一种大型薄壁构件壁厚在位测量系统和方法与流程

本发明涉及一种大型薄壁构件壁厚的在位光学测量系统和方法，特别是一种将双目光栅投影测量和数控机床集成的大型薄壁构件壁厚的在位测量系统和方法，属于机械工程和光学工程技术领域。

背景技术：

在汽车、航空、航天和船舶制造等国民经济重点工业领域中，存在大量的大型薄壁构件，如运载火箭推进剂贮箱、空间站舱体、大型飞机机翼蒙皮、船舶螺旋桨叶片以及汽车车身主模型检具等。作为各系统的重要组成部分，大型薄壁构件的加工精度直接关系到系统的整体力学性能，其加工效率也与产品的研制过程息息相关。如汽车车身主模型检具的成形质量影响装配精度，飞机蒙皮和船舶曲板的成形质量对其流体力学性能影响显著，火箭燃料贮箱壁板和瓜瓣的成形质量则最终会影响火箭飞行的安全性。这些大型薄壁构件的加工过程中，需要及时获取零件的准确几何描述，调整加工策略，从而保证加工质量。

传统方法采用接触式测量，如三坐标测量机等，这种方式可以获得较为精确的面型数据，但缺点是测量速度慢，且因其接触式测量原理会因被测对象受力而改变其形貌，故不适用于薄壁结构测量。另外，这种测量设备也很难设计为在位测量的工作方式。在现实的薄壁结构测量中，有利用手持式的超声波测量方法等，测量过程需要辅助材料，并且测量的点的数量不足，存在数据集不完备的数据丢失问题，不能在位自动高效高精度的测量，大大降低了生产效率和加工精度。

近年来，随着机器视觉和计算机技术的发展，出现了以光学测量为代表的非接触式测量。其中：

近景摄影测量在大尺寸面型测量中应用广泛，其具有便携性好、在位测量和点批量测量的优点，但测量前需要在被测对象表面粘贴大量的标识点，且准确度一般；

手持式三维激光扫描仪扫描快速、重量轻、效率高、成本低，在大尺度面型测量中应用广泛，但是其测量精度较低，一般需要在被测对象表面粘贴标识点，且对被测对象表面反光性要求高；

激光雷达扫描测量功能强，便携性好，测量效率高，测量范围大，但是其测量精度受环境影响很明显，准确度很难保证；

光栅投影测量因为一次可以获取一个面域的三维点云数据，所以较为适用于大型薄壁测量，利用光栅投影测量，形成数控装备上加工与测量有序交替集成的在位测量技术,在加工过程工序间保持零件工位不变的情况下，对其加工质量进行检测及反馈控制的技术.与离线检测相比，在位检测避免了零件搬运、重复装夹等过程，保证了工序集中与基准重合，大大提高检测效率和准确性。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种将双目光栅投影测量、测量规划、数控机床等技术集成的大型薄壁构件壁厚在位光学测量系统和方法。

根据薄壁构件加工工艺过程中对薄壁构件整体三维形貌及壁厚分布在位检测的需求，基于结构光精密测量技术获取点云信息，通过选定测量基准面逐步作差的方法获取对应位置的壁厚，最后将多部位的测得的点云数据与薄壁构件的cad模型进行模型比对和数据拼合，实现大型薄壁构件在位检测获取各部位准确的壁厚数据，从而实现全局数据的拼合，得到被测量对象的完整壁厚特征数据，进而指导薄壁构件的铣削工艺加工，同时也可以完成对大型薄壁构件的质量评估。

本发明是通过下述技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种大型薄壁构件壁厚在位测量系统，所述系统包括：数控机床、靠模夹具、测头支架、双目结构光测量设备、工业计算机及高速通信单元；

所述数控机床上设置有转台，所述数控机床控制所述转台转动，并且返回所述转台转动的转角信息；

所述靠模夹具用于完成大型薄壁构件的夹持并且提供测量基准面；

所述测头支架用于实现双目结构光测量设备在工业现场稳定摆放；

所述双目结构光测量设备包括一个数字投影仪、两个ccd工业相机和基座，其中：所述基座用于固定所述ccd工业相机和所述数字投影仪，所述数字投影仪完成结构光的图像投影，所述ccd工业相机完成图像采集，从而完成双目结构光测量数据获取；

