基于3D视觉的万向法兰盘球窝半径测量装置及方法

本发明涉及机械测量，具体而言，尤其涉及一种基于3d视觉的万向法兰盘球窝半径测量装置及方法。

背景技术：

1、随着现代工业技术的发展，对高精度、高效率的测量技术需求越来越迫切。特别是在机械制造领域，许多零部件的几何形状和尺寸精度直接影响到机械系统的性能和寿命。万向法兰盘作为重要的连接和支撑部件，其球窝半径的精确测量对确保其装配质量和工作性能具有重要意义。

2、传统的万向法兰盘球窝半径测量方法主要依赖于接触式测量技术，通常使用三坐标测量仪等接触式测量设备，通过物理接触零件表面来获取测量数据。然而，接触式测量方法存在效率低下、精度受限以及可能对被测物体表面造成微小损伤等局限性。此外，三坐标测量仪等接触式测量设备通常需要手动操作，测量过程繁琐且耗时，难以满足大批量生产检测的需求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于3d视觉的万向法兰盘球窝半径测量装置及方法。该方法不仅实现了法兰盘球窝半径的非接触高精度自动测量，还显著提高了测量效率，具有较好的应用前景。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于3d视觉的万向法兰盘球窝半径测量装置，包括物料输送移载装置、3d测量装置和分级装置；所述万向法兰盘球窝设置于托盘上，依次经过物料输送移载装置、3d测量装置和分级装置；

4、所述物料输送移载装置包括第一工作台，所述第一工作台上设置有工业机器人，所述第一工作台侧面设置有滚筒传送带和自动上下料机构，所述滚筒传送带上方设置有第一铝型材支架，所述第一铝型材支架表面连接有工业相机；

5、所述3d测量装置设置于物料输送移载装置的侧面，所述3d测量装置包括第一传送带，所述第一传送带上方设置有龙门架，所述龙门架的两侧与第一传送带的两侧相固定，所述龙门架的顶杠下部设置有激光三维轮廓仪，所述龙门架前部的第一传送带两侧设置有第一红外传感器，所述龙门架后部的第一传送带两侧设置有第二红外传感器；

6、所述分级装置设置于3d测量装置的后方，所述分级装置包括第二工作台，所述第二工作台上表面的左右两侧分别设置有第二传送带和第三传送带，所述第二工作台上表面的中部设置有移载机构。

7、进一步地，所述自动上下料机构包括纵向贯穿固定于伸缩气缸支撑板上的伸缩气缸，所述伸缩气缸支撑板的下表面连接有铝型材支架，所述伸缩气缸的上部与第一金属板的下表面相连，所述伸缩气缸支撑板上表面上固定有第二金属板和第三金属板，所述第二金属板设置于伸缩气缸的前侧，所述第三金属板设置于伸缩气缸的后侧，同步皮带输送机的两侧分别与第二金属板和第三金属板相固定，所述第一金属板的上方固定有滚轮传送带。

8、进一步地，所述移载机构包括支架，所述支架上固定有单轴电动导轨，所述单轴电动导轨的滑块与支架板的上端相固定，所述支架板的下端与导向气缸相固定，所述导向气缸的下端与气动夹具相固定。

9、本发明还提供了一种基于3d视觉的万向法兰盘球窝半径测量方法，基于上述任意一项基于3d视觉的万向法兰盘球窝半径测量装置实现，包括如下步骤：

10、s1、将待测万向法兰盘球窝放置在托盘内，通过滚筒传送带将待测万向法兰盘球窝传送至小型滚轮传送带上；

11、s2、工业相机采集托盘内待测万向法兰盘球窝的图像数据，工业机器人将托盘内的待测万向法兰盘球窝分拣至第一传送带上；

12、s3、待测万向法兰盘球窝在第一传送带上输送，当待测万向法兰盘球窝传送至第一红外传感器位置时，触发激光三维轮廓仪采集待测万向法兰盘球窝表面的点云数据，并通过算法测量其半径是否合格；

13、s4、当万向法兰盘球窝经过第二红外传感器位置时，触发气动夹具对万向法兰盘球窝进行夹紧；

14、s5、移载机构将合格的万向法兰盘球窝移至第二传送带，移载机构将不合格的万向法兰盘球窝移至第三传送带。

15、进一步地、还包括：s6、当托盘中的所有待测万向法兰盘球窝分拣完毕后，伸缩气缸驱动小型滚轮传送带垂直向下移动，将小型滚轮传送带上方的空托盘放置在同步皮带输送机的左端，同步皮带输送机将空托盘传送至右侧的下料端，伸缩气缸驱动小型滚轮传送带向上复位，滚筒传送带将装有待测万向法兰盘球窝的托盘重新传送至自动上下料装置的小型滚轮传送带上，进行下一批万向法兰盘球窝半径的自动测量。

