一种热态物体在线检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种热态物体在线检测系统，二个ＣＣＤ相机，ＤＬＰ投影仪，二个带通滤光器，图像采集卡，计算机和支架；ＣＣＤ相机与ＤＬＰ投影仪固定在同一块金属板上，滤光片分别安置于ＣＣＤ相机的前面，ＣＣＤ相机的光心轴与ＤＬＰ投影仪的光心轴夹角在２０至６０度之间，金属板上采用外壳封装，金属板下面由支架支撑；ＤＬＰ投影仪向红热状态的被测物体投影蓝色的正弦光栅，由二个ＣＣＤ相机同步采集由被测物体反射的已变形的蓝色正弦光栅，拍摄的正弦光栅图像经图像采集卡传送给计算机进行数据处理，得到被测物体的三维数据。本发明专利技术结合结构光测量技术的优势，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据，该系统可以对处于高温条件下的物体进行快速、精确的在线测量，获得其表面的三维数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密测量领域，具体设计一种热态物体在线测量技术与系统，用于对热态物体进行三维测量。
技术介绍
热态物体通常指那些温度处于600 140(TC之间的红热状态固体，如红热状态的 热锻件等。随着电力、机械、能源和化工行业的发展，用以制造大型关键零部件的需求越来 越大，因此许多热态成形零件的尺寸精度成了保证重大技术装备质量的一个重要因素。目 前，在热态成形行业中，产品的废品率很高，生产中的资源浪费情况严重。据美国能源部调 查，在美国锻造工业中的废品率大于15%，造成这种现象的主要原因是锻造企业缺乏热态 物体测量技术。 目前，在大多数企业中，仍然采用人工测量法进行测量，这种方法测量环境恶劣，且测量精度低。近年来，非接触式测量法在热态成形件的测量中得到了初步应用，常见的非接触式测量法一般有CCD图像测量法、激光扫描法、结构光三维测量技术等。 CCD图像测量法使用CCD将被测物体转换成图像信号，以数字信号的形式传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，计算出热态物体的特征尺寸，达到在线非接触测量的目的。CCD图像测量法具有能够实现远程、非接触在线测量、测量速度快、系统成本低等优点，但是该方法只能得到工件的特征尺寸，无法测量工件表面的完整三维数据。 2001年，美国0G Technologies, Inc.在美国能源部的资助下，开始研究热态 物体的三维测量技术，并于2003年推出了基于HotEye的坐标测量系统(HotEye-based Coordinate Measuring Machine)，该系统将传统的三坐标测量机与HotEye技术结合，可以 实现热态物体的快速三维测量。但是由于受到三坐标测量系统的测量空间限制，该系统只 能对小型零件进行测量，且系统的便携性较差，无法进行在线测量。 此外，德国FERR0TR0N Technologies GmbH也于最近研制出了能够对热态物体进 行测量的LaCam测量系统(LaCam@Forge measuringsystem)。该系统使用激光扫描法，可在 热态物体加工过程中对物体的尺寸进行三维测量，目前在欧洲和美国的大型机械厂使用较 多。但是，该系统的装置复杂、价格昂贵，对于现场的高温、强振动环境的适应性、激光器本 身能否在这样的环境下长期稳定工作尚待进一步了解。目前，还未见我国生产商使用该装 置的报道。 除了上述的方法，还有所谓的"被动侦测法"采用了信号采集器、阴极射线管和CCD 摄影机或者红外线摄像机，从而接收从发红的热态被测物体自身所发射的射线。这种方法 类似于人类的视觉的应用，其中信号接收器充当人身上眼睛的功能。被动侦测法却受到了 空腔辐射效应这种现象的影响。空腔辐射效应是由1900年Plank提出的假设，后来经20 实际初的Einstein得到了证实。它可以影响对被测物体的真实特征的视觉观察。更特别 的是，基于这种原理，能自我辐射的被测物体的凹表面特征看起来像完整的黑体。此外，由于光线是自我辐射的，很容易带来一些并不需要的信息。通过这种方法得到的图像一般来 说不适合自动化机器的视觉应用。 另外一种较早的技术方法，即所谓的"主动法"采用了可以投射到红热被测物体的 外部灯光。 一个照相机用于采集从物体表面反射的以及自我辐射的射线。在这种方法中， 其主要思想是用一种更强外部射线来覆盖物体本身辐射的射线。换句话说，反射的光线在 主要的自我辐射射线的光谱范围之内，但是在强度上是可以区分的。外部光线可以设计成 可以突出表面凹处、轮廓的表面信息。外部光线可以由各种如激光或高功率灯等光线生成 设备提供。然而"主动法"也存在一些问题。首先，很少光源可以提供强于135(TC被测物体 所辐射的射线。其次，自我辐射的射线仍然会表现出一种问题它会降低反射射线的信号质 量。