基于结构光的铜板工件三维尺寸视觉测量方法及实现

发布时间：2020-10-18 20:38

　　 模具行业与其他制造行业的发展唇齿相依,其整体水平的提升与中国智造2025的战略目标息息相关。自2002年以来,我国模具工业已连续多年实现20%以上的增长,国内模具工业产品不断向着世界最高水平发起冲击。模具尺寸和外观形状缺陷检测是提升产品质量与企业竞争力的重要突破口,所以开发一种高精度、高效率、低成本的三维测量系统具有十分重要的意义和价值。本文对各种非接触式的三维视觉测量方法做了深入的研究,综合分析所有方法的优缺点后,提出采用基于面结构光的铜板工件三维视觉测量的方法,该方法使用的是基于面扫描的方式,单次测量获取的数据量更大,测量速度更快,而且具有测量精度高,成本低等优点,能够有效的实现铜板工件三维尺寸的非接触全自动化测量。本文主要工作内容和创新有以下几个方面:首先提出采用面结构光相位轮廓术(PMP)的方法来完成铜板工件三维尺寸测量的方案,测量系统主要由工业相机和投影仪等组成。介绍了该方法中的相移算法和相位展开算法的原理,实现了三步相移法和基于图切割的相位展开算法来进行相位求解,通过实验验证了本文选择的算法能精准计算出复杂不连续物体表面相位信息。深入研究了经典的三维重建系统模型,对其不足之处进行了分析,在此基础上进行改进实现了一种新的三维系统模型并推导出该系统模型下相位与三维坐标之间的映射关系。完成了基于该系统模型的高精度的标定算法,通过实验标定出了测量系统的系统参数。系统的分析了系统的主要误差来源。通过理论分析、模拟实验和实际测量,分析了相位误差产生的过程,并在此基础上,提出了一种对系统非线性的灰度值响应进行校正的方法和基于三次样条插值的绝对相位误差补偿算法。实验结果表明本文提出的两种算法均能够有效减小相位误差、提高系统的测量精度。提出一种通过先验知识和二维图像算法来减小测量系统的数据运算量的方法,提高了系统的测量效率。然后围绕上述测量方案选择合适的硬件,完成测量系统的硬件搭建,最后使用本文搭建的测量系统进行实验,得到了不同规格铜板工件的三维点云和三维尺寸数据。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;TG806
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 主要研究内容
    1.4 本文章节安排
第2章 光栅投影测量系统的原理研究
    2.1 引言
    2.2 相位轮廓术的基本原理
        2.2.1 测量系统的结构
        2.2.2 测量系统的相位高度映射模型
    2.3 相移原理的研究
    2.4 基于图切割的相位展开算法
        2.4.1 图切割理论介绍
        2.4.2 基于图切割能量最小化的相位展开算法
        2.4.3 相位展开实验
    2.5 本章小结
第3章 测量系统的实现与系统的参数标定
    3.1 引言
    3.2 相机的数学模型与标定
        3.2.1 相机的成像几何模型
        3.2.2 标定中坐标系的转换关系和标定原理
        3.2.3 透镜畸变模型
        3.2.4 相机标定实验
    3.3 改进的测量系统模型
        3.3.1 经典光栅投影系统的缺点分析
        3.3.2 改进后的系统模型的几何原理
    3.4 系统参数的标定
        3.4.1 系统参数标定的原理
        3.4.2 标定步骤与实验
        3.4.3 实例测量验证
    3.5 本章小结
第4章 系统的优化与误差补偿
    4.1 引言
    4.2 系统误差来源分析
    4.3 基于多项式拟合的系统灰度值非线性响应校正
        4.3.1 系统灰度响应函数的多项式拟合
        4.3.2 系统非线性响应的校正原理
        4.3.3 系统非线性响应校正实验结果
    4.4 基于绝对相位的相位误差补偿法
        4.4.1 现有误差补偿算法分析
        4.4.2 改进的相位误差补偿算法的原理
        4.4.3 相位误差补偿的实验结果
    4.5 本章小结
第5章 测量系统的搭建与实验
    5.1 引言
    5.2 系统硬件选型与搭建
        5.2.1 投影仪的选型
        5.2.2 相机选型
        5.2.3 镜头选型
    5.3 铜板测量方案
        5.3.1 测量系统的初始化
        5.3.2 测量系统的速度优化方法
    5.4 测量结果
        5.4.1 铜板工件表面轮廓三维点云展示
        5.4.2 铜板工件表面孔槽深度的测量结果
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢

【参考文献】

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本文编号：2846782