大型高温锻件热态在位检测方法技术

本发明专利技术涉及大型高温锻件热态在位检测方法，可有效解决目前高温锻件测量测量方法落后、测量精度低、严重浪费材料的问题，方法是，用激光扫描仪和结构光数字摄影组合扫描测量得到高温锻件表面的三维点云数据，获取三维点云数据后，对点云的数据进行融合，再采用人机交互的滤波算法，去掉非锻件表面的点和测量粗差点，再对采集的锻件点云数据进行曲面快速模型重建分析，通过几何运算解算锻件模型的几何参数，输出，本发明专利技术方法简单，速度快，可靠性强，节约材料，成本低，有效用于大型高温锻件热态在位检测，解决了高温锻件热态在位无法准确的检测问题，是大型高温锻件热态在位检测的创新。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及检测方法，特别是一种。
技术介绍
高温锻压是轧钢装备、水电机组、核电机组等重型装备核心部件的主要生产方式， 大锻件的生产水平也是衡量一个国家机械制造业水平的基本标志之一。锻造生产一般都 是在800°C -1250°C之间进行，国内万吨级以上水压机设备上的尺寸测量与定位一直是采 用最原始的“卡钳”与“量杆”测量方法，操作工人采用卡钳测量工件尺寸时，由于锻件温度 高，只能短时靠近工件，加上卡钳有较大的回弹量，且不易掌握，测量误差大，准确测量截面 尺寸达到2000mm以上的工件几乎不可能实现。在实际工作中，多数情况下是采用其它间接 比较方式推算工件尺寸的大小，误差达到50mm-100mm，不仅测量误差大，而且工作效率非常 低；另一方面，由于测量精度差，在实际操作中常采取保守的操作方法，造成工件“肥大”情 况严重。目前的锻件水平由于尺寸精度原因造成的“肥大率”一般在5% -10%左右；换言 之，由于测量不准造成的材料浪费为5% -10%左右。因此，大锻件锻造过程中的工件测量 与控制一直是一个难题。近年来，国内外多家研究机构和厂家一直在探索和研究解决方案， 但到目前为止，还仅停留在简单工件、单参数的检测；虽有厂家也曾投入使用，但由于现场 高温、粉尘、电磁波、震动、水汽等现场恶劣条件对装置的影响，现也基本失去了原定功能或 已停用。到目前为止，还没有完整的、真正实用的适用于大型锻件热态在位测量的成熟技术 和装置。国外部分产品在使用上也有较大局限性，再加之引进费用昂贵、技术壁垒等因素， 以及国内现有设备、工艺条件等方面和国外的差别，还没有企业引进国外技术用于生产。
技术实现思路
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本专利技术的目的就是提供一种大型高温锻 件热态在位检测方法，可有效解决目前高温锻件测量测量方法落后、测量精度低、严重浪费 材料的问题。其解决的技术方案是，用激光扫描仪和结构光数字摄影组合扫描测量得到高温锻 件表面的三维点云数据，这样组合获取点云的方法与常规单独使用一项技术获取点云的方 法相比，增加了点云获取的速度和点云的可靠性，获取三维点云数据后，对点云的数据进行 融合，再采用人机交互的滤波算法，去掉非锻件表面的点和测量粗差点，所谓人机交互的滤 波算法即首先采用OPENGL三维显示技术将锻件点云数据显示到屏幕上手动删除明显粗差 点，再用平均曲率流法去掉小粗差点，再对采集的锻件点云数据进行NURBS曲面快速模型 重建分析，通过几何运算解算锻件模型的几何参数，输出。本专利技术方法简单，速度快，可靠性强，节约材料，成本低，有效用于大型高温锻件热 态在位检测，解决了高温锻件热态在位无法准确的检测问题，是大型高温锻件热态在位检 测上的创新。四附图说明图1为本专利技术的工艺流程图；图2为本专利技术激光扫描仪测量原理图；图3为本专利技术结构光数字摄影获取点云流程图；图4为本专利技术双目立体匹配流程图。