应用CMM实现非接触视觉测量的改造

　　1　前言

　　在轿车生产中,存在各种加工和装配误差,需要对其进行实时监测以便实施误差控制与修正。由于轿车车体各部分往往由众多复杂曲面组成,因此对其形状尺寸和位置测量便成为十分困难而复杂的过程。而坐标测量机CMM的优点正是在于能够在三维空间测量各被测点的坐标值。因此目前在汽车行业中CMM被广泛应用于质量检测。

　　但是,传统接触式三坐标测量机的最大弱点是只能离线测量,不仅效率低,同时也难以有效地实现产品质量问题的发现、解决、预防和预报。为此,以光学坐标测量机(OCMM)为代表的各种先进的非接触测量设备被应用到汽车制造行业中,但昂贵的价格又使OCMM之类先进仪器的使用普及受到很大限制。

　　因此,本文作者应用立体视觉测量技术对售价相对低廉的CMM进行适当的改造,使其具有非接触测量能力,能够在一定精度要求内实现在线测量。立体测量技术具有结构简单、便于移动、数据采集快速、便捷、与被测点非接触等特点,目前得到较为广泛的应用。但由于其测量精度与测量范围(测量距离)成反比,因此在保证精度的前提下,难以直接应用轿车车身之类大范围下的三维测量。正因为如此,我们用视觉测量装置替代探针安装于CMM测量座上,吸取CMM的大范围准确运动的优点和视觉测量装置的非接触测量能力,开发出新型大范围视觉坐标测量装置。

　　2　立体视觉测量系统简介[1]

　　我们知道,摄像机可以通过某种透视变换关系将真实物体转化为其像平面上的二维图像,具体对1个点来说,从数学角度该过程可以描述为:以被摄空间物点的三维坐标值为已知量,通过摄像机的2个透视变换方程,得出平面像点二维坐标值这2个未知量。显然对于1个摄像机,逆过程将不唯一。当我们采用2台摄像机从不同角度对同一物点进行拍摄时,便有了4个方程来求解被摄空间物点的三维坐标值这3个未知量。如果摄像机透视变换关系为线性变换,那么必然可以解得被摄空间物点的在视觉测量坐标系下的三维坐标值。这就是立体视觉测量的基本原理,其在现实中最为典型的例子就是我们的双眼。

　　从上段描述中可以看出,应用立体视觉测量系统的关键是找出摄像机的透视变换关系。该关系由摄像机焦距、摄像机像面坐标系与被测点所在空间坐标系之间关系等摄像机内外参数决定。由于在实际应用中,很难直接准确得到这些参数,因此该变换关系多通过试验方法来寻找。该过程称之为立体视觉测量标定。

　　一个实际的视觉测量系统工作流程如图1所示。

　　该系统首先需要2个(或2个以上)摄像机来作为系统输入装置,并应用图像采集设备(图像采集卡)将摄像机输出的电信号变为计算机程序可以识别的数据;其次为了去除图像中噪声和增强有用信息,需要对图像进行滤波和灰度变换操作;再次,通过计算机软件识别出测量图像中被测像点的两维坐标值;最后,通过被测点在2个摄像机中像点的二维坐标值计算出其在视觉测量坐标系下的三维坐标值。