基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置及方法，该装置由线激光器、旋转云台、丝杠滑块、滑块连接板、工业相机、丝杠模组、控制开关、电路板和电机驱动器构成。该方法，具体步骤包括：测量系统标定、扫描测量、ICP(Iterative Closest Points)迭代最近点算法拼接。本发明专利技术选用高分辨率的工业CCD相机，采用旋转云台带动线激光器实现扫描功能，丝杠传动带动滑块组件可实现相机和结构光的转站目的，增加了系统的测量范围。该系统避免了双目视觉中目标匹配问题，通过结构光与高速摄像机的精密配合，可实现大尺寸三维立体的高精度测量。

Visual Measuring Device and Method for Large Forging Size Based on Line Structured Light Scanning

The invention relates to a visual measuring device and method for large forging size based on line structured light scanning. The device consists of a line laser, a rotating platform, a screw slider, a slider connecting plate, an industrial camera, a screw module, a control switch, a circuit board and a motor driver. The specific steps of this method include: measurement system calibration, scanning measurement, ICP (Iterative Closest Points) iterative nearest point algorithm splicing. The invention adopts a high resolution industrial CCD camera, adopts a rotating platform driving line laser to realize scanning function, and a screw driving slider module to realize the purpose of turning the camera and structured light, thus increasing the measuring range of the system. The system avoids the problem of target matching in binocular vision. By the precise cooperation of structured light and high-speed camera, the high-precision measurement of large-scale three-dimensional can be realized.