五、具体是实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明，由图1所示，本专利技术是，首 先，用激光扫描仪和结构光数字摄影获取锻件点云数据，然后对点云数据进行融合，再去掉 粗差点，对模型重建分析，按最小二乘法进行平差解算，求出坐标转换参数，输出，从而完成 整个对高温锻件热态在位的检测，具体步骤如下(一 )锻件三维点云数据获取，方法是，用激光扫描仪和结构光数字摄影两种方式 组合获取锻件的点云数据，实际使用时既可以使用上述两种技术中的某一种方式获取锻件 的点云数据，也可以组合使用获取锻件的点云数据，这大大增加了点云数据获取的速度、灵 活性和可靠性，下面分别对两种技术获取点云的过程进行说明1、激光扫描仪获取点云，激光扫扫描测量技术是近几年发展起来的新技术，主要 原理是通过激光测距技术测量扫描仪与目标表面点的距离，再通过机械装置控制转动激光 束测量不同点的距离，结合每个测量点激光指向角度参数，可以实时解算出一定坐标系下 的三维坐标，其基本原理如图2所示，激光扫描仪通过测角测距，获得扫描仪中心到目标点 的距离S、出射光线在仪器坐标系下的水平角α和垂直角θ，由球坐标计算公式可得到目 标点在仪器局部坐标系下的三维坐标(X，1，ζ)X = Scos θ cos αY = Scos θ sin α式(1)Z = Ssine同时还可以记录激光回波强弱；系列点的数据构成表示测量目标表面的点云数 据，如将每个点的回波强度以图像灰度来表达，还可以显示点云影像图；2、结构光数字摄影获取点云，由于高温锻件表面没有明显的纹理特征可以进行图 像匹配和量测，本专利技术采用信息工程大学开发的绿结构光投射装置投射人工纹理来解决这 个问题，而后再用双相机对高温锻件拍摄像片，通过图象处理技术从拍摄的像片上提取出 人工纹理投射的像方坐标，双目立体匹配获取同名像点，解算出三维坐标，结构光双目视觉 测量是基于结构光的近景摄影的三角法测量原理构建，光学投射器将一定模式的结构光投 射于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光学三维图像，当采用具有固 定基线的双目相机拍摄被测物体的二维图像进而恢复待测物体表面的三维形状，再根据三 维点云坐标描述和量测被测物体；结构光的数字摄影测量子系统是由结构光投射装置、固定基线数字摄影测量子系 统组合而成，是由绿激光阵列组成的结构光投射装置负责在高温锻件表面形成点阵或网 格，由针对结构光开发的数字摄影测量子系统对点阵或网格交点进行图像获取和点坐标由 计算机软件自动解算，再通对坐标点阵的数字建模和截面分析等获得所需的锻件尺寸数 据；由上述表明，也就是说，用结构光数字摄影测量获取点云，由绿结构光投射装置、固定基线数字摄影测量装置组合而成的系统投射人工纹理(具体由系统中的绿结构光投 射装置投射人工纹理)，由经过相机内参数标定和结构参数标定的双相机对高温锻件表面 的点阵或网格交点进行点云图像获取，由计算机软件对人工标志进行中心提取，双目立体 匹配获取同名像点，解算出三维坐标，再根据三维点云坐标描述和量测被测物体；(a)人工纹理投射，以绿激光为光源，设计成点阵或网格，可采用点阵方式、网格方 式或排点扫描方式中的一种进行投射点阵方式以较大功率的激光器产生激光，经过透镜发散后通过光栅孔形成面状 点阵投射到锻件上，根据在锻件表面落点角度的不同形成圆形或椭圆形光点，如图附图4a 所示；网格方式采用投线激光器或线形光栅使投射的激光成网格形状到锻件表面，如 附图4b所示；排点扫描式采用线状排列的激光器阵列，可以投射一条线的激光点，使用时由步 进电机控制转动投射方向，分时覆盖整个锻件表面，如附图4c所示，测量通过序列图像组 合获得锻件表面激光点的覆盖图像，从而可以量测锻件表面；投射点密度为1个点/cm2，实际中可根据锻件的外形曲率变化的特征进行改变 (曲率变化大的地方多投点，曲率变化小的地方少投点)；投点的精度为点阵方式和排点扫 描式形状因子> 0. 