CN112362032B - 一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于机械制造领域，特别涉及一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，包括如下步骤：S1：用多个螺杆组件穿过工装上的通孔，同时将待测轴穿过轴线提取工装的圆孔。S2：通过螺母调节任意两个相邻方向螺杆组件的伸出长度，使轴与各个螺杆组件上的球头接触；S3：调节螺母以协调各方向螺杆的伸出长度，使所有弹簧处于压缩状态且轴线提取工装能绕轴自由转动；S4：在待测轴附近布设摄影编码点并放置摄影测量基准尺；S5：初始参数测量。S6：圆柱表面点集的测量；S7：利用步骤S6中测量的点云坐标拟合得到圆柱的轴线方程。本发明通过设计轴线提取工装，采用摄影测量的方式获取轴中心线，相比于用激光跟踪仪而言，测量过程更方便、测量环境要求低、适应性更强。

Description

一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法

技术领域

本申请属于机械制造领域，特别涉及一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法。

背景技术

随着制造业向高精度、柔性化、数字化方向的快速发展，现代工人的技术水平已经无法满足产品装配精度的要求。为提高产品质量、提升生产效率，更多的企业逐渐探索将自动化装配系统应用于产品装配过程。目前，在制造领域多数活动部件均是使用轴孔配合的方式进行装配，例如飞机垂尾、鸭翼、起落架舱门等。而对于这类采用轴孔配合方式进行安装的活动部件，要实现装配过程的自动化，则必须先得到安装轴的中心线。

现目前，轴中心线的提取多是采用激光跟踪仪来完成。但是，现代装配车间的环境较为复杂，选择良好的激光跟踪仪安装位置较为困难。同时，生产现场存在的各类工装、桁架等遮挡激光跟踪仪光路使其测量可达性大打折扣。因此，便捷、快速、准确提取轴线的方法可是提高自动化装配的效率和装配质量的重要保障。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本申请提供了一种操作简便，计算速度快，精度高，成本低的基于摄影测量技术的零件轴线提取方法。

为实现上述目的，本申请的具体方案为：

一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：用多个螺杆组件穿过工装上的通孔，同时将待测轴穿过轴线提取工装的圆孔；可根据需要增加或减少，多个螺杆组件分布于不同方位，以确保能将轴夹紧。

S2：通过螺母调节任意两个相邻方向螺杆组件的伸出长度，使轴与各个螺杆组件上的球头接触；

S3：调节螺母以协调各方向螺杆的伸出长度，使所有弹簧处于压缩状态且轴线提取工装能绕轴自由转动；

S4：在待测轴附近布设摄影编码点并放置摄影测量基准尺；

S5：初始参数测量：保持轴线提取工装沿轴线方向固定，绕轴线转动3个以上位置，测量相机8从不同位置对其进行拍照测量，对拍摄图像进行滤波、边缘提取等操作得到摄影靶标中心P_l＝{P_l-i，i＝1,2,3…m}。用P_l的进行圆拟合得到空间圆的圆心P₀(x₀,y₀,z₀)，半径r；对P_l点作平面拟合，并将平面法向量记为

S6：圆柱表面点集的测量：将轴线提取工装沿轴线方向进行任意的平移和旋转，并从多个角度对其进行拍摄得到不同位置的多幅测量图像，得到轴线提取工装上摄影靶标点集，记为P＝{P_i，i＝1,2…n}。

S7：利用步骤S6中测量的点云坐标拟合得到圆柱的轴线方程。

建立圆柱面方程(1)

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²-[α(x-x₀)+b(y-y₀)+c(z-z₀)]²＝r² (1)

由方程(1)构建误差方程(2)

f＝(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²-[α(x-x₀)+b(y-y₀)+c(z-z₀)]²-r² (2)

将误差方程(2)线性化后利用S6测量的点集P，通过迭代求解可得到圆柱的轴线方程，即零件轴线方程。本领域技术人员均知晓选用何种公式或者计算方式进行轴线的计算。其中a,b,c是圆柱迭代的初始方向向量，可以通过测量得到，也可以根据建立的坐标系估计，f表示误差方程，r圆柱的半径，详细计算过程及参数解释见实施例中，该计算过程属于本领域人员均知晓的计算方法。

进一步地，螺杆组件的数量至少为六个。具体数量可按照实际需求进行调整。

进一步地，1.基准尺上包含距离经过标定的摄影靶标点以及用于识别基准尺信息的摄影编码点。基准尺放置在待测轴线前方，尽量保证每幅拍摄图像都能包含基准尺信息。基准尺、摄影编码点以及待测轴线的位置如图1所示。不同摄影测量设备使用的基准尺类型有所区别，但都是用于获取测量场尺度信息。

