專利名稱：一種鍛件熱態(tài)尺寸的非接觸測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫鍛件尺寸測量領(lǐng)域，特別涉及對鍛件使用條狀結(jié)構(gòu)光進(jìn)行尺寸測量的方法。

背景技術(shù)：
在鍛壓生產(chǎn)中需要對鍛件的尺寸進(jìn)行測量，由于鍛件溫度的影響尺寸測量極為困難。現(xiàn)有的測量方法主要為人工卡鉗、量桿等直接接觸測量。由于溫度高，工作條件惡劣，直接接觸測量的誤差較大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中通常借助增大鍛件的加工余量的方法確保最終的鍛壓尺寸，因此導(dǎo)致了毛坯材料的浪費(fèi)。此外在部分測量情況下，鍛件必須離線，并從部分輔具上卸下，致使測量時(shí)間增長，并且對生產(chǎn)效率和鍛件質(zhì)量均有一定影響。所以解決大型熱態(tài)鍛件的精確在線測量對我國鍛造行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步有著重大的意義。目前采用的非接觸式測量方法主要有激光掃描法、圖像法等。
一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院的常懷德等申報(bào)的《鍛件的在線非接觸測量系統(tǒng)》(專利號ZL200620168580.6.)采用伺服電機(jī)帶動工業(yè)攝像機(jī)自動識別鍛件的邊緣，通過相機(jī)之間的距離來確定鍛件上下和左右邊緣之間的尺寸。該系統(tǒng)雖然能快速測量鍛件的尺寸，但僅能實(shí)現(xiàn)鍛件整體尺寸的測量。
上海交通大學(xué)的杜正春等申報(bào)的《大型鍛件的激光雷達(dá)在線三維測量裝置與方法》(專利號ZL200710171878.1)采用激光測距原理，通過對大型鍛件的連續(xù)掃描，采集鍛件的表面信息，然后對鍛件進(jìn)行整體三維重構(gòu)，最終通過分析鍛件的重構(gòu)結(jié)果完成鍛件的尺寸測量。另外，上海交通大學(xué)的高峰、郭為忠等申報(bào)的發(fā)明專利《大型鍛件三維外形尺寸和溫度檢測裝置》(公開號CN 101216294A)公開了一種高溫鍛件的尺寸測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)主要由高溫型激光測距儀，計(jì)算機(jī)和二自由度并聯(lián)轉(zhuǎn)動掃描架組成，測量時(shí)由兩個(gè)電機(jī)帶動掃描架在兩個(gè)互相垂直的方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動固定安裝在平臺上的高溫型激光測距儀對準(zhǔn)并掃描工件，同時(shí)獲得鍛件表面各點(diǎn)的距離和測量儀的相對的旋轉(zhuǎn)角度，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到鍛件表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)等信息，進(jìn)而通過三維重建求出鍛件的尺寸。這兩種方法通過激光對鍛件的整體掃描能實(shí)現(xiàn)鍛件大部分尺寸的測量和分析，但是在測量過程中采用全體逐點(diǎn)掃描方式獲取信息，采集了工件的大量信息，且在計(jì)算時(shí)處理速度較慢，所以不能滿足鍛件尺寸的實(shí)時(shí)測量。
針對現(xiàn)有非接觸性測量所需信息大，處理速度較慢和測量數(shù)據(jù)不完整等缺點(diǎn)，本發(fā)明經(jīng)過對鍛件的觀察研究，將鍛件大致分為圓柱形和方形兩大類，采用圖像采集系統(tǒng)結(jié)合測量過程中這兩大類鍛件的鍛壓特點(diǎn)，通過提取鍛件的形貌特征點(diǎn)、線，從達(dá)到減少所需的測量信息，實(shí)現(xiàn)鍛件鍛壓尺寸的快速測量。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的問題是克服以往非線性測量鍛件信息采集量大、數(shù)據(jù)處理速度較慢，不能滿足工業(yè)鍛壓生產(chǎn)實(shí)時(shí)測量的缺陷，采用雙目視覺技術(shù)實(shí)時(shí)拍攝高溫鍛件的圖像，通過提取的形貌特征點(diǎn)建立高溫鍛件的空間模型，然后計(jì)算出高溫鍛件的尺寸，為下一步的鍛壓提供尺寸參考。