4,0. 3 <黑白比< 0. 9 ；网格方式lpixel <线宽< 15pixel，0. 3 <黑 白比< 0. 9 ；对人工投射的情况进行投点密度、投点精度、检测方式进行检测，目的在于第一， 投点密度是否符合设计要求；第二，投点精度是否符合要求；第三，综合比较三种方式的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型高温锻件热态在位检测方法，其特征是，用激光扫描仪或结构光数字摄影获取锻件点云数据，然后对点云数据进行融合，再去掉粗差点，模型重建分析后，按最小二乘法进行平差解算，求出坐标转换参数，输出，具体步骤如下：（一）锻件三维点云数据获取，方法是，用激光扫描仪或结构光数字摄影两种方式组合获取锻件的点云数据：（１）用激光扫描仪获取点云，方法是，通过激光测距，测量扫描仪与目标表面点的距离，再通过转动激光束测量不同点的距离，结合每个测量点激光指向角度参数，解算出坐标系下的三维坐标：Ｘ＝ＳｃｏｓθｃｏｓαＹ＝ＳｃｏｓθｓｉｎαＺ＝Ｓｓｉｎθ式中Ｓ为扫描仪中心到目标点的距离，α和θ分为出射光线在仪器坐标系下的水平角和垂直角。（２）用结构光数字摄影测量获取点云，由绿结构光投射装置、固定基线数字摄影测量装置组合而成的系统投射人工纹理，由经过相机内参数标定和结构参数标定的双相机对高温锻件表面的点阵或网格交点进行点云图像获取，由计算机软件对人工标志进行中心提取，双目立体匹配获取同名像点，解算出三维坐标，再根据三维点云坐标描述和量测被测物体；（ａ）人工纹理投射，以绿激光为光源，设计成点阵或网格，采用点阵方式、网格方式或排点扫描方式中的一种进行投射；（ｂ）相机内参数标定，是选用物方空间控制点构成试验场，用待标定的相机对试验场摄影，然后根据单像片空间后方交会或多像片后方交会求解内部参数的过程，称之为试验场法标定，顾及到像点系统误差的影响，将成像基本方程写成：＊＊＊式中，（ｘ，ｙ）为像点坐标，（ｘ↓［０］，ｙ↓［０］）为像主点坐标，ｆ为相机焦距，（Ｘ，Ｙ，Ｚ）为相应物方点坐标，（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）为摄站坐标，（ａ↓［ｉ］，ｂ↓［ｉ］，ｃ↓［ｉ］）（ｉ＝１，２，３）为旋转矩阵各元素，（Δｘ，Δｙ）是相机畸变引起的像点偏差，对成像基本方程线性化得到像点坐标的误差方程式：Ｖ＝Ａ↓［１］Ｘ↓［１］＋Ａ↓［２］Ｘ↓［２］＋Ａ↓［３］Ｘ↓［３］－Ｌ上式中：Ｖ为像点坐标残差；Ｘ↓［１］、Ｘ↓［２］和Ｘ↓［３］分别为外方位元素、物方点坐标和内部参数径向畸变Ｋ↓［１］、Ｋ↓［２］和Ｋ↓［３］，偏心畸Ｐ↓［１］、Ｐ↓［２］，像平面畸ｂ↓［１］和ｂ↓［２］，加上像主点坐标（ｘ↓［０］，ｙ↓［０］）和相机焦距ｆ，当Ｘ↓［２］＝０，像点坐标的误差方程式为：Ｖ＝Ａ↓［１］Ｘ↓［１］＋Ａ↓［３］Ｘ↓［３］－Ｌ＝ＡＸ－Ｌ每一张相片有６个外方位元素和１０个内参数，共计１６个...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄桂平，于英，陈铮，范亚兵，
申请(专利权)人：中国人民解放军信息工程大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]