专利名称：大型锻件的激光雷达在线三维测量装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种测量技术领域的装置与方法，具体是一种大型锻件的激光 雷达在线三维测量装置与方法。
背景技术：
大型锻件是制造重大技术装备关键零部件不可缺少的毛坯，其生产周期长， 技术难度大，价格昂贵。我国生产的大型锻件直径尺寸已超过5m ，长度尺寸已 达17m。在千余度的高温下准确测量锻件尺寸已成为长期未能解决的难题。到 目前为止，我国大锻件生产厂均采用简单工具在热态下由人工直接接触测量。 中、小型轴类锻件通常由操作工在距锻件不足lm处用大型卡钳直接测量，不仅 工作条件恶劣，而且测量误差很大。大直径尺寸用简单的"量杆"测量，在其 上标出锻件图规定的尺寸，再用肉眼在高温下与锻件比较。这种方法无法保证 "量杆"通过圆心，也无法反映锻件的圆度，很难为锻件的形状校正提供依据； 由于温度太高，条件恶劣，测量误差很大，不得不加大加工余量，生产成本随 之增加；而且在测量时锻件必须离线，测量时间长，锻件温降较大，对生产效 率和锻件质量均有一定影响。因此，我国大型锻件尺寸测量己成为生产中迫切 需要解决的重大技术问题，有效的解决大型锻件的准确在线测量对促进整个大 中型锻件行业的技术进步具有重大意义。
国外锻造厂家在大尺寸热态测量方面虽较我国先进，但也存在很多问题。 国外主要采用以下几种测量方法。 一是用悬丝法测直径，即用两条绳索分别靠 近锻件，同时记录悬绳位置坐标，以确定直径；或用两条激光束代替绳索，方 法与悬丝法类似。该方法虽然简单，但无法反映形状偏差，且需在水压机外安 装很大的装置。二是用一可动的摄像头检测锻件端面的棱边，从而计算出直径; 但均需将锻件完全离线，测量时间长。三是利用照相测量技术，可同时得到端 面尺寸和形状信息，但需使工件完全脱离各种辅具，测量时间更长。
经对现有技术的文献检索发现，聂绍珉等在《塑性工程学报》[(2005) 12(7): 85-88]上发表了 "基于CCD的大型锻件尺寸测量研究"。文中指出，近年中国第 一重型机械公司与燕山大学合作，研制了一种基于CCD的大型锻件尺寸测量系 统，该系统可实现热态、远程非接触测量，特大直径的测量误差小于2mm， 一般 尺寸的测量误差小于lmm，操作简单、方便，可靠性强，但文中只针对轴类、筒 类锻件，将其横截面视为椭圆，在测量对象的截面类型及测量的准确性上还可 进一步提高，而且其快速性等方面仍待加强。检索中还发现，郑德华等在《测 绘工程》[(2005)14(2) :32-34， 56]上发表了 "三维激光扫描仪及其测量误差 影响因素分析"。该文献将三维激光扫描技术分为径向三维激光扫描仪、相位干 涉法扫描系统和三角法扫描系统三种类型。并且从仪器误差、与目标物体反射 面有关的误差和外界环境条件影响等三个方面分析了三维激光扫描系统误差的 影响因素。对径向三维激光扫描仪器的测量误差影响因素进行了较为全面的理 论分析，并指出了测距误差和扫描角误差是三维激光扫描误差的主要误差源。 然而此文只是针对地形地貌测量方向进行了研究，并未涉及高温锻件测量领域。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种大型锻件的激光雷达在 线三维测量装置与方法。本发明采用激光雷达竖直扫描结合伺服电机带动激光 雷达在水平平面内的转动，实现二维激光扫描雷达的三维扫描。通过对扫描数 据的处理，识别出在线测量物体的形状，从而实现大型锻件的远距离、非接触 在线测量。该测量装置与方法具有测量快速、准确的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明涉及的大型锻件的激光雷达在线三维测量装置，包括二维激光雷达、 伺服电机、连轴器、旋转主轴、限位及零点传感器、含轴承的轴承座、抱闸装 置、激光雷达背部支架、L形安装底板、竖直安装底座、运动控制卡、,数据采集 卡、数据处理的计算机。激光雷达通过通讯电缆连接到数据采集卡，数据采集 卡直接与数据处理计算机相连，伺服电机通过运动控制电缆连接到运动控制卡， 运动控制卡直接与数据处理计算机相连，二维激光雷达通过激光雷达背部支架 固定在旋转主轴上，旋转主轴通过含轴承的轴承座安装在L形安装底板上，伺 服电机安装在L形安装底板上，并通过联轴器与旋转主轴相连接，限位及零点