S5、S6中的拍摄具体是指：摄影靶标点固定在轴线工装上，测量过程将工装沿轴线进行旋转和平移，并对其拍照测量得到摄影靶标点在不同位置的点集P＝{P_i,i＝1,2…n}，这些点分布在以轴中心线为轴线的圆柱面上，后续可根据得到的点集P求解圆柱方程。

S5、S6中具体步骤为：采用工业摄影测量软件对采集到的摄影编码点、摄影靶标点和基准尺识别后，经过图片匹配、前方交会、后方交会、光束平差等方法对图像进行处理，得到同一坐标系下轴线提取工装上摄影靶标点在不同位置的三维坐标。

S7中的计算方法包括但不限于：通过分布于圆柱表面的多个点拟合的圆柱的基本方程，构建误差函数以及优化计算过程，提高拟合精度，加速计算过程。这里的具体计算过程均为本领域的现有技术，本领域技术人员均知晓选用何种公式或者计算方式进行结构的计算。

轴线提取工装包括工装主体，所述工装主体的一端设置有摄影靶标点，工装主体的另一端设置有多边形的固定端，固定端外表面设置有多个用于穿过螺杆组件的通孔，螺杆组件穿过通孔后，通过螺母与固定端相连；所述固定端的中部设置有让螺杆组件一端穿出的螺杆组件圆孔。

螺杆组件包括外壳，外壳内设置有芯轴，芯轴的一端伸出于外壳并设置有球头，伸出外壳部分的芯轴上套接有弹簧。

本申请的优点在于：

本发明通过设计轴线提取工装，采用摄影测量的方式获取轴中心线，相比于用激光跟踪仪而言，测量过程更方便、测量环境要求低、适应性更强。

附图说明

图1为测量现场示意图。

图2轴线提取工装的装配图。

图3是轴线提取工装主体的俯视图。

图4是螺杆组件的局部剖视图。

图5是测量点、轴线方向和测量点到轴线距离的示意图。

图中：1为轴线提取工装，2是工装主体，3是摄影靶标点，4是螺杆组件，4-1是外壳，4-2是芯轴，4-3是球头，4-4是弹簧，5是螺母，6是螺杆组件圆孔，7为螺杆组件的通孔，8是摄影测量相机，9是摄影测量编码点，10是底座，11是基准尺。

具体实施方式

参照图1到图5说明本实施方式，本实施方式的待测对象为轴，所采用的摄影测量设备为单相机摄影测量系统。

S1：将螺杆组件穿过工装上的通孔7，同时将待测轴穿过轴线提取工装的圆孔6；

S2：通过螺母5调节任意两个相邻方向螺栓组件的伸出长度，使轴与各个螺杆组件4上的球头4-3接触；

S3：调节螺母以协调各方向螺杆的伸出长度使所有弹簧4-4处于压缩状态且轴线提取工装1能绕轴自由转动；

S4：在待测轴附近布设摄影编码点9并放置摄影测量基准尺11；

S5：初始参数测量：保持轴线提取工装1沿轴线方向固定，绕轴线转动3个以上位置，测量相机8从不同位置对其进行拍照测量，对拍摄图像进行滤波、边缘提取等操作得到摄影靶标中心P_l＝{P_l-i，i＝1,2,3…m}。用P_l的进行圆拟合得到空间圆的圆心P₀(x₀,y₀,z₀)，半径r；对P_l点作平面拟合，并将平面法向量记为

S6：圆柱表面点集的测量：将轴线提取工装沿轴线方向进行平移和旋转，并从多个角度对其进行拍摄得到不同位置的多幅测量图像，得到轴线提取工装上摄影靶标点集，记为P＝{P_i，i＝1,2…n}。

S7：利用步骤S6中测量的点云坐标拟合得到圆柱的轴线方程。

求解圆柱的参数，具体求解方法如下：

建立圆柱面方程(1)

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²-[α(x-x₀)+b(y-y₀)+c(z-z₀)]²＝r² (1)

由方程(1)构建误差方程(2)

f＝(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²-[α(x-x₀)+b(y-y₀)+c(z-z₀)]²-r² (2)

对于式(2)所示的非线性多元函数，将方程f线性化后得式(3)

则圆柱面上的某点P_i(x_i,y_i,z_i)的误差可表示为：

将步骤S6中测量得到的圆柱表面点P带入(4)式，得到n个误差方程，将误差方程组改写为矩阵形式如下：

V_n×1＝B_n×7X_7×1-L_n×1 (5)

