一种锻件热态尺寸的非接触测量方法技术

本发明专利技术一种锻件热态尺寸的非接触测量方法属于高温锻件尺寸测量领域，特别涉及对锻件使用条状结构光进行尺寸测量的方法。先将锻件分为方形和圆柱形两大类，然后对第一、二ＣＣＤ摄像机的内外参数进行标定，建立相机与外部视场的坐标联系；向高温锻件投射条状结构光；利用图像采集系统采集投射条状结构光的高温锻件的图像；对采集到的图像进行处理，通过分析圆柱形和方形锻件上结构光边缘的形状特点，将关联锻件尺寸的特征点快速提取出来，结合第一、二ＣＣＤ摄像机的标定结果对锻件的特征点进行三维建模，并求出锻件的尺寸和锻件的部分形位误差。采用双目视觉技术实时拍摄高温锻件的图像，测量快速精确，能满足工业锻压生产的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高温锻件尺寸测量领域，特别涉及对锻件使用条状结构光进行尺寸测量的方法。
技术介绍
在锻压生产中需要对锻件的尺寸进行测量，由于锻件温度的影响尺寸测量极为困难。现有的测量方法主要为人工卡钳、量杆等直接接触测量。由于温度高，工作条件恶劣，直接接触测量的误差较大，在实际生产过程中通常借助增大锻件的加工余量的方法确保最终的锻压尺寸，因此导致了毛坯材料的浪费。此外在部分测量情况下，锻件必须离线，并从部分辅具上卸下，致使测量时间增长，并且对生产效率和锻件质量均有一定影响。所以解决大型热态锻件的精确在线测量对我国锻造行业的发展和技术进步有着重大的意义。目前采用的非接触式测量方法主要有激光扫描法、图像法等。 一重集团大连设计研究院的常怀德等申报的《锻件的在线非接触测量系统》(专利号ZL200620168580.6.)采用伺服电机带动工业摄像机自动识别锻件的边缘，通过相机之间的距离来确定锻件上下和左右边缘之间的尺寸。该系统虽然能快速测量锻件的尺寸，但仅能实现锻件整体尺寸的测量。 上海交通大学的杜正春等申报的《大型锻件的激光雷达在线三维测量装置与方法》(专利号ZL200710171878.1)采用激光测距原理，通过对大型锻件的连续扫描，采集锻件的表面信息，然后对锻件进行整体三维重构，最终通过分析锻件的重构结果完成锻件的尺寸测量。另外，上海交通大学的高峰、郭为忠等申报的专利技术专利《大型锻件三维外形尺寸和温度检测装置》(公开号CN 101216294A)公开了一种高温锻件的尺寸测量系统，该测量系统主要由高温型激光测距仪，计算机和二自由度并联转动扫描架组成，测量时由两个电机带动扫描架在两个互相垂直的方向作旋转运动，从而带动固定安装在平台上的高温型激光测距仪对准并扫描工件，同时获得锻件表面各点的距离和测量仪的相对的旋转角度，最后经数据处理，得到锻件表面各点的三维坐标等信息，进而通过三维重建求出锻件的尺寸。这两种方法通过激光对锻件的整体扫描能实现锻件大部分尺寸的测量和分析，但是在测量过程中采用全体逐点扫描方式获取信息，采集了工件的大量信息，且在计算时处理速度较慢，所以不能满足锻件尺寸的实时测量。 针对现有非接触性测量所需信息大，处理速度较慢和测量数据不完整等缺点，本专利技术经过对锻件的观察研究，将锻件大致分为圆柱形和方形两大类，采用图像采集系统结合测量过程中这两大类锻件的锻压特点，通过提取锻件的形貌特征点、线，从达到减少所需的测量信息，实现锻件锻压尺寸的快速测量。
技术实现思路