信噪比(外部光线/自我辐射射线)普遍比较低，除非很强的光源被采用。最后，这些 外部光源在工作环境中可能有所不便，因为光源太过强烈。 激光也被作为一种可以压制从红热物体自我发射射线的光源。激光可以提供很高的功率强度用以减少自我辐射射线的作用。例如，铜基激光(发射550nm)应用于压制激光焊接熔池(温度大约300(TC )处自我辐射230nm 长红外线光谱范围内的射线。 另外一种较早的技术方法在电弧焊(温度大约250(TC)中使用可以辐射处275nm 长红外线光谱范围内的YAG激光(1060nm)。但是激光的使用形成了大量的问题。当激光提供高功率强度时，激光照射的面积很小。因此，当激光被用于照射光源时，普遍采用了光栅扫描。此外，这种高功率的激光相当昂贵、体积庞大，形成各种风险。还有，为了操作基于激光的系统，用户必须用遮光罩及其它的保护装置来保护自身。 基于以下几个因素，在被动侦测法视觉系统中红外线传感器或照相机的使用其价值也有限。首先，红外线传感器/照相机提供分辨率大大小于同等的CCD。其次，由于红外线波长的缘故红外线不能像可见光一样聚焦。最后，使用红外线传感器/照相机不能解决与光照及之前提到的空腔辐射效应有关的问题。 现在虽然已经有了把被动侦测法和"主动法"相结合的尝试，但是这种方法不能解 决由自我辐射和空腔辐射效应产生的问题。 在过去，在红外线和可见光之间的区别成了解决与红热被测物体强光有关的问题 的重点。这种方法的构思是有缺陷的，因为红热被测物体可以辐射出红外线和可见光。例 如，钢铁在120(TC辐射650nm左右的射线，即钢铁在发红的时候也会发射红外线。此外，假 如自我辐射射线不能从采集的信号中移除，由自我辐射射线产生的干扰会影响从红热被测 物体采集详细而精确的表面信息。之前的技术方法缺乏有效的从红热被测物体采集的信号 中移除自我辐射射线的有效方法，而且便携性较差。这个问题已经限制了这种设备在特定 方面的应用。便携式的设备对只需要检测红热被测物体而不需要进行定量测量的用户来说 是比较合适的。在之前技术支持的设备中使用的外部光源太强，所以风险较大、也不适合便 携。总之之前的技术方法的价值有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热态物体在线检测系统，该系统可以对处于高温条件 下的物体进行快速、精确的在线测量，获得其表面的三维数据。 本专利技术提供的一种热态物体在线检测系统，其特征在于该系统包括第一、第二CCD相机，DLP投影仪，第一、第二带通滤光器，图像采集卡，计算机和支架；第一、第二CCD相 机与DLP投影仪固定在同一块金属板上，第一、第二滤光片分别安置于第一、第二 CCD相机 的前面，第一、第二 CCD相机的光心轴与DLP投影仪的光心轴夹角在20至60度之间，金属 板上采用外壳封装，金属板下面由支架支撑； DLP投影仪向红热状态的被测物体投影蓝色的正弦光栅，由第一、第二 CCD相机同 步采集由被测物体反射的已变形的蓝色正弦光栅，拍摄的正弦光栅图像经图像采集卡传送 给计算机进行数据处理，得到被测物体的三维数据。 本专利技术在热态物体的特殊情况下，根据热态物体的光谱特性，改变投射的光栅图 像的颜色，并在CCD相机前添加合适的滤光片，以减小热态物体对拍摄的光栅图像质量的 影响，同时结合结构光测量技术的优势，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数 据。具体而言，本专利技术系统具有以下技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热态物体在线检测系统，其特征在于：该系统包括第一、第二ＣＣＤ相机（１０１、１０２），ＤＬＰ投影仪（１０３），第一、第二带通滤光器（１０４、１０５），图像采集卡（１０６），计算机（１０７）和支架（１０８）；第一、第二ＣＣＤ相机（１０１、１０２）与ＤＬＰ投影仪（１０３）固定在同一块金属板上，第一、第二滤光片（１０４、１０５）分别安置于第一、第二ＣＣＤ相机（１０１、１０２）的前面，第一、第二ＣＣＤ相机（１０１、１０２）的光心轴与ＤＬＰ投影仪（１０３）的光心轴夹角在２０至６０度之间，金属板上采用外壳封装，金属板下面由支架（１０８）支撑；ＤＬＰ投影仪（１０３）向红热状态的被测物体投影蓝色的正弦光栅，由第一、第二ＣＣＤ相机（１０１、１０２）同步采集由被测物体反射的已变形的蓝色正弦光栅，拍摄的正弦光栅图像经图像采集卡（１０６）传送给计算机（１０７）进行数据处理，得到被测物体的三维数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史玉升，李中伟，王从军，钟凯，张炜，黄奎，周刚，湛承诚，朱晓鹏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]