【技术实现步骤摘要】
基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置及方法
本专利技术属于视觉测量
，涉及一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置及方法，尤其适用于非接触式工业检测。
技术介绍
大型锻件主要用于制造重大装备的关键和重要部件，是重大装备制造的关键技术之一，主要用于电力、冶金、造船、重型机械等领域。其质量直接影响到重大装备的整体水平和运行可靠性，是发展先进装备制造业的前提，是衡量一个国家制造业发展水平和先进程度的重要标志之一。传统的测量方式主要采用机械式量具，如大尺寸接杆式内径千分尺、带千分尺的卡规等。这些量具体积庞大，重量也大，需要数人同时操作。随着机器视觉技术的发展，目前国内外已经开展了相关的研究及应用实验，将机器视觉系统引入到零件尺寸测量中来，但是目前大多数研究集中在小型轴类零件的识别与参数测量，并且是在一个视觉区域中对测量对象的测量，对大型零件尺寸测量及多视觉区域的研究相对较少。综上所述，提出一种符合现代化工厂生产要求的非接触性大尺寸零件的测量方法具有较大的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置及方法，实现非接触测量并达到良好的可靠性和测量精度。基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，由线激光器1、旋转云台2、丝杠滑块3、滑块连接板4、工业相机5、丝杠模组6、控制开关7、电路板8，电机驱动器9、光平面11和测量区域12组成。测量对象10为本视觉测量装置的测量对象，光平面11为线结构光光平面，测量区域12为工业相机的视觉测量区域。大型锻件尺寸视觉测量平台包括线激光器1和固定并带动其转动扫描的旋转云台2。旋转云台2由固定连接件21、电机22和云台支座23组成。固定连接件21为圆筒状，固定连接件21的径向安装紧定螺钉211，用于安装固定线激光器1。云台支座23在旋转云台2的最下面，和水平底座相连接。电机22固联在云台支座23上。固定连接件21和电机22的电机轴固定连接。工业相机5由连接底托51、相机镜头52和镜头锁紧圈53组成，521是镜头对焦环，52相机镜头通过53镜头锁紧圈与CCD相机5连接，521镜头对焦环在52相机镜头上用于调节焦距。将旋转云台2安放在工业相机5一定距离的水平底座上，所述水平底座通过螺钉连接在丝杠模组6的滑块上，测量装置水平移动，实现多视觉区域的测量。旋转云台2通过螺栓固定连接在滑块连接板4上。工业相机5成测量角度固定在滑块连接板4的另一端。滑块连接板4与丝杠模组6上的丝杠滑块3通过螺钉连接。控制开关7为本测量装置的控制开关，电路板8为控制丝杠模组6和旋转云台2的控制电路板，电机驱动器9为丝杠模组6上电机22的驱动器。基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量方法，采用上述装置，具体步骤包括：(1)测量系统标定；(2)扫描测量；(3)迭代最近点算法(简称ICP算法)拼接。本专利技术的有益效果是：选用高分辨率的工业CCD相机，采用旋转云台带动线激光器实现扫描功能，丝杠传动带动滑块组件可实现相机和结构光的转站目的，增加了系统的测量范围。该系统避免了双目视觉中目标匹配问题，通过结构光与高速摄像机的精密配合，可实现大尺寸三维立体的高精度测量。附图说明图1为本专利技术装置的总体结构示意图；图2为本专利技术装置大型锻件尺寸视觉测量平台的结构示意图；图3为本专利技术装置旋转云台2的结构示意图；图4为本专利技术装置工业相机5的结构示意图；图5为本专利技术装置滑块连接板4的结构示意图；图6为本专利技术方法的扫描测量流程图；图7为本专利技术方法的坐标系示意图；图8为本专利技术方法的摄像机移动方式示意图；图9为本专利技术方法的匹配点配准原理图。具体实施方式结合附图1-9对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。本专利技术基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，包括线激光器1、旋转云台2、丝杠滑块3、滑块连接板4、工业相机5、丝杠模组6、控制开关7、电路板8，电机驱动器9、光平面11和测量区域12。测量对象10为本视觉测量装置的测量对象，光平面11为线结构光光平面，测量区域12为工业相机的视觉测量区域。大型锻件尺寸视觉测量平台包括线激光器1和固定并带动其转动扫描的旋转云台2。旋转云台2由固定连接件21、电机22和云台支座23组成。固定连接件21为圆筒状，固定连接件21的径向安装紧定螺钉211，用于安装固定线激光器1。云台支座23在旋转云台2的最下面，和水平底座相连接。电机22固联在云台支座23上。固定连接件21和电机22的电机轴固定连接。所述工业相机5包括连接底托51、相机镜头52和镜头锁紧圈53，521是镜头对焦环，52相机镜头通过53镜头锁紧圈与CCD相机5连接，521镜头对焦环在52相机镜头上用于调节焦距。将旋转云台2安放在工业相机5一定距离的水平底座上，所述水平底座通过螺钉连接在丝杠模组6的滑块上，测量装置水平移动，实现多视觉区域的测量。旋转云台2通过螺栓固定连接在滑块连接板4上。工业相机5成测量角度固定在滑块连接板4的另一端。滑块连接板4与丝杠模组6上的丝杠滑块3通过螺钉连接。控制开关7为本测量装置的控制开关，电路板8为控制丝杠模组6和旋转云台2的控制电路板，电机驱动器9为丝杠模组6上电机22的驱动器。所述工业相机5为CCD相机。丝杠模组6为滚珠丝杠模组，丝杠模组6的驱动电机为步进电机，电机驱动器9为步进电机驱动器。所述电路板8带有无线发射模块。基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量方法，采用上述装置，具体步骤包括：(1)测量系统标定；(2)扫描测量；(3)ICP算法拼接。该测量系统运用光学三角测量原理，工业相机5的光心，线激光器1的光心以及测量区域12和线激光器1的结构光的焦点形成三角形。由线激光器1将线结构光投射于测量对象表面，形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像，该图像由处于零位置的工业相机5捕捉，从而获得光条的二维畸变图像。具体操作步骤如下：1.测量系统的标定测量系统的标定就是为了统一参考对象，为后续测量对象的三维空间结算做准备。测量系统标定包括相机参数的标定和结构光参数的标定。采用张正友标定法对工业相机进行标定，获得摄像机地内参、外参和畸变参数。线激光器向测量对象投射线结构光，进行测量系统标定，建立世界坐标系Ow-XwYwZw，并确定工业相机和结构光参数。2.扫描测量扫描测量过程就是通过线结构光扫描和摄像机对扫描过程的图像采集的到测量对象的结构特征，再通过光学三角原理解算出被测对象的空间点坐标。3.ICP算法拼接ICP算法拼接的目的是将两个站点位置分别测量到的被测对象的特征点坐标数据统一到同一坐标系下，然后重建被测对象形貌，分别计算被测对象尺寸。ICP算法拼接的具体步骤为：步骤1：在站点1测量位置采集到拼接板上目标特征点云P中的取点集pi∈P；步骤2：找出源点云Q中的对应点集qi∈Q，使得||qi-pi||＝min；步骤3：计算旋转矩阵R和平移矩阵t，使得误差函数最小；步骤4：对pi使用步骤3求得的旋转矩阵R和平移矩阵t进行旋转和平移转换的到新的对应点击pi’＝{pi’＝Rpi+t，pi∈P}；步骤5：计算pi与对应点集qi的平均距离：步骤6：如果d小于某一给定的阈值或者大于预设的最大迭代次数，则停止迭代计算，否则返回步骤2，直到满足收敛条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，其特征在于，所述装置包括线激光器(1)、旋转云台(2)、丝杠滑块(3)、滑块连接板(4)、工业相机(5)、丝杠模组(6)、控制开关(7)、电路板(8)和电机驱动器(9)，测量对象(10)为本视觉测量装置的测量对象，光平面(11)为线结构光光平面，测量区域(12)为工业相机的视觉测量区域，大型锻件尺寸视觉测量平台包括线激光器(1)和固定并带动其转动扫描的旋转云台(2)，旋转云台(2)包括固定连接件(21)、电机(22)和云台支座(23)，所述固定连接件(21)为圆筒状，固定连接件(21)的径向安装紧定螺钉(211)，用于安装固定线激光器(1)，云台支座(23)在旋转云台(2)的最下面，和水平底座相连接，电机(22)固联在云台支座(23)上，固定连接件(21)和电机(22)的电机轴固定连接，工业相机(5)由连接底托(51)、相机镜头(51)和镜头锁紧圈(52)组成，(521)是镜头对焦环，(52)相机镜头通过(53)镜头锁紧圈与CCD相机(5)连接，(521)镜头对焦环在(52)相机镜头上用于调节焦距。将旋转云台(2)安放在工业相机(5)一定距离的水平底座上，所述水平底座通过螺钉连接在丝杠模组(6)的滑块上，测量装置水平移动，实现多视觉区域的测量，旋转云台(2)通过螺栓固定连接在滑块连接板(4)上，工业相机(5)成测量角度固定在滑块连接板(4)的另一端，滑块连接板(4)与丝杠模组(6)上的丝杠滑块(3)通过螺钉连接，控制开关(7)为本测量装置的控制开关，电路板(8)为控制丝杠模组(6)和旋转云台(2)的控制电路板，电机驱动器(9)为丝杠模组(6)上电机(22)的驱动器。...