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種鍛件熱態(tài)尺寸非接觸測量方法其特征是先將鍛件分為方形和圓柱形兩大類，然后在進(jìn)行尺寸測量時(shí)，對第一、二CCD攝像機(jī)2、7的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，建立相機(jī)與外部視場的坐標(biāo)聯(lián)系；向高溫鍛件1投射條狀結(jié)構(gòu)光；利用圖像采集系統(tǒng)采集投射條狀結(jié)構(gòu)光的高溫鍛件的圖像；對采集到的圖像進(jìn)行處理，通過分析圓柱形和方形鍛件上結(jié)構(gòu)光邊緣的形狀特點(diǎn)將關(guān)聯(lián)鍛件尺寸的形貌特征點(diǎn)快速提取出來，同時(shí)結(jié)合外部視場到第一、二CCD攝像機(jī)2、7的變換矩陣對鍛件的特征點(diǎn)進(jìn)行三維建模，進(jìn)而求出鍛件的尺寸等信息；具體步驟如下 (1)確定第一、二CCD攝像機(jī)2、7及外部視場的坐標(biāo)系 通過第一、二CCD攝像機(jī)2、7內(nèi)參數(shù)焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)和外參數(shù)的標(biāo)定，分別確立外部視場坐標(biāo)系0W-XWYWZW到第一CCD攝像機(jī)2坐標(biāo)系01-X1Y1Z1和第二CCD攝像機(jī)7坐標(biāo)系02-X2Y2Z2的變換矩陣PIPII，其中PI、PII均為4×4的方陣； (2)在鍛造過程中由DLP投影儀8向高溫鍛件1表面投射一組條狀結(jié)構(gòu)光 (3)采集投射條狀結(jié)構(gòu)光后的高溫鍛件圖像 圖像采集系統(tǒng)由第一、二CCD攝像機(jī)2、7，第一、二低通濾光片10、9，DLP投影機(jī)8和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5組成，圖像采集時(shí)由計(jì)算機(jī)控制攝像機(jī)的控制盒4，通過第一、二CCD攝像機(jī)2、7同時(shí)采集投射結(jié)構(gòu)光后的鍛件的圖像，攝像機(jī)鏡頭前端的第一、二低通濾光片10、9能夠有效的除去鍛件高溫輻射造成的影響，采集到的鍛件圖像由數(shù)據(jù)傳輸線6實(shí)時(shí)地上傳到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了對鍛件圖像的連續(xù)實(shí)時(shí)采集。
(4)對鍛件圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ①方形鍛件的數(shù)據(jù)處理 1)特征點(diǎn)提取 條狀結(jié)構(gòu)光投射在鍛件上時(shí)，會與鍛件的邊緣產(chǎn)生交點(diǎn)A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，此類點(diǎn)構(gòu)成了方形鍛件的總體輪廓，通過求解這些點(diǎn)之間的空間位置關(guān)系即可求得鍛件的鍛壓尺寸，并且分別得到第一、二CCD攝像機(jī)2、7拍攝圖像中的圖像坐標(biāo)為 (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)空間求解 (a)計(jì)算特征點(diǎn)空間坐標(biāo) 利用提取的鍛件的特征點(diǎn)，結(jié)合外部視場坐標(biāo)系到第一、二CCD攝像機(jī)2、7的坐標(biāo)系的變換矩陣PI、PII求解各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，根據(jù)線性三角形法，在每一幅圖像分別有 ...①...② 其中，X，Y，Z為一空間點(diǎn)的坐標(biāo)，xI，yI為點(diǎn)在第一CCD攝像機(jī)2所拍攝圖像中的坐標(biāo)，xII，yII為第二CCD攝像機(jī)7所拍攝圖像中的圖像坐標(biāo)，分別計(jì)算①、②兩矩陣方程即可求得對應(yīng)空間點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Z)，故得到步驟1)中各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo) (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)三維建模及尺寸求解 根據(jù)求得的各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，對方形鍛件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)三維模型中各點(diǎn)間的空間位置關(guān)系求解鍛件的鍛壓尺寸，將位于鍛件上平面的六個(gè)點(diǎn)A1，B1，A2，B2，A3，B3擬合為一平面α然后，計(jì)算C1，C2，C3到平面α的距離d1，d2，d3，鍛件的最終鍛壓尺寸d為 ②圓柱形鍛件的數(shù)據(jù)處理 1)特征點(diǎn)提取 