王妹婷，齐永锋，蒋 伟，李生权，包加桐，程宏辉，吕学智

（扬州大学 能源与动力工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

机器视觉一般用于平面尺寸的测量，但工业中有时必须高精度测量三维尺寸［1］才能保证装配等工艺的质量，而传统的测量方法及仪器设备无法满足在机实时检测工件三维尺寸的要求［2］。针对电子行业待测工件三维微小尺寸测量［3］，传统的方法是靠非接触式三坐标测量机配合夹具、棱镜才能够完成，该方法费时费力，自动化程度低。因此，本文提出一种基于多工业智能相机［4］的非接触式高精度三维尺寸测量系统，该系统自动化程度高、成本较低、测量速度快，可部分取代价格昂贵的三坐标测量机在工业高精度尺寸测量中的应用。

1 高精度三维尺寸测量系统研究

如图1所示为待检测工件，其具有两条水平的边框以及两个轴线水平的圆孔，根据生产要求，需要测量出这两个轴线水平的圆孔中心至两边框中分线的距离。由于边框中分面和圆孔不处于同一平面，因此，涉及到三维尺寸的测量。

本文设计的高精度三维尺寸测量系统如图2所示，该系统包括机架、两个相机支撑架、位于两个相机支撑架之间且其上带有多个标记点的待测工件定位座，以及用于带动待测工件定位座在机架上平移的气缸和3个工业智能相机，待测工件定位座上还设有将待测工件上的两个水平圆孔折射至竖直方向的棱镜，即从棱镜上方观察到的圆孔位于水平面上，从而使相机拍的两圆孔与待测边框的图像处于同一水平面内，便于图像处理。

图1 待检测工件尺寸示意图

2 三维尺寸检测过程与数据融合研究

2．1 三维尺寸检测过程

如图3所示，待测工件定位座上带有A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、D1、D2、D3、D4共16个标记点。

将待测工件放置到待测工件定位座上，开启定位座上的真空吸附机构将待测工件吸附在定位座上。可编程控制器控制3个工业智能相机拍照，其中工业智能相机Ⅰ对两个圆孔拍照，工业智能相机Ⅱ和工业智能相机Ⅲ分别对其中一条边框的一段进行拍照，并保存图像处理后的数据。然后可编程控制器控制气缸带动待测工件定位座动作，使两个边框的另一段移动到工业智能相机Ⅱ和工业智能相机Ⅲ的视野内，可编程控制器再次控制3个工业智能相机拍照，其中工业智能相机Ⅰ对两个圆孔拍照，工业智能相机Ⅱ、Ⅲ分别对视野中另一条边框进行拍照，并保存图像处理后的数据，然后对前后两组图像处理后的数据进行数据融合处理便可得出两圆孔距离边框中分线的距离。然后，可编程控制器控制气缸回到原来位置，并解除待测工件的真空吸附。

图2 高精度三维尺寸测量系统结构示意图

2．2 多工业智能相机数据融合算法研究

对单个图像处理数据后的数据进行融合的步骤如下：

（1）如图3所示，通过三坐标测量机，以工业智能相机Ⅰ视野中经棱镜折射后的工件定位座上某个特征点为坐标系原点O，以该坐标系原点为交点的两条互相垂直的边线为x轴、y轴。在三坐标测量机中测量4个标记点A1、A2、A3、A4在坐标系Oxy中的物理坐标A1W（x，y）、A2W（x，y）、A3W（x，y）、A4W（x，y）。

（2）通过三坐标测量机，测量A1B1、A1D1之间的距离，测量A2B2、A2D2之间的距离，测量A3B3、A3D3之间的距离，测量A4B4、A4D4之间的距离，测量工业智能相机Ⅰ视野中的两个圆孔之间的距离。

（3）在工业智能相机Ⅱ和工业智能相机Ⅲ中测量各个视野中x方向两个标记点（例如A1、B1）的像素距离和y方向两个标记点（例如A1、D1）的像素距离，工业智能相机Ⅰ视野中的两个圆孔之间的像素距离，与步骤（2）中测得的世界坐标系中的尺寸配合，校准各工业智能相机视野中像素坐标与物理坐标之间的比例关系，并将每个工业智能相机视野中的像素坐标转换成物理坐标。

（4）通过测量待测工件定位座上标记点A1、A2在工业智能相机Ⅰ和工业智能相机Ⅱ中的像素坐标，转换成为物理坐标后得到A1（x，y），A2（x，y），并将Oxy在工业智能相机Ⅰ中的像素坐标也转换为物理坐标，得到O（x，y），然后来确定各工业智能相机坐标系原点在 坐 标 系 Oxy 中 的 坐 标 为：O1W（－Ox，Oy）；O2W（A2Wx－A2x，A2Wy＋A2y）；O3W（A1Wx－A1x，A1Wy＋A1y）。

（5）工业智能相机Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第一次同时拍照时，工业智能相机Ⅰ抓取两个圆孔的中心位置，工业智能相机Ⅱ、Ⅲ可以抓取待测工件的两条边框一侧的两段线段，进行图像处理和数据存储处理；工业智能相机Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第二次同时拍照时，工业智能相机Ⅱ、Ⅲ抓取待测工件两条边框另外一侧的两段线段，进行图像处理和数据存储；经过步骤（3）的数据处理后，能够得到两个边框上各两条线段的平均值在统一坐标系Oxy中的物理坐标。

（6）假如其中一条边框的两段线段平均值在统一坐标系Oxy中的物理坐标分别为L1（x，y）、L2（x，y），另外一条边框的两段线段平均值分别为R1（x，y）、R2（x，y），则由边框决定的中分线L上两个点的坐标为Z1（（L1x＋R1x）／2，（L1y＋R1y）／2）、Z2（（L2x＋R2x）／2，（L2y＋R2y）／2）。

（7）在工业智能相机Ⅰ中检测两个圆孔中心位置，并转换到统一坐标系Oxy中的物理坐标中，得到待检测圆孔中心的物理坐标CL（x，y）和CR（x，y）。

（8）通过点到直线的距离函数，可以得到两个待检测圆孔中心CL、CR至中分线L的距离。

图3 工件定位座及坐标统一转换示意图

3 结论

从实用化角度出发提出了基于三个工业智能相机及棱镜光学作用的三维尺寸检测新方案，并设计了基于机器视觉的高精度三维尺寸测量系统，通过多工业智能相机的数据融合方法，解决了三维尺寸精密测量的问题，其综合测量精度在±0．03mm以内。

［1］ 吕广优．应用假轴巧解含有三维尺寸零件加工难题［J］．有色金属加工，2012，41（5）：34－35．

［2］ 全燕鸣，黎淑梅，麦青群．基于双目视觉的工件尺寸在机三维测量［J］．光学精密工程，2013，21（4）：1054－1061．

［3］ 乐静，李乐，杨宇祥，等．微小零件尺寸的视觉坐标测量方法和评价［J］．光电工程，2013，40（4）：8－13．

［4］ 何博侠，何勇，卜雄洙，等．机器视觉多视场协同测量方法［J］．光学精密工程，2012，20（12）：2821－2829．