一种风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统及方法，该测量系统由环形轨道、多自由度机械臂、光学测量头和投影光源组成；被测轮毂放置在环形轨道内中心区域，多自由度机械臂及投影光源通过底座安装在环形轨道上，光学测量头安装在多自由度机械臂末端；机械臂通过底座可在轨道上绕轮毂做圆周运动；该测量系统基于主动式三维测量技术，通过投影光源配合测量头进行光学测量，结合机械臂的多自由度运动可实现对轮毂形貌特征参数的快速获取，具有自动化程度高、测量效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物体特征参数测量领域，具体涉及一种风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统及方法。
技术介绍
随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。其普遍存在以下缺点：(1)测量时操作人员凭手的感觉来保证测头与工件的接触压力，这往往因人而异且与读数之间很难定量描述；(2)刚性测头为非反馈型测头，不能用于数控坐标测量机上；(3)必须对测头半径进行三维补偿才能得到真实的实物表面数据。非接触式测量技术是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器和位置敏感传感器PSD等的出现，新型三维传感器不断出现，其性能也大幅度提高，光学非接触测量技术得到迅猛的发展。非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量。其中，光学非接触式测量是非接触式测量中主要采用的方法。光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。光学测量主要应用在现代工业检测。借用计算机技术，可以实现快速、准确的测量。方便记录、存储、打印、查询等等功能。光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着现代检测技术的进步，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，三维测量技术逐步成为人们的研究重点。光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用。一个完整的立体视觉系统通常可分为六大部分，包括：(1)图像采集。即通过图像传感器如数码相机等获得图像并将其数字化。(2)摄像机标定。就是通过实验和计算得到摄像机内外等参数。(3)特征提取。它是指从立体图像对中提取对应的图像特征，以进行后面的处理。(4)图像匹配。它将同一空间点在不同图像中的映像点对应起来，由此得到视差图像。(5)三维信息恢复。由相机标定参数和两幅图像像点的视差关系，求出场景点的深度信息，把不同的深度信息量化为不同的灰度值来表示，进而恢复景物的三维信息。(6)后处理。因恢复的三维信息有不连续性，所以要对恢复出的三维信息物体特征参数测量是光学测量的一项重要应用，但由于技术条件的限制，传统的测量系统在精度以及操作方面都有不足之处。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以实现快速、高精度的风力发电装备轮毂特征参数测量系统及方法。克服以往测量系统不能脱离人力的缺点，相比于传统的特征参数测量系统，能够实现特征参数的快速测量与处理，并且具有更高的精确度。本专利技术的技术方案是：一种风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统，包括环形轨道以及设置于环形轨道之上的机械支撑部分、投影光源、光学测量头以及电气控制部分；所述的环形轨道围绕轮毂铺设，且环形轨道的圆周上设有齿；所述的轮毂置于地面，且保持转轴安装孔所在平面与地面平行，三个轮毂安装支架竖直朝上；所述的机械支撑部分包括用于支撑投影光源的支架以及多自由度机械臂；所述多自由度机械臂固定于第一底座上，所述第一底座与环形轨道滑动连接，且第一底座上设有啮合所述环形轨道上的齿的第一传动齿轮，第一传动齿轮与设于第一底座上的第一驱动电机轴连接，通过第一驱动电机驱动第一传动齿轮实现第一底座绕环形轨道运动；所述支架为沿垂直方向升降的高度可调支架，其底端固定连接在第二底座上，所述第二底座与环形轨道滑动连接，且第二底座上设有啮合所述合环形轨道上的齿的第二传动齿轮，第二传动齿轮与第二驱动电机轴连接，通过第二驱动电机驱动第二传动齿轮实现第二底座绕环形轨道运动；所述投影光源安装于支架上端，且投影光源可实现俯仰摆动，以保证投影光覆盖轮毂被测形貌表面；所述多自由度机械臂的顶端通过转动副安装有光学测量头，通过多自由度机械臂的多自由度空间运动支撑光学测量头进行参数测量；所述电气控制部分包括工业控制计算机、数据采集模块以及图形处理模块；所述第一驱动电机以及第二驱动电机分别与工业控制计算机信号连接，工业控制计算机发出控制信号驱动第一驱动电机、第二驱动电机工作；所述数据采集模块包括信号调理电路以及数据采集卡，所述光学测量头将测量得到的信号经过信号调理电路处理，进而传入数据采集卡中，再经过串口连接计算机图形处理模块进行图形重建。