专利名称：大型高温锻件热态在位检测方法
技术领域：
本发明涉及检测方法，特别是一种大型高温锻件热态在位检测方法。
背景技术：
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。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明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。本发明方法简单，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
图1为本发明的工艺流程图；图2为本发明激光扫描仪测量原理图；图3为本发明结构光数字摄影获取点云流程图；图4为本发明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发明的具体实施方式
进行详细说明，由图1所示，本发明是，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，本发明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特 点，确定一种最合理的投射纹理；投点密度选一已知面积的标准矩形平板，向其投射人工纹理，由图像处理得到的 实际点数量，实际点数量与标准矩形平板面积的比值就是实际投点的密度，比较实际投点 的密度与要求投点的密度，判断该投射方式是否符合投点密度要求；投点精度向高温锻件投射人工纹理，通过图像处理得到计算每一个点是否满足 精度要求，要求至少95%以上的点满足精度要求；投射方式选择选择一个圆柱形标准件，分别用上述三种结构光投射方式对其尺 寸进行测试，将测量结果与真值进行比对，选择合乎精度要求的投射方式；(b)相机内参数标定相机内参数标定是，选用基于试验场的标定方法，即由一些坐标已知的物方空间 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，可将 成像基本方程写成
权利要求
1. 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 = Scos θ cos αV= Scos θ sin αZ = Ssin θ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
2.根据权利要求1所说的大型高温锻件热态在位检测方法，其特征是，所说的人工纹 理投射中的点阵方式是以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；网格方式是 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；排点扫描式是采用线状 排列的激光器阵列，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，测量通过序列图像组合获得锻件表面激光点的覆盖图像，量测锻件表面；投 射点密度为1个点/cm2，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=Ipixel <线宽< 15pixel，0. 3 <黑白比< 0. 9 ；投点要求至少95%以上的点满足精度要求。
3.根据权利要求1所说的大型高温锻件热态在位检测方法，其特征是，所说的相机内 参数标定时，像主点偏差和相机焦距要控制在0. 01mm，畸变参数精度控制在5%以内，对点 的测量精度达到0. Imm,用V-STARS工业摄影测量系统标定的内参数直接进行比对10次，取 均方根，用信息工程大学测绘学院开发的MetroIn工业测量系统和美国GSI公司的V-STARS 工业摄影测量系统对一组点进行坐标测量，得出两组测量结果，用标定内参数的相机进行 测量同一组点坐标，得出一组测量结果，将相机测得的结果分别与MetroIn工业测量系统 和V-STARS工业摄影测量系统测得的结果进行比对，判定相机内参数的标定是否符合标 准。
4.根据权利要求1所说的大型高温锻件热态在位检测方法，其特征是，所说的双相机 结构参数标定中的几何关系是，从两个不同视点获得的来自同一场景的两幅图像之间存在 着一定的约束关系，即通常所说的对极几何关系，I为左像片的像平面，C-XYZ为左像空间 坐标系，C为左像片透视中心，II为右像片的像平面，C1-X1Y1Z1为右像空间坐标系，C1为右 像片透视中心，任意空间点M的齐次坐标为(X，Y，Z，l)，在左像片成的像m的齐次坐标为 (X，y，l)，在右像片成的像叫的的齐次坐标为(Xl，yi，l)，C-XYZ与C1-X1Y1Z1之间的欧氏变 换为(x,y, z)T = [R|T] (Xl，yi，Zl)T 式中R—3X3正交旋转矩阵 T——3X1平移矢量由透视投影关系，M与m和Hi1的关系分别表示为 Am= [I |0]Μ = ΡΜλ 乒 O λ 讽=[R|T]M = P1MX1^O 式中P——3 X 4左像片的投影矩阵， P1——3 X 4右像片的投影矩阵， I——3X3单位矩阵，CCpM、!!!和Hi1在同一个平面上，这个共面条件约束表示为/ 《Lc1 xL)，相应的代数表示为m( Em = 0式中E为本质矩阵，其秩为2; 本质矩阵由八点算法求解，方程式为 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]当知道8个匹配点对，在相差一个常数因子的意义下求出F阵，当匹配点对的数目多于 8个，用最小二乘法求解如下无约束最优化问题，求出E阵 min ^ {m\Emf所有的解向量e之间只差一个未知系数，为了避免多余解的出现，加一个约束条件 e = 1，即
全文摘要
本发明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。
文档编号G01B11/25GK102003938SQ20101050248
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者于英, 范亚兵, 陈铮, 黄桂平 申请人:中国人民解放军信息工程大学