专利名称：基于工业内窥镜的狭小空间内微小零件装配测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于工业内窥镜的狭小空间内微小零件装配测量装置及方法，属 于微装配技术领域，用于狭小空间内微小零件装配的在线测量。
背景技术：
微装配是通过准确地操纵、定位等方法将多个微零件组装成复杂微系统的技术。 目前，多数微装配工作仍由操作者手工完成，构建自动化微装配系统将提高装配精度、装配 效率和产品稳定性，同时将操作者从枯燥繁琐的微作业中解脱出来，降低人为因素影响。自动化装配中的关键一步是实时、快速、精确地将装配信息检出。通常采用机器视 觉方法。在薄片零件检测方面，采用加拿大DALSA公司的SP214202K30型线阵工业相机和 尼康的镜头获得待检零件的扫描图像后，通过图像预处理，轮廓矢量化和对比检测，与奥地 利RSF Elektronik公司的MS 6x. x5 GA型光栅尺联用，可获取零件尺寸参数伍济钢，宾鸿 赞，光学精密工程，2007 (1) 124-130。为了实现精密测量，减小图像畸变，机器视觉中通常 采用物方远心镜头替代常规镜头，文献报道可利用远心镜头、(XD相机和线光源激光器，实 现焊接接头间隙宽度的视觉测量，结合基于灰度投影积分的焊缝接头间隙检测算法，可检 测出焊缝接头的边界和接头间隙宽度，对0. 05mm的对接接头，接头间隙宽度测量精度优于 0. 015mm吴家勇，王平江，陈吉红，陈芝义，焊接学报，2009 (8)，105-108。上述装置及方法可以实现常规作业环境中的被装配体以及装配信息的快速获得。 但是对于狭小空间内的微装配作业，由于空间狭小，常规工业相机无法伸入，被测物体处照 明不足，使得图像的获取需要另辟蹊径。目前国内外对于该类产品的装配，多采用工业内窥 镜实现在线观察，可用于飞机发动机(含进气风扇、压缩机的涡轮叶片、燃烧筒、齿轮箱和 滑油箱等)，机体各部位(含机身、机翼、起落架系统、垂直/水平尾翼等)，以及其它无法直 接由目视观察到的部位。检查的项目以机件受到外物损伤、腐蚀、硫化、磨损、裂纹和污染物 的影响为主刘秀娟，胡铁玉，任燕，工程与测试，2009(1)，34-36。在火力发电厂汽轮发电 机转子中心孔检验方面，需要检测其内壁由于应力集中而产生表面疲劳裂纹的可能，采用 直杆侧视内窥镜(天津光学仪器厂生产)和内窥镜(韦林VIDE02000型)实现了该项检测郭学，何佩排，华电技术，2008(4)，69-72，但是工业内窥镜的应用目前还停留在作为人眼 视力的延伸方面，可看但不能进行精确测量。综上所述，已有的视觉检测方法无法实现狭小空间内微小零件及其装配过程信息 的快速、精确获取。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于工业内窥镜的狭小空间内微小零件装 配测量装置及方法。本发明的技术方案如下
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基于工业内窥镜的装配测量装置由内窥镜检测装置、精密直线运动平台和计算机 组成。内窥镜检测装置由工业内窥镜、光源、数码相机或数码摄像机和镜头组成。工业内 窥镜后端有光源接口，可连接光源并将光由内窥镜内的镜片引导到内窥镜观察口处，实现 狭小空间内的照明。内窥镜接数码相机或数码摄像机，将采集到的图像信息经镜头传导至 计算机，计算机对图像进行在线处理获得微小零件在图像坐标系(相机视场)中的位置信 息。光源可采用卤素灯、金属弧光灯和LED等光源。精密直线运动平台由水平和垂直方向运动的精密直线导轨以及光栅尺组成，用于 移动内窥镜检测装置，同时光栅尺和精密直线导轨组成闭环控制系统，使得精密直线导轨 的运动精度达到光栅尺的控制精度，精密直线导轨的运动信息由计算机编程控制。将精密 直线导轨的运动信息和内窥镜的图像信息进行叠加，实现对微小零件的装配信息进行测量。内窥镜在测量方向上的两个不同位置进行测量后，计算机再结合前后两次测量的
图像信息及导轨位置信息求出被测微小零件的实际装配位置信息。根据光学成像原理可
得
分别为前后两次测量中被测微小零件的像距相机
视场中心的距离；X为被测微小零件的实际位置；AX为前后两次测量的内窥镜位置差；F 为焦距；U为物距；K为经数码相机到监视器像的放大倍数)，故微小零件实际位置的计算公
式为
式中前后两次测量中被测微小零件的像相对于相机视场中心的位 h
置Io、I,由对数码相机采集到的微小零件图像信息进行图像处理获得，前后两次测量内窥 镜的位置差AX可由光栅尺精确测得。本发明的效果和益处是采用工业内窥镜及其光源接口，实现了狭小空间内的一体 化照明观察，结构简单，避免了狭小空间内伸入过多装置造成视觉阻挡，同时避免了照明装 置和图像获取装置异体时难以在狭小空间内的最佳照明点处获取图像，从而影响图像清晰 度。采用加装光栅尺的精密运动导轨带动内窥镜运动，可实时、精确获得内窥镜运动轨迹信 息，进而获得装配信息，避免了单独使用内窥镜时无法实现装配参数测量的缺点，拓展了内 窥镜的用途。


