用于视觉系统校准的工装支架及其校准方法与流程

1.本发明涉及一种用于视觉系统校准的工装支架及其校准方法。


背景技术：

2.基于结构光视觉测量系统是主要由结构光投射装置、图像处理系统和计算机组成，采用结构光扫描被测物体的轮廓表面并通过摄像机采集和提取特征信息，计算机对系统提取的特征信息进行立体匹配从而实现对被测物品的逆向三维建模。
3.测试人员利用解算软件可以获取被测物体的三维形貌、几何尺寸等参数信息。该系统具有结构简单、使用灵活、扫描范围大、测量准确性高、速度快等特点而被广泛应用于航天航空，汽车制造，机械加工，电子电气行业的在线检测等诸多领域。
4.目前，用于视觉系统校准的工装支架及其校准方法存在校准不精确，操作复杂的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于视觉系统校准的工装支架及其校准方法。
6.为解决上述问题，本发明提供一种用于视觉系统校准的工装支架，包括：
7.标准器夹具、90
°
转动机构、碳纤维承力筒、铝合金支架、三脚架、可调节支撑杆和可调节支撑脚，其中，
8.90
°
转动机构上端为开放式接口，不同类型的标准器夹具通过螺栓与所述开放式接口连接；所述90
°
转动机构上设置有角度标尺，以保证90
°
转动机构转动角度正确；所述90
°
转动机构上有设置有插销式锁紧机构，以保证90
°
转动机构转动角度正确后，可靠固定；
9.所述90
°
转动机构的下端通过螺栓固定在所述碳纤维承力筒上；
10.所述碳纤维承力筒与铝合金支架嵌套连接组成支撑机构，所述碳纤维承力筒可自由上下调节并且360
°
转动；
11.所述铝合金支架与所述三脚架连接，所述三脚架的下端连接有三根可调节支撑杆；
12.所述三脚架的底部连接有可自由活动的可调节支撑脚。
13.进一步的，在上述工装支架中，不同类型的标准器夹具包括：标准球夹具、标准球棒夹具或量块夹具。
14.根据本发明的另一面，提供一种采用上述用于视觉系统校准的工装支架的校准方法，包括：所述方法包括：
15.将标准球固定于标准球夹具上；
16.将带有标准球的标准球夹具与90
°
转动机构的开放式接口连接；
17.转动90
°
机构旋转45
°
沿空间范围对角线方向摆放后，标准球即均匀分布并固定在结构光视觉测量系统的测量范围内；
18.使用结构光视觉测量系统扫描标准球分别计算圆度和直径与对应的标准之差，即
为结构光视觉测量系统的形状探测误差和尺寸探测误差。
19.进一步的，在上述方法中，还包括：
20.将标准球棒固定于标准球棒夹具上；
21.将带有标准球棒的标准球棒夹具与90
°
转动机构的开放式接口连接；
22.调节90
°
转动机构与碳纤维承力筒，使标准球棒分别沿结构光视觉测量系统的测量范围边的平行线1、2、3；测量范围的前面4、后面5及侧面6的对角线上以及测量范围的体对角线7的位姿放置；
23.结构光视觉测量系统基于标准球棒的各个位姿，扫描并拟合的标准球棒上两个球之间的球心距离，球心距离与参考值之间差值绝对值最大者即为球心距测量示值误差。
24.进一步的，在上述方法中，还包括：
25.将量块固定于量块夹具上；
26.将带有量块的标量块夹具与90
°
转动机构的开放式接口连接；
27.结构光视觉测量系统通过多站位扫描测量及数据拼接，得到同一坐标系下的量块两个工作面点云数据，将量块的其中一个工作面上的扫描测量点云进行最小二乘拟合，得到一个拟合平面，选择另一个工作面积和中心点，以该中心点到所述拟合平面的距离为端面长度测量值，计算得该端面长度测量值与量块的参考值之差为长度测量示值误差。
28.与现有技术相比，本发明有如下优点：
29.1.开放式接口可以安装固定了标准球、标准球棒和量块等不同标准器的夹具；
30.2.90
°
转动机构标有插销式锁紧机构和角度标尺，转角准确，锁紧牢靠；
