本發(fā)明涉及一種產(chǎn)品測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

在航空航天、高鐵、船舶、汽車等先進(jìn)制造領(lǐng)域，自由曲面產(chǎn)品被廣泛地使用。自由曲面產(chǎn)品內(nèi)或不同產(chǎn)品在裝配環(huán)節(jié)中往往出現(xiàn)縫隙，縫隙的幾何尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求將直接影響到最終產(chǎn)品的使用質(zhì)量與使用壽命，因此針對于自由曲面產(chǎn)品間的縫隙幾何尺寸高精度測量十分地關(guān)鍵。傳統(tǒng)的自由曲面幾何量檢測往往采用接觸式的三坐標(biāo)測量機(jī)，這可以達(dá)到很高的測量精度，但測量效率較低，特別是受到被測對象的材質(zhì)影響?，F(xiàn)如今，基于視覺測量方法正被廣泛地重視，特別是基于主動式光源的測量方式由于能夠主動發(fā)出光束至縫隙內(nèi)部，這大大降低碰撞與干涉現(xiàn)象發(fā)生，并且能夠兼并測量效率和測量精度，同時滿足金屬、塑料、橡膠、陶瓷、合成、軟質(zhì)等等不同材質(zhì)產(chǎn)品檢測需求。

自由曲面產(chǎn)品內(nèi)縫隙輪廓具有非規(guī)則形狀特征，使得縫隙幾何尺寸的自動測量難度較大。研究自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸的自動測量系統(tǒng)以及裝置，來提高檢測正確率、降低檢測成本、減少專業(yè)技術(shù)人員的使用已成為未來的趨勢，軟操作、互動、潔凈化、可移植性的遠(yuǎn)程操作模式將使得自由曲面內(nèi)縫隙的在線檢測更加安全可靠，這將更好地滿足自由曲面產(chǎn)品的快速、自動、高精度檢測的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種易操作、自動化程度高、測量速度快速、測量精度高的自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法及裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)問題是：提供一種自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法，包括以下步驟：

縫隙圖像采集步驟：分段采集待測自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像；

縫隙圖像處理步驟：對采集到的每段縫隙圖像進(jìn)行處理以得到縫隙截面輪廓，定位每段縫隙輪廓的邊緣特征點(diǎn)、縫隙內(nèi)部拐點(diǎn)、最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)；

配準(zhǔn)拼接步驟：將處理后的每一段縫隙輪廓進(jìn)行配準(zhǔn)拼接；

分段擬合步驟：對配準(zhǔn)拼接后的縫隙輪廓的特征點(diǎn)進(jìn)行分段擬合，以得到具有縫隙最低點(diǎn)曲線、邊緣曲線、最高點(diǎn)曲線的整體縫隙輪廓；

縫隙幾何尺寸獲取步驟：根據(jù)擬合的曲線獲取縫隙的幾何尺寸。

進(jìn)一步的，在所述縫隙圖像采集步驟中，根據(jù)待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙位置及長度，由首至尾的依次分段采集縫隙圖像，從而逐步自動采集獲取完整的縫隙輪廓圖像。

進(jìn)一步的，在圖像采集步驟中，通過“3+1”自由度的圖像采集裝置逐步采集待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像，并將采集到的縫隙圖像發(fā)送至上位機(jī)，從而使上位機(jī)依次獲取到待測量自由曲面產(chǎn)品的每一段縫隙圖像。

進(jìn)一步的,在圖像采集裝置逐步采集待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像的過程中，上位機(jī)基于軟件環(huán)境，在線建立局部虛擬測量基準(zhǔn)，以已獲取的縫隙輪廓幾何尺寸以及當(dāng)前圖像采集裝置的位姿來約束圖像采集裝置的下一處的空間位姿，保持縫隙輪廓處于有效視場范圍內(nèi)，逐步實(shí)現(xiàn)對整個縫隙輪廓的自動采集。

進(jìn)一步的，在圖像處理步驟中，所述上位機(jī)對獲取到的每段縫隙圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括平滑去噪，剔除異常點(diǎn)，邊緣分割，以得到縫隙截面輪廓；再根據(jù)建立的局部虛擬測量基準(zhǔn)對每段縫隙邊緣特征點(diǎn)、縫隙內(nèi)部拐點(diǎn)、最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)進(jìn)行識別定位。

進(jìn)一步的，在分段擬合步驟中，上位機(jī)首先將局部坐標(biāo)系下的各段縫隙輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一全局坐標(biāo)系內(nèi)，并在全局坐標(biāo)系內(nèi)對拼接完整的縫隙輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行表面重構(gòu)、簡化、平滑、特征點(diǎn)定位，再進(jìn)行分段曲線擬合，描述出縫隙的最低點(diǎn)曲線、邊緣曲線、最高點(diǎn)曲線。

