一种高温物体自动化三维形貌测量装置及测量方法与流程

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种三维形貌测量装置及其控制方法，适用于对高温物体进行自动化的形貌测量，获得高温物体表面的三维数据。

背景技术：

工业零件或零件坯料在加工过程中可能被加热至900～1000℃的高温，呈现出高温红热状态，红热状态下的工业零件或零件坯料对外具有强烈的黑体辐射，其中包含了大量的热辐射，同时由于温度极高，通过空气进行的热传导也非常显著。传统的工业生产过程中，受限于高温对量具造成的影响，高温红热状态的工业零件或零件坯料无法进行接触式尺寸检测。为了解决高温物体的外形尺寸检测，现有技术中出现了非接触式光学测量方式，例如线激光扫描测量方式或面结构光扫描测量方式。

线激光扫描测量高温物体的方法是通过向高温物体表面投射一束高亮度的线状激光，并用相机拍摄物体表面，获取包含激光线影像在内的物体表面图像，通过图像处理方法提取激光线影像的中心，根据三角测量原理，重建激光线的三维数据，再通过多次扫描得到的激光线三维数据的组合，得到被测物体的表面三维形貌。面结构光扫描测量高温物体的方法，与线激光扫描的方法类似，通过向高温物体表面投射特定的面结构光图样，用相机拍摄物体表面，并在采集图像时仅保留蓝色通道的图像，以减少黑体辐射对图像采集的影响，获取经过物体表面形貌调制的结构光影像，然后应用相位展开等算法和三角测量原理，重建被测物体表面三维数据。

但是，上述面结构光扫描测量高温物体的方法测量过程由于测量路径的规划以及同步原因，其测量精度不高，无法实现对高温物体的三维形貌精确测量。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维形貌测量装置及测量方法，其通过测量器件的优化布局以及测量路径的优化处理，可以精确测量得到高温物体的三维形貌。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种三维形貌测量装置，用于实现对高温物体的三维形貌测量，其特征在于，该测量装置包括工业机器人、时钟同步控制器、投影仪、两CCD相机、图像采集卡及计算机，其中，

两CCD相机分别对称设置在所述投影仪两侧，且各CCD相机的光心轴与投影仪的光心轴夹角均在20至60度之间，该两CCD相机以及所述投影仪组成测量装置，且该测量装置设置在工业机器人末端执行器上；

所述工业机器人的工具中心点设置为投影仪镜头端面中心，工具坐标系与投影仪光心轴平行，所述时钟同步控制器受控于工业机器人，并分别与投影仪和两CCD相机相连，所述投影仪与计算机连接，两CCD相机通过图像采集卡与计算机连接；

测量时所述工业机器人以圆弧方式运动通过将要进行测量的路径点，在通过路径点的同时启动所述时钟同步控制器触发投影仪向被测物体投影一组灰度正弦光栅图像，同时，所述时钟同步控制器给两CCD相机发送信号进行图像采集，且两个相机的图像采集帧率与投影仪的投影帧率保持一致，两CCD相机采集的图像经图像采集卡传送给计算机，再根据工具中心点通过测量点时的线速度，对采集到的图像进行运动误差补偿，得到修正后的图像，即可计算得到高温物体的三维形貌数据。

作为本发明的进一步优选，所述两CCD相机的光心轴与投影仪的光心轴夹角相同。

作为本发明的进一步优选，所述两CCD相机的图像采集帧率与投影仪的投影帧率为每秒90帧以上。

作为本发明的进一步优选，所述正弦光栅图像可在栅线的垂直方向上平移栅距的1/3，且等距平移二次，使得每帧三维数据可投影出三幅正弦光栅图像。

按照本发明的另一方面，提供一种利用上述三维形貌测量装置对高温物体进行三维形貌测量的方法，其包括如下步骤：

S1：工具中心点和工具坐标系设置

将测量装置安装在机器人末端执行器，并将机器人末端执行器的工具中心点设置为投影仪镜头端面与光心轴的交点，同时将工具坐标系设置为与光心轴平行，且其水平轴与两CCD相机中心点的连线平行；

S2：路径规划

机器人路径由测量单元组成，每一个测量单元包含一个前路径点和一个后路径点以及一个测量点，前一个测量单元的后路径点同时作为后一个测量单元的前路径点，三点之间以圆弧运动方式过渡，使测量点处于圆弧顶点，且在顶点时相机镜头连线为圆弧切线，瞬时速度方向沿切线方向

S3：自动测量

机器人执行器末端沿规划的路径运行，其中路径点和测量点均不做停留，在通过测量点的同时，机器人启动时钟控制器，触发投影仪和相机同步动作以采集高温物体数据，依据通过测量点时的瞬时速度方向和大小，修正得到准确的优化图像，据此计算获得高温物体的三维形貌。

作为本发明的进一步优选，所述两CCD相机的光心轴与投影仪的光心轴夹角相同。

作为本发明的进一步优选，所述两CCD相机的图像采集帧率与投影仪的投影帧率为每秒90帧以上。

作为本发明的进一步优选，所述正弦光栅图像可在栅线的垂直方向上平移栅距的1/3，且等距平移二次，使得每帧三维数据可投影出三幅正弦光栅图像。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的测量装置和测量方法中，对测量装置的测量运动路径进行了优化改进，即通过设置圆弧运动方式通过测量点，在一个测量点前后分别存在前路径点和后路径点，三点之间以圆弧运动方式过渡，使测量点处于圆弧顶点，且在顶点时相机镜头连线为圆弧切线，瞬时速度方向沿切线方向，从而可以使得其以最优化的路径对高温物体进行数据采集；