31.3.碳纤维承力筒、铝合金三脚架与可自由活动的支撑脚可以使得工装支架在任何复杂环境中稳固摆放的同时受力变形微乎其微。
附图说明
32.图1是本发明一实施例的用于视觉系统校准的工装支架的结构图；
33.图2是本发明一实施例的用于视觉系统校准的工装支架的校准原理图。
具体实施方式
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.如图1所示，本发明提供一种用于视觉系统校准的工装支架，包括：标准器夹具1、90
°
转动机构12、碳纤维承力筒13、铝合金支架14、三脚架15、可调节支撑杆16和可调节支撑脚17，其中，
36.90
°
转动机构12上端为开放式接口，不同类型的标准器夹具11通过螺栓与所述开放式接口连接；所述90
°
转动机构上设置有角度标尺，以保证90
°
转动机构转动角度正确；所述90
°
转动机构上有设置有插销式锁紧机构，以保证90
°
转动机构转动角度正确后，可靠固定；
37.所述90
°
转动机构的下端通过螺栓固定在所述碳纤维承力筒13上；
38.所述碳纤维承力筒与铝合金支架14嵌套连接组成支撑机构，所述碳纤维承力筒可自由上下调节并且360
°
转动；
39.所述铝合金支架与所述三脚架15连接，所述三脚架的下端连接有三根可调节支撑杆16；
40.所述三脚架15的底部连接有可自由活动的可调节支撑脚17。
41.在此，高强度碳纤维承力筒强度高、质量轻，可自由上下调节并且360
°
转动，便于摆放不同位姿的同时不易受力变形；
42.三根可调节支撑杆、三脚架以及可自由活动的可调节支撑脚可以使得工装支架在任何复杂实验环境中稳固支撑。
43.基于结构光视觉测量系统是一种各部分相互开放的非接触式测量设备。一方面，摄影相机、图像采集系统和用于立体匹配的解算软件自身参数不足引起了设备的测量误差，具体表现为测量标准球、标准球棒及量块时的探测误差、球心距测量误差、端面长度测量误差等，为了减少标准器本身的误差影响需要一个配套工装用于固定标准器；另一方面，系统测量空间范围远大于传统测量设备而可溯源的标准器具尺寸是固定的，因此工装应当可以使标准器在测量空间范围内均匀分布或以不同姿态摆放以满足视觉系统不移动的前提下对其各项技术指标进行测试，以获取其准确可靠的测试数据。
44.为了全面了解视基于结构光视觉测量系统在其测量空间范围内的准确性与可靠性，本发明用于基于结构光视觉测量系统校准的工装支架，它可以将多种标准器具(标准球、标准球棒和量块)以不同位置或姿态固定实现对系统多个技术参数的全面检测。
45.本发明的工装支架具有开放式接口安装不同夹具，如此就能分别固定标准球、标准球棒及量块等不同标准器具，支架转动机构上标有刻度和锁紧装置可实现竖直方向90
°
及碳纤维承力筒可自由上下调节高度和360
°
旋转从而实现标准器的不同位姿摆放。碳纤维材料制成的承力筒、铝合金三脚架与可自由活动的支撑脚可以使得工装支架在任何复杂环境中稳固摆放的同时受力变形微乎其微，从而将支架自身对测量结果的影响降到最低。
46.本发明的用于视觉系统校准的工装支架一实施例中，不同类型的标准器夹具包括：标准球夹具、标准球棒夹具或量块夹具。
47.在此，如图1所示，可以采用标准球、标准球棒18和量块等可溯源的器具为标准对视觉系统在图像采集、特征提取、立体匹配等主要过程中产生的形状探测误差、尺寸探测误差、球心距测量误差和端面长度测量误差等指标进行测试。
48.本发明还提供一种采用上述用于视觉系统校准的工装支架的校准方法，所述方法包括：
49.将标准球固定于标准球夹具上；
50.将带有标准球的标准球夹具与90
°
转动机构的开放式接口连接；
51.转动90
°
机构旋转45
°
沿空间范围对角线方向摆放后，标准球即均匀分布并固定在结构光视觉测量系统的测量范围内；
