本实用新型涉及钢坯尺寸测量技术领域，尤其涉及一种方形钢坯三维尺寸的在线机器视觉测量装置。
背景技术：
出于生产管理和计量核验的需要，方形钢坯生产企业需要在钢坯生产加工过程中对钢坯的三维尺寸进行测量。现有的钢坯尺寸自动测量技术，主要分三类：第一类是采用编码器的方法，一般是通过为钢坯运动驱动机构配置编码器确定钢坯的位移，获取钢坯的长度，此类方法一般用于钢坯长度测量，本质上是一种接触测量法，在现场条件比较恶劣的情况下，长期使用容易导致测量设备失效；第二类是利用激光测距法，一般是利用两台已知间距的对向安装的激光测距仪，分别测量它们到钢坯侧面或端面的距离，计算钢坯的宽度或长度，由于一般的激光测距装置对于运动目标测距精度不够高，而精度高的仪器成本又非常高，因此这类方法不易推广；第三类是采用机器视觉的方法，该类方法具有非接触测量的优点，又分成以下几种主要技术：第一种是采用线阵相机的方法，依靠钢坯的一维轮廓测量钢坯长度，线阵相机的一维分辨率高，在保证精度的条件下可在一定程度上扩大视场，但受相机和钢坯相对位置的影响，立体的钢坯成像后其投影轮廓不一定反映钢坯真实的长度，使测量产生误差；第二种是标尺对照法，通过相机判读与钢坯两端对应的标尺读数来测量钢坯的长度，该方法需要通过图像处理技术识别钢坯的首尾位置，以及对标尺刻度进行识别，若识别错误都将导致测量错误；第三种是结构光法，现有的技术方案一般是通过三组或四组相机和结构光投射器，恢复钢坯的轮廓信息，实现钢坯截面的尺寸测量，这类方法具有通用性，但对于方形钢坯的截面尺寸测量问题，现有技术方案没有利用钢坯本身具有的几何特性，导致使用的设备过多，另外，考虑到一般结构光投射器的发射扇形角都较小、发射功率也不大、相机视场有限等因素，结构光法的测量场都不大，一般不适合钢坯的长度测量。
综上所述，现有的方形钢坯三维尺寸测量装置的技术方案都存在一定的局限性，有必要针对此问题研究更可靠的装置。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种方形钢坯三维尺寸的在线机器视觉测量装置
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种方形钢坯三维尺寸的在线机器视觉测量装置，包括控制机、钢坯定位模块、视觉传感模块、供电模块、网络交换机组、远程服务器；
所述控制机与所述网络交换机组通过网络线连接，所述远程服务器也与所述网络交换机组连接；
所述钢坯定位模块包括n+1组对射型红外光电开关和1套信号采集装置，其中n≥2；每组光电开关均包括相对射的红外发射单元和红外接收单元，两单元分别安装在钢坯传送辊道的两侧；
所述信号采集装置包括核心芯片电路、电平转换电路、光电隔离电路和稳压电路；所述稳压电路的输入端连接供电模块的输出端，稳压电路的输出端连接核心芯片电路、电平转换电路和光电隔离电路；所述光电隔离电路包括n+1个光电耦合器件，跨接在n+1组对射型红外光电开关输出端与核心芯片电路之间；所述核心芯片电路的输出端通过电平转换电路连接控制机；
所述视觉传感模块包括三组单目结构光立体视觉子系统，所述三组单目结构光立体视觉子系统均包括一台线结构光投射器和一台相对应的面阵相机；所述面阵相机与对应的线结构光投射器分别安装在钢坯传送辊道的两侧，且相对于钢坯传送辊道的位置固定；所述面阵相机的输出端通过网络线连接控制机；
所述供电模块的输出端还连接n+1组对射型红外光电开关、线结构光投射器和面阵相机。
所述n+1组对射型红外光电开关为S0、S1、…、Sn，以钢坯运行方向为前方，S0、S1、…、Sn依次沿辊道由前向后排列安装；所述红外光电开关的安装位置满足每组光电开关的红外发射单元与红外接收单元间的对射光线与水平面平行、与辊道方向垂直；记相邻两对光电开关Sk与Sk+1间的距离为dk，其中k＝0、1、…、n-1，各红外光电开关的安装位置满足：
(1)d0＞dk，k＝1、…、n-1；
(2)d1＜LMin，LMin表示钢坯长度测量范围的下限；
(3)d0+d1+…+dn-1＞LMax，LMax表示钢坯长度测量范围的上限。
所述视觉传感模块中三组单目结构光立体视觉子系统的安装位置如下：
其中一台线结构光投射器安装在测量场的前部、辊道侧上方、红外接收单元一侧，其安装角度满足：所投射的光条位于传送槽内、光条长度超出由S0与S1的红外光束限定的范围，使当钢坯头部运行到由S0与S1的红外光束限定的范围内时，能在钢坯的上表面与前截面上投射出光条，形成直角光斑；相应地，一台面阵相机安装在测量场的前部、辊道侧上方、红外发射单元一侧，视场范围覆盖由测量场前部的线结构光投射器投射的光条区域；