在鍛壓過程中因?yàn)殄憠簷C(jī)的作用會使鍛件表面產(chǎn)生凸起的棱邊，當(dāng)向鍛件投射條狀結(jié)構(gòu)光的時(shí)候會產(chǎn)生交點(diǎn)A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，而此類點(diǎn)構(gòu)成了鍛件的大致輪廓，通過分析條狀結(jié)構(gòu)光邊緣的變化即可將形貌特征點(diǎn)提取出來； 2)空間求解 (a)計(jì)算特征點(diǎn)空間坐標(biāo) 圓柱形鍛件的空間坐標(biāo)計(jì)算方法與方形鍛件的空間坐標(biāo)方法相同，經(jīng)計(jì)算得到圓柱形鍛件各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)； (XA1，YA1，ZA1)、(XB1，YB1，ZB1)、(XC1，YC1，ZC1)、(XD1，YD1，ZD1)、(XE1，YE1，ZE1) (XA2，YA2，ZA2)、(XB2，YB2，ZB2)、(XC2，YC2，ZC2)、(XD2，YD2，ZD2)、(XE2，YE2，ZE2) (XA3，YA3，ZA3)、(XB3，YB3，ZB3)、(XC3，YC3，ZC3)、(XD3，YD3，ZD3)、(XE3，YE3，ZE3) (X′A1，Y′A1，Z′A1)、(X′B1，Y′B1，Z′B1)、(X′C1，Y′C1，Z′C1)、(X′D1，Y′D1，Z′D1)、(X′E1，Y′E1，Z′E1) (X′A2，Y′A2，Z′A2)、(X′B2，Y′B2，Z′B2)、(X′C2，Y′C2，Z′C2)、(X′D2，Y′D2，Z′D2)、(X′E2，Y′E2，Z′E2) (X′A3，Y′A3，Z′A3)、(X′B3，Y′B3，Z′B3)、(X′C3，Y′C3，Z′C3)、(X′D3，Y′D3，Z′D3)、(X′E3，Y′E3，Z′E3) (b)三維建模及尺寸求解 根據(jù)求得的各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，對圓柱形鍛件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)模型中各點(diǎn)間的空間位置關(guān)系求解鍛件的鍛壓尺寸并分析鍛件的形位公差。
考慮到在圓柱形鍛件在鍛壓成型過程中橫截面的變化，將位于圓柱形鍛件同一邊緣上的點(diǎn)A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，分別擬合為對應(yīng)的橢圓輪廓曲線O1、O2、O3，根據(jù)擬合成的橢圓方程可以分別求解圓柱形高溫鍛件在各個(gè)位置的尺寸，以及相應(yīng)圓柱形高溫鍛件相應(yīng)位置的圓度信息；求解以上橢圓的中心O1、O2、O3包絡(luò)圓柱面γ，通過計(jì)算圓柱面γ的直徑即可求得圓柱形鍛件的直線度信息Dγ。
以上方案所述的一種鍛件熱態(tài)尺寸非接觸測量方法，所采用的測量系統(tǒng)其特征是由第一、二CCD攝像機(jī)2、7，相機(jī)控制盒4，第一、二低通濾光片10、9，DLP投影機(jī)8，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5組成；第一、二低通濾光片10、9通過螺紋連接在第一、二CCD攝像機(jī)2、7鏡頭前，DLP投影儀8放置在第一、二CCD攝像機(jī)2、7中間，CCD攝像機(jī)2、7和相機(jī)控制盒4通過數(shù)據(jù)線3連接在一起，相機(jī)控制盒4由計(jì)算機(jī)5通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線6進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。
本發(fā)明的顯著效果是采用基于輔助結(jié)構(gòu)光和雙目視覺的尺寸測量方法，對高溫鍛件進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)拍攝，保證所取信息的實(shí)時(shí)性有效性，實(shí)現(xiàn)了對高溫鍛件實(shí)時(shí)非接觸測量；測量時(shí)將鍛件分為圓柱形和方形兩大類，使測量更加具有針對性；以結(jié)構(gòu)光邊緣特征點(diǎn)為匹配點(diǎn)的快速特征提取方法提取的形貌特征點(diǎn)的特征明顯，同時(shí)克服了高溫鍛件表面氧化皮等因素的影響，使提取的特征點(diǎn)更加精確測量快速精確，滿足了工業(yè)鍛壓生產(chǎn)的實(shí)際要求。



圖1-一種鍛件熱態(tài)尺寸非接觸測量系統(tǒng)示意圖，其中1-高溫鍛件，2-第一CCD攝像機(jī)，7-第二CCD攝像機(jī)，3-數(shù)據(jù)線，4-相機(jī)控制盒，5-計(jì)算機(jī)，6-計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線，8-高亮度DLP投影儀，9-第二低通濾光片、10-第一低通濾光片。