進(jìn)一步的，在縫隙幾何尺寸獲取步驟中，需在全局虛擬環(huán)境下細(xì)劃縫隙的三維圖形并計(jì)算相對應(yīng)的縫隙特征間的幾何尺寸。

進(jìn)一步的，所述縫隙圖像采集步驟包括以下子步驟：

S11、初始采集位姿獲取子步驟：根據(jù)待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙位置獲取該縫隙的初始采集位姿；

S13、初始采集裝置位姿調(diào)整子步驟：根據(jù)獲取的初始采集位姿調(diào)整采集裝置的初始位姿；

S15、當(dāng)前段縫隙圖像采集子步驟：采集該段的縫隙圖像；

S17、下段縫隙采集位置對應(yīng)的采集裝置位姿調(diào)整子步驟：根據(jù)當(dāng)前段和當(dāng)前段的上一段縫隙圖像信息、對應(yīng)的圖像采集裝置的位姿約束下一段待采集的縫隙圖像位置對應(yīng)的圖像采集裝置的位姿，并據(jù)此調(diào)整圖像采集裝置的位姿。

進(jìn)一步的，在圖像采集步驟之前，還包括以下步驟：

將待測量自由曲面產(chǎn)品放置在一安裝臺上；

將圖像采集裝置固定在一位于所述安裝臺一側(cè)的移動單元上，其中，移動單元包括與待測量縫隙的寬度方向相應(yīng)的X向底座、立設(shè)于X向底座上能夠根據(jù)一第一電機(jī)的驅(qū)動在X向移動的與所述待測量縫隙的高度方向相應(yīng)的Z向軸桿、水平設(shè)于所述Z向軸桿上且能夠根據(jù)一第二電機(jī)的驅(qū)動在Z向移動的與所述待測量縫隙的長度方向相應(yīng)的Y向軸桿以及用于驅(qū)動Y向軸桿在Y向進(jìn)行移動的第三電機(jī)，所述圖像采集單元設(shè)于所述Y向軸桿上相應(yīng)于所述安裝部的一端，該圖像采集裝置能夠根據(jù)一第四電機(jī)的驅(qū)動沿待測量縫隙的長度方向轉(zhuǎn)動，所述第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)及第四電機(jī)均與所述上位機(jī)信號連接；所述上位機(jī)控制移動單元工作，從而能夠使圖像采集裝置“3+1”自由度移動，以調(diào)整圖像采集裝置的位姿，使其在采集縫隙圖像時，其采集方向與待測量縫隙的待采集截面近似垂直。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)問題是：提供一種自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量裝置，包括：

縫隙圖像采集裝置：用于分段采集待測自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像；

縫隙圖像處理模塊：用于對采集到的每段縫隙圖像進(jìn)行處理以得到縫隙截面輪廓，定位每段縫隙輪廓的邊緣特征點(diǎn)、縫隙內(nèi)部拐點(diǎn)、最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)；

配準(zhǔn)拼接模塊：用于將處理后的每一段縫隙輪廓進(jìn)行配準(zhǔn)拼接；

分段擬合模塊：用于對配準(zhǔn)拼接后的縫隙輪廓的特征點(diǎn)進(jìn)行分段擬合，以得到具有縫隙最低點(diǎn)曲線、邊緣曲線、最高點(diǎn)曲線的整體縫隙輪廓；

縫隙幾何尺寸獲取模塊：用于根據(jù)擬合的曲線獲取縫隙的幾何尺寸。

1、采用上述測量方法及裝置，能夠自動、快速、高精度對金屬、塑料、橡膠、陶瓷、合成、軟質(zhì)等等不同材料的自由曲面內(nèi)縫隙的三維幾何尺寸測量，大大減少專業(yè)技術(shù)人員的需求。

2、基于系統(tǒng)軟件平臺，在線構(gòu)造三維虛擬測量環(huán)境，用于分析描述自由曲面內(nèi)縫隙的關(guān)鍵特征和幾何尺寸；與人-機(jī)交互界面組合，易于圖像采集裝置位于不同待測位置的時序控制，形成一個穩(wěn)定、安全、可視化、易操作的測量系統(tǒng)。