另外两台线结构光投射器的安装在辊道侧上方、由S1与S2的红外光束限定的范围内，且分别位于钢坯传送辊道两侧，两台线结构光投射器的安装角度满足：从辊道两侧向斜下方的辊道投射光条，两组线结构光的光平面重合，并且垂直于辊道方向，当钢坯主体运行在该位置时，该结构光平面在钢坯的上表面及两个侧面上投射出门形光斑；对应于两台线结构光投射器，在辊道两侧各安装一台面阵相机，视场范围分别覆盖由面阵相机同侧的线结构光投射器投射的光条区域。
所述控制机采用工控机，至少具有4个以太网接口和1个串行通信接口。
所述面阵相机采用具有以太网接口的工业相机、配定焦镜头。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型提供的一种方形钢坯三维尺寸的在线机器视觉测量装置，利用单目结构光立体视觉技术，实现方形钢坯的三维尺寸的实时非接触测量，可靠性高；通过光电开关组的配合，使得用于测量钢坯前端位置的相机仅需一个小视场即可实现钢坯前端的定位，能有效提高钢坯长度的测量精度；对钢坯截面尺寸的测量利用了方形钢坯的几何特征，能减少设备的使用；通过配置光电开关的数量和间距，容易增加目标钢坯的长度测量范围，装置的可扩展性较好。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的方形钢坯三维尺寸的在线机器视觉测量装置结构框图；
图2为本实用新型实施例提供的钢坯定位模块和视觉传感模块安装在辊道传送线上的结构俯视图；
图3为本实用新型实施例提供的信号采集装置结构框图；
图4为本实用新型实施例提供的三组结构光光条投射效果示意图；
图5为本实用新型实施例提供的根据钢坯截面的门形光斑的投影直线进行截面尺寸测量的原理图；
图6为本实用新型实施例提供的根据钢坯前部直角光斑的投影直线进行长度测量的原理图。
图中：1、控制机；2、钢坯前端测量相机；3、第一钢坯横截面测量相机；4、第二钢坯横截面测量相机；5、测量场前部的线结构光投射器；6、用于钢坯横截面测量的第一线结构光投射器；7、用于钢坯横截面测量的第二线结构光投射器；8、供电模块；9、信号采集装置；901、核心芯片电路；902、稳压电路；903、电平转换电路；904、光电隔离电路；905、光电耦合器件；10、钢坯前端的结构光直角光条；11、钢坯横截面上的结构光门形光条；12、测量场前部的线结构光光平面；13、用于钢坯横截面测量的第一线结构光光平面；14、用于钢坯横截面测量的第二线结构光光平面；15、网络交换机组；16、远程服务器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
一种方形钢坯三维尺寸的在线机器视觉测量装置，如图1所示，包括控制机1、钢坯定位模块、视觉传感模块、供电模块8、网络交换机组15、远程服务器16。
控制机1采用工控机，至少具有4个以太网接口和1个串行通信接口。
钢坯定位模块包括n+1组对射型红外光电开关S0、S1、…、Sn(n≥2)和1套信号采集装置9。信号采集装置9与控制机1的串行通信端口连接。视觉传感模块包括三个线结构光投射器5、6、7和三台面阵相机2、3、4，相机2、3、4选用具有以太网接口的工业相机、配定焦镜头，分别通过网络线与控制机1的以太网接口相连，可受控制机1控制拍摄图像并向控制机1传送所拍摄的图像。供电模块8为红外光电开关S0、S1、…、Sn、信号采集装置9、线结构光投射器5、6、7和面阵相机2、3、4提供直流电源。网络交换机组15通过网络线与工控机1的网卡连接，远程服务器16也与网络交换机组15连接，使控制机1与远程服务器16在一个局域网内。
如图2所示，以钢坯运行方向为前方，红外光电开关S0、S1、…、Sn依次沿辊道由前向后排列安装；每组红外光电开关包括红外发射单元和红外接收单元，两单元分别安装在钢坯传送辊道的两侧。红外光电开关的安装位置满足每对光电开关的发射单元与接收单元间的对射光线与水平面平行、与辊道方向垂直；记相邻两对光电开关Sk与Sk+1间的距离为dk(k＝0，1，...，n一1)，各红外光电开关的安装位置满足：
(1)d0＞dk，k＝1，...，n-1；
(2)d1＜LMin，其中LMin表示钢坯长度测量范围的下限；
(3)d0+d1+…+dn-1＞LMax，其中LMax表示钢坯长度测量范围的上限。
钢坯传送槽在S0和Sn的红外光束间的区域构成测量场，当钢坯运行过程中对某光电开关的对射光线的遮挡状态发生变化时，光电开关的输出电平信号将随之将发生变化。