所述ccd工业相机和所述数字投影仪均通过所述高速通信单元与所述工业计算机连接，所述工业计算机通过所述高速通信单元与所述数控机床通信连接；

所述工业计算机通过所述高速通信单元控制所述数字投影仪投影和所述ccd工业相机采集图像完成数据采集，并通过所述高速通信单元控制所述数控机床转动所述转台完成不同位置测量数据的采集，所述工业计算机整合所有数据提取大型薄壁构件壁厚信息，并且反馈给数控机床，使整个系统构成一个整体。

优选地，测量时，大型薄壁构件固定在所述靠模夹具上，所述靠模夹具固定在所述数控机床的转台上，进而使所述转台能够带动大型薄壁构件转动，所述双目结构光测量设备固定在所述测头支架上，并且将所述测头支架位于所述数控机床对面，使得所述转台在所述数控机床加工部件和所述测头支架之间。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于上述测量系统的大型薄壁构件壁厚在位测量方法，所述方法包括以下步骤：

1)测量初始化

在测量系统开始工作前，完成双目结构光测量设备的两个ccd工业相机标定和初始测量位置的确定；

2)测量规划

根据大型薄壁构件的形状和尺寸，结合数控机床的转台精度和双目结构光测量设备的视场大小信息，对测量策略进行初步规划，保证测量数据完整性和测量效率；

3)基准测量面选定

通过间接测量的方式获取大型薄壁构件的壁厚特征，利用基准测量面实现间接测量；

4)根据2)中结果，得到空间中一系列测量点位，将得到的测量点位转化成数控机床的转台的转角信息，利用数控机床的转台进行单步角度转动，在所选择的测量点进行单步测量；

5)通过转动一周转台测量基准面即大型薄壁构件的底面点云数据和转动一周转台测得大学薄壁构件表面点云数据，利用初始位置、测量标号、特征点信息完成两次测量的测量面对齐，并且对对应位置的壁厚进行解算完成特征提取，处理噪声的误差完成误差补偿；

6)多位置测量数据拼合

根据测量过程中所获得的各个测量点位处所测得点云的标号，数控机床的转台的转角信息和初始位置值，结合大学薄壁构件的cad模型信息，将各个测量点位处所获得的点云位置信息统一转换到数控机床坐标系下，实现点云拼合，从而得到大型薄壁构件的完整点云数据，并最终与cad模型进行比对，获取本次加工结束后各个位置点的壁厚与实际要求的壁厚的偏差。

优选地，1)中：

根据双目结构光测量设备的内部关系，对ccd工业相机利用已知形状和参数的标定板，通过对数字投影仪光线进行正交方向二维相位编码，同步提取标定参考点在ccd工业相机和数字投影仪成像平面对应点，实现双目结构光测量设备中ccd工业相机的精确标定；设定初始标识为初始测量位置，确定整个实际被测大型薄壁构件的初始坐标系原点。

优选地，1)中，所述ccd工业相机的内外参数模型如下式所示：

c＝(κ,sx,sy,cx,cy,α,β,γ,tx,ty,tz)

其中：参数κ为径向畸变级，sx,sy分别表示在x和y方向的缩放比例因子，cx,cy表示径向畸变的中心，α,β,γ为角度变量,tx,ty,tz为平移变量；x、y、z为位置变量。

优选地，2)中，所述的对测量策略进行初步规划，是使得相邻两个点位的测量面域具有一定的重合度，避免出现空隙丢失关键测量特征，同时重合区域不能过大以至于影响测量速度，保证测量数据完整性和测量效率。

优选地，3)中，通过选取基准面做差的方式求取壁厚，先对基准面进行一次测量确定测量基准，夹持大型薄壁构件，通过对大型薄壁构件上表面间接进行壁厚测量。

优选地，4)中，将每步需要测量对象的位置放入测量系统的视场中，利用双目结构光进行单步测量。

更优选的，工业计算机控制数字投影仪投射三频三步相移9幅图片至大型薄壁构件表面；同时；左右两个ccd工业相机采集经大型薄壁构件表面调制后的光栅图片，利用9幅图片进行多频外差相位解码，进而完成左右ccd工业相机的双目相机的点匹配，利用双目视差测量原理获得视差图，据此进行大型薄壁构件该区域点云三维重建，得到测量区域的点云数据。

优选地，5)中：利用数控机床的转台从起始位置开始完成一次转动测量基准面(即大型薄壁构件的底面)，以获取点云数据，基准面的测量只进行一次，之后夹持大型薄壁构件，使栅格板尽量靠近靠模表面，以减小因二者空隙而导致的测量误差；之后再循环一次测得栅格板表面点云数据；比较靠模和栅格板的点云数据，从而获得各个位置准确的壁厚信息。