根据最小二乘原理，当V^TV最小时，所有点的误差平方和最小，可求得改正值X_7×1，迭代求解式(6)、(7)，直到X_7×1的参数满足(8)式时退出迭代：

X₀＝X₀+X_7×1 (7)

|Δa|+|Δb|+|Δc|≤0.001或|Δr|≤0.01 (8)

其中:

V_n×1＝[V₁ V₂ V₃ ... V_n]^T (9)

X_7×1＝[Δx₀ Δy₀ Δz₀ Δa Δb Δc Δr]^T (11)

L_n×1＝[-f₁ -f₂ -f₃ ... -f_n]^T (12)

f_i＝(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²+(z_i-z₀)²-[a(x_i-x₀)+b(y_i-y₀)+c(z_i-z₀)]²-(r)² (13)

Claims (9)

1.一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：用多个螺杆组件穿过轴线提取工装上的通孔，同时将待测轴穿过轴线提取工装的圆孔；

S2：通过螺母调节任意两个相邻方向螺杆组件的伸出长度，使待测轴与各个螺杆组件上的球头接触；

S3：调节螺母以协调各方向螺杆的伸出长度，使所有弹簧处于压缩状态且轴线提取工装能绕待测轴自由转动；

S4：在待测轴附近布设摄影编码点并放置摄影测量基准尺；

S5：初始参数测量：保持轴线提取工装1沿轴线方向固定，绕轴线转动3个以上位置，测量相机8从不同位置对其进行拍照测量，对拍摄图像进行滤波、边缘提取等操作得到摄影靶标点的中心P_l＝{P_l-i，i＝1,2,3…m}；用P_l进行圆拟合得到空间圆的圆心P₀(x₀,y₀,z₀)和半径r；对点集P_l进行平面拟合，得到平面法向量，记为

S6：圆柱表面点集的测量：将轴线提取工装沿轴线方向进行任意的平移和旋转，并从多个角度对其进行拍摄得到n个不同位置的多幅测量图像，得到轴线提取工装上摄影靶标点集，记为P＝{P_i，i＝1,2…n}；

S7：利用步骤S6中测量的点云坐标拟合得到圆柱的轴线方程。

2.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：螺杆组件的数量至少为六个。

3.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：基准尺上包含距离经过标定的摄影靶标点以及用于识别基准尺信息的摄影编码点。

4.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：S5、S6中的拍摄具体是指：摄影靶标点固定在轴线工装上，测量过程将工装沿轴线进行旋转和平移，并对其拍照测量得到摄影靶标点在不同位置的点集P＝{P_i,i＝1,2…n}，这些点分布在以待测轴的中心线为轴线的圆柱面上，后续可根据得到的点集P求解圆柱方程。

5.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：S5、S6中具体步骤为：采用工业摄影测量软件对采集到的摄影编码点、摄影靶标点和基准尺识别后，经过图片匹配、前方交会、后方交会、光束平差等方法对图像进行处理，得到同一坐标系下轴线提取工装上摄影靶标点在不同位置的三维坐标。

6.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：S7中的计算方法包括但不限于：通过分布于圆柱表面的多个点拟合的圆柱的基本方程，构建误差函数以及优化计算过程，提高拟合精度，加速计算过程。

7.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：本方法采用轴线提取工装实现，所述轴线提取工装包括工装主体，所述工装主体的一端设置有摄影靶标点，工装主体的另一端设置有多边形的固定端，固定端外表面设置有多个用于穿过螺杆组件的通孔，螺杆组件穿过通孔后，通过螺母与固定端相连；所述固定端的中部设置有让螺杆组件一端穿出的螺杆组件圆孔。

8.根据权利要求7所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：螺杆组件包括外壳，外壳内设置有芯轴，芯轴的一端伸出于外壳并设置有球头，伸出外壳部分的芯轴上套接有弹簧。

9.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量技术的零件轴线提取方法，其特征在于：

S7具体为：建立圆柱面方程(1)

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²-[α(x-x₀)+b(y-y₀)+c(z-z₀)]²＝r² (1)

由方程(1)构建误差方程(2)

f＝(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²-[α(x-x₀)+b(y-y₀)+c(z-z₀)]²-r² (2)

将误差方程(2)线性化后利用S6测量的点集P，通过梯度下降、高斯牛顿或LM算法迭代求解得到零件轴线；

其中a,b,c是圆柱迭代的初始方向向量，通过测量或根据建立的坐标系估计，f表示误差方程，r圆柱的半径。

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