3、檢測結(jié)果清楚直觀，縫隙輪廓可三維顯示，并達(dá)到如下性能指標(biāo)：

縫隙長度范圍5～400mm時測量精度25μm，縫隙寬度范圍3～50mm時測量精度20μm，縫隙深度范圍0～20mm時測量精度15μm、測量分辨率3μm。

4、測量平臺搭建科學(xué)，簡單穩(wěn)定，易于維護(hù)，使用方便靈活；定位準(zhǔn)確，檢測精度高，重復(fù)性好，使用范圍廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法第一實(shí)施例的流程圖。

圖2是圖像采集裝置與待測量自由曲面產(chǎn)品的位置關(guān)系示意圖。

圖3是本發(fā)明全局坐標(biāo)系下縫隙輪廓表達(dá)示意圖。

圖4是本發(fā)明自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法第二實(shí)施例的流程圖

圖5是本發(fā)明第三實(shí)施例中圖像采集步驟的流程圖。

圖6是本發(fā)明第四實(shí)施例中下一段位姿控制流程圖。

圖7是圖像采集裝置的位姿與被測縫隙間的對應(yīng)空間幾何關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參見圖1，圖1是本發(fā)明自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法第一實(shí)施例的流程圖。本實(shí)施例的自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法包括以下步驟：

S1、縫隙圖像采集步驟：分段采集待測自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像；

本步驟中，在所述縫隙圖像采集步驟中，根據(jù)待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙位置及長度，由首至尾的逐段采集縫隙圖像；從而逐步自動采集獲取完整的縫隙輪廓圖像。

本圖像采集步驟中，通過圖像采集裝置以及上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)圖像采集，通過“3+1”自由度的圖像采集裝置逐段采集待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像，并將采集到的縫隙圖像發(fā)送至上位機(jī)，從而使上位機(jī)依次獲取到待測量自由曲面產(chǎn)品的每一段縫隙圖像。具體地：

上位機(jī)控制圖像采集裝置的每一段采集位姿以及觸發(fā)圖像采集裝置進(jìn)行縫隙圖像采集。根據(jù)縫隙的長度及位置，將圖像采集裝置移動至初始位置進(jìn)行由首至尾的逐段采集。具體可以在上位機(jī)中輸入起點(diǎn)位置，上位機(jī)控制圖像采集裝置移動至被測縫隙的起點(diǎn)，點(diǎn)擊連續(xù)觸發(fā)按鈕啟動激光器發(fā)射激光，手動或自動控制使線光束近似(例如85～95度)或垂直垂直照射到待測縫隙內(nèi)部；根據(jù)圖像采集裝置當(dāng)前采集的縫隙輪廓自動調(diào)整圖像采集裝置的姿態(tài)；當(dāng)前段采集完成后，上位機(jī)根據(jù)圖像采集裝置的當(dāng)前姿態(tài)以及根據(jù)當(dāng)前段圖像和前一段圖像數(shù)據(jù)來控制圖像采集裝置向前勻速移動，周期間隔觸發(fā)激光器發(fā)射激光，同時圖像采集裝置等周期的拍照采樣傳送至上位機(jī)。

所述圖像采集裝置包括線激光器及相機(jī)，所述線激光器發(fā)射線激光條束垂直照射到縫隙內(nèi)部；所述相機(jī)與激光器形成固定角度安置，以保證相機(jī)視場能夠覆蓋光束區(qū)域，相機(jī)鏡頭的中心線正對著線激光光束的中心。

本發(fā)明的圖像采集裝置的位姿是上位機(jī)自動控制的，在圖像采集裝置逐段采集待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像的過程中，上位機(jī)基于軟件環(huán)境，在線建立局部虛擬測量基準(zhǔn)(即局部虛擬坐標(biāo))，以已獲取的縫隙輪廓幾何尺寸以及當(dāng)前圖像采集裝置的位姿來約束掃描儀的下一處的空間位姿，保持縫隙輪廓處于有效視場范圍內(nèi)，逐步實(shí)現(xiàn)對整個縫隙輪廓的自動采集。局部虛擬坐標(biāo)可以如下建立：

在獲取到第一段縫隙圖像時，上位機(jī)建立當(dāng)前段局部虛擬三維坐標(biāo)系，根據(jù)局部虛擬三維坐標(biāo)系定位該段的縫隙輪廓邊緣特征點(diǎn)、縫隙內(nèi)部拐點(diǎn)、最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)等邊緣特征點(diǎn)；在后續(xù)的每獲取一段縫隙輪廓時，更新一次局部虛擬三維坐標(biāo)系，直至最后一段縫隙采集完畢。由局部虛擬坐標(biāo)系可得知當(dāng)前段的位姿以及邊緣特征點(diǎn)。