52.使用结构光视觉测量系统扫描标准球分别计算圆度和直径与对应的标准之差，即为结构光视觉测量系统的形状探测误差和尺寸探测误差。
53.在此，探测误差描述了基于结构光视觉测量系统在小部分测量范围内的误差特性，采用标准球作为标准器具，以结构光视觉测量系统最小二乘拟合球各点与球心之间径向距离的变化范围为形状探测误差；以结构光视觉测量系统的拟合球的直径与标准球的直径的差值为尺寸探测误差。一般要求在结构光视觉测量系统测量空间范围内均匀分布的5
个位置进行测量确保系统探测误差符合要求。使用带有强磁力的标准器夹具固定金属标准球并以螺栓安装到90
°
转动机构之上，转动90
°
机构旋转45
°
沿空间范围对角线方向摆放后标准球即均匀分布并固定在结构光视觉测量系统的测量范围内，只需使用结构光视觉测量系统扫描标准球分别计算圆度和直径与标准之差即为系统的形状探测误差和尺寸探测误差。
54.本发明的用上述用于视觉系统校准的工装支架的校准方法一实施例中，还包括：
55.将标准球棒固定于标准球棒夹具上；
56.将带有标准球棒的标准球棒夹具与90
°
转动机构的开放式接口连接；
57.调节90
°
转动机构与碳纤维承力筒，使标准球棒分别沿结构光视觉测量系统的测量范围边的平行线1、2、3；测量范围的前面4、后面5及侧面6的对角线上以及测量范围的体对角线7的位姿放置；
58.结构光视觉测量系统基于标准球棒的各个位姿，扫描并拟合的标准球棒上两个球之间的球心距离，球心距离与参考值之间差值绝对值最大者即为球心距测量示值误差。
59.在此，球心距测量示值误差用于证明结构光视觉测量系统测量长度能力，并保证其溯源性。采用标准球棒作为标准器具，需在结构光视觉测量系统测量的全部空间范围内进行观测。如图2所示，将标准球棒固定于标准器夹具并以螺栓安装到90
°
转动机构之上，调节90
°
转动机构与碳纤维承力筒，使标准球棒分别沿结构光视觉测量系统的测量范围边的平行线1、2、3；测量范围的前面4、后面5及侧面6的对角线上；以及测量范围的体对角线7的位姿放置，结构光视觉测量系统基于各个位姿，扫描并拟合的球棒上两个球之间的球心距离，球心距离与参考值之间差值绝对值最大者即为球心距测量示值误差。
60.本发明的用上述用于视觉系统校准的工装支架的校准方法一实施例中，还包括：
61.将量块固定于量块夹具上；
62.将带有量块的标量块夹具与90
°
转动机构的开放式接口连接；
63.结构光视觉测量系统通过多站位扫描测量及数据拼接，得到同一坐标系下的量块两个工作面点云数据，将量块的其中一个工作面上的扫描测量点云进行最小二乘拟合，得到一个拟合平面，选择另一个工作面积和中心点，以该中心点到所述拟合平面的距离为端面长度测量值，计算得该端面长度测量值与量块的参考值之差为长度测量示值误差。
64.在此，长度测量示值误差用于描述测量系统整个测量范围内三维误差特性。采用量块作为标准器具，将其固定于标准器夹具并以螺栓安装到90
°
转动机构之上，结构光视觉测量系统通过多站位扫描测量及数据拼接，得到同一坐标系下的量块两工作面点云数据，将量块某一工作面上的扫描测量点云进行最小二乘拟合，得到一个拟合平面，选择另一工作面积和中心点，以该中心点到拟合平面的距离为端面长度测量值，软件计算得该端面长度测量值与量块参考值之差为长度测量示值误差。
65.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
66.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业
技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
67.显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。