优选地，6)中，在完成本次测量后，利用大型薄壁构件当前位置的的壁厚信息来指导加工，铣削加工一次完成后，进行一次表面三维点云测量，再与基准面进行比较得到最终的偏差，最终实现大型薄壁构件壁厚在线光学测量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)利用双目光栅投影测量获取局部区域点云数据，一次可以获得一个面域的数据，相比于超声波测量大大提高了测量效率也保证了数据的完整性；

2)无需在大型薄壁构件表面添加辅助测量试剂如耦合剂等，简化了测量步骤，更适于在位测量；

3)利用双目光栅投影测量，选用基准面做差的方式，两次测量在同一坐标系下进行，而且通过数控机床的位置信息的反馈和测量规划的整定，结合已知的cad模型数据可以保证数据能够高精度的实现完整拼合，提高了大型薄壁构件整体点云的精度；

4)利用与基准面做差的方式，选定初始位置只需要一次装夹就可以进行多次测量，简化了系统硬件组成，同时也简化了测量流程，提高了适应性和健壮性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的测量方法的流程框图；

图2为本发明一优选实施例的测量系统的结构示意图；

图中：数控机床1，转台2，靠模夹具3，测头支架4，双目结构光测量设备5；

图3为本发明一优选实施例的双目结构光测量设备的结构示意图，

图中：数字投影仪6，ccd工业相机7，铝合金基座8；

图4为本发明一优选实施例的测量原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图2所示，一种用于薄壁构件壁厚在位测量系统，该系统包括：数控机床1、转台2、靠模夹具3、测头支架4、双目结构光测量设备5、工业计算机及高速通信单元，其中：

所述双目结构光测量设备5包括一个数字投影仪6、两个ccd工业相机7，以及铝合金基座8(如图3所示)，铝合金基座8用来固定ccd工业相机7和数字投影仪6，数字投影仪6用于完成结构光的编码图像投影，两个ccd工业相机7用于完成图像采集，ccd工业相机7和数字投影仪6都是通过高速通信单元与工业计算机进行连接，工业计算机又通过高速通信单元与数控机床1进行通信连接，高速通信单元用于完成数据交互，工业计算机完成数据处理和控制；数控机床1用来控制转台2转动并且返回数控机床转台的转角信息，靠模夹具3用来完成大型薄壁构件的夹持并且提供测量基准面，测头支架4用来实现测头在工业现场稳定摆放；

所述工业计算机通过控制数字投影仪6投影和ccd工业相机7采集图像完成数据采集，控制数控机床1转动转台2完成不同位置测量数据的采集，工业计算机整合所有数据提取大型薄壁构件壁厚信息，并且反馈给数控机床1。

如图1所示，一种用于薄壁构件壁厚在位测量方法，所述方法包括下述步骤：

1)测量初始化

测量系统开始工作前，完成双目结构光测量设备的ccd工业相机标定和初始测量位置的确定。

根据双目结构光测量设备的内部关系，对ccd工业相机利用已知形状和参数的标定板，通过对数字投影仪光线进行正交方向二维相位编码，同步提取标定参考点在ccd工业相机和数字投影仪成像平面对应点，实现双目结构光测量设备的精确标定；设定初始标识为初始测量位置，确定大型薄壁构件的初始坐标系原点。

所述ccd工业相机的内外参数模型如下式所示：

c＝(κ,sx,sy,cx,cy,α,β,γ,tx,ty,tz)

其中：κ为径向畸变级，sx,sy分别表示在x方向和y方向的缩放比例因子，cx,cy表示径向畸变的中心，α,β,γ为角度变量，tx,ty,tz为平移变量，x、y、z为位置变量。

2)测量路径规划：

根据大型薄壁构件的形状和尺寸，结合数控机床的转台精度和双目结构光测量设备的视场大小信息，对测量策略进行初步规划，主要确定单步转动的转角大小，每步测量对应的栅格对象标号，使得相邻两个点位的测量面域具有一定的重合度，避免出现空隙丢失关键测量特征，同时重合区域不能过大以至于影响测量速度，从而保证测量数据完整性和测量效率。

3)基准测量面选定

由于整个测量系统的目的是测量大型薄壁构件的壁厚，光学测量的穿透能力差，因为需要通过间接测量的方式来获取壁厚特征，通过选取基准面做差的方式求取壁厚；所述基准面有两种选取方式：第一种是选取靠模表面为基准面，由于靠模与薄壁内表面紧密贴合，可以理解为靠模即为薄壁内表面的三维位置；第二种为薄壁上表面为基准面；为了保证系统稳定性，此处选择靠模表面为基准面；先对基准面进行一次测量后，确定基准，之后夹持大型薄壁构件。