16、进一步地，s3具体包括如下步骤：

17、s31、通过激光三维轮廓仪采集万向法兰盘球窝表面点云，并利用统计滤波和半径滤波去除点云中的离群噪声和稀疏噪声；

18、s32、计算经过滤波处理后的万向法兰盘球窝表面点云质心，并利用主成分分析法估计球窝点云的各个主轴方向向量；

19、s33、计算法兰盘球窝各个主轴方向向量与空间坐标系之间的旋转矩阵，对被测伞齿齿轮进行旋转平移变换，使其质心与空间坐标系的原点重合，并使法兰盘球窝的各个主轴方向向量分别与空间坐标系的x轴、y轴和z轴平行；

20、s34、设定z轴阈值[zmin,zmax]，遍历点云中每个点，将z轴坐标在阈值范围内的点保留，阈值范围外的点去除，提取球窝区域点云；

21、s35、生成空间切平面，沿坐标系z轴对法兰盘球窝区域点云进行均匀切片抽样，并将每次抽样提取的球窝点云与空间切平面交线的截面圆轮廓点投影到二维平面；

22、s36、对投影到二维平面后的各个截面圆轮廓点集分别进行圆拟合，并将各个拟合后的截面圆重新投影回三维空间；

23、s37、设定容忍值，去除误差较大拟合轮廓点集，将满足容忍值设定的拟合点添加到集合g中；

24、s38、利用差分进化算法对集合g中的拟合点进行空间球体拟合，得到法兰盘球窝半径值；

25、s39、将测得的法兰盘球窝半径值与规定值进行比较以判定是否合格。

26、进一步地，s32具体包括如下步骤：

27、s321、设滤波处理后的法兰盘球窝点云为p，计算点云质心：

28、

29、式中，n为点云p的总点数,xi、yi、zi分别为点云p中第i个点的坐标。

30、s322、构建点云p的协方差矩阵：

31、

32、s323、计算协方差矩阵t的特征值λ与特征向量v：

33、(t-λi)v＝0

34、式中，i为单位矩阵；λ为协方差矩阵的特征值，λ＝(λ1,λ2,λ3)，特征值代表了球窝点云数据在主要方向的分布程度；v为特征值对应的特征向量，v＝(v1,v2,v3)，特征向量代表了齿面点云数据主成分方向。

35、进一步地，s35具体包括如下步骤：

36、s351、构建球窝区域点云的最小包围盒，计算最小包围盒的高度d3与中心点坐标(xc,yc,zc)；

37、s352、生成平行于空间坐标系xoy面，并与球窝区域点云底部相切的空间平面，空间平面表示为：

38、

39、式中，i为抽样次数索引；

40、s353、提取球窝区域点云与空间切平面的交线截面圆轮廓点，并将其加入到集合mi中；

41、s354、将空间平面按固定步长d沿坐标系z轴方向移动，并在每次切平面移动后重复步骤s353，直至达到采样数n，完成所有拟合轮廓点的提取，得到抽样点集合m＝{m1,m2,…，mn}；

42、s355、将集合m中所有子集截面圆轮廓点依次投影到与xoy坐标系平行的平面上，得到投影到二维平面后的抽样截面圆轮廓点集合k＝{k1,k2,…，kn}。

43、进一步地，s36中拟合圆具体包括如下步骤：

44、s361、采用ransac算法对投影到二维平面的截面圆拟合点进行拟合，筛选出相对最优内点集t与相对最优拟合圆参数(a0,b0,r0)；

45、s362、将(a0,b0,r0)作为初始参数；

46、s363、建立误差函数：

47、

48、s364、遍历相对最优点集t，计算雅可比矩阵j：

49、

50、s365、利用高斯-牛顿法计算参数更新量，并更新参数：

51、(δa,δb,δr)＝-(jtj)-1jtf

52、

53、s366、重复s362至s365，直至连续两次迭代之间参数变化量小于预设的阈值或达到最大迭代次数，算法结束，得到最优拟合截面圆。

54、进一步地，s37中通过设定容忍值去除误差较大拟合轮廓点集的具体过程如下：

55、s371、将所有拟合截面圆的圆心从二维投影重新转换到三维空间中，并利用这些空间拟合圆圆心点进行空间直线拟合；

56、s372、计算每个空间拟合圆圆心到拟合空间直线的距离，若距离小于阈值l，则将该空间拟合圆离散化，并将离散点添加到集合g中。

57、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

58、本发明集万向法兰盘自动上料、下料、分拣、测量、分级于一体，实现了从万向法兰盘球窝上料到分级的全自动化操作，有效降低了人工成本。

59、本发明能够实现对法兰盘球窝半径的非接触自动测量，大大提高了测量效率，并避免了传统接触式测量可能引起的法兰盘球窝损伤。

60、本发明不仅适用于法兰盘球窝半径的高精度测量，还具有广泛的应用潜力。其技术方案可延伸至机械测量领域内其他半球型工件的半径尺寸测量，为各类半球形结构的工件的尺寸测量提供了一种通用、可靠的解决方案。