圖2-第一、二CCD攝像機(jī)2、7及外部視場的坐標(biāo)系，其中，0W-XWYWZW為外部視場坐標(biāo)系，01-X1Y1Z1為第一CCD攝像機(jī)2坐標(biāo)系，02-X2Y2Z2為第二CCD攝像機(jī)7坐標(biāo)系，PI為外部視場坐標(biāo)系0W-XWYWZW到第一CCD攝像機(jī)2坐標(biāo)系的01-X1Y1Z1的變換矩陣，為外部視場坐標(biāo)系0W-XWYWZW到第二CCD攝像機(jī)7坐標(biāo)系的02-X2Y2Z2的變換矩陣，1為高溫鍛件，8為DLP投影機(jī)。
圖3-方形鍛件的圖像，其中a為第一攝像機(jī)2采集的鍛件圖像，A1、B1、C1；A2、B2、C2；A3、B3、C3為條型結(jié)構(gòu)光邊緣與方形高溫鍛件的交點(diǎn)第一CCD攝像機(jī)2中的成像，b為第二CCD攝像機(jī)7采集的鍛件的圖像，A′1、B′1、C′1；A′2、B′2、C′2；A′3、B′3、C′3條型結(jié)構(gòu)光邊緣與方形高溫鍛件的交點(diǎn)在第二CCD攝像機(jī)7中的成像。
圖4-圓形鍛件的圖像，其中其中a為第一攝像機(jī)2采集的鍛件圖像，A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3為條型結(jié)構(gòu)光邊緣與圓柱形高溫鍛件的交點(diǎn)第一CCD攝像機(jī)2中的成像，b為第二CCD攝像機(jī)7采集的鍛件的圖像，A′1、B′1、C′1、D′1、E′1；A′2、B′2、C′2、D′2、E′2；A′3、B′3、C′3、D′3、E′3為條型結(jié)構(gòu)光邊緣與圓柱形高溫鍛件的交點(diǎn)第二CCD攝像機(jī)7中的成像。
圖5-方形鍛件的尺寸求解圖，其中A1，B1，C1；A2，B2，C2；A3，B3，C3為方形高溫鍛件形貌特征點(diǎn)的重建結(jié)果，平面α為A1，B1，A2，B2，A3，B3擬合成的一個(gè)平面，d1，d2，d3分別為方形高溫鍛件下邊緣特征點(diǎn)C1，C2，C3到平面的α距離。
圖6-圓柱形鍛件鍛壓結(jié)果分析圖，其中A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3為圓柱形高溫鍛件形貌特征點(diǎn)的重建結(jié)果，O1、O2、O3為形貌特征點(diǎn)A1、B1、C1、D1、E1，A2、B2、C2、D2、E2及A3、B3、C3、D3、E3分別擬合成的橢圓的中心，γ為點(diǎn)O1、O2、O3的包絡(luò)圓柱面，Dγ為圓柱面γ的直徑。

具體實(shí)施例方式 結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施 一種鍛件熱態(tài)尺寸非接觸測量方法的圖像采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示，DLP投影儀8放置在第一、二CCD攝像機(jī)2、7中間負(fù)責(zé)向高溫鍛件1投射條狀結(jié)構(gòu)光，第一、二CCD攝像機(jī)2、7負(fù)責(zé)拍攝高溫鍛件1的圖像，其前端連接有第一、二低通濾光片10、9能濾除高溫鍛件1的高溫輻射，數(shù)據(jù)線3將第一、二傳CCD攝像機(jī)2、7和相機(jī)控制盒4連接在一起，最后由數(shù)據(jù)線6將相機(jī)控制盒4和計(jì)算機(jī)5連接在一起。
(1)確定第一、二CCD攝像機(jī)2、7及外部視場的坐標(biāo)系 通過對攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，PI為外部視場坐標(biāo)系0W-XWYWZW到第一CCD攝像機(jī)2坐標(biāo)系的01-X1Y1Z1的變換矩陣，PII為外部視場坐標(biāo)系0W-XWYWZW到第二CCD攝像機(jī)7坐標(biāo)系的02-X2Y2Z2的變換矩陣，PI、PII均為4×4的方陣，如圖2所示。
(2)在測量過程中，用DLP投影儀8向鍛件1表面投射一組條狀條狀結(jié)構(gòu)光，為保證投射的條狀結(jié)構(gòu)光不被高溫鍛件1的高溫輻射淹沒，在測量過程中采用3MPD80X型號投影儀，保證投射的條狀結(jié)構(gòu)光的亮度足夠強(qiáng)。
(3)利用圖像采集系統(tǒng)采集投射光條的鍛件圖片 圖像采集時(shí)采用雙目視覺的方式，由放置第一、二CCD攝像機(jī)2、7中間的DLP投影機(jī)8向高溫鍛件1投射一組條狀結(jié)構(gòu)光，然后，由第一、二CCD攝像機(jī)2、7同時(shí)拍攝一組高溫鍛件1的圖像，如圖3、4所示，同時(shí)連接在第一、二CCD攝像機(jī)2、7前端的第一、二低通濾光片10、9有效地濾掉了高溫鍛件1高溫輻射的影響，以保證由第一、二CCD攝像機(jī)2、7拍攝到清晰的高溫鍛件圖像，因此有效地抑制了工作現(xiàn)場不利的非相關(guān)因素的影響，極大的方便了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，圖像信號由數(shù)據(jù)線3傳輸?shù)较鄼C(jī)控制盒4，然后再由數(shù)據(jù)線6傳輸?shù)接?jì)算機(jī)5，實(shí)現(xiàn)了對鍛件圖像的連續(xù)實(shí)時(shí)采集，同時(shí)整個(gè)圖像采集過程實(shí)時(shí)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，從而保證了數(shù)據(jù)采集區(qū)域的有效性。