图1是本发明的工业内窥镜装配测量系统组成示意图。图2是本发明的测量方法示意图。图3是本发明的测量示意图。图中1内窥镜检测装置；2精密直线运动平台；3工控机；4工业内窥镜；5第一次 测量中被测微小零件的像；6第二次测量中被测微小零件的像；7被测微小零件；A工业内窥镜；B镜头；C数码相机或数码摄像机；D光源；E叠装模具；F待测薄圆 环片；A1光源接口 ；A2内窥镜观察口 ；E1圆柱叠装孔；E2工艺孔；a水平方向运动的精密直线导轨；b垂直方向运动的精密直线导轨；c光栅尺；
0,0'分别为前后两次测量相机物镜的光心；
具体实施例方式下面结合技术方案和附图详细叙述本发明专利的具体实施例。工业内窥镜装配测量系统由内窥镜检测装置1、精密直线运动平台2和计算机3组 成。用来检测直径为6. 2mm的薄圆环片F的叠装信息。薄圆环片F在叠装模具E中的圆柱 叠装孔E1内进行叠装。为了实现观察，利用叠装模具上原有的一个内径为6mm工艺孔E2 伸入内窥镜，将该工艺孔与叠装孔间开0. 6mm的狭缝进行内窥镜图像采集。内窥镜检测装置由工业内窥镜A、镜头B、数码相机C和光源D组成。精密直线运 动平台由水平和垂直方向运动的精密直线导轨a、b以及光栅尺c组成。工业内窥镜A后端 有光源接口 A1，连接LED点光源并将光由内窥镜内的镜片引导到内窥镜观察口 A2处，实现 狭小空间内的照明。内窥镜末端的相机接口连接镜头B和数码相机C，将采集到的微小零件 装配图像信息传输到计算机3，计算机再对图像进行在线处理获得微小零件在图像坐标系 (相机视场)中的位置信息。内窥镜的位置移动由水平方向运动的精密直线导轨a及加装 光栅尺c的垂直方向运动的精密直线导轨b实现，导轨运动由计算机控制，且内窥镜在测量 方向(即垂直方向)上的运动信息可由光栅尺c测出并传输到计算机3。内窥镜在测量方 向上的两个不同位置进行测量后，计算机再结合前后两次测量的图像信息及位置信息求出
被测微小零件的实际位置信息。根据前述公式
式中前后两次测量(即第一
次测量和第二次测量，附图2中的5和6)微小零件的像相对于相机视场中心的位置Ip 由对数码相机C采集到的图像信息进行图像处理获得，前后两次测量内窥镜的位置差AX 可由光栅尺精确测得，由此获得每一个圆环片的实际位置信息并计算出圆环片间的相对位置。
权利要求
一种基于工业内窥镜的狭小空间内微小零件装配测量装置，其特征在于该装配测量装置由内窥镜检测装置(1)、精密直线运动平台(2)和计算机(3)组成；内窥镜检测装置由工业内窥镜(A)、镜头(B)、数码相机或数码摄像机(C)和光源(D)组成；用于移动内窥镜检测装置的精密直线运动平台由水平和垂直方向运动的精密直线导轨(a)、(b)以及光栅尺(c)组成；光栅尺和精密直线导轨组成闭环控制系统。
2.权利要求1所述装置用于狭小空间内微小零件装配的测量方法，其特征在于如下步骤内窥镜检测装置(1)将采集到的微小零件装配图像信息传输到计算机(3)，计算机(3) 再对图像进行在线处理获得微小零件的像在相机视场图像坐标系中的位置信息；内窥镜 (A)的位置移动由水平方向运动的精密直线导轨(a)及加装光栅尺(c)的垂直方向运动的 精密直线导轨(b)实现，导轨运动由计算机控制，且内窥镜在测量方向(即垂直方向)上的 运动信息由光栅尺(c)测出并传输到计算机(3)；内窥镜在测量方向上的两个不同位置进行测量后，计算机再结合前后两次测量的图像信息及位置信息求出被测微小零件的实际装配位置信息；根据公式 式中 前后两次测量中微小零件的像相对于相机视场中心的位置Io、I由对数码相机采集到的 微小零件图像信息进行图像处理获得，前后两次测量内窥镜的位置差AX由光栅尺精确测 得。
全文摘要
本发明公开了一种基于工业内窥镜的狭小空间内微小零件装配测量装置及方法，用于狭小空间内微小零件装配的在线测量。本发明的装配测量装置由内窥镜检测装置、精密直线运动平台和计算机组成。内窥镜检测装置采集装配的图像信息，并传输至计算机。精密直线运动平台用于移动内窥镜检测装置，精密直线导轨的运动信息由计算机编程控制。该测量方法中，内窥镜在测量方向上的两个不同位置进行测量后，计算机结合前后两次测量的图像信息及运动位置信息进行处理计算，实现对微小零件的装配信息进行测量。本发明采用工业内窥镜及其光源接口，实现了狭小空间内的一体化照明观察。采用加装光栅尺的精密运动导轨带动内窥镜运动，实时、精确获得内窥镜运动轨迹信息。
文档编号G01B11/00GK101852589SQ201010129979
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者张涛, 王东辉, 王晓东, 罗怡 申请人:大连理工大学