專利名稱：大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測方法，特別是一種大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測方法。
背景技術：
高溫鍛壓是軋鋼裝備、水電機組、核電機組等重型裝備核心部件的主要生產方式， 大鍛件的生產水平也是衡量一個國家機械制造業(yè)水平的基本標志之一。鍛造生產一般都 是在800°C -1250°C之間進行，國內萬噸級以上水壓機設備上的尺寸測量與定位一直是采 用最原始的“卡鉗”與“量桿”測量方法，操作工人采用卡鉗測量工件尺寸時，由于鍛件溫度 高，只能短時靠近工件，加上卡鉗有較大的回彈量，且不易掌握，測量誤差大，準確測量截面 尺寸達到2000mm以上的工件幾乎不可能實現(xiàn)。在實際工作中，多數(shù)情況下是采用其它間接 比較方式推算工件尺寸的大小，誤差達到50mm-100mm，不僅測量誤差大，而且工作效率非常 低；另一方面，由于測量精度差，在實際操作中常采取保守的操作方法，造成工件“肥大”情 況嚴重。目前的鍛件水平由于尺寸精度原因造成的“肥大率”一般在5% -10%左右；換言 之，由于測量不準造成的材料浪費為5% -10%左右。因此，大鍛件鍛造過程中的工件測量 與控制一直是一個難題。近年來，國內外多家研究機構和廠家一直在探索和研究解決方案， 但到目前為止，還僅停留在簡單工件、單參數(shù)的檢測；雖有廠家也曾投入使用，但由于現(xiàn)場 高溫、粉塵、電磁波、震動、水汽等現(xiàn)場惡劣條件對裝置的影響，現(xiàn)也基本失去了原定功能或 已停用。到目前為止，還沒有完整的、真正實用的適用于大型鍛件熱態(tài)在位測量的成熟技術 和裝置。國外部分產品在使用上也有較大局限性，再加之引進費用昂貴、技術壁壘等因素， 以及國內現(xiàn)有設備、工藝條件等方面和國外的差別，還沒有企業(yè)引進國外技術用于生產。

發(fā)明內容
針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術之缺陷，本發(fā)明的目的就是提供一種大型高溫鍛 件熱態(tài)在位檢測方法，可有效解決目前高溫鍛件測量測量方法落后、測量精度低、嚴重浪費 材料的問題。其解決的技術方案是，用激光掃描儀和結構光數(shù)字攝影組合掃描測量得到高溫鍛 件表面的三維點云數(shù)據，這樣組合獲取點云的方法與常規(guī)單獨使用一項技術獲取點云的方 法相比，增加了點云獲取的速度和點云的可靠性，獲取三維點云數(shù)據后，對點云的數(shù)據進行 融合，再采用人機交互的濾波算法，去掉非鍛件表面的點和測量粗差點，所謂人機交互的濾 波算法即首先采用OPENGL三維顯示技術將鍛件點云數(shù)據顯示到屏幕上手動刪除明顯粗差 點，再用平均曲率流法去掉小粗差點，再對采集的鍛件點云數(shù)據進行NURBS曲面快速模型 重建分析，通過幾何運算解算鍛件模型的幾何參數(shù)，輸出。本發(fā)明方法簡單，速度快，可靠性強，節(jié)約材料，成本低，有效用于大型高溫鍛件熱 態(tài)在位檢測，解決了高溫鍛件熱態(tài)在位無法準確的檢測問題，是大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢 測上的創(chuàng)新。四

圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為本發(fā)明激光掃描儀測量原理圖；圖3為本發(fā)明結構光數(shù)字攝影獲取點云流程圖；圖4為本發(fā)明雙目立體匹配流程圖。