(4)對圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ①方形鍛件的數(shù)據(jù)處理 1)提取鍛件形貌特征點(diǎn) 通過分析可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)成高溫鍛件形貌的點(diǎn)相對較多，而與鍛件的外形尺寸發(fā)生聯(lián)系的點(diǎn)的數(shù)量相對較少，在點(diǎn)的識別和提取過程中，首先將光條和背景實(shí)現(xiàn)分離，同時(shí)通過投射條狀結(jié)構(gòu)光實(shí)現(xiàn)對此類點(diǎn)的標(biāo)記。分析結(jié)果表明條狀結(jié)構(gòu)光投射在鍛件上時(shí)，會與鍛件的邊緣產(chǎn)生交點(diǎn)A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3。此類點(diǎn)構(gòu)成了方形鍛件的總體輪廓，通過求解此類點(diǎn)之間的空間位置關(guān)系即可求得鍛件的鍛壓尺寸。分析圖像中條狀結(jié)構(gòu)光邊緣曲線變化趨勢即可將此類點(diǎn)提取出來，并且分別得到第一、二CCD攝像機(jī)2、7拍攝圖像中的圖像坐標(biāo) (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)空間求解 (a)計(jì)算特征點(diǎn)空間坐標(biāo) 利用提取的鍛件的特征點(diǎn)，結(jié)合第一、二CCD攝像機(jī)2、7的標(biāo)定結(jié)果求解各點(diǎn)的空間坐標(biāo)。根據(jù)線性三角形法，在每一幅圖像分別有 ①② 其中，X，Y，Z為一空間點(diǎn)的坐標(biāo)，xI，yI為點(diǎn)在第一CCD攝像機(jī)2所拍攝圖像中的坐標(biāo)，xII，yII為第二CCD攝像機(jī)7所拍攝圖像中的圖像坐標(biāo)，分別計(jì)算①、②兩矩陣方程即可求得對應(yīng)空間點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Z)，得到步驟1)中各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo) (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)三維建模及尺寸求解 根據(jù)求得的各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，對方形鍛件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)三維模型中各點(diǎn)間的空間位置關(guān)系求解鍛件的鍛壓尺寸，如圖5所示。
將位于鍛件上平面的六個(gè)點(diǎn)A1，B1，A2，B2，A3，B3擬合為一平面αF(X，Y，Z)＝0，然后，計(jì)算C1，C2，C3到平面α的距離 則鍛件的最終鍛壓尺寸d為 ②圓柱形鍛件的處理 1)特征點(diǎn)提取 在鍛壓過程中因?yàn)殄憠簷C(jī)的作用會使鍛件表面產(chǎn)生凸起的棱邊，當(dāng)向鍛件投射條狀結(jié)構(gòu)光的時(shí)候會產(chǎn)生交點(diǎn)A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，而此類點(diǎn)構(gòu)成了鍛件的大致輪廓。圓柱形鍛件的特征點(diǎn)的提取方式與方形鍛件的情況類似，但是圓柱形鍛件表面棱邊凸起不明顯，在提取特征點(diǎn)時(shí)易受鍛件表面氧化層以等因素的影響，導(dǎo)致提取的特征點(diǎn)不夠精確。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)條狀結(jié)構(gòu)光與鍛件棱邊相交區(qū)域的亮度比其它區(qū)域高，因此在進(jìn)行鍛件圖像處理時(shí)采用圖像增強(qiáng)的方式將條狀結(jié)構(gòu)光與圓柱形高溫鍛件的凸起棱邊相交區(qū)域的亮度提高，從而實(shí)現(xiàn)鍛件棱邊與圓柱形高溫鍛件表面氧化皮氧化皮的凸起、凹陷區(qū)域區(qū)域與棱邊區(qū)域的區(qū)分，實(shí)現(xiàn)高溫鍛件形貌特征點(diǎn)的精確提取。
