一种三维影像测量仪的设计方法

中国航空工业集团公司西安计算技术研究所 邓云昌 王雷 李林 陈亚洲

机械加工零件制造后，需要对复杂产品的各种尺寸进行精密测量以及划痕检测，以保证后道工序的装配制造要求。传统的人工测量方式效率低、准确度差，无法满足大规模生产需要。因此需要设计一种三维影像测量仪对产品进行自动化测量，以保证产品质量和生产效率。

根据零部件的外形尺寸600mm×400mm×300mm,要求测量精度不低于0.02mm。综合检测精度、检测速度和成本要求，开发一种三维影像测量仪系统选择进口图像采集卡，配合进口高分辨率CCD彩色摄像机，该系统的视场范围，保证像素精度0.005mm/pixel，完全满足系统测量的尺寸精度要求。设备三轴设计行程X、Y、Z为：650mm×450mm×350mm。

1 扫描区域划分

采用移动式测量方式，通过相机在被测工件平面内进行两个自由度[1]的运动，实现大尺寸工件的拼接式测量。除此之外，设备还具有一个垂直方向的运动自由度用于调整相机的拍照距离，以满足不同厚度被测工件的测量需求。三维影像测量仪整体设计：包括基座、载物台、玻璃基板、XY轴、光栅尺、电气控制系统、视觉测量系统（包括线扫相机、远心镜头以及光源）等（图1三维影像测量仪整体图）。

图1 三维影像测量仪整体图Fig.1 Overall view of 3D image measuring instrument

视觉测量系统安装在运动机构上，可以实现平面内X方向和Y方向的平移，其中X方向是配合线扫相机实现被测工件的图像采集，Y方向用于被测工件尺寸超过线扫描相机成像范围时，通过拼接方式实现大尺寸工件的测量。

设备基座下方的空间用于安装控制设备，包括PLC、工控机、电源等。为了适应各种厚度的被测工件，光学测量设备能够沿着Z方向运动，用于调整焦距，保证不同厚度的被测工件能够清晰成像。

2 系统总体结构设计

三维影像测量仪主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统主要包括由光源组成的照明系统以及镜头和工业相机组成的成像系统、将图像信息信号传入电脑系统的图像采集卡以及负责整个系统运作的机械运动平台，硬件部分负责整个视觉测量系统的图像采集工作。软件系统通过对采集到的图像进行预处理、边缘提取等方法[2]来完成图像细节部分的处理和图像测量（图2三维影像测量仪测量系统结构）。

三维影像测量仪的电气控制系统围绕PLC构建,连接视觉测量系统的工控机通过交换机与PLC进行通信。PLC向伺服驱动器发送运动控制指令控制运动部件,外围连接限位开关、按钮、指示灯等设备（图3PLC控制结构图）。

图3 PLC控制结构图Fig.3 PLC control structure diagram

电气控制系统通过独立的PLC控制器，运行独立的控制软件。光学测量设备需要与设备的运动部件配合使用，设计和实施中重点考虑设备用电安全，通过动作、流程互锁等避免在正常工作过程和故障状态下出现意外威胁设备和操作人员安全。同时，工作过程中，对当前操作可能存在的安全风险进行提示，配合报警灯等引导人员保证人身、产品的安全。

控制单元主要由控制单元硬件和软件组成控制部分硬件部分主要包含操作台、PLC控制器[3]、供电部分、电机、按钮、指示灯、功能性设备、传感器等。

三维影像测量仪的主控设备为PLC，在人工将被测量工件放置在载物台之前，需要手工选择被测工件的相关信息，PLC发送控制指令给三维影像测量仪的运动部件进行检测运动，同时检测设备的各种状态信号，检测到异常时及时停机以保证被测工件以及测量设备的安全性。

PLC与视觉系统进行通信，控制相机和光源协同工作，随后发送指令控制运动部件进行运动，光学系统进行图像采集（图4PLC控制流程图）。

图4 PLC控制流程图Fig.4 PLC control flow chart

3 软件平台

三维影像测量仪采用C#编程语言与Halcon机器视觉软件进行联合编程。C#搭建人机界面平台，实现数据生成与显示，参数设置，与MES系统数据对接等功能；Halcon在工业界已经是公认具有最佳效能的机器视觉软件，包含了一套交互式的程序设计界面Hdevelop，可在其中以Halcon程序代码直接撰写，修改，执行程序，并且可以查看计算过程中的所有变量，设计完成后，可以直接输出C#等程序代码，套入程序中。可以具有业界最先进的视觉算法包，利用其实现对图像噪点滤除[4]、阈值分割、形态学处理、亚像素提取、齿峰定位等功能以实现最后的视觉测量输出。