五、具體是實施方式以下結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明，由圖1所示，本發(fā)明是，首 先，用激光掃描儀和結構光數(shù)字攝影獲取鍛件點云數(shù)據，然后對點云數(shù)據進行融合，再去掉 粗差點，對模型重建分析，按最小二乘法進行平差解算，求出坐標轉換參數(shù)，輸出，從而完成 整個對高溫鍛件熱態(tài)在位的檢測，具體步驟如下(一 )鍛件三維點云數(shù)據獲取，方法是，用激光掃描儀和結構光數(shù)字攝影兩種方式 組合獲取鍛件的點云數(shù)據，實際使用時既可以使用上述兩種技術中的某一種方式獲取鍛件 的點云數(shù)據，也可以組合使用獲取鍛件的點云數(shù)據，這大大增加了點云數(shù)據獲取的速度、靈 活性和可靠性，下面分別對兩種技術獲取點云的過程進行說明1、激光掃描儀獲取點云，激光掃掃描測量技術是近幾年發(fā)展起來的新技術，主要 原理是通過激光測距技術測量掃描儀與目標表面點的距離，再通過機械裝置控制轉動激光 束測量不同點的距離，結合每個測量點激光指向角度參數(shù)，可以實時解算出一定坐標系下 的三維坐標，其基本原理如圖2所示，激光掃描儀通過測角測距，獲得掃描儀中心到目標點 的距離S、出射光線在儀器坐標系下的水平角α和垂直角θ，由球坐標計算公式可得到目 標點在儀器局部坐標系下的三維坐標(X，1，ζ)X = Scos θ cos αY = Scos θ sin α式(1)Z = Ssine同時還可以記錄激光回波強弱；系列點的數(shù)據構成表示測量目標表面的點云數(shù) 據，如將每個點的回波強度以圖像灰度來表達，還可以顯示點云影像圖；2、結構光數(shù)字攝影獲取點云，由于高溫鍛件表面沒有明顯的紋理特征可以進行圖 像匹配和量測，本發(fā)明采用信息工程大學開發(fā)的綠結構光投射裝置投射人工紋理來解決這 個問題，而后再用雙相機對高溫鍛件拍攝像片，通過圖象處理技術從拍攝的像片上提取出 人工紋理投射的像方坐標，雙目立體匹配獲取同名像點，解算出三維坐標，結構光雙目視覺 測量是基于結構光的近景攝影的三角法測量原理構建，光學投射器將一定模式的結構光投 射于物體表面，在表面上形成由被測物體表面形狀所調制的光學三維圖像，當采用具有固 定基線的雙目相機拍攝被測物體的二維圖像進而恢復待測物體表面的三維形狀，再根據三 維點云坐標描述和量測被測物體；結構光的數(shù)字攝影測量子系統(tǒng)是由結構光投射裝置、固定基線數(shù)字攝影測量子系 統(tǒng)組合而成，是由綠激光陣列組成的結構光投射裝置負責在高溫鍛件表面形成點陣或網 格，由針對結構光開發(fā)的數(shù)字攝影測量子系統(tǒng)對點陣或網格交點進行圖像獲取和點坐標由 計算機軟件自動解算，再通對坐標點陣的數(shù)字建模和截面分析等獲得所需的鍛件尺寸數(shù) 據；由上述表明，也就是說，用結構光數(shù)字攝影測量獲取點云，由綠結構光投射裝置、固定基線數(shù)字攝影測量裝置組合而成的系統(tǒng)投射人工紋理(具體由系統(tǒng)中的綠結構光投 射裝置投射人工紋理)，由經過相機內參數(shù)標定和結構參數(shù)標定的雙相機對高溫鍛件表面 的點陣或網格交點進行點云圖像獲取，由計算機軟件對人工標志進行中心提取，雙目立體 匹配獲取同名像點，解算出三維坐標，再根據三維點云坐標描述和量測被測物體；(a)人工紋理投射，以綠激光為光源，設計成點陣或網格，可采用點陣方式、網格方 式或排點掃描方式中的一種進行投射點陣方式以較大功率的激光器產生激光，經過透鏡發(fā)散后通過光柵孔形成面狀 點陣投射到鍛件上，根據在鍛件表面落點角度的不同形成圓形或橢圓形光點，如圖附圖4a 所示；網格方式采用投線激光器或線形光柵使投射的激光成網格形狀到鍛件表面，如 附圖4b所示；排點掃描式采用線狀排列的激光器陣列，可以投射一條線的激光點，使用時由步 進電機控制轉動投射方向，分時覆蓋整個鍛件表面，如附圖4c所示，測量通過序列圖像組 合獲得鍛件表面激光點的覆蓋圖像，從而可以量測鍛件表面；投射點密度為1個點/cm2，實際中可根據鍛件的外形曲率變化的特征進行改變 (曲率變化大的地方多投點，曲率變化小的地方少投點)；投點的精度為點陣方式和排點掃 描式形狀因子> 0. 4,0. 3 <黑白比< 0. 9 ；網格方式lpixel <線寬< 15pixel，0. 3 <黑 白比< 0. 