2)空間求解 (a)計(jì)算特征點(diǎn)空間坐標(biāo) 圓柱形鍛件的空間坐標(biāo)計(jì)算方法與方形鍛件的空間坐標(biāo)方法相同，經(jīng)計(jì)算得到圓柱形鍛件各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為 (XA1，YA1，ZA1)、(XB1，YB1，ZB1)、(XC1，YC1，ZC1)、(XD1，YD1，ZD1)、(XE1，YE1，ZE1) (XA2，YA2，ZA2)、(XB2，YB2，ZB2)、(XC2，YC2，ZC2)、(XD2，YD2，ZD2)、(XE2，YE2，ZE2) (XA3，YA3，ZA3)、(XB3，YB3，ZB3)、(XC3，YC3，ZC3)、(XD3，YD3，ZD3)、(XE3，YE3，ZE3) (X′A1，Y′A1，Z′A1)、(X′B1，Y′B1，Z′B1)、(X′C1，Y′C1，Z′C1)、(X′D1，Y′D1，Z′D1)、(X′E1，Y′E1，Z′E1) (X′A2，Y′A2，Z′A2)、(X′B2，Y′B2，Z′B2)、(X′C2，Y′C2，Z′C2)、(X′D2，Y′D2，Z′D2)、(X′E2，Y′E2，Z′E2) (X′A3，Y′A3，Z′A3)、(X′B3，Y′B3，Z′B3)、(X′C3，Y′C3，Z′C3)、(X′D3，Y′D3，Z′D3)、(X′E3，Y′E3，Z′E3) (b)三維建模及尺寸求解 根據(jù)求得的各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，對圓柱形鍛件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)模型中各點(diǎn)間的空間位置關(guān)系求解鍛件的鍛壓尺寸并分析鍛件的形位公差，如圖6所示。
考慮到在圓柱形鍛件在鍛壓成型過程中橫截面的變化，將位于圓柱形鍛件同一邊緣上的點(diǎn)A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，分別擬合為對應(yīng)的橢圓輪廓曲線O1、O2、O3 式中a1、a2、a3分別為橢圓O1、O2、O3的長軸長，b1、b2、b3分別為橢圓O1、O2、O3的短軸長，F(xiàn)a1(X1，Y1，Z1)、Fb1(X1，Y1，Z1)、Fa2(X2，Y2，Z2)、Fb2(X2，Y2，Z2)、Fa3(X3，Y3，Z3)、Fb3(X3，Y3，Z3)均為二次函數(shù)表達(dá)式。
所以圓柱形高溫鍛件在位置1、2、3處的尺寸φ1、φ2、φ3分別為 在位置1、2、3處的圓度誤差Δ1、Δ2、Δ3分別為 另外，求解以上橢圓的中心O1、O2、O3包絡(luò)圓柱面γ，通過計(jì)算圓柱面徑Dγ可求得圓柱形鍛件的直線度信息。
本發(fā)明采用基于輔助結(jié)構(gòu)光和雙目視覺的尺寸測量方法，對高溫鍛件進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)拍攝，保證所取信息的實(shí)時(shí)性有效性，實(shí)現(xiàn)了對高溫鍛件實(shí)時(shí)非接觸測量；測量時(shí)將鍛件分為圓柱形和方形兩大類，使測量更加具有針對性；以結(jié)構(gòu)光邊緣特征點(diǎn)為匹配點(diǎn)的快速特征提取方法提取的形貌特征點(diǎn)的特征明顯，同時(shí)克服了高溫鍛件表面氧化皮等因素的影響，使提取的特征點(diǎn)更加精確測量快速精確，滿足了工業(yè)鍛壓生產(chǎn)的實(shí)際要求。
權(quán)利要求
1.一種鍛件熱態(tài)尺寸非接觸測量方法其特征是先將鍛件分為方形和圓柱形兩大類，然后在進(jìn)行尺寸測量時(shí)，對第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，建立相機(jī)與外部視場的坐標(biāo)聯(lián)系；向高溫鍛件(1)投射條狀結(jié)構(gòu)光；利用圖像采集系統(tǒng)采集投射條狀結(jié)構(gòu)光的高溫鍛件的圖像；對采集到的圖像進(jìn)行處理，通過分析圓柱形和方形鍛件上結(jié)構(gòu)光邊緣的形狀特點(diǎn)，將關(guān)聯(lián)鍛件尺寸的特征點(diǎn)快速提取出來，同時(shí)結(jié)合第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)的標(biāo)定結(jié)果對鍛件的特征點(diǎn)進(jìn)行三維建模，并求出鍛件的尺寸和鍛件的部分形位誤差，為進(jìn)一步的鍛造提供尺寸參考；具體步驟如下
(1)確定第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)及外部視場的坐標(biāo)系
