机组成，被测物件排列到玻璃圆盘上，随着圆盘一起转动，经过相机和激光，然后软件对图片进行处理。该转台具有速率平稳、定位精度高等优点。

1.1.2 相机和镜头的选择

选用的是高分辨率工业相机，具有外形小、重量轻、优秀的功能性和出色的稳定性;知名相机公司提供了大视野低畸变远心镜头，具有大光圈、高远心度、超低畸变，超大景深等特点，而且可以通过计算机编程控制曝光时间、亮度、增益等参数。

1.1.3 激光轮廓测量头的选择

选用了激光轮廓测量头，具有测量精度高、检测速度快、应用方便灵活等特点;采用上下两激光同时扫描的形式，大大缩短扫描时间，提高测量速度。

1.2 测量系统的工作原理

在测量工程中，首先要对二维和三维测量系统进行系统的标定，系统标定主要包括对相机的标定和线激光的标定。其中，对相机的标定主要是指计算相机的内、外参数以及畸变参数;对线激光的标定是指对线激光发射出的激光平面进行图像处理以及对激光参数进行补偿。对激光条纹进行图像处理，包括二值化、去噪、图像的坐标转化。图像坐标转换后，最终得出来的图像才是想要的图像。

2 图像处理

2.1 相机图像标定

2.1.1 准备对称圆形标定板

其为高精度铝制标定板，精度为±0.01mm，是200*200mm 的标准标定板，圆的直径为12.5mm，圆心距为25mm。

2.1.2 放圆盘上拍摄图片

标定畸变系数，相机内参和相机外参，图片包含上述要求，同时标定程序生成结果中每张照片会计算一个相机外参数因此根据实际需求。2.1.3 相机的参考坐标系

2.1.3.1 图像坐标系

图像坐标系包括图像像素坐标系和图像物理坐标系;图像像素坐标系（u、v）是一个以像素为单位的坐标系，它的原点在图片左上方，每个像素点的位置是以像素为单位来表示的， u 和v 分别表示像素在数字图像中的列数和行数，但是并没有用物理单位表示像素的位置，因此还需建立以物理单位表示的图像坐标系，叫图像物理坐标系（x、y）， 物理坐标系OXY 则是以长度单位比如毫米等所表示的图像坐标系。在物理坐标系中，原点O 通常位于图像的中心。两个坐标轴分别与图像像素坐标系平行。

2.1.3.2 相机坐标系

以相机的光心为原点Oc，Zc 轴与光轴重合，与成像平面垂直，Xc 和Yc 轴与图像坐标系的两个坐标轴平行。OOc 为摄像机的焦距，即相机坐标系的原点与图像物理坐标系原点之间的距离。

2.1.3.3 世界坐标系

在整体环境中，相机的摆放位置是自由的，为了解决相机位置的不确定性问题，需要在整体环境中构建一个坐标系作为基准坐标系，这样就能够将相机位置或者其他任意物体位置标注出来，这就是世界坐标系。坐标轴WX ， WY ，WZ 是世界坐标系的三个坐标轴。

2.2 激光图像标定

在激光扫描的图像上建立笛卡尔直角坐标系，以标定后的图像中心为原点建立极坐标系，标定前图像坐标映射至标定后图像的极坐标系坐标使，坐标的变换关系为：

2.4 图像的边缘提取

图像的边缘提取可以分为边缘检测、轮廓提取以及轮廓跟踪。图像的边缘检测是图像分割、目标区域的识别、区域形状提取等图像分析领域十分重要的基础，图像分析和理解的第一步往往就是边缘检测。轮廓跟踪是获取图像的外部轮廓特征，为图像的形状分析做准备。

3 结果与分析

3.1 数据采集

当圆盘开始转动，测量物件首先经过相机，信号被触发开始拍摄图片;然后再经过激光轮廓测量头，激光开始采集点云数据;经过测量系统的图像处理、数据处理得到产品二维的长度和三维的平面度、厚度。

3. 2 相机测量结果与分析

准备10 个待测物件，依次标号经过相机测量;用相机测量物件4 个尺寸，在图像上每1 个尺寸取两个特征，计算两个特征之间的距离，然后跟实际真实值作对比。

测量系统二维测量计算，计算值数据与实际真实值数据的误差可在±0.01mm 以内，测量精度能达到要求。

3. 3 激光测量结果与分析

激光扫描被测物件，得到三维点云数据，在点云数据上取两个特征点来计算两个特征之间的相对高度值，最终得到的数值为被测物件的厚度值，然后跟实际真实值作对比;平面度的计算是在平面上取5 个高度值，这5 个高度值经过测量系统的计算得出平面度。

测量系统的三维测量计算，计算值数据与实际真实值数据的误差也可在±0.01mm 以内，测量精度能达到要求。二维与三维结合的快速检测系统，测量精度都可以达到预期目标。

4 结论

随着科技的发展，由于CNC 零件加工精度对的不断提高以及对CNC 零件尺寸的快速检测要求，因此必须要有相应的高精度及快速检测的检测系统。成熟的二维检测技术加上精度更高的三维激光技术的联合检测系统将会是未来一种趋势，这样的检测系统不仅大大减少了成本支出，而且大大加快了尺寸检测的速度。

参考文献：

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[5] J.P. Lewis. Fast Normalized Cross-Correlation， Industrial， Light& Magic， Vision.

第一作者：李海欧，女，讲师，1982 年8 月，硕士，江门职业技术学院机电系专任教师，机械工程。

第二作者：成玲，女，讲师，江门职业技术学院机电技术系，机械工程。

基金项目：

江门市科技计划项目，项目名称：CNC 零件尺寸快速检测方法研究（项目编号：2019030100840009075）。

（江门职业技术学院机电技术系，广东 江门 529090）