本专利技术主要解决的问题是克服以往非线性测量锻件信息采集量大、数据处理速度较慢，不能满足工业锻压生产实时测量的缺陷，采用双目视觉技术实时拍摄高温锻件的图像，通过提取的形貌特征点建立高温锻件的空间模型，然后计算出高温锻件的尺寸，为下一步的锻压提供尺寸参考。 本专利技术采用的技术方案是，一种锻件热态尺寸非接触测量方法其特征是先将锻件分为方形和圆柱形两大类，然后在进行尺寸测量时，对第一、二CCD摄像机2、7的内外参数进行标定，建立相机与外部视场的坐标联系；向高温锻件1投射条状结构光；利用图像采集系统采集投射条状结构光的高温锻件的图像；对采集到的图像进行处理，通过分析圆柱形和方形锻件上结构光边缘的形状特点将关联锻件尺寸的形貌特征点快速提取出来，同时结合外部视场到第一、二CCD摄像机2、7的变换矩阵对锻件的特征点进行三维建模，进而求出锻件的尺寸等信息；具体步骤如下 (1)确定第一、二CCD摄像机2、7及外部视场的坐标系 通过第一、二CCD摄像机2、7内参数焦距、主点坐标和外参数的标定，分别确立外部视场坐标系0W-XWYWZW到第一CCD摄像机2坐标系01-X1Y1Z1和第二CCD摄像机7坐标系02-X2Y2Z2的变换矩阵PIPII，其中PI、PII均为4×4的方阵； (2)在锻造过程中由DLP投影仪8向高温锻件1表面投射一组条状结构光 (3)采集投射条状结构光后的高温锻件图像 图像采集系统由第一、二CCD摄像机2、7，第一、二低通滤光片10、9，DLP投影机8和数据处理计算机5组成，图像采集时由计算机控制摄像机的控制盒4，通过第一、二CCD摄像机2、7同时采集投射结构光后的锻件的图像，摄像机镜头前端的第一、二低通滤光片10、9能够有效的除去锻件高温辐射造成的影响，采集到的锻件图像由数据传输线6实时地上传到计算机中，实现了对锻件图像的连续实时采集。 (4)对锻件图像进行数据处理 ①方形锻件的数据处理 1)特征点提取 条状结构光投射在锻件上时，会与锻件的边缘产生交点A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，此类点构成了方形锻件的总体轮廓，通过求解这些点之间的空间位置关系即可求得锻件的锻压尺寸，并且分别得到第一、二CCD摄像机2、7拍摄图像中的图像坐标为 (xA1，yA1)、(xB1，yB1)、(xC1，yC1) (x′A1，y′A1)、(x′B1，y′B1)、(x′C1，y′C1) (xA2，yA2)、(xB2，yB2)、(xC2，yC2)，(x′A2，y′A2)、(x′B2，y′B2)、(x′C2，y′C2) (xA3，yA3)、(xB3，yB3)、(xC3，yC3) (x′A3，y′A3)、(x′B3，y′B3)、(x′C3，y′C3) 2)空间求解 (a)计算特征点空间坐标 利用提取的锻件的特征点，结合外部视场坐标系到第一、二CCD摄像机2、7的坐标系的变换矩阵PI、PII求解各点的空间坐标，根据线性三角形法，在每一幅图像分别有 ...①...② 其中，X，Y，Z为一空间点的坐标，xI，yI为点在第一CCD摄像机2所拍摄图像中的坐标，xII，yII为第二CCD摄像机7所拍摄图像中的图像坐标，分别计算①、②两矩阵方程即可求得对应空间点的坐标(X，Y，Z)，故得到步骤1)中各特征点的空间坐标 (XA1，YA1，ZA1)、(XB1，YB1，ZB1)、(XC1，YC1，ZC1) (XA2，YA2，ZA2)、(XB2，YB2，ZB2)、(XC2，YC2，ZC2) (XA3，YA3，ZA3)、(XB3，YB3，ZB3)、(XC3，YC3，ZC3) (b)三维建模及尺寸求解 根据求得的各特征点的空间坐标，对方形锻件进行三维建模，然后根据三维模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸，将位于锻件上平面的六个点A1，B1，A2，B2，A3，B3拟合为一平面α然后，计算C1，C2，C3到平面α的距离d1，d2，d3，锻件的最终锻压尺寸d为 ②圆柱形锻件的数据处理 1)特征点提取 在锻压过程中因为锻压机的作用会使锻件表面产生凸起的棱边，当向锻件投射条状结构光的时候会产生交点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，而此类点构成了锻件的大致轮廓，通过分析条状结构光边缘的变化即可将形貌特征点提取出来； 2)空间求解 (a)计算特征点空间坐标 圆柱形锻件的空间坐标计算方法与方形锻件的空间坐标方法相同，经计算得到圆柱形锻件各特征点的空间坐标； (XA1，YA1，ZA1)、(XB1，YB1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锻件热态尺寸非接触测量方法其特征是先将锻件分为方形和圆柱形两大类，然后在进行尺寸测量时，对第一、二ＣＣＤ摄像机（２、７）的内外参数进行标定，建立相机与外部视场的坐标联系；向高温锻件（１）投射条状结构光；利用图像采集系统采集投射条状结构光的高温锻件的图像；对采集到的图像进行处理，通过分析圆柱形和方形锻件上结构光边缘的形状特点，将关联锻件尺寸的特征点快速提取出来，同时结合第一、二ＣＣＤ摄像机（２、７）的标定结果对锻件的特征点进行三维建模，并求出锻件的尺寸和锻件的部分形位误差，ｙ′↓［Ｂ３］）、（ｘ′↓［Ｃ３］，ｙ′↓［Ｃ３］）２）空间求解（ａ）计算特征点空间坐标利用提取的锻件的特征点，结合第一、二ＣＣＤ摄像机（２、７）的标定结果求解各点的空间坐标，根据线性三角形法，在每一幅图像分别有：＊＊＊其中，Ｘ，Ｙ，Ｚ为一空间点的坐标，ｘ↓［Ⅰ］，ｙ↓［Ⅰ］为点在第一ＣＣＤ摄像机（２）所拍摄图像中的坐标，ｘ↓［Ⅱ］，ｙ↓［Ⅱ］为第二ＣＣＤ摄像机（７）所拍摄图像中的图像坐标，分别计算①、②两矩阵方程即可求得对应空间点的坐标（Ｘ，Ｙ，Ｚ），故得到步骤１）中各特征点的空间坐标：（Ｘ↓［Ａ１］，Ｙ↓［Ａ１］，Ｚ↓［Ａ１］）、（Ｘ↓［Ｂ１］，Ｙ↓［Ｂ１］，Ｚ↓［Ｂ１］）、（Ｘ↓［Ｃ１］，Ｙ↓［Ｃ１］，Ｚ↓［Ｃ１］）（Ｘ↓［Ａ２］，Ｙ↓［Ａ２］，Ｚ↓［Ａ２］）、（Ｘ↓［Ｂ２］，Ｙ↓［Ｂ２］，Ｚ↓［Ｂ２］）、（Ｘ↓［Ｃ２］，Ｙ↓［Ｃ２］，Ｚ↓［Ｃ２］）（Ｘ↓［Ａ３］，Ｙ↓［Ａ３］，Ｚ↓［Ａ３］）、（Ｘ↓［Ｂ３］，Ｙ↓［Ｂ３］，Ｚ↓［Ｂ３］）、（Ｘ↓［Ｃ３］，Ｙ↓［Ｃ３］，Ｚ↓［Ｃ３］）（ｂ）三维建模及尺寸求解根据求得的各特征点的空间坐标，对方形锻件进行三维建模，然后根据三维模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸，将位于锻件上平面的六个点Ａ↓［１］，Ｂ↓［１］，Ａ↓［２，］Ｂ↓［２，］Ａ↓［３］，Ｂ↓［３］拟合为一平面α：Ｆ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝０，然后，计算Ｃ↓［１］，Ｃ↓［２］，Ｃ↓［３］到平面α的距离ｄ↓［１］，ｄ↓［２］，ｄ↓［３］，锻件的最终锻压尺寸＊为：＊＝（ｄ↓［１］＋ｄ↓［２］＋ｄ↓［３］）／３②圆柱形锻件的数据处理１）特征点提取在锻压过程中因为锻压机的作用会使锻件表面产生凸起的棱边，当向锻件投射条状结构光的时候会产生交点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１；Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２；Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３、Ｅ３，而此类点构成...

