吉林大学学报(工学版) ›› 2023, Vol. 53 ›› Issue (12): 3358-3366.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20220050

• 车辆工程·机械工程 • 上一篇    

基于线结构光视觉的平面度误差测量方法

刘思远1(),侯跃谦2,寇莹1(),任真2,胡正乙3,4,赵雪微2,葛云鹏1   

  1. 1.吉林大学 机械与航空航天工程学院，长春 130022
    2.长春大学 机械工程学院，长春 130022
    3.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641
    4.长春汽车工业高等专科学校 产教融合发展中心，长春 130010
  • 收稿日期:2022-01-11 出版日期:2023-12-01 发布日期:2024-01-12
  • 通讯作者: 寇莹 E-mail:liusiy@jlu.edu.cn;kouy@jlu.edu.cn
  • 作者简介:刘思远（1985-），男，副教授，博士.研究方向：机器视觉.E-mail：liusiy@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(52005213);吉林省科技发展计划项目(20220201040GX);长春市科技发展计划项目(21ST06)

Flatness error measurement method based on line structured light vision

Si-yuan LIU1(),Yue-qian HOU2,Ying KOU1(),Zhen REN2,Zheng-yi HU3,4,Xue-wei ZHAO2,Yu-peng GE1   

  1. 1.School of Mechanical and Aerospace Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China
    2.School of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China
    3.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China
    4.Production and Education Integration Development Center，Changchun Automobile Industry College，Changchun 130010，China
  • Received:2022-01-11 Online:2023-12-01 Published:2024-01-12
  • Contact: Ying KOU E-mail:liusiy@jlu.edu.cn;kouy@jlu.edu.cn

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303

摘要：

针对机械零部件制造及加工领域的平面度测量问题，提出了一种基于线结构光视觉技术的平面度误差测量方法。首先，采集被测平面上不同位置的光条图像，并根据每个位置所对应的光平面方程获得扫描点的空间坐标。其次，对国家标准中平面度误差评定方法进行分析，建立了基于几何约束的平面度误差视觉测量算法。最后，通过本文算法，利用扫描点空间坐标计算出评定基面及平面度误差。在实验中，选择镶块模具的定位面作为被测平面，并将视觉测量结果与采用接触式测量方法获得的结果进行对比，测量误差小于20 μm。实验结果表明本文提出的平面度误差测量方法具有一定的可行性，提高了平面度误差的测量效率。

关键词: 机器视觉, 平面度, 线结构光视觉, 公差测量

Abstract:

Flatness is an important shape deviation. A flatness error measurement method was proposed based on line structured light vision technology for flatness measurement in the field of mechanical component manufacturing and processing. Firstly， the images of light strips were collected， and the spatial coordinates of the scanning points were obtained by the corresponding light plane equation for each position. Secondly， the evaluation methods for flatness errors in national standards was analyzed and a measurement algorithm for flatness errors was established based on geometric constraints. Finally， through the proposed method， the evaluation base plane and flatness errors were calculated using the spatial coordinates of the scanning points. In the experiment， the positioning surfaces of the insert molds are selected as the measured planes， and the measurement results obtained by visual measurement are compared with those obtained by the contact measurement method. The measurement error is less than 20 μm. The experimental results show that the measurement method proposed is feasible and improves the measurement efficiency of flatness error.

Key words: machine vision, flatness, line structured light vision, tolerance measurement

中图分类号: 

  • TH164

图1

线结构光光平面标定模型"

图2

基于最小二乘的平面度测量模型"

图3

评定基面初值求解模型"

图4

被测镶块模具"

图5

平面度测量实验现场"

表1

实验设备型号及参数"

实验设备型号主要参数
计算机联想R5000处理器：AMD R4800u
摄像机恒大水星系列-125-30UM分辨率：1292×964 像素
镜头Computer M2514-MP焦距：25 mm
线激光器LH650-80-3功率：0~20 mW；波长：650 nm
平行辅助光源CCS LFL-200最大亮度：800尼特
标定板NANO CBC 25mm-2.0精度：±1.0 μm

图6

被测平面扫描图像（模具1）"

图7

被测平面扫描图像（模具2）"

表2

模具1上各位置的光平面标定结果"

位置编号光平面方程
19.1927XC-0.01465YC+2.8465ZC-1000=0
29.1902XC-0.01465YC+2.846ZC-1000=0
39.3838XC-0.01530YC+2.915ZC-1000=0
49.6735XC-0.01456YC+3.116ZC-1000=0
59.889XC-0.01589YC+3.270ZC-1000=0
610.2258XC-0.017808YC+3.369ZC-1000=0
710.4496XC-0.01926YC+3.463ZC-1000=0
810.6854XC-0.01998YC+3.474ZC-1000=0
910.9072XC-0.01804YC+3.587ZC-1000=0
1011.107XC-0.01869YC+3.574ZC-1000=0

表3

模具2上各位置的光平面标定结果"

位置编号光平面方程
18.0042XC-0.01546YC+2.897ZC-1000=0
28.1717XC-0.01464YC+2.933ZC-1000=0
38.3115XC-0.01380YC+3.005ZC-1000=0
48.521XC-0.01560YC+3.071ZC-1000=0
58.6764XC-0.01696YC+3.089ZC-1000=0
68.9311XC-0.01617YC+3.209ZC-1000=0
79.1270XC-0.01544YC+3.293ZC-1000=0
89.4170XC-0.01576YC+3.355ZC-1000=0
99.6412XC-0.01472YC+3.386ZC-1000=0
109.8509XC-0.01873YC+3.446ZC-1000=0

图8

解评定基面初值的图像（模具1）"

表4

评定基面的优化初值空间方程及交叉平面的空间方程"

光平面方程
位置1（模具1）2.1456XC+0.2233YC+1.8771ZC-1000=0
位置2（模具1）2.1650XC-0.1990YC+2.0237ZC-1000=0
评定基面（模具1）-0.0316XC+0.09YC-ZC+529.661=0
位置1（模具2）2.1607XC-0.2245YC+1.8694ZC-1000=0
位置2（模具2）2.1925XC+0.2151YC+2.0707ZC-1000=0
评定基面（模具2）-0.0258XC+0.0898YC-ZC+531.6321=0

表5

模具定位面平面度误差测量结果 (mm)"

接触式方法1误差方法2误差方法3误差
模具10.0080.0130.0050.0250.0170.0190.011
模具20.0070.0150.0080.0200.0130.0170.010
均值-0.0140.0070.0230.0150.0180.011

表6

模具定位面平面度误差测量时间 (s)"

几何约束法最小二乘法最小包容法
均值1.6940.8750.625
模具11.6530.8760.635
模具21.7350.8730.615

图9

加入噪音后被测平面扫描图像（模具1）"

图10

加入噪音后被测平面扫描图像（模具2）"

表7

增加噪音后模具定位面平面度误差测量结果 (mm)"

接触式方法1（误差）方法2（误差）方法3（误差）
均值-0.026（0.018）0.033（0.025）0.035（0.026）
模具10.0080.025（0.017）0.035（0.027）0.034（0.026）
模具20.0070.026（0.019）0.030（0.023）0.035（0.026）
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