圖2，圖2是圖像采集裝置與待測量自由曲面產(chǎn)品的位置關(guān)系示意圖。在圖像采集之前，先將待測量自由曲面產(chǎn)品固定在一安裝臺上；然后將圖像采集裝置固定在一位于所述安裝臺一側(cè)的移動單元上，最后，調(diào)控線激光掃描儀的位姿使其線激光垂直照射到待測縫隙內(nèi)部，并且保證縫隙內(nèi)部輪廓處于其有效視場范圍內(nèi)(用戶可以先進(jìn)行手動初調(diào)初始位姿，然后再通過上位機(jī)控制移動單元工作來微調(diào)圖像采集裝置的位置；也可以全程采集上位機(jī)控制圖像采集裝置的初始采集位置)。其中，移動單元包括與待測量縫隙的寬度方向相應(yīng)的X向底座、立設(shè)于X向底座上能夠根據(jù)一第一電機(jī)的驅(qū)動在X向移動的與所述待測量縫隙的高度方向相應(yīng)的Z向軸桿、水平設(shè)于所述Z向軸桿上且能夠根據(jù)一第二電機(jī)的驅(qū)動在Z向移動的與所述待測量縫隙的長度方向相應(yīng)的Y向軸桿以及用于驅(qū)動Y向軸桿在Y向進(jìn)行移動的第三電機(jī)，所述圖像采集單元設(shè)于所述Y向軸桿上相應(yīng)于所述安裝部的一端，該圖像采集裝置能夠根據(jù)一第四電機(jī)的驅(qū)動沿待測量縫隙的長度方向轉(zhuǎn)動，所述第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)及第四電機(jī)均與所述上位機(jī)信號連接；所述上位機(jī)控制移動單元工作，從而能夠使圖像采集裝置“3+1”自由度移動，以調(diào)整圖像采集裝置的位姿，使其在采集縫隙圖像時，其采集方向與待測量縫隙的待采集面垂直。

S2、縫隙圖像處理步驟：對采集到的每段縫隙圖像進(jìn)行處理以得到每段縫隙輪廓，定位每段縫隙輪廓的邊緣特征點(diǎn)、縫隙內(nèi)部拐點(diǎn)、最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)；

本步驟中，所述上位機(jī)對獲取到的每段縫隙圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括平滑去噪，剔除異常點(diǎn)，邊緣分割，以得到每段縫隙輪廓；再根據(jù)建立的局部虛擬測量基準(zhǔn)對每段縫隙邊緣特征點(diǎn)、縫隙內(nèi)部拐點(diǎn)、最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)進(jìn)行定位。

每次采集獲取的縫隙點(diǎn)云數(shù)據(jù)a_i,j(i＝1,2...M₁；j＝1,2,...M₂)，M₁為采集次數(shù)，M₂為掃描光束的采樣點(diǎn)數(shù)，首先經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波、平滑、分割、邊緣特征提取定位縫隙的邊緣點(diǎn)和最高點(diǎn)最低點(diǎn)以及重要拐點(diǎn)集合k_i，如圖7所示。

局部虛擬測量基準(zhǔn)即上述局部虛擬三維坐標(biāo)系，其建立方法如上，此處不再贅述。

S3、配準(zhǔn)拼接步驟：在全部采集完成后，在全局坐標(biāo)系下將每一段縫隙輪廓進(jìn)行配準(zhǔn)拼接；

在每一次的圖像處理完成后，將圖像采集裝置坐標(biāo)與姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系內(nèi)；

在全局坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)對邊緣曲線、最低點(diǎn)曲線的分段擬合與拼接。

S4、分段擬合步驟：對配準(zhǔn)拼接后的縫隙輪廓的特征點(diǎn)進(jìn)行分段擬合，以得到具有縫隙最低點(diǎn)曲線、邊緣曲線、最高點(diǎn)曲線的整體縫隙輪廓；本步驟中，在全局虛擬環(huán)境(全局坐標(biāo)系)下，細(xì)劃縫隙的三維圖形、計(jì)算相對應(yīng)的縫隙特征間的寬度、深度及長度等幾何尺寸。

上位機(jī)將局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下，并在全局坐標(biāo)系內(nèi)對拼接完整的縫隙輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行表面重構(gòu)、簡化、平滑、特征點(diǎn)定位，再進(jìn)行分段曲線擬合，描述出縫隙的最低點(diǎn)曲線、邊緣曲線、最高點(diǎn)曲線。