4 动作实现与结构设计

根据测量方案，将整个测量过程分为初始阶段、测量准备阶段、测量阶段。以下将详细说明各个阶段的动作实现及结构设计：

4.1 初始阶段

初始阶段，被测工件紧由人工放置在载物架上，紧贴定位块使用夹具将其压紧，以保证在测量过程中工件不会移动位置。

4.2 测量准备阶段

在该阶段，整个测量装置进行初始化工作，包括设备运动部件回到设备的原点位置。

4.3 测量阶段

在该阶段，视觉测量系统被设备的运动部件带动，首先沿着X方向进行线扫描，到达工件长度极限后沿Y轴运动，如此循环往复直到整个工件被扫描完成。

5 算法步骤

综上所述，在全自动测量过程中，需要测量工件的参数有直线边到基准位置的距离、圆孔或方孔中心到基准的尺寸、孔径尺寸，并以报表形式记录上述数据，同时以几何图形的形式输出在工控机屏幕上。

尺寸测量算法具有以下4个步骤：

5.1 采集工件图像

相机拍照与设备运动部件按照预定节拍配合工作，PLC通过IO信号触发相机开始扫描，扫描速度为10mm/s～20mm/s。

5.2 图像预处理

由于采集，光照等原因，导致边缘图像中的特性(如像素灰度、纹理等)分布不连续处，图像周围特性有阶跃变化或屋脊变化的那些像素的集合，需要使用图像锐化等算法进行处理。

5.3 轮廓提取

根据图像中孔位与背景灰度不同，边界处会有明显的边缘，利用此特征可以通过阈值范围分割图像，获取到孔位的轮廓。

5.4 尺寸测量

为获得孔中心到基准位置的距离数据，需要在上述轮廓图中提取孔位的中心位置坐标。根据设备扫描速度得到孔位中心与基准位置之间的像素差。最后进行标定，将图像尺寸转化为实际尺寸。

根据扫描顺序，对孔位进行编号，在图中对测量数据的按编号进行标注标，用于报表生成与图像显示。

5.5 报表系统

根据视觉测量结果生成工件的尺寸报告，以数据库或者Excel表格形式进行记录，尺寸报告生成具体为：输入工件编号、检验员、生成文件、日期保存；工件孔位尺寸、孔中心到基准尺寸的距离；可根据编号或检测员名称、日期进行查找等文件管理；尺寸报告可打印输出。

在工控机屏幕上显示工件测量结果，具体为：电脑软件对采集图形进行自动处理，将处理后图形重新生成几何图形，在图形上标出所测量报告中的项目。

6 视觉测量系统配置

视觉测量系统硬件主要有高分辨率线扫工业相机、高精度远心镜头、平行光源以及工业计算机组成。工业相机采用海康4K像素线阵相机，型号MVCL042-91GM。远心镜头采用适用于4K线扫描相机的OPTO光学的超高分辨率、低畸变远心镜头，型号TC12 M-144J，镜头长度598.7mm，直径200mm，工作距离358.5mm，放大倍率0.196，物方检测范围146.28mm。线扫平行光源使用平行光源后边缘整齐没有反光，可以很容易的确定边缘和角度。采用OPTO光学的LTLNM系列大功率LED线照明器，光源具有24V供电电压，可通过模拟信号轻松调暗。具有高效的强制空气冷却系统（风扇)，可高效散热。工控机采用Intel第七代Core i7台式机CPU和Geforce系列的GTX 950TI显卡以上配置。

7 开放性和扩展性

本系统是板材的视觉检测开发的，但在软硬件的设计中都充分考虑到系统的开放性和扩展性，只需更换图像处理子程序和各区域的位置设置，即可以检查任何二维平面上图像信息。同时在Z轴上加装接触式测头或非接触式的激光测距传感器[5]，即可以完成Z轴方向的尺寸测量。三轴的行程X、Y、Z为：650mm×4500mm×350mm。

选择的PLC上有4路脉冲输出，选用的光学镜头可以连续变倍，这样在Zoom上加装一个步进电机和传动机构，即可以实现变放大倍数的检测，对尺寸精度和图像质量要求高的区域可使用高放大倍数测量。

同时系统还有4路AD输入和2路DA输出，为向更复杂、更灵活的系统扩展提供了必要的硬件资源。

8 测量精度的影响因素

主要有成像系统误差、步进电机误差、各种噪音、标定误差及软件算法误差等[6]。

（1）成像系统误差：选用的CCD摄像机分辨率要高，被测目标物的实际尺寸越小，即系统检测精度就越高。

（2）步进电机误差：采用编码器可控制摄像机和步进电机同步，尽量不要在电机启动或停止的时间内采集图像。

（3）各种噪音：选用Sobel边缘检测方法可消除部分随机噪音。

（4）标定误差：通过对标准件在摄像机视场内不同方位进行多次采集图像[7]进行标定，取其均值作为作为最终的标定系数，可以减少标定误差。

（5）软件计算误差：采用在梯度方向上进行高斯曲线拟合插值法可以定位到亚像素级，可以减少软件技术误差。