【技术特征摘要】
1.一种锻件热态尺寸非接触测量方法其特征是先将锻件分为方形和圆柱形两大类，然后在进行尺寸测量时，对第一、二CCD摄像机(2、7)的内外参数进行标定，建立相机与外部视场的坐标联系；向高温锻件(1)投射条状结构光；利用图像采集系统采集投射条状结构光的高温锻件的图像；对采集到的图像进行处理，通过分析圆柱形和方形锻件上结构光边缘的形状特点，将关联锻件尺寸的特征点快速提取出来，同时结合第一、二CCD摄像机(2、7)的标定结果对锻件的特征点进行三维建模，并求出锻件的尺寸和锻件的部分形位误差，为进一步的锻造提供尺寸参考；具体步骤如下(1)确定第一、二CCD摄像机(2、7)及外部视场的坐标系通过对摄像机内外参数的标定，PI为外部视场坐标系0W-XWYWZW到第一CCD摄像机2坐标系的01-X1Y1Z1的变换矩阵，PII为外部视场坐标系0W-XWYWZW到第二CCD摄像机7坐标系的02-X2Y2Z2的变换矩阵，PI、PII均为4×4的方阵，PI、PII均为4×4的方阵；(2)在锻造过程中，由DLP投影仪(8)向高温锻件(1)表面投射一组条状结构光；(3)采集投射条状结构光后的高温锻件图像图像采集系统由第一、二CCD摄像机(2、7)，第一、二低通滤光片(10、9)，DLP投影机(8)和进行数据处理计算的计算机(5)组成，图像采集时由计算机(5)控制摄像机的控制盒(4)，通过第一、二CCD摄像机(2、7)同时采集投射结构光的锻件的图像，摄像机镜头前端的第一、二低通滤光片(10、9)能够有效的除去锻件高温辐射造成的影响，采集到的锻件图像由数据传输线(6)实时地上传到计算机中，实现了对锻件图像的连续实时采集；(4)对锻件图像进行数据处理①方形锻件的数据处理1)特征点提取条状结构光投射在锻件上时，会与锻件的边缘产生交点A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，此类点构成了方形锻件的总体轮廓，通过求解这些点之间的空间位置关系，即可求得锻件的锻压尺寸，并且分别得到第一、二CCD摄像机(2、7)拍摄图像中的图像坐标为(xA1，yA1)、(xB1，yB1)、(xC1，yC1) (x′A1，y′A1)、(x′B1，y′B1)、(x′C1，y′C1)(xA2，yA2)、(xB2，yB2)、(xC2，yC2)， (x′A2，y′A2)、(x′B2，y′B2)、(x′C2，y′C2)(xA3，yA3)、(xB3，yB3)、(xC3，yC3) (x′A3，y′A3)、(x′B3，y′B3)、(x′C3，y′C3)2)空间求解(a)计算特征点空间坐标利用提取的锻件的特征点，结合第一、二CCD摄像机(2、7)的标定结果求解各点的空间坐标，根据线性三角形法，在每一幅图像分别有…①…②其中，X，Y，Z为一空间点的坐标，xI，yI为点在第一CCD摄像机(2)所拍摄图像中的坐标，xII，yII为第二CCD摄像机(7)所拍摄图像中的图像坐标，分别计算①、②两矩阵方程即可求得对应空间点的坐标(X，Y，Z)，故得到步骤1)中各特征点的空间坐标(XA1，YA1，ZA1)、(XB1，YB1，ZB1)、(XC1，YC1，ZC1)(XA2，YA2，ZA2)、(XB2，YB2，ZB2)、(XC2，YC2，ZC2)(XA3，YA3，ZA3)、(XB3，YB3，ZB3)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾振元，刘巍，贾兴华，王邦国，杜剑，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]