传感器及抱闸装置均安装在旋转主轴末端，L形安装底板固定在竖直安装底座 上，通过二维激光扫描雷达在竖直方向的扫描结合伺服电机带动激光雷达在水 平平面内的转动，实现二维激光扫描雷达的三维扫描。
所述二维激光扫描雷达，其扫描平面与旋转主轴的旋转平面垂直。 所述二维激光扫描雷达采集到的数据通过通讯电缆传输到计算机内的数据 采集卡。二维激光扫描雷达采集到的测量工件的点云距离数据及此时相应的激 光雷达内部垂直水平转角数据，同时系统本身获得同样时刻机械装置中伺服电 机的水平转角数据，通过通讯电缆将上述数据传输到数据采集卡并最终传送到 数据处理计算机。
所述数据处理计算机接收数据采集卡传送的数据，进行极坐标与直角坐标 数据转换，回复成扫描点云的直角坐标，进而三维表面和实体的重建，最终获 得锻件形状信息，进而计算得到待测大型锻件的实际表面形貌和尺寸参数，及 形状偏差。
所述运动控制卡通过运动控制电缆与伺服电机的驱动模块(伺服电机的配 套设备)相连。
本发明所涉及的大型锻件的激光雷达在线测量方法(针对锻造操作机上的 夹持的锻件)，以二维扫描激光雷达为核心，结合伺服电机和运动控制卡，实现 了三维扫描的功能。对应的方法是首先将激光雷达定位于锻件轴线所在水平平 面；然后激光雷达分别扫描锻件的四个表面，二维激光扫描雷达在与锻件轴线 垂直的平面内扫描，伺服电机带动激光雷达在水平平面内的转动，从而实现了 锻件的三维扫描；最后通过数据处理获取锻件形状及其相关参数，如直径，并 得到锻件的形状偏差。
本发明方法具体包括以如下步骤
(1) 将该测量系统安装在视角正对着被测量物体的位置；
(2) 在大型锻件停放结束后，激光雷达在线三维测量装置对大型锻件进行 一次扫描；接着由锻造操作机将锻件均匀的同向翻转3次，每次转动90度，每 转动一次分别则对锻件进行一次扫描，四次扫描的面两两之间产生部分重叠， 从而通过这四次扫描得到锻件形状的全部参数；
(3) 激光雷达在线三维测量装置在扫描每个表面时的处理方法是通过锻
造操作机的夹持定位，使锻件的一侧表面处于激光雷达的视野之内。激光雷达 从锻件的一端开始，先由二维激光扫描雷达在竖直方向扫描锻件的一个截面； 然后伺服电机进行水平方向的偏转，接着扫描下一个截面，以此方式实现激光 雷达视角内锻件表面的扫描。在水平方向，通过限定电机的偏转角度来限定扫 描范围；在竖直方向，点是否在锻件表面上通过距离域值判定。
(4)系统扫描得到测量工件的点云距离数据及相应的水平与垂直两个转角 数据，计算机接收到上述数据，进行极坐标与直角坐标数据转换，回复成扫描 点云的直角坐标，进而三维表面和实体的重建，最终获得锻件形状信息(可以 是椭圆、圆、长方形等多种类型)，进而计算得到待测大型锻件的实际表面形貌 和尺寸参数，及形状偏差。
本发明中激光雷达在线三维测量装置，首先获取锻件表面信息；然后获取 锻件形状及其相关参数，如直径；最后得出锻件的形状偏差。本发明应用激光 对高温物体扫描识别的方法，以及软件处理和硬件控制技术，大幅提高了识别 精度和速度，扩大了应用范围，满足锻件测量要求，有效提高了锻件测量的精 度与效率。本发明的测量范围在8. 191m时的测量最高精度为lram，测量一个直 径6m，长度为12m的大型锻件所需要的时间和精度有关，当选定测量精度为l皿 时，所需要时间约为l分钟。