請參見圖3，所述全局坐標(biāo)系基于虛擬軟件環(huán)境建立，在虛擬軟件環(huán)境中首先注冊圖像采集裝置的初始采集位姿為全局坐標(biāo)系零點(diǎn)；再次建立包含注冊初始基準(zhǔn)點(diǎn)的X、Y平面，其中X與Y軸相互正交；最后建立垂直于X、Y平面的Z軸；每個基準(zhǔn)面的長度受到邊緣點(diǎn)和相對最大距離約束，寬度是由相鄰采樣光束的采樣間隔以及采樣區(qū)域約束。虛擬參考基準(zhǔn)可使得圖像采集裝置更加柔性靈活地適應(yīng)自由曲面的形狀變化。全局坐標(biāo)系的建立與圖像采集裝置相互對應(yīng)，在使用前必須對全局坐標(biāo)系進(jìn)行校準(zhǔn)。在全局坐標(biāo)系內(nèi)完成每段縫隙輪廓的配準(zhǔn)拼接、縫隙幾何參數(shù)分析。所述縫隙幾何尺寸幾何量描述包括相對高度差、寬度差、角度，用戶自行對獲取的縫隙三維圖形進(jìn)行標(biāo)定而軟件系統(tǒng)自動生成。

局部三維坐標(biāo)系建立時，圖像采集裝置在全局坐標(biāo)系OXYZ相對應(yīng)的初始姿態(tài)與初始位置已知；利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，將局部坐標(biāo)系的輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系內(nèi)。

S5、縫隙幾何尺寸獲取步驟：根據(jù)擬合的曲線獲取縫隙的幾何尺寸。

在全局坐標(biāo)系下對縫隙幾何尺寸進(jìn)行比對與評價，比較關(guān)鍵特征間的深度、寬度、長度、角度等幾何特征關(guān)系。在全局虛擬環(huán)境下，細(xì)劃縫隙的三維圖形、計(jì)算相對的寬度、深度及長度等幾何尺寸特征關(guān)系。

在全局坐標(biāo)系內(nèi)對局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再拼接融合成3D縫隙輪廓圖形，在全局坐標(biāo)系內(nèi)，利用最小二乘法將邊緣點(diǎn)和最高點(diǎn)最低點(diǎn)以及重要拐點(diǎn)集合k_i分段擬合。利用空間投影方法分別描述各分段曲線內(nèi)邊緣點(diǎn)之間、邊緣點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的空間幾何關(guān)系，得出相對的高度差h_i、位移差l_ij；描述各分段曲線之間的角度關(guān)系η_i；標(biāo)注出縫隙的各關(guān)鍵點(diǎn)的幾何關(guān)系網(wǎng)，計(jì)算縫隙最大長度L_max、最大深度H_max、最大寬度W_max。

本發(fā)明實(shí)施方式，采用上述測量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同材質(zhì)的自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸自動、快速、高質(zhì)量的輪廓采樣，減少測量過程中的人為干涉影響。在線構(gòu)造三維虛擬測量環(huán)境，用于分析描述自由曲面內(nèi)縫隙的幾何尺寸，并與人-機(jī)交互界面組合，便于傳感器位于不同待測位置的時序控制，形成一個穩(wěn)定、安全、可視化、易操作的測量系統(tǒng)。檢測結(jié)果清楚直觀，縫隙輪廓可三維顯示，并達(dá)到如下性能指標(biāo)：縫隙長度范圍5～400mm時測量精度25μm，縫隙寬度范圍3～50mm時測量精度20μm，縫隙深度范圍0～20mm時測量精度15μm、測量分辨率3μm。測量平臺搭建科學(xué)，簡單穩(wěn)定，易于維護(hù)，使用方便靈活；定位準(zhǔn)確，檢測精度高，重復(fù)性好，使用范圍廣。

請參見圖4，圖4是本發(fā)明自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法第二實(shí)施例的流程圖。本實(shí)施例包括以下步驟：

S1a、縫隙圖像采集步驟；

S2a、縫隙圖像處理步驟；

S3a、缺失區(qū)域識別標(biāo)注步驟：掃描當(dāng)前段圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否有缺失區(qū)域，若有，標(biāo)識該缺失區(qū)域后進(jìn)入S4a步驟，若沒有，直接進(jìn)入S4a步驟；

S4a、配準(zhǔn)拼接步驟；

S5a、缺失區(qū)域段重新采集處理步驟：將具有缺失區(qū)域的段圖像重新進(jìn)行S1a、S2a、S4a的處理，以獲取更全面的圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高尺寸測量的精確性；