通過對攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，PI為外部視場坐標(biāo)系0W-XWYWZW到第一CCD攝像機(jī)2坐標(biāo)系的01-X1Y1Z1的變換矩陣，PII為外部視場坐標(biāo)系0W-XWYWZW到第二CCD攝像機(jī)7坐標(biāo)系的02-X2Y2Z2的變換矩陣，PI、PII均為4×4的方陣，PI、PII均為4×4的方陣；
(2)在鍛造過程中，由DLP投影儀(8)向高溫鍛件(1)表面投射一組條狀結(jié)構(gòu)光；
(3)采集投射條狀結(jié)構(gòu)光后的高溫鍛件圖像
圖像采集系統(tǒng)由第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)，第一、二低通濾光片(10、9)，DLP投影機(jī)(8)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算的計(jì)算機(jī)(5)組成，圖像采集時(shí)由計(jì)算機(jī)(5)控制攝像機(jī)的控制盒(4)，通過第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)同時(shí)采集投射結(jié)構(gòu)光的鍛件的圖像，攝像機(jī)鏡頭前端的第一、二低通濾光片(10、9)能夠有效的除去鍛件高溫輻射造成的影響，采集到的鍛件圖像由數(shù)據(jù)傳輸線(6)實(shí)時(shí)地上傳到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了對鍛件圖像的連續(xù)實(shí)時(shí)采集；
(4)對鍛件圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理
①方形鍛件的數(shù)據(jù)處理
1)特征點(diǎn)提取
條狀結(jié)構(gòu)光投射在鍛件上時(shí)，會與鍛件的邊緣產(chǎn)生交點(diǎn)A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，此類點(diǎn)構(gòu)成了方形鍛件的總體輪廓，通過求解這些點(diǎn)之間的空間位置關(guān)系，即可求得鍛件的鍛壓尺寸，并且分別得到第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)拍攝圖像中的圖像坐標(biāo)為
(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)空間求解
(a)計(jì)算特征點(diǎn)空間坐標(biāo)
利用提取的鍛件的特征點(diǎn)，結(jié)合第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)的標(biāo)定結(jié)果求解各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，根據(jù)線性三角形法，在每一幅圖像分別有
…①…②
其中，X，Y，Z為一空間點(diǎn)的坐標(biāo)，xI，yI為點(diǎn)在第一CCD攝像機(jī)(2)所拍攝圖像中的坐標(biāo)，xII，yII為第二CCD攝像機(jī)(7)所拍攝圖像中的圖像坐標(biāo)，分別計(jì)算①、②兩矩陣方程即可求得對應(yīng)空間點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Z)，故得到步驟1)中各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)
(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)三維建模及尺寸求解
根據(jù)求得的各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，對方形鍛件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)三維模型中各點(diǎn)間的空間位置關(guān)系求解鍛件的鍛壓尺寸，將位于鍛件上平面的六個(gè)點(diǎn)A1，B1，A2，B2，A3，B3擬合為一平面αF(X，Y，Z)＝0，然后，計(jì)算C1，C2，C3到平面α的距離d1，d2，d3，鍛件的最終鍛壓尺寸d為
②圓柱形鍛件的數(shù)據(jù)處理
1)特征點(diǎn)提取
在鍛壓過程中因?yàn)殄憠簷C(jī)的作用會使鍛件表面產(chǎn)生凸起的棱邊，當(dāng)向鍛件投射條狀結(jié)構(gòu)光的時(shí)候會產(chǎn)生交點(diǎn)A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，而此類點(diǎn)構(gòu)成了鍛件的大致輪廓，通過分析條狀結(jié)構(gòu)光邊緣的變化即可將形貌特征點(diǎn)提取出來；
2)空間求解
(a)計(jì)算特征點(diǎn)空間坐標(biāo)