图1为本发明装置的总体结构组成框图
图2为本发明方法实现的布局结构及测量原理示意图(俯视图) 图3为本发明方法实现的布局结构及测量原理示意图(右视图) 图4为本发明测量装置的核心机械结构示意图(局部轴测图) 图5为测量距离的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的 保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例装置包括左虚线框内的电气部分和右虚线框内的机 械部分(图1只给出了两个关键部件)。具体电气部分包括l一数据处理计算
机、2 —数据采集卡、3 —运动控制卡、4一通讯电缆、5 —运动控制电缆，机械
部分包括但是不限于10-伺服电机、13-二维激光雷达。本发明电气部分的连
接如图1所示，激光雷达13通过通讯电缆4连接到数据采集卡2，数据采集卡 2直接与数据处理计算机1相连，伺服电机10通过运动控制电缆5连接到运动 控制卡3，运动控制卡3直接与数据处理计算机1相连。
图2、图3给出了本发明装置在实际测量中的布局结构及基本测量原理。其 中6—激光雷达在线三维测量装置、7-系统水平扫描方向、8-被测锻件、9-锻 造操作机夹钳、20—系统竖直扫描方向。其中具体而言，如图3、 4所示，激光 雷达在线三维测量装置机械努份又包括10-伺服电机、11-联轴器、12-激光雷达 背部支架、13-二维激光雷达、14-旋转主轴、15-限位及零点传感器、16-含轴 承的轴承座、17-抱闸装置、18-L形安装底板、19-竖直安装底座。
激光雷达在线三维测量装置机械结构的连接关系如图3和图4所示，二维 激光雷达13通过激光雷达背部支架12固定在旋转主轴14上，旋转主轴14通 过含轴承的轴承座16安装在L形安装底板18上，伺服电机10安装在L形安装 底板18上，并通过联轴器11与旋转主轴14相连接，限位及零点传感器15及 抱闸装置17均与旋转主轴14同心安装。L形安装底板18固定在竖直安装底座 19上。
所述二维激光雷达13，其扫描平面与旋转主轴14的旋转平面垂直。二维激 光雷达13在0至180度范围内，每隔一个单位转角(单位转角包含0.25/0. 5/1 度三种分辨率)，扫描获得一组工件8表面点云距离数据激光雷达内部垂直水平 转角数据，完成一个竖直面内的扫描。二维激光雷达13本身每完成一个竖直面 内的扫描，伺服电机10带动激光雷达13，沿水平面内作一个单位转角(最小 O.l度，具体数值由系统初始参数设置决定)的转动。二维激光雷达在竖直方向 的扫描20结合伺服电机带动激光雷达在水平平面内的转动7，实现二维激光雷 达的三维扫描。
所述激光雷达在线三维测量装置，在测量工作中，由二维激光扫描雷达13 采集到的测量工件的点云距离数据及此时相应的激光雷达内部垂直水平转角数 据；同时系统本身获得同样时刻机械装置中伺服电机的水平转角数据。通过通 讯电缆4将上述数据传输到数据采集卡2并最终传送到数据处理计算机1。数据
处理计算机1对上述接收到的数据，进行极坐标与直角坐标数据转换，回复成 扫描点云的直角坐标，进而三维表面和实体的重建，最终获得锻件形状信息(可 以是椭圆、圆、长方形等多种类型)，进而计算得到待测大型锻件的实际表面形 貌和尺寸参数，及形状偏差。
该实施方式针对大型锻造操作机操作工况下，用于实现大型锻件的自动、 远距离、非接触在线测量。
图5为测试系统与锻件之间的角度和距离示意图。如图所示，在分四次扫 描的情况下，每次扫描的锻件角度为90度，对于一个直径为6米的锻件，测试 系统在锻件1.24米处就能实现，适当增加测试系统离锻件的距离， 一方面减小 锻件高温对测试仪器设备的影响，另外一方面就可以使得每次扫描的锻件角度 大于90度，从而使每两次扫描的面之间产生重叠，以保证得到锻件的全部表面 自