S6a、分段擬合步驟；

S7a、縫隙幾何尺寸獲取步驟。

本發(fā)明實(shí)施方式，與第一實(shí)施例相比，對于缺失區(qū)域的某段或某些段圖像進(jìn)行重新采集和圖像處理，得到新的沒有缺失區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，從而在后續(xù)的圖像尺寸獲取步驟中，能夠計(jì)算到更精確的圖像尺寸。

請參見圖5，圖5是本發(fā)明自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量方法第三實(shí)施例中圖像采集步驟的流程圖。該圖像采集步驟可以應(yīng)用于上述第一實(shí)施例和/或第二實(shí)施例的尺寸測量方法中。本實(shí)施例的圖像采集步驟包括以下子步驟：

S11、初始采集位姿獲取子步驟：根據(jù)待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙位置獲取該縫隙的初始采集位姿；

S12、終點(diǎn)采集位置獲取子步驟：根據(jù)待測量曲面產(chǎn)品的縫隙位置及長度獲取該縫隙的最后一次采集位置；

S13、初始采集裝置位姿調(diào)整子步驟：根據(jù)獲取的初始采集位姿調(diào)整采集裝置的初始位姿；

本步驟包括以下子步驟：

S131、將圖像采集裝置移動至初始采集位置處(即p₀(x₀,y₀,z₀))并調(diào)整該圖像采集裝置的初始采集向量

在一些具體實(shí)施方式中，可以手動將圖像采集裝置移動至初始采集位置處再調(diào)整初始采集向量在本實(shí)施方式中，初始采集向量為手動調(diào)整，用戶可以先調(diào)整初始采集方向后，再控制圖像采集裝置使其移動至初始采集位置，也可以先通過上位機(jī)控制圖像采集裝置移動至初始采集位置后，再手動粗調(diào)初始采集向量

S132、縫隙圖像試采集；

當(dāng)圖像采集裝置移動至初始采集位置并粗調(diào)初始采集方向后，上位機(jī)控制圖像采集裝置開始縫隙圖像采集。

S133、根據(jù)試采集的縫隙圖像得到縫隙輪廓；

如圖6所示，當(dāng)所述圖像采集裝置試采集到圖像信息后，將采集的圖像發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)對采集到的縫隙圖像進(jìn)行處理得到縫隙圖像輪廓，進(jìn)而得到當(dāng)前段縫隙圖像輪廓的最高點(diǎn)最低點(diǎn)重要拐點(diǎn)集合k_i、以及縫隙寬度方向的兩邊緣點(diǎn)(即左邊緣點(diǎn)右邊緣點(diǎn))；

S134、根據(jù)所述縫隙輪廓計(jì)算輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的法向向量

S135、判斷所述法向向量與圖像采集裝置的初始采集方向向量的夾角的絕對值是否大于或等于第一閾值，若大于或等于所述第一閾值，則進(jìn)入S136步驟，若小于所述第一閾值，則將當(dāng)前試采集的圖像視為首段采集，轉(zhuǎn)入下一段待采集縫隙的采集位置調(diào)整步驟；

S136、若大于或等于所述第一閾值，則根據(jù)大于或等于的角度調(diào)整所述圖像采集裝置的位姿(即C向和Y向調(diào)整，具體調(diào)整方式可見下文中S173和S174步驟)，以使其采集光束方向垂直地射入待測量自由曲面產(chǎn)品的縫隙內(nèi)，進(jìn)入當(dāng)前段圖像采集步驟，以重新進(jìn)行縫隙圖像的首段采集。

上述S132步驟至S135步驟主要用于對圖像采集裝置的位姿進(jìn)行微調(diào)，以彌補(bǔ)手動粗調(diào)精度不準(zhǔn)的缺陷，還用戶當(dāng)處理得到用戶粗調(diào)精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，直接將試采集試為首段采集，避免首段采集重復(fù)，簡化采集步驟、采集復(fù)雜度?？梢岳斫獾?，在其他的實(shí)施例中，所述初始采集向量也可以全程采集上位機(jī)控制自動調(diào)整，直至初始采集向量與采集得到的法向向量的夾角滿足第一閾值(即滿足采集方向與縫隙所在的面相垂直或近似垂直)。

S15、當(dāng)前段縫隙圖像采集子步驟：采集該段的縫隙圖像；

S17、下段縫隙采集位置對應(yīng)的采集裝置位姿調(diào)整子步驟：判斷下一段采集位置是否超出終點(diǎn)采集位置；若超出終點(diǎn)采集位置則結(jié)束；若未超出，則根據(jù)當(dāng)前段和當(dāng)前段的上一段縫隙圖像信息、對應(yīng)的的圖像采集裝置的位姿約束下一段待采集的縫隙圖像位置對應(yīng)的圖像采集裝置的位姿，并據(jù)此調(diào)整圖像采集裝置的位姿。