上述多自由度机械臂包括大臂、小臂以及底座，所述大臂、小臂、底座以及测量头部分均至少具有一个自由度；其中大臂与底座、大臂与小臂、小臂与测量头之间均通过转动副转动连接，每个转动副均通过电机进行驱动。上述的投影光源采用光栅条纹投影，对光栅条纹进行编码与解相位。一种风力发电装备轮毂特征参数快速测量方法，包括如下步骤：步骤一，选择投影光源以及投影条纹：选择被周期函数调制的光栅条纹场，通过增加投影光的信息提高测量精度。步骤二，分别以图像平面、测量头光心为基准建立像平面坐标系、测量坐标系，然后进行光学测量头的标定；步骤三，建立测量系统模型：考虑到光学测量头、投影光源在三维空间的位置关系，建立参考坐标系与测量坐标系之间的关系，将相位-高度关系推广到三维空间中，得出物点的相位、相点与物点三维坐标之间的映射关系；步骤四，对轮毂安装支架、桨叶安装孔、转轴安装孔进行光学测量，由于轮毂安装支架、桨叶安装孔、转轴安装孔外形对投影光源场中的相位具有调制作用，因此光学测量头所拍摄到的条纹图像中会有相应的调制信息，对其进行相位信息编码，通过将编码信息加入条纹图中实现快速、准确的解相位；步骤五，将解相位后的三维坐标信息进行采集与处理，完成轮毂测量部分三维图像的重建；通过特征标识点的空间搜索与识别以及多视角的拼接，实现所需轮毂信息的呈现，获取所需的轮毂安装支架、桨叶轴安装孔、转轴安装孔尺寸参数。上述光学测量头的标定过程分为基于固定参数的标定和可变参数的标定，其标定步骤如下：(1)选择针孔模型作为测量头的理想模型，考虑光学测量头的非线性畸变以及投影光源位置等因素后，将理想模型校正为畸变模型；(2)利用图像处理技术进行测量头固定参数的标定，即先标定纵横比；(3)利用平面模板法标定可变参数的初值，即标定外部参数、成像中心、焦距参数，最后用最小二乘法对初值进行非线性优化得到最优解；所述外部参数指光学测量头与轮毂的相对位置。上述步骤三中测量系统模型的具体建立步骤如下：(1)以参考面为基准建立参考坐标系ΩW，以测量头光心为中心建立测量头坐标系ΩC，任取一物点P，设其在参考坐标系ΩW中的坐标为(X,Y,Z)，在测量头坐标系ΩC中的坐标为(XC,YC,ZC)；(2)用旋转矩阵RW、平移矩阵TW描述ΩW和ΩC之间的关系，则[X,Y,Z]T＝[RW,TW][XC,YC,ZC]T,其中上标字母T代表矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统，其特征在于：包括环形轨道(1)以及设置于环形轨道(1)之上的机械支撑部分、投影光源(16)、光学测量头(3)以及电气控制部分；所述的环形轨道(1)围绕轮毂(2)铺设，且环形轨道(1)的圆周上设有齿；所述的轮毂(2)置于地面，且保持转轴安装孔(20)所在平面与地面平行，三个轮毂安装支架(18)竖直朝上；所述的机械支撑部分包括用于支撑投影光源(16)的支架(5)以及多自由度机械臂(4)；所述多自由度机械臂(4)固定于第一底座(7)上，所述第一底座(7)与环形轨道(1)滑动连接，且第一底座(7)上设有啮合所述环形轨道(1)上的齿的第一传动齿轮(8)，第一传动齿轮(8)与设于第一底座(7)上的第一驱动电机(6)轴连接，通过第一驱动电机(6)驱动第一传动齿轮(8)实现第一底座(7)绕环形轨道(1)运动；所述支架(5)为沿垂直方向升降的高度可调支架，其底端固定连接在第二底座上，所述第二底座与环形轨道(1)滑动连接，且第二底座上设有啮合所述合环形轨道(1)上的齿的第二传动齿轮(15)，第二传动齿轮与第二驱动电机轴连接，通过第二驱动电机驱动第二传动齿轮实现第二底座绕环形轨道(1)运动；所述投影光源(16)安装于支架(5)上端，且投影光源(16)可实现俯仰摆动，以保证投影光覆盖轮毂被测形貌表面；所述多自由度机械臂(4)的顶端通过转动副安装有光学测量头(3)，通过多自由度机械臂(4)的多自由度空间运动支撑光学测量头(3)进行参数测量；所述电气控制部分包括工业控制计算机、数据采集模块以及图形处理模块；所述第一驱动电机(6)以及第二驱动电机分别与工业控制计算机信号连接，工业控制计算机发出控制信号驱动第一驱动电机(6)、第二驱动电机工作；所述数据采集模块包括信号调理电路以及数据采集卡，所述光学测量头(3)将测量得到的信号经过信号调理电路处理，进而传入数据采集卡中，再经过串口连接计算机图形处理模块进行图形重建。...