IR 'K、 o
本实施例对大型锻件的远距离、非接触在线测量的实现方法如下
(1) 将激光雷达安装在激光雷达在线三维测量装置的底座上，离地面大约
3-3.5m，安装视角为正对在线测量物体位置(如图2、图3)，激光雷达距离锻 造操作机夹钳旋转中心(即锻造工件旋转中心轴线)不超过8m;具体参数由系 统初始标定确定。
(2) 在大型锻件停放结束后，激光雷达在线三维测量装置对大型锻件进行 一次扫描；接着由锻造操作机将锻件均匀的同向翻转3次(每次转动90度)， 每转动一次分别则对锻件进行一次扫描，四次扫描的面两两之间产生部分重叠， 从而通过这四次扫描得到锻件形状的全部参数；
(3) 激光雷达在线三维测量装置在扫描每个表面时的处理方法是通过锻 造操作机的夹持定位，使锻件的一侧表面处于激光雷达测量的视野之内。激光 雷达从锻件的一段开始，先由二维激光扫描雷达在竖直方向扫描锻件的一个截 面；然后伺服电机进行水平方向的偏转，接着扫描下一个截面，以此方式实现 激光雷达视角内锻件表面的扫描。在水平方向，通过限定电机的偏转角度来限 定扫描范围；在竖直方向，点是否在锻件表面上通过距离域值判定。
(4) 系统扫描得到测量工件的点云距离数据及相应的水平与垂直两个转角 数据，计算机接收到上述数据，进行极坐标与直角坐标数据转换，回复成扫描
点云的直角坐标，进而三维表面和实体的重建，最终获得锻件形状信息(可以 是椭圆、圆、长方形等多种类型)，进而计算得到待测大型锻件的实际表面形貌 和尺寸参数，及形状偏差。
所述的激光雷达在线三维测量装置包括三维激光雷达测试系统(以二维激 光雷达为核心，通过机械系统的配合，实现了三维扫描)，以及相应的测量过程 与方法，可以获取锻件形状参数及形状偏差。
本发明装置和方法可用于锻造操作机操作大型锻件时，大型锻件的在线测 量。水平测量角度范围为0—180度，角度分辨率分为0.25。 、0.5° 、 1°三档。
垂直角度测量范围为o—i20度，角度分辨率最高为o. r 。测量距离范围在
8. 191m时的测量最高精度为lmm。测量距离范围扩展到81. 91m时的测量最高精 度为10mm。测量一个直径6m，长度为12m的大型锻件所需要的时间和精度有关， 当选定测量精度为lmni时，所需要时间约为l分钟，形状精度误差不超过2%; 当选定测量精度为10mm时，所需要时间小于l分钟，形状精度误差不超过5%。 通过采用激光雷达扫描，实现了大型锻件形状的快速测量，同时测量精度、可 靠性也得到提高，并且测量范围也得到了扩展。
上述激光雷达在线三维测量装置的适用测量对象不仅包括高温热态下的大 型锻件，也适用各种常温冷态下的大型锻件、甚至结构件。
权利要求
1、一种大型锻件的激光雷达在线三维测量装置，包括二维激光雷达、伺服电机、连轴器、旋转主轴、限位及零点传感器、含轴承的轴承座、抱闸装置、激光雷达背部支架、L形安装底板、竖直安装底座、运动控制卡、数据采集卡、数据处理的计算机，其特征在于激光雷达通过通讯电缆连接到数据采集卡，数据采集卡直接与数据处理计算机相连，伺服电机通过运动控制电缆连接到运动控制卡，运动控制卡直接与数据处理计算机相连，二维激光雷达通过激光雷达背部支架固定在旋转主轴上，旋转主轴通过含轴承的轴承座安装在L形安装底板上，伺服电机安装在L形安装底板上，并通过联轴器与旋转主轴相连接，限位及零点传感器及抱闸装置均安装在旋转主轴末端，L形安装底板固定在竖直安装底座上，通过二维激光扫描雷达在竖直方向的扫描结合伺服电机带动激光雷达在水平平面内的转动，实现二维激光扫描雷达的三维扫描。
2、 根据权利要求1所述的大型锻件的激光雷达在线三维测量装置，其特征 是，所述二维激光扫描雷达，其扫描平面与旋转主轴的旋转平面垂直。