請參見圖6及圖7，本步驟包括以下子步驟：

S171、根據(jù)當(dāng)前段縫隙圖像的縫隙輪廓的拐點(diǎn)集合k_ij計(jì)算得到當(dāng)前縫隙輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的法向向量

S172、判斷所述法向向量與上一段采集的縫隙圖像對應(yīng)的縫隙輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的法向向量的夾角Δθ_i的絕對值是否大于或等于預(yù)設(shè)的第一閾值；若大于或等于預(yù)設(shè)的第一閾值，則進(jìn)入S173步驟，若小于預(yù)設(shè)的第一閾值Δθ，則轉(zhuǎn)入S176步驟；

S173、控制所述圖像采集裝置沿縫隙的長度方向(以下稱C向)轉(zhuǎn)動Δθ_i度；該步驟包括以下子步驟：

S173a、判斷所述夾角Δθ_i是否大于或等于正的第一閾值+Δθ，若是，則進(jìn)入S173b步驟，若否，則轉(zhuǎn)入S173c步驟；

S173b、控制圖像采集裝置C向順時針轉(zhuǎn)動角度Δθ_i，轉(zhuǎn)入S174a步驟；

S173c、所述夾角Δθ_i小于或等于負(fù)的第一閾值-Δθ；

S173d、控制圖像采集裝置C向逆時針轉(zhuǎn)動角度Δθ_i,轉(zhuǎn)入S174b步驟；

S174、根據(jù)轉(zhuǎn)動角度Δθ_i計(jì)算圖像采集裝置沿縫隙長度方向Y的相應(yīng)位移ΔY位置，使圖像采集裝置回位，從而使圖像采集裝置的采集方向近似垂直于縫隙內(nèi)，即y_i＝y(tǒng)_i，y_i為圖像采集裝置在縫隙長度方向Y坐標(biāo)，即Y方向坐標(biāo)；然后再觸發(fā)圖像采集裝置再次采集當(dāng)前段圖像，即再次進(jìn)入當(dāng)前段圖像采集的步驟，以保證當(dāng)前段圖像的采集是在正確的位姿下采集后，覆蓋原點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使得a_i,j＝a_i,j后，進(jìn)入S175步驟；

所述S174步驟包括以下子步驟：

S174a、控制所述圖像采集裝置沿縫隙長度方向正方向勻速移動ΔY位置，以使圖像采集裝置回位，即y_i＝y(tǒng)_i，轉(zhuǎn)入S174c步驟；

S174b、控制所述圖像采集裝置沿縫隙長度方向反方向移動ΔY位置，以使圖像采集裝置回位；

S174c、觸發(fā)圖像采集裝置再次采集當(dāng)前輪廓，覆蓋原點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即使得a_i,j＝a_i,j，a_i,j表示當(dāng)前段的圖像縫隙的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

S175、判斷圖像采集裝置的下一段采集位置y_i+1＝y(tǒng)_i+t_y是否超出終點(diǎn)y_final，即y_i+1＝y(tǒng)_i+t_y≤y_final，所述t_y為采樣間隔；若超出終點(diǎn)，則結(jié)束采集，若未超出終點(diǎn)，則進(jìn)入S176步驟；

S176、則圖像采集裝置沿縫隙的長度方向正方向勻速移動采樣間隔t_y，使得y_i+1＝y(tǒng)_i+t_y；

S177、判斷待采集的下一段縫隙在縫隙的寬度方向(X方向)和高度方向(Z方向)是否位于圖像采集裝置的規(guī)定的視場采集范圍內(nèi)，該規(guī)定的視場采集范圍處于圖像采集裝置的有效采集視場范圍內(nèi)(見圖7)；若未位于所述圖像采集裝置的規(guī)定采集視場的范圍內(nèi)，則進(jìn)入S178步驟，若位于所述圖像采集裝置的規(guī)定采集視場的范圍內(nèi)，則轉(zhuǎn)入S15步驟，以進(jìn)行下一段縫隙的當(dāng)前圖像采集；

本實(shí)施例中，可以通過以下步驟調(diào)整圖像采集裝置在X方向位姿，以使得其在寬度方向位于有效采集視場范圍內(nèi)：

S1771、判斷其中,x_i表示當(dāng)前段縫隙對應(yīng)的圖像采集裝置在縫隙的寬度方向X的坐標(biāo)，即X方向坐標(biāo)，x_i+1表示圖像采集裝置下一段采集時的X方向坐標(biāo)，為當(dāng)前段縫隙圖像的縫隙輪廓的邊緣中點(diǎn)，為上一段縫隙圖像的縫隙輪廓的邊緣中點(diǎn)，F(xiàn)_w圖像采集裝置的視場寬度(見圖7)；若大于或等于，則進(jìn)入S1772步驟；若小于，則轉(zhuǎn)入S1773步驟；