9 ；對人工投射的情況進行投點密度、投點精度、檢測方式進行檢測，目的在于第一， 投點密度是否符合設計要求；第二，投點精度是否符合要求；第三，綜合比較三種方式的特 點，確定一種最合理的投射紋理；投點密度選一已知面積的標準矩形平板，向其投射人工紋理，由圖像處理得到的 實際點數(shù)量，實際點數(shù)量與標準矩形平板面積的比值就是實際投點的密度，比較實際投點 的密度與要求投點的密度，判斷該投射方式是否符合投點密度要求；投點精度向高溫鍛件投射人工紋理，通過圖像處理得到計算每一個點是否滿足 精度要求，要求至少95%以上的點滿足精度要求；投射方式選擇選擇一個圓柱形標準件，分別用上述三種結構光投射方式對其尺 寸進行測試，將測量結果與真值進行比對，選擇合乎精度要求的投射方式；(b)相機內參數(shù)標定相機內參數(shù)標定是，選用基于試驗場的標定方法，即由一些坐標已知的物方空間 控制點構成試驗場，用待標定的相機對試驗場攝影，然后根據單像片空間后方交會或多像 片后方交會求解內部參數(shù)的過程，稱之為試驗場法標定，顧及到像點系統(tǒng)誤差的影響，可將 成像基本方程寫成
權利要求
1. 一種大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測方法，其特征是，用激光掃描儀或結構光數(shù)字攝影 獲取鍛件點云數(shù)據，然后對點云數(shù)據進行融合，再去掉粗差點，模型重建分析后，按最小二 乘法進行平差解算，求出坐標轉換參數(shù)，輸出，具體步驟如下(一)鍛件三維點云數(shù)據獲取，方法是，用激光掃描儀或結構光數(shù)字攝影兩種方式組合 獲取鍛件的點云數(shù)據(1)用激光掃描儀獲取點云，方法是，通過激光測距，測量掃描儀與目標表面點的距離， 再通過轉動激光束測量不同點的距離，結合每個測量點激光指向角度參數(shù)，解算出坐標系 下的三維坐標X = Scos θ cos αV= Scos θ sin αZ = Ssin θ式中S為掃描儀中心到目標點的距離，α和θ分為出射光線在儀器坐標系下的水平 角和垂直角。(2)用結構光數(shù)字攝影測量獲取點云，由綠結構光投射裝置、固定基線數(shù)字攝影測量 裝置組合而成的系統(tǒng)投射人工紋理，由經過相機內參數(shù)標定和結構參數(shù)標定的雙相機對高 溫鍛件表面的點陣或網格交點進行點云圖像獲取，由計算機軟件對人工標志進行中心提 取，雙目立體匹配獲取同名像點，解算出三維坐標，再根據三維點云坐標描述和量測被測物 體；(a)人工紋理投射，以綠激光為光源，設計成點陣或網格，采用點陣方式、網格方式或排 點掃描方式中的一種進行投射；(b)相機內參數(shù)標定，是選用物方空間控制點構成試驗場，用待標定的相機對試驗場攝 影，然后根據單像片空間后方交會或多像片后方交會求解內部參數(shù)的過程，稱之為試驗場 法標定，顧及到像點系統(tǒng)誤差的影響，將成像基本方程寫成
2.根據權利要求1所說的大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測方法，其特征是，所說的人工紋 理投射中的點陣方式是以大功率的激光器產生激光，經過透鏡發(fā)散后通過光柵孔形成面狀 點陣投射到鍛件上，根據在鍛件表面落點角度的不同形成圓形或橢圓形光點；網格方式是 采用投線激光器或線形光柵使投射的激光成網格形狀到鍛件表面；排點掃描式是采用線狀 排列的激光器陣列，投射一條線的激光點，使用時由步進電機控制轉動投射方向，分時覆蓋 整個鍛件表面，測量通過序列圖像組合獲得鍛件表面激光點的覆蓋圖像，量測鍛件表面；投 射點密度為1個點/cm2，投點的精度為點陣方式和排點掃描式形狀因子>0.4，0.3<黑白 比< 0. 9 ；網格方式=Ipixel <線寬< 15pixel，0. 3 <黑白比< 0. 9 ；投點要求至少95%以上的點滿足精度要求。
