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基于线结构光视觉的轴径测量算法研究

刘思远  
【摘要】:轴是机械加工中常见的零件,而轴径的在线测量对发展先进的机械加工制造技术具有重要的作用。线结构光视觉测量系统由摄像机与线型激光器组成,根据光学三角形原理进行三维测量。为了提高线结构光视觉测量轴径的精度,本文通过对轴表面光条中心点检测、线结构光测量系统的标定和轴径测量算法进行了理论和实验研究。首先,分析了不同材质和形状的被测物表面,光条横截面的灰度分布情况。根据测量轴径的要求,提出了直线形光条和椭圆曲线形光条的中心点检测算法的评价方法,并利用这两种方法对重心法,高斯拟合法和Steger算法进行评价。为了解决物体表面材质反光影响光条图像质量的问题,本文提出一种对光条图像进行改善的光条归一化方法。其次,研究了线结构光测量系统的标定方法,标定过程包括摄像机标定和光平面标定。为提高光平面方程的标定精度,提出利用量块优化光平面方程参数的改进标定方法,并对比了传统方法和改进方法的标定精度。在实验中,分析了镜头光圈,背光源功率和激光器功率对标定精度的影响,并采用正交实验法,获得三个设备参数的最优组合。接着,根据轴上光条的几何特征,分析了最小二乘椭圆拟合轴径测量算法和参数椭圆拟合轴径测量算法。为了解决椭圆拟合算法测量精度较低的问题,利用被测轴轴线的方向向量,建立与轴线垂直的虚拟平面,并在该平面上设置局部坐标系。在该坐标系下,研究提出圆心约束测量算法,以提高轴径测量精度。最后,在静态实验中,验证了圆心约束算法的轴径测量精度,并研究了摄像机安装位置、光平面与被测轴轴线的夹角、图像噪音对轴径测量精度的影响。在动态实验中,验证了在不同转速下圆心约束算法的测量精度,并分析了被测轴转速对轴径测量精度和稳定性的影响。本文的研究工作对轴径非接触在线测量具有工程应用价值。


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