【技术特征摘要】
1.一种风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统，其特征在于：包括环形轨道(1)以及设置于环形轨道(1)之上的机械支撑部分、投影光源(16)、光学测量头(3)以及电气控制部分；所述的环形轨道(1)围绕轮毂(2)铺设，且环形轨道(1)的圆周上设有齿；所述的轮毂(2)置于地面，且保持转轴安装孔(20)所在平面与地面平行，三个轮毂安装支架(18)竖直朝上；所述的机械支撑部分包括用于支撑投影光源(16)的支架(5)以及多自由度机械臂(4)；所述多自由度机械臂(4)固定于第一底座(7)上，所述第一底座(7)与环形轨道(1)滑动连接，且第一底座(7)上设有啮合所述环形轨道(1)上的齿的第一传动齿轮(8)，第一传动齿轮(8)与设于第一底座(7)上的第一驱动电机(6)轴连接，通过第一驱动电机(6)驱动第一传动齿轮(8)实现第一底座(7)绕环形轨道(1)运动；所述支架(5)为沿垂直方向升降的高度可调支架，其底端固定连接在第二底座上，所述第二底座与环形轨道(1)滑动连接，且第二底座上设有啮合所述合环形轨道(1)上的齿的第二传动齿轮(15)，第二传动齿轮与第二驱动电机轴连接，通过第二驱动电机驱动第二传动齿轮实现第二底座绕环形轨道(1)运动；所述投影光源(16)安装于支架(5)上端，且投影光源(16)可实现俯仰摆动，以保证投影光覆盖轮毂被测形貌表面；所述多自由度机械臂(4)的顶端通过转动副安装有光学测量头(3)，通过多自由度机械臂(4)的多自由度空间运动支撑光学测量头(3)进行参数测量；所述电气控制部分包括工业控制计算机、数据采集模块以及图形处理模块；所述第一驱动电机(6)以及第二驱动电机分别与工业控制计算机信号连接，工业控制计算机发出控制信号驱动第一驱动电机(6)、第二驱动电机工作；所述数据采集模块包括信号调理电路以及数据采集卡，所述光学测量头(3)将测量得到的信号经过信号调理电路处理，进而传入数据采集卡中，再经过串口连接计算机图形处理模块进行图形重建。2.根据权利要求1所述的风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统，其特征在于：所述多自由度机械臂(4)包括大臂(9)、小臂(10)以及机械臂底座，所述大臂(9)、小臂(10)、机械臂底座以及光学测量头(3)均至少具有一个自由度；其中大臂(9)与机械臂底座、大臂(9)与小臂(10)、小臂(10)与光学测量头(3)之间均通过转动副转动连接，每个转动副均通过电机进行驱动；所述光学测量头(3)通过测量头夹持装置(12)与小臂(10)连接；所述机械臂底座固定于第一底座(7)上。所述的投影光源(16)采用光栅条纹投影，对光栅条纹进行编码与解相位。3.根据权利要求1所述的风力发电装备轮毂特征参数快速测量系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：章云，董洋，孙红，张文波，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61