3、 根据权利要求1或2所述的大型锻件的激光雷达在线三维测量装置，其 特征是，所述二维激光扫描雷达采集到的数据通过通讯电缆传输到计算机内的数 据采集卡，二维激光扫描雷达采集到的测量工件的点云距离数据及此时相应的激 光雷达内部垂直水平转角数据，同时系统本身获得同样时刻机械装置中伺服电机 的水平转角数据，通过通讯电缆将上述数据传输到数据采集卡并最终传送到数据 处理计算机。
4、 根据权利要求3所述的大型锻件的激光雷达在线三维测量装置，其特征 是，所述数据处理计算机接收数据采集卡传送的数据，进行极坐标与直角坐标数 据转换，回复成扫描点云的直角坐标，进而三维表面和实体的重建，最终获得锻 件形状信息，进而计算得到待测大型锻件的实际表面形貌和尺寸参数，及形状偏差。
5、 根据权利要求1所述的大型锻件的激光雷达在线三维测量装置，其特征 是，所述运动控制卡通过运动控制电缆与伺服电机的驱动模块相连。
6、 一种大型锻件的激光雷达在线测量方法，其特征在于，首先将激光雷达 定位于锻件轴线所在水平平面，然后激光雷达分别扫描锻件的四个表面，二维激 光扫描雷达在与锻件轴线垂直的平面内扫描，伺服电机带动激光雷达在水平平面 内的转动，从而实现了锻件的三维扫描，最后通过数据处理获取锻件形状及其参 数，并得到锻件的形状偏差。
7、 根据权利要求6所述的大型锻件的激光雷达在线测量方法，其特征是，包括如下步骤(1) 将二维激光扫描雷达安装在激光雷达在线三维测量装置的底座上，整 个测量系统安装视角为正对在线测量物体位置；(2) 在大型锻件停放结束后，激光雷达在线三维测量装置对大型锻件进行 一次扫描，接着由锻造操作机将锻件均匀的同向翻转3次，每次转动90度，每 转动一次分别对锻件进行一次扫描，四次扫描的面两两之间产生部分重叠，从而 通过这四次扫描得到锻件形状的全部参数；(3) 激光雷达在线三维测量装置扫描每个表面时，通过锻造操作机的夹持 定位，使锻件的一侧表面处于激光雷达测量的视野之内，激光雷达从锻件的一端 开始，先由二维激光扫描雷达在竖直方向扫描锻件的一个截面，然后伺服电机进 行水平方向的偏转，接着扫描下一个截面，以此方式实现激光雷达视角内锻件表 面的扫描；(4) 系统扫描得到测量工件的点云距离数据及相应的水平与垂直两个转角 数据，计算机接收到上述数据，进行极坐标与直角坐标数据转换，回复成扫描点 云的直角坐标，进而三维表面和实体的重建，最终获得锻件形状信息，进而计算 得到待测大型锻件的实际表面形貌和尺寸参数，及形状偏差。
8、 根据权利要求7所述的大型锻件的激光雷达在线测量方法，其特征是， 所述的步骤(3)，在水平方向，通过限定电机的偏转角度来限定扫描范围。
9、 根据权利要求7或8所述的大型锻件的激光雷达在线测量方法，其特征 是，所述的步骤(3)，在竖直方向，点是否在锻件表面上通过距离域值判定。
全文摘要
一种测量技术领域的大型锻件的激光雷达在线三维测量装置与方法。本发明装置包括二维激光雷达、伺服电机、连轴器、旋转主轴、限位及零点传感器、含轴承的轴承座、抱闸装置、激光雷达背部支架、L形安装底板、竖直安装底座、运动控制卡、数据采集卡、数据处理的计算机。首先将激光雷达定位于锻件轴线所在水平平面，然后激光雷达分别扫描锻件的四个表面，二维激光扫描雷达在与锻件轴线垂直的平面内扫描，伺服电机带动激光雷达在水平平面内的转动，从而实现了锻件的三维扫描，最后通过数据处理获取锻件形状及其参数，并得到锻件的形状偏差。本发明大幅提高了识别精度和速度，扩大了应用范围，满足锻件测量要求，有效提高了锻件测量的精度与效率。
文档编号G01B11/24GK101187548SQ200710171878
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者姚振强, 常大伟, 杜正春, 林忠钦, 峰 高 申请人:上海交通大学