专利名称：一种在线式圆柱体直径测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明属于计算机视觉检测，图像测试技术领域，具体涉及一种圆柱体直径测量装置。
背景技术：
圆柱体工件广泛地应用于机械制造行业，随着精密加工技术的发展，高性能器件对 圆柱体的加工精度要求越来越髙。例如滚动轴承已成为各种旋转机械中最常用的工件 之一，由内圏、外圈、滚动体和保持架所组成。滚动体大部分是由圆柱体组成，在轴承 内借助主架均匀地排列在两个套圈之间作滚动运动，它的形状、大小直接影响轴承的负 荷能力和耐久性。随着滚动轴承内部间隙逐渐变小，运转精度逐渐提髙，对各圆柱体的 加工精度也提出了更髙的要求。另外，成套光滑圆柱量规作为髙技术、髙管理型的量具 产品，广泛地应用于飞机、汽车、电子、电器以及模具等制造行业，因此，对其加工精 度也有严格要求。
由于对圆柱体加工精度的逐渐提髙，对其检测技术水平的要求也越来越髙。圆柱体 工件的直径检测就是非常重要的检测项目。对圆柱体直径的检测可以采用传统的千分尺 直接读数，或者采用三坐标测量机进行拟合测量，但这些接触式测量对于圆柱体工件的 表面的损伤是不可避免的。随着光学技术的发展，数字式万能工具显微镜、轮廓投影测 量仪、精密光学计等非接触式的测量方法均能实现圆柱体直径的测量，这些方法虽然测 量精度较髙，但需要借助人工操作，通过和标准量块比较进行直径测量，经常用于质检 抽査使用；另外这些方法由于受到平台大小的限制，不能对直径太大的圆柱体进行检测。 随着工业化大生产的进行，大量生产线急需检测设备快速对生产的圆柱体进行在线自动 化测量和质量监控。
发明内容
鉴于高精度圆柱体直径测量现存方法的缺点和批量生产的需求，本发明提供了一种 可以方便地应用于工业生产线的圆柱体工件直径在线测量装置，可以对圆柱体进行快速 髙精度在线测量，而且结构简单，借助方便地调整，适用于各种直径圆柱体工件的测量。 为此，本发明采用如下的测量装置
一种在线式圆柱体直径测量装置，包括放置待测圆柱体的V型槽传送带，驱动V型 槽传送带做匀速直线运动的电机，电机和电机驱动器，一台用于采集待测圆柱体图像的
摄像机，所述摄像机带有显微摄像头，置于云台上，其所采集的图像被传送至计算机。
上述的在线式圆柱体直径测量装置，最好在v型槽传送带上设置有启动图像采集和
圆柱体直径测量的位置开关，在摄像机的对面固定有背光板。
本发明同时提供一种上述测量装置所采用的测量方法，包括下列步骤
(1) 根据测量精度要求，选择适当放大倍数的显微镜头；
(2) 调整云台及摄像机，对圆柱体上边缘进行放大采集；
(3) 放置1个己知直径Aw的圆柱体在V系统测量视场内，采集图像并获取圆柱 上边缘线，取该线的纵向平均值为
(4) 分别放置迈个已知直径Zi的圆柱体，并采集获取其图像边缘线的纵向位置"， 将这些值与Ati和"ti求差，得到一系列厶A和厶"，代入式AD-flA^ + 6 ,建立关于 a和A的方程组，并利用线性最小二乘法对参数a和6进行求解，实现系统标定；
(5) 利用V型槽传送带匀速输送待测圆柱体，对于每个待测圆柱体，当待测圆柱 体被传送到适当位置时，由位置开关给计算机发送采集和测量信号，摄像机采集圆柱上 边缘图像，由计算机获取图像边缘线的纵向位置在 ，代入式 Dw-A^+fl(^^-Zfw)+6，求解其直径Z^;当圆柱体在V型槽中匀速运动时，摄像
机连续采集获取两个或两个以上位置的上边缘线位置，分别求解各个位置上的直径，以 其平均值作为该圆柱的最终直径值"。
上述测量方法中，通过驱动圆柱体在V型槽上运动，调整云台和V型槽传送带，使 得成像水平线左右端的像素坐标纵向偏差在设定像素(设定像素"由测量精度决定，一 般要求/3=1)。之内，确保圆柱体边缘的图像在同一水平线上。
本发明的在线式豳柱体直径测量装置，将待测圆柱体置于V型槽中进行传送和测量， 圆柱体上边缘在摄像机上的成像位置与圆柱的直径有直接关系，如果采用普通的矩型槽 (或U型槽)，只能采集圆柱上边缘的信息而得不到所需要的转换关系，因此，采用一 个摄像机采集系统不能进行圆柱直径的测量。而本发明使用的单摄像机系统采用7显微 镜头，对采集的图像边缘进行了有效放大，可以实现圆柱边缘位置的精确定位，从而能 够提髙直径测量精度，并且简化了测量装置，降低了成本。
