[发明专利]一种锻件热态尺寸的非接触测量方法

摘要

本发明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。

主权项

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： x I y I 1 1 = P I X Y Z 1 …① x II y II 1 1 = P II X Y Z 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：F(X，Y，Z)＝0，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： d ‾ = d 1 + d 2 + d 3 3 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为：(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)三维建模及尺寸求解根据求得的各特征点的空间坐标，对圆柱形锻件进行三维建模，然后根据模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸并分析锻件的形位公差；考虑到在圆柱形锻件在锻压成型过程中横截面的变化，将位于圆柱形锻件同一边缘上的点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，分别拟合为对应的椭圆轮廓曲线O1、O2、O3，根据拟合成的椭圆方程可以分别求解圆柱形高温锻件在各个位置的尺寸，以及相应圆柱形高温锻件相应位置的圆度信息；求解以上椭圆的中心O1、O2、O3包络圆柱面γ，通过计算圆柱面γ的直径即可求得圆柱形锻件的直线度信息Dγ。