圓柱形鍛件的空間坐標(biāo)計(jì)算方法與方形鍛件的空間坐標(biāo)方法相同，經(jīng)計(jì)算得到圓柱形鍛件各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為
(XA1，YA1，ZA1)、(XB1，YB1，ZB1)、(XC1，YC1，ZC1)、(XD1，YD1，ZD1)、(XE1，YE1，ZE1)
(XA2，YA2，ZA2)、(XB2，YB2，ZB2)、(XC2，YC2，ZC2)、(XD2，YD2，ZD2)、(XE2，YE2，ZE2)
(XA3，YA3，ZA3)、(XB3，YB3，ZB3)、(XC3，YC3，ZC3)、(XD3，YD3，ZD3)、(XE3，YE3，ZE3)
(X′A1，Y′A1，Z′A1)、(X′B1，Y′B1，Z′B1)、(X′C1，Y′C1，Z′C1)、(X′D1，Y′D1，Z′D1)、(X′E1，Y′E1，Z′E1)
(X′A2，Y′A2，Z′A2)、(X′B2，Y′B2，Z′B2)、(X′C2，Y′C2，Z′C2)、(X′D2，Y′D2，Z′D2)、(X′E2，Y′E2，Z′E2)
(X′A3，Y′A3，Z′A3)、(X′B3，Y′B3，Z′B3)、(X′C3，Y′C3，Z′C3)、(X′D3，Y′D3，Z′D3)、(X′E3，Y′E3，Z′E3)
(b)三維建模及尺寸求解
根據(jù)求得的各特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，對圓柱形鍛件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)模型中各點(diǎn)間的空間位置關(guān)系求解鍛件的鍛壓尺寸并分析鍛件的形位公差；考慮到在圓柱形鍛件在鍛壓成型過程中橫截面的變化，將位于圓柱形鍛件同一邊緣上的點(diǎn)A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，分別擬合為對應(yīng)的橢圓輪廓曲線O1、O2、O3，根據(jù)擬合成的橢圓方程可以分別求解圓柱形高溫鍛件在各個(gè)位置的尺寸，以及相應(yīng)圓柱形高溫鍛件相應(yīng)位置的圓度信息；求解以上橢圓的中心O1、O2、O3包絡(luò)圓柱面γ，通過計(jì)算圓柱面γ的直徑即可求得圓柱形鍛件的直線度信息Dγ。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鍛件熱態(tài)尺寸非接觸測量方法，所采用的測量系統(tǒng)，其特征是，由第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)，相機(jī)控制盒(4)，第一、二低通濾光片(10、9)，DLP投影機(jī)(8)，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(5)組成；第一、二低通濾光片(10、9)通過螺紋連接在第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)鏡頭前，DLP投影儀(8)放置在第一、二CCD攝像機(jī)(2、7)中間，CCD攝像機(jī)(2)、(7)和相機(jī)控制盒(4)通過數(shù)據(jù)線(3)連接在一起，相機(jī)控制盒(4)由計(jì)算機(jī)(5)通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。
全文摘要
本發(fā)明一種鍛件熱態(tài)尺寸的非接觸測量方法屬于高溫鍛件尺寸測量領(lǐng)域，特別涉及對鍛件使用條狀結(jié)構(gòu)光進(jìn)行尺寸測量的方法。先將鍛件分為方形和圓柱形兩大類，然后對第一、二CCD攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，建立相機(jī)與外部視場的坐標(biāo)聯(lián)系；向高溫鍛件投射條狀結(jié)構(gòu)光；利用圖像采集系統(tǒng)采集投射條狀結(jié)構(gòu)光的高溫鍛件的圖像；對采集到的圖像進(jìn)行處理，通過分析圓柱形和方形鍛件上結(jié)構(gòu)光邊緣的形狀特點(diǎn)，將關(guān)聯(lián)鍛件尺寸的特征點(diǎn)快速提取出來，結(jié)合第一、二CCD攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果對鍛件的特征點(diǎn)進(jìn)行三維建模，并求出鍛件的尺寸和鍛件的部分形位誤差。采用雙目視覺技術(shù)實(shí)時(shí)拍攝高溫鍛件的圖像，測量快速精確，能滿足工業(yè)鍛壓生產(chǎn)的要求。
文檔編號B21J5/00GK101713640SQ20091018778
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者賈振元, 劉巍, 賈興華, 王邦國, 杜劍 申請人:大連理工大學(xué)