[发明专利]一种数控机床工件在线自动测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在线测量领域，特别是涉及一种适用于数控机床工件几何尺寸及复杂曲面的在线自动测量装置及测量方法。

背景技术

在数控机床/加工中心上对被加工工件进行在线自动检测是提高数控机床自动化加工水平和保证工件加工精度的有效方法，数控机床工件在线自动测量系统是衡量数控机床技术水平的重要特征之一，已成为购置数控机床必不可少的基本选件。采用在线自动测量系统，在加工前可协助操作者进行工件的装夹找正，自动完成工件坐标系的设定，从而可简化工装夹具，节省夹具费用，缩短辅助时间，提高加工效率；在加工中和加工后可自动对工件尺寸进行在线测量，并能根据测量结果自动生成误差补偿数据反馈到数控系统，以保证工件的尺寸精度及批量工件的尺寸一致性；采用机内在线测量还可避免将工件移至测量机测量所带来的二次误差，从而可提高加工精度及精度保持性，通过一次切削即可获得合格产品，大大增强数控机床的智能化程度。

激光扫描法利用激光扫描物体表面，通过出射点、投影点和成像点的三角关系确定物体的三维坐标。其测量速度较快，精度较高，但零件材质和表面特性及光学系统的成像误差对测量结果影响较大，且激光扫描系统的价格十分昂贵。

立体视觉法是用两个摄像机从不同位置拍摄同一工件，在两个摄像机的图像平面上提取和匹配需要测量的特征点，求出特征点在两个图像平面的坐标，再利用成像公式计算出测量点的三维坐标。此法原理直观，但寻找对应点比较困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种匹配更容易，测量精度更高的数控机床工件几何尺寸及复杂曲面的在线自动测量装置及测量方法。

根据空间物体上任一标记点,在两幅CCD图像上成像后,图像上的标记点必为相互对应的匹配点,提出加装线激光标示的方法,通过激光标记来解决目标物体上同一点在两幅CCD图像上对应点的快速匹配问题。两个摄像机同时摄取同一线激光条图像,经过光条中心线提取及角点提取,利用三角原理计算出中心线上所有特征点的三维信息，从而进行摄像机标定和立体匹配。

影响数控机床工件的在线立体测量精度的因素主要有数字量化效应、摄像机标定误差、特征检测与匹配定位精度等。一般来说，测量精度与匹配定位精度成正比。增大基线长度可以改善深度测量精度，但同时会增大图像间的差异，增加匹配的困难程度。因此，要设计一个精确的立体视觉系统，必须综合考虑各个方面的因素，保证各个环节都具有较高的精度。

本发明针对双目立体视觉测量中立体匹配困难的问题，提出了在双目立体视觉的原理上，结合激光线扫描的方法实现零件几何尺寸及复杂曲面的数控机床在线测量。以激光线为定位，获取激光线的中心线，提取角点，根据特殊设计的扫描头结构和三角原理，得到光心线上角点的3D信息。以此为依据，约束图像测量中摄像机标定和立体匹配过程。

本发明采用的技术方案如下：一种数控机床工件在线自动测量装置，其特征在于：包括装置在运动机构上组成数控机床在线测试平台的扫描头；所述扫描头包括2个摄像机和线激光发射装置；所述2个摄像机参数相同；还包括检测图像中光条不同方向以及不同频率的边缘特征的Gabor滤波器。

作为优选，所述2个摄像机光轴平行，位于同一个平上的左右摄像机；所述线激光发射装置与所述2个摄像机位于同一平面且位于两个摄像机中间位置。

作为优选，所述摄像机为CCD摄像机。

作为优选，所述Gabor滤波器有16个，对应同一中心频率的4种不同方向，及同一方向的4种不同中心频率。

作为优选，所述Gabor滤波器为Log-Gabor滤波器。

一种基于上述数控机床工件在线自动测量装置的测量方法，具体方法步骤为：

步骤一、基于多尺度Gabor滤波，利用不同方向Gabor滤波值最大值对应方向的垂线确定图像中光线中线的法线方向，通过求解法线方向上高斯拟合的极值点得到光条中心的亚像素级位置；

步骤二、提取所述中线的角点，计算其三维坐标点云，并标定摄像机，具体方法为：通过光线光条中心角点的计算，在空间中生成一组控制点，同时计算出这些控制点的三维世界坐标(xi，yi，zi)，给出这些控制点的三维世界坐标及其成像点的二维图像坐标；

步骤三、应用中心线控制点对，建立模型算法进行立体匹配。

作为优选，所述多尺度Gabor滤波为对于同一中心频率取4种不同方向，同一方向取4种不同中心频率，形成16个滤波器的组合，以检测图像中光条不同方向以及不同频率的边缘特征。