4)根据2)中结果，得到空间中一系列测量点位，将得到的测量点位转化成数控机床转台的转角信息，利用数控机床的转台进行单步角度转动，将每步需要测量对象的位置放入测量系统的视场中，利用双目结构光进行单步测量；由工业计算机控制数字投影仪投射预设好的三频三步相移9幅图片至大型薄壁构件表面，同时，控制左右两个ccd工业相机采集经大型薄壁构件表面调制后的光栅图片；根据多频相移外差解包原理，对所获得的结构光编码图片进行相位解码，得到包裹相位图和全场相位图，根据基础矩阵进行极线校正，然后进行双目匹配，根据匹配结果计算视差图，据此进行大型薄壁构件该区域点云三维重建，从而得到测量区域的点云数据。

5)利用数控机床的转台从起始位置开始完成一次转动测量基准面，获取点云数据，基准面的测量只进行一次，之后夹持大型薄壁构件再循环一次测得薄壁表面点云数据，由于初始位置相同，每一次数控机床转动的角度都是事先在测量规划中确定好的，根据测量标号和图像中的特征点信息完成两次测量对应的点云图像的匹配，将两次图像的坐标系进行整定后，由于转台靠模是半圆形的，所以在进行壁厚计算的时候需要进行轴向做差，通过坐标变换，之后对对应位置的壁厚进行解算完成特征提取，利用滤波方式处理噪声等误差完成误差补偿；最终得到各个位置准确的壁厚信息。

6)多位置测量数据拼合

根据5)中所获得的各个测量点位处所测得点云的标号和初始位置值，结合大型薄壁构件的cad模型信息，将各个测量点位处所获得的三维点云信息统一转换到数控机床坐标系下，实现点云拼合，从而得到大型薄壁构件的完整点云数据；最终与cad模型进行比对，获取本次加工结束后各个位置点的壁厚与实际要求的壁厚的偏差，最终反馈给数控机床整个大型薄壁结构的壁厚分布、每个栅格的壁厚和偏差空间分布、壁厚和偏差均值、壁厚和偏差极值等特征信息。

并且在完成本次测量后，利用这些特征信息来指导加工，铣削加工一次完成后，进行一次表面三维点云测量，再与基准面进行比较得到最终的偏差，最终实现大型薄壁构件壁厚在线光学测量。

进一步的，具体的数据拼合过程是依靠数控机床反馈的数控机床的转台转角信息、初始位置进行的。假设光学测量系统的坐标系为xc,yc,zc，而数控机床的转台原点建立的数控机床坐标系为xw,yw,zw，两个坐标系的转换矩阵为t，ccd工业相机坐标系中的点pc＝(xc,yc,zc)^t，数控机床坐标系中的点pw＝(xw,yw,zw)^t，则有：

其中：t为转换矩阵，由旋转和平移矩阵组合成共有六个参数决定即(α',β',γ',t′x,t′y,t′z)，分别是绕三轴的旋转角和沿三轴的位移。

已知数控机床当前的旋转角位移为θ，则统一到原始坐标系下的点p′w＝(x′w,y′w,x′w)^t，矩阵r为：

最终在数控机床坐标系下的所有点云为：

经过上述坐标变化可以将所有的点云转化到转台坐标系下，在同一坐标系下完成图像配准，并且按照图像间的相互关系将图像序列合并成一幅完整无缝的拼接图像；对于两幅图像的重叠部分采用一种在对应点处平均的方式进行处理，相当于一种滤波的方式保证数据的完整并且抑制噪声的干扰。

如图4所示为测量原理图，实际大型薄壁构件在测量过程中主要关注的面有：靠模夹具面、加工后表面、未加工表面，其中：加工后表面和未加工表面是薄壁构件的上表面，未加工表面与靠模夹具面的差是初始测量值，加工后表面与靠模夹具面的差是剩余厚度值，初始测量值和剩余厚度值的差就是已加工深度，通过测量各个面的三维坐标值，间接地获得各个厚度信息。

本发明测量开始前对测量系统进行标定保证测量精度，同时通过分析测量对象的特点和需求进行测量规划，保证数据完整性和测量效率。

本发明在非接触条件下实现对大型薄壁构件的精密测量，不仅可以为加工质量评价提供形貌数据，也可以用于指导加工工艺过程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。