3.根據權利要求1所說的大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測方法，其特征是，所說的相機內 參數(shù)標定時，像主點偏差和相機焦距要控制在0. 01mm，畸變參數(shù)精度控制在5%以內，對點 的測量精度達到0. Imm,用V-STARS工業(yè)攝影測量系統(tǒng)標定的內參數(shù)直接進行比對10次，取 均方根，用信息工程大學測繪學院開發(fā)的MetroIn工業(yè)測量系統(tǒng)和美國GSI公司的V-STARS 工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對一組點進行坐標測量，得出兩組測量結果，用標定內參數(shù)的相機進行 測量同一組點坐標，得出一組測量結果，將相機測得的結果分別與MetroIn工業(yè)測量系統(tǒng) 和V-STARS工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的結果進行比對，判定相機內參數(shù)的標定是否符合標 準。
4.根據權利要求1所說的大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測方法，其特征是，所說的雙相機 結構參數(shù)標定中的幾何關系是，從兩個不同視點獲得的來自同一場景的兩幅圖像之間存在 著一定的約束關系，即通常所說的對極幾何關系，I為左像片的像平面，C-XYZ為左像空間 坐標系，C為左像片透視中心，II為右像片的像平面，C1-X1Y1Z1為右像空間坐標系，C1為右 像片透視中心，任意空間點M的齊次坐標為(X，Y，Z，l)，在左像片成的像m的齊次坐標為 (X，y，l)，在右像片成的像叫的的齊次坐標為(Xl，yi，l)，C-XYZ與C1-X1Y1Z1之間的歐氏變 換為(x,y, z)T = [R|T] (Xl，yi，Zl)T 式中R—3X3正交旋轉矩陣 T——3X1平移矢量由透視投影關系，M與m和Hi1的關系分別表示為 Am= [I |0]Μ = ΡΜλ 乒 O λ 諷=[R|T]M = P1MX1^O 式中P——3 X 4左像片的投影矩陣， P1——3 X 4右像片的投影矩陣， I——3X3單位矩陣，CCpM、!!!和Hi1在同一個平面上，這個共面條件約束表示為/ 《Lc1 xL)，相應的代數(shù)表示為m( Em = 0式中E為本質矩陣，其秩為2; 本質矩陣由八點算法求解，方程式為 uTe = Ou = [XX1, yx1 X1, Xy1, Yy1, Y1, χ, y, 1]τ其中θ — [Enj E12 E13 E21 j E22，E23，E31，Ε32，E33]當知道8個匹配點對，在相差一個常數(shù)因子的意義下求出F陣，當匹配點對的數(shù)目多于 8個，用最小二乘法求解如下無約束最優(yōu)化問題，求出E陣 min ^ {m\Emf所有的解向量e之間只差一個未知系數(shù)，為了避免多余解的出現(xiàn)，加一個約束條件 e = 1，即
全文摘要
本發(fā)明涉及大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測方法，可有效解決目前高溫鍛件測量測量方法落后、測量精度低、嚴重浪費材料的問題，方法是，用激光掃描儀和結構光數(shù)字攝影組合掃描測量得到高溫鍛件表面的三維點云數(shù)據，獲取三維點云數(shù)據后，對點云的數(shù)據進行融合，再采用人機交互的濾波算法，去掉非鍛件表面的點和測量粗差點，再對采集的鍛件點云數(shù)據進行曲面快速模型重建分析，通過幾何運算解算鍛件模型的幾何參數(shù)，輸出，本發(fā)明方法簡單，速度快，可靠性強，節(jié)約材料，成本低，有效用于大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測，解決了高溫鍛件熱態(tài)在位無法準確的檢測問題，是大型高溫鍛件熱態(tài)在位檢測的創(chuàng)新。
文檔編號G01B11/25GK102003938SQ20101050248
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權日2010年10月11日
發(fā)明者于英, 范亞兵, 陳錚, 黃桂平 申請人:中國人民解放軍信息工程大學