图1本发明的测量装置的结构示意图。 图2 V型槽测量原理图。
图3直径测量图像示意图。 图4普通矩形槽的测量原理图。
如下
1V型槽2被测圆柱体3CCD摄像机 4云台 5显微镜头 6背光板7电机及其驱动器8位置开关9计算机10分选器
具体实施例方式
本发明的测量装置的结构示意图如图1所示。被测圆柱2放置于表面光洁的V型槽1 传送带上，通过计算机9对电机驱动7进行控制匀速运动当被测物运动到适当位置时， 通过CCD摄像机3和显微镜头5组成的成像系统采集圆柱2上边缘的图像，经过采集卡 等数字设备存入计算机9,等待下一步处理。成像系统放置于具有多个自由度的云台4 上，可以对成像系统进行方便地位置调整。在成像系统的对面安装背光板6,透射均匀的 高亮度光，可以增强圆柱2边缘信息，采用简单图像处理获取圆柱2边缘所在CCD图像 传感器的位置；因为采用了V型槽1，圆柱2上边缘在CCD摄像机3上的成像位置与圆柱 2的直径有直接关系。系统采用了显微镜头5，采集的图像边缘进行了有效放大，可以实 现圆柱2边缘位置的精确定位，从而提高直径测量精度。经过圆柱2直径的精确测量， 计算机9按照规格定义对其测量质量进行合理分类，同时发送分选信号给传送带后方的 分选器10，对测量后的圆柱2进行分类放置。
该系统最主要的测量原理在于采用V型槽1确定了圆柱体2上边缘在CCD摄像机3 中成像位置和圆柱体直径的关系。圆柱2放置于V型槽1上，如图2所示，不同圆柱直 径差厶"引起圆柱2顶端高度差A力的关系式为，
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中e为V型槽l夹角的一半；kl为AZ 和AA两者关系的一阶系数。 一般来说，图 像采集的两圆柱2的边缘像素差厶^和实际髙度差厶力也满足一阶关系，即<formula>formula see original document page 5</formula>
综合(1)和(2)式，A"和A〃的关系可以表述为<formula>formula see original document page 5</formula>
其中a和6为测量系统参数，可以通过标定技术确定其具体数值。如图3所示，当 已知直径Aw圆柱2的上边缘图像位置""，则可得基于图像处理的圆柱直径测量原理式， 即由任意圆柱的上边缘成像位置"m求解其直径ZL-，<formula>formula see original document page 5</formula>
系统标定的目的是确定系统参数a和6。可以采集多个已知直径A的圆柱上边缘， 获取其对应的图像位置信息A，得到一系列厶Z^和厶A,代入式(3)建立关于a和6的方 程组，并利用线性最小二乘法对参数进行求解，从而实现标定。
对于采用矩型槽(或U型槽)來说，如图4所示，不同半径的圆柱放置其上，接触 点切线方向会因为半径不同而发生变化，仅通过圆柱上边缘的髙度差得不到两者半径的 关系，所以，不能通过本发明的方法仅靠采集圆柱的上边缘信息得到圆柱直径，需要釆 用两个以上的摄像机采集系统进行多方位边缘信息的采集，得到所需要的像素和直径的 关系。采用V型槽1可以仅靠单个摄像机系统就能进行圆柱直径的测量，这是本发明的
主要优越之处。
本发明采用如下的测量方法
(1) 按照系统结构示意图搭建圆柱直径测量系统，根据测量精度要求，选择适当放大 倍数的显微镜头5;
(2) 调整云台4及摄像机系统3，对圆柱2上边缘进行放大采集，并且保证采集圆柱 2上边缘的图像为水平线，可以通过测试成像水平线左右端的像素坐标纵向偏差在"个像 素之内(/7由测量精度决定， 一般要求/f1)。驱动圆柱2在V型槽1上运动，调整运动 系统和成像系统，尽量保证圆柱2边缘的图像在同一水平线上
(3) 放置1个已知直径Zlw的圆柱2在V系统测量视场内，采集图像并获取圆柱2上 边缘线，取该线的纵向平均值为A"
(4) 分别放置历个己知直径A的圆柱2，并采集获取其图像边缘线的纵向位置A，这 些值与ZLi和^U求差，得到一系列AA和A"，代入式(3)建立关于a和6的方程组，并 利用线性最小二乘法对参数a和A进行求解，实现系统标定；