(2)本发明的测量装置和测量方法中，对测量装置中各测量元件进行优化的布局，并设置改进的控制方式，即将机器人末端执行器的工具中心点设置为投影仪镜头端面与光心轴的交点，同时将工具坐标系设置为与光心轴平行，且水平轴与CCD相机中心点连线平行，同时辅以每秒90帧以上的帧率投影以及图像采集频率，从而获得更为精确的图像数据；

(3)本发明的测量装置中，工业机器人工具中心点的路径被设置为仅在测量点最接近高温物体，在运动通过最近点时候仅进行图像采集，图像的处理和运算在测量系统离开测量区域后进行，因此可以保证测量系统在高温物体辐射区和热传导高温区最短的暴露时间；

(4)本发明能够在无人工干预的情况下对高温红热物体进行三维测量，在工业机器人运动通过最近点同时进行测量，能够最大限度地避免高温物体热辐射和热传导对测量系统的影响,获得物体表面完整准确的三维点云数据。

附图说明

图1为本发明实施例的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的测量装置中的工具中心点和工具坐标系示意图；

图3为本发明实施例的测量装置在测量前准备流程图；

图4为本发明中自动化测量流程图；

图5为通过测量单元示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1，本发明一个实施例的自动化测量系统包括计算机及图像采集卡101，工业机器人102，面结构光测量装置103，时钟控制器106，其中该面结构光测量装置103包括投影仪104和两个CCD相机105，投影仪可以优选为DLP投影仪，两CCD相机分别为第一CCD相机和第二CCD相机，两CCD相机相对于投影仪104对称设置在其两侧，各CCD相机的光心轴与DLP投影仪的光心轴夹角优选相同，一般在20至60度之间，并且测量时优选保持DLP投影仪与第一CCD相机、第二CCD相机的相对位置不变。

时钟同步控制器106受工业机器人102控制并分别与DLP投影仪104和两CCD相机105相连，工业机器人102，测量装置103均与计算机及图像采集卡101相连。

测量前，先对工业机器人102进行路径规划，使用常温状态下的待测物体作为规划时的参考，确定所需的测量点，并在测量点直接增加路径点以实现平滑过渡，并在运动过程中与高温物体保持安全距离。

测量的过程中，由工业机器人102以圆弧方式运动通过将要进行测量的路径点，在通过路径点的同时，启动时钟同步控制器106触发DLP投影仪104向被测物体以每秒90帧以上的帧率投影一组灰度正弦光栅图像，投影时正弦光栅图像都在栅线的垂直方向上平移栅距的1/3，等距平移二次，每帧三维数据投影出三幅正弦光栅图像。

同时，时钟同步控制器106给第一CCD相机、第二CCD相机发送信号，使两个相机的图像采集帧率与DLP投影仪的投影帧率保持一致；第一CCD相机、第二CCD相机采集的图像经图像采集卡传送给计算机，再根据工具中心点通过测量点时的线速度，对采集到的图像进行运动误差补偿，得到准确清晰的图像，随后根据修正后的图像计算出高温物体的三维数据。

具体地，如图3和4所示，利用上述自动化测量系统进行高温物体的自动化测量，具体可以按照如下步骤进行。

S1：工具中心点和工具坐标系设置。

将测量装置103固定在机器人末端执行器上之后，通过机器人控制器的设置工具将机器人末端执行器的工具中心点设置为投影仪镜头端面与光心轴的交点，即图2中所示投影仪镜头中心203，同时将工具坐标系204设置为与光心轴平行，且水平轴与第一CCD相机中心点201和第二CCD相机中心点202连线平行。

S2：路径规划。

如图5，机器人路径由测量单元组成，每一个测量单元包含一个前路径点501和一个后路径点503以及一个测量点502，前一个测量单元的后路径点同时作为后一个测量单元的前路径点。通过机器人示教器为机器人示教测量点，示教过程中用常温状态下的待测物体替代高温物体504，调整机器人位置和姿态使得在测量点测量装置103能够获取最清晰的待测物体影像。测量点可以由人工调整得到，每个测量点的测量装置参数(包括投影仪亮度、相机曝光参数等)和测量点位置同时记录下来。完成测量点的示教和记录之后，在测量点之间增加路径点，使测量装置103在测量点以外均处于远离高温物体504的位置，并设置圆弧运动方式通过测量点，在一个测量点前后分别存在前路径点和后路径点，三点之间以圆弧运动方式过渡，使测量点处于圆弧顶点，且在顶点时相机镜头连线为圆弧切线，瞬时速度方向沿切线方向。

完成路径点、测量点和运动方式的示教后，将示教过程生成自动测量代码，以供测量过程中的自动运行使用。

S3：自动测量。

完成路径规划后，可以对高温物体进行自动化测量。启动自动测量程序，机器人开始运行自动测量代码，路径点和测量点均不做停留，连续走完完整的路径。在通过测量点的同时，机器人启动时钟控制器，触发投影仪和相机同步动作，以90帧每秒的速率采集3帧数据，并将数据存储在计算机硬盘上，待全部数据采集完成后进行计算。进行计算时，依据通过测量点时的瞬时速度方向和大小，消除采集到的图像的运动模糊，得到准确的优化图像，再进行计算，获得物体三维形貌。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。