S1772、下一段圖像采集裝置的寬度方向X的坐標(biāo)為

S1773、判斷若小于或等于，則進(jìn)入S1774步驟，若大于，則視為下一段圖像采集裝置的寬度方向X的視場位于規(guī)定采集視場內(nèi)；

S1774、下一段圖像采集裝置的寬度方向X的坐標(biāo)為則

本實(shí)施例中，可以通過以下步驟調(diào)整圖像采集裝置在Z方向位姿，以使得其在高度方向位于規(guī)定采集視場范圍內(nèi)：

S1771’、判斷其中，為當(dāng)前段縫隙圖像的縫隙輪廓的最低點(diǎn)，為上一段縫隙圖像的縫隙輪廓的最低點(diǎn)，F(xiàn)_h為圖像采集裝置的視場高度(見圖6)，z_i表示當(dāng)前段縫隙對應(yīng)的圖像采集裝置在高度方向Z的坐標(biāo)，即Z方向坐標(biāo),z_i+1表示圖像采集裝置下一段采集時Z方向坐標(biāo)，若大于或等于，則進(jìn)入S1772’步驟，若小于，則轉(zhuǎn)入S1773’；

S1772’、下一段圖像采集裝置的Z坐標(biāo)為

S1773’、判斷若小于或等于，則進(jìn)入S1774’步驟，否則，視為下一段圖像采集裝置的高度方向Z的視場位于規(guī)定采集視場內(nèi)；

S1774’、下一段圖像采集裝置的高度方向Z的坐標(biāo)則為

S178、調(diào)整圖像采集裝置的X方向坐標(biāo)和/或Z方向坐標(biāo)，使其采集視場位于規(guī)定采集視場范圍內(nèi)，當(dāng)X方向坐標(biāo)和Z方向坐標(biāo)均位于規(guī)定采集視場范圍內(nèi)后，然后再觸發(fā)圖像采集裝置采集新位置的縫隙圖像，即再次轉(zhuǎn)入當(dāng)前段圖像采集步驟，以采集新位置的縫隙圖像。

上述X方向和Z方向坐標(biāo)的調(diào)整流程并無先后順序，在一些實(shí)施例中，可以先調(diào)整Z方向坐標(biāo)后再調(diào)整X方向坐標(biāo)，也可以先調(diào)整X方向坐標(biāo)后再調(diào)整Z方向坐標(biāo)。

在一些實(shí)施例中，所述S12步驟只要在S17步驟之前即可。

采用上述方法進(jìn)行測量，可以連續(xù)自動對自由曲面內(nèi)縫間隙輪廓進(jìn)行高質(zhì)量的采樣，通過對輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、拼接、分段擬合，可以描繪出縫隙的立體圖形，通過虛擬環(huán)境下對縫隙內(nèi)關(guān)鍵特征點(diǎn)的定位及幾何關(guān)系的表達(dá)，可以計(jì)算出縫隙的幾何尺寸。僅需一鍵操作即可實(shí)現(xiàn)對自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸的測量，自動化程度高、測量速度快，不存在人為誤差影響，提高測量精度。

本發(fā)明還公開了一種自由曲面內(nèi)縫隙幾何尺寸測量裝置，包括：

縫隙圖像采集裝置：用于分段采集待測自由曲面產(chǎn)品的縫隙圖像；

縫隙圖像處理模塊：用于對采集到的每段縫隙圖像進(jìn)行處理以得到縫隙截面輪廓，定位每段縫隙輪廓的邊緣特征點(diǎn)、縫隙內(nèi)部拐點(diǎn)、最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)；

配準(zhǔn)拼接模塊：用于將處理后的每一段縫隙輪廓進(jìn)行配準(zhǔn)拼接；

分段擬合模塊：用于對配準(zhǔn)拼接后的縫隙輪廓的特征點(diǎn)進(jìn)行分段擬合，以得到具有縫隙最低點(diǎn)曲線、邊緣曲線、最高點(diǎn)曲線的整體縫隙輪廓；

縫隙幾何尺寸獲取模塊：用于根據(jù)擬合的曲線獲取縫隙的深度、長度以及寬度。

本發(fā)明的縫隙幾何尺寸測量裝置的功能參見上述方法描述，此處不再一一贅述。

以上僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。