(5) 放置需要测量的圆柱2于V型槽1传送带中，当圆柱2被传送到适当位置时，位 置开关8给计算机9发送采集和测量信号，此时，摄像机系统3采集圆柱2上边缘图像， 由计算机9获取图像边缘线的纵向位置&r，代入式(4)可以求解其直径仏r:当圆柱体在 V型槽1中匀速运动时，CCD摄像机3连续采集获取多个位置的上边缘线位置求解直径， 采用直径的平均值作为该圆柱2的最终直径值A
(6) 将得到的Z 和这一批圆柱标准直径ZO进行比较，得到该圆柱2的加工公差，通 过与己设定好的公差量进行比较，将圆柱2进行加工质量的分类，并由计算机9发送分 选信号到分选器IO，实现圆柱2的分选，分别传入生产线的相应后续歩骤中
(7) 对需要测量的圆柱体2进行(5)-(6)步骤的测量，借助测量系统实现自动化测量 和质量分拣
(8) 在对不同直径的圆柱体2进行测量时，通过调整云台4和圆柱体2的距离，以及 云台4髙度及显微镜头5焦距，实现不同直径圆柱2上边缘的清晰成像，进行步骤(2)-(7) 实现髙精度测量。
本发明的测量装置，可以对单个圆柱测量，也可以进行生产线的实时传送测量，并 配合分选系统进行质量分拣。可以适当选择显微镜头5和CCD摄像机的分辨率，搭建不 同测量精度的测量系统。当系统设置和安装完毕好之后，可以对同一批的圆柱体进行快 速测量，如果对不同批次的圆柱体进行测量，并且圆柱体直径变化比较大时，可以根据 实际情况方便地调整云台4改变摄像机系统和圆柱体的位置关系，适应不同测量需求。
在实际测量实验中，采用物距2和中间放大率50X的显微镜头5和分辨率为1130X 1024的CCD摄像机，通过标定a=0. 00032， Zf0.0271,从这个标定数值上看來，CCD摄 像机每个敏感单元所能分辨的尺寸在0. 3 ii m。通过大量实验得到，对同一圆柱进行重复 测量的精度为0.4um之内，证明了测量系统可以实现对圆柱直径的高精度测量。
权利要求
1. 一种在线式圆柱体直径测量装置，包括放置待测圆柱体的V型槽传送带，驱动V型槽传送带做匀速直线运动的电机和电机驱动器，一台用于采集待测圆柱体图像的摄像机，所述摄像机带有显微摄像头，置于云台上，其所采集的图像被传送至计算机。
2. 根据权利要求1所述的在线式圆柱体直径测量装置，其特征在于，所述V型槽传 送带上设置有启动图像采集和圆柱体直径测量的位置开关，在摄像机的对面固定有背光 板。
3. —种权利要求l所述的测量装置所采用的测量方法，包括下列步骤(1) 根据测量精度要求，选择适当放大倍数的显微镜头；(2) 调整云台4及摄像机，对圆柱体上边缘进行放大采集；(3) 放置1个己知直径Aw的圆柱体在V系统测量视场内，采集图像并获取圆柱 上边缘线，取该线的纵向平均值为(4) 分别放置历个已知直径A的圆柱体，并采集获取其图像边缘线的纵向位置"， 将这些值与A"和"td求差，得到一系列厶Z4和厶Af，代入式AD-flA^ + 6 ，建立关于 a和A的方程组，并利用线性最小二乘法对参数a和6进行求解，实现系统标定；(5) 利用V型槽传送带匀速输送待测圆柱体，对于每个待测圆柱体，当待测圆柱 体被传送到适当位置时，由位置开关给计算机发送采集和测量信号，摄像机采集圆柱上 边缘图像，由计算机获取图像边缘线的纵向位置l ,代入式 工^=^^+0(//^-^，」+6，求解其直径ZLr;当圆柱体在V型槽中匀速运动时，摄像机连续采集获取两个或两个以上位置的上边缘线位置，分别求解各个位置上的直径，以 其平均值作为该圆柱的最终直径值"。
4. 根据权利要求3所示的测量方法，其特征在于，通过驱动圆柱体在V型槽上运动， 调整云台和V型槽传送带，使得成像水平线左右端的像素坐标纵向偏差在根据测量精度 要求设定的像素之内，确保圆柱体边缘的图像在同一水平线上。
全文摘要
本发明属于计算机视觉检测，图像测试技术领域，涉及一种在线式圆柱体直径测量装置，包括放置待测圆柱体的V型槽传送带，驱动V型槽传送带做匀速直线运动的电机和电机驱动器，一台用于采集待测圆柱体图像的摄像机，所述摄像机带有显微摄像头，置于云台上，其所采集的图像被传送至计算机。本发明同时提供一种上述装置所采用的测量方法。利用本发明提供的装置和方法，可以对圆柱体进行快速高精度在线测量，而且结构简单，借助方便地调整，适用于各种直径圆柱体工件的测量。
文档编号G01B11/08GK101387499SQ20081015234
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者张效栋 申请人:天津大学