【技术特征摘要】
1.一种基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，其特征在于，所述装置包括线激光器(1)、旋转云台(2)、丝杠滑块(3)、滑块连接板(4)、工业相机(5)、丝杠模组(6)、控制开关(7)、电路板(8)和电机驱动器(9)，测量对象(10)为本视觉测量装置的测量对象，光平面(11)为线结构光光平面，测量区域(12)为工业相机的视觉测量区域，大型锻件尺寸视觉测量平台包括线激光器(1)和固定并带动其转动扫描的旋转云台(2)，旋转云台(2)包括固定连接件(21)、电机(22)和云台支座(23)，所述固定连接件(21)为圆筒状，固定连接件(21)的径向安装紧定螺钉(211)，用于安装固定线激光器(1)，云台支座(23)在旋转云台(2)的最下面，和水平底座相连接，电机(22)固联在云台支座(23)上，固定连接件(21)和电机(22)的电机轴固定连接，工业相机(5)由连接底托(51)、相机镜头(51)和镜头锁紧圈(52)组成，(521)是镜头对焦环，(52)相机镜头通过(53)镜头锁紧圈与CCD相机(5)连接，(521)镜头对焦环在(52)相机镜头上用于调节焦距。将旋转云台(2)安放在工业相机(5)一定距离的水平底座上，所述水平底座通过螺钉连接在丝杠模组(6)的滑块上，测量装置水平移动，实现多视觉区域的测量，旋转云台(2)通过螺栓固定连接在滑块连接板(4)上，工业相机(5)成测量角度固定在滑块连接板(4)的另一端，滑块连接板(4)与丝杠模组(6)上的丝杠滑块(3)通过螺钉连接，控制开关(7)为本测量装置的控制开关，电路板(8)为控制丝杠模组(6)和旋转云台(2)的控制电路板，电机驱动器(9)为丝杠模组(6)上电机(22)的驱动器。2.如权利要求1所述的基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，其特征在于，所述工业相机(5)为CCD相机，所述电路板(8)上带有无线发射模块。3.如权利要求1所述的基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量装置，其特征在于，所述丝杠模组6为滚珠丝杠模组，丝杠模组6的驱动电机为步进电机，所述电机驱动器9为步进电机驱动器。4.一种采用权利要求1所述的装置基于线结构光扫描的大型锻件尺寸视觉测量方法，其特征在于，具体步骤包括：a.测量系统标定；b....

【专利技术属性】
技术研发人员：崔彦平，宋超博，刘欢，薛东，邓飞，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：河北,13