如图3所示，信号采集装置9包括核心芯片电路901、电平转换电路903、光电隔离电路904和稳压电路902。核心芯片电路901采用CPLD；电平转换电路903实现TTL电平到RS-232电平的转换；光电隔离电路904由n+1个光电耦合器件905构成，跨接在红外光电开关输出端与核心芯片之间，实现红外光电开关接收端R0、R1、…、Rn的输出信号的隔离和信号采集；稳压电路902将供电模块8提供的直流电源转换成信号采集装置中其它器件工作时所需的直流电压，为它们供电。当有红外光电开关输出信号变化时信号采集装置9向控制机1发送数据，通知控制机1红外光电开关的输出信号变化情况；
如图2和图4所示，线结构光投射器5安装在测量场的前部、辊道侧上方、红外接收单元一侧，投射的光平面12穿过传送槽内部、光条长度超出由S0与S1的红外光束限定的范围，使当传送槽内的钢坯头部运行到由S0与S1的红外光束限定的范围内时，能在钢坯的上表面与前截面上投射出光条10，并形成直角光斑。相应于线结构光投射器5，面阵相机2安装在测量场的前部、辊道侧上方、红外发射单元一侧，视场范围覆盖由测量场前部的线结构光投射器5投射的光条区域。相机2与线结构光投射器5相对于钢坯传送辊道的位置固定，构成一个单目结构光立体视觉子系统，用于获取每个光斑图像点对应的光斑的空间坐标，计算钢坯前端在测量场中的位置。
如图2和图4所示，另外两台线结构光投射器6、7的安装位置在辊道侧上方、由S1与S2的红外光束限定的范围内，分别位于辊道两侧，从辊道两侧向斜下方的辊道投射光条，两组线结构光投射的光平面13、14重合，并且垂直于辊道方向，当钢坯主体运行在该位置时，该结构光在钢坯的上表面及两个侧面上投射出门形光斑11，该门形光斑11所在平面即为钢坯的横截面。对应于两台线结构光投射器6、7，在辊道两侧分别安装相机3、4，用于对相应的线结构光投射器6、7所投射的光条区域进行图像采集。相机3与线结构光投射器6、相机4与线结构光投射器7相对于钢坯传送辊道的位置均固定，分别构成单目结构光立体视觉子系统，用于获取每个光斑图像点对应的光斑的空间坐标，计算钢坯的横截面尺寸。
为了保证传送槽侧板不遮挡红外光线、激光线条和视场内的目标成像，在光电开关对射光线、线结构光投射光平面12、13、14和面阵相机视场区域，对传送槽侧板进行开口处理。
在控制机1上运行软件，通过本实施例提供的方形钢坯三维尺寸的在线机器视觉测量装置实现钢坯尺寸测量，具体步骤如下：
(1)世界坐标系的建立：如图4所示，在测量场范围内建立世界坐标系O-xyz，使坐标系的xy平面平行于辊道平面(即钢坯运行过程中的下表面)，使x轴平行于辊道方向，y轴平行于辊道平面并垂直于辊道方向，z轴垂直于辊道平面向上；
(2)相机标定：确定三台相机2、3、4各自的内参数和相对于O-xyz坐标系的外参数；
(3)结构光标定：针对每台面阵相机2、3、4与对应的结构光投射器5、6、7构成的单目结构光视觉子系统，标定相机2与光平面12、相机3与光平面13、相机4与光平面14的空间关系；
(4)测量所有红外光电开关的对射光线在世界坐标系的xy平面投影的直线方程，用O-xy平面坐标系描述的Sk的对射光线的直线方程为x＝xk，k＝0，1，...，n；测量辊道平面在O-xyz坐标系中的平面方程，描述为z＝zh；
(5)信号采集装置9实时检测所有红外光电开关的输出电平状态，当有开关的输出电平发生变化时向控制机1发送数据，通知控制机1红外光电开关的输出信号变化情况；
(6)控制机1接收信号采集装置9发出的数据，确定每个光电开关的瞬时状态，从而确定每个光电开关被钢坯遮挡的情况；若在S0未被遮挡、S1被遮挡的情况下，控制机1收到数据显示Sk(k＝2，3，...，n)由被遮挡状态转换到未被遮挡状态，说明此刻钢坯前端位于由S0与S1的红外光束限定的范围内，而钢坯后端刚好位于Sk的红外光束处，此时控制机1控制三台相机2、3、4拍照并获得相应的图像，通过图像处理方法分别提取三幅图像中的光斑点，根据步骤(2)(3)的标定结果计算每个光斑点在O-xyz坐标系中的空间坐标，形成钢坯前端的直角光斑点云和钢坯截面门形光斑点云；如图5所示，将钢坯截面门形光斑点云向世界坐标系的yz平面投影，钢坯两侧的光斑投影形成直线l1和l2，钢坯上表面的光斑投影形成直线l3，利用直线拟合方法确定两侧光斑投影直线l1和l2在O-yz平面坐标系的方程，分别为y＝y1和y＝y2，得到钢坯的截面宽度为该两条直线的距离|y1-y2|；同理利用直线拟合方法获得钢坯上表面光斑的投影直线l3在O-yz平面坐标系的直线方程为z＝zp，得到钢坯的厚度为|zp-zh|；如图6所示，将钢坯前端的直角光斑点云向世界坐标系的xz平面投影，钢坯上表面光斑投影形成直线l4，光斑前截面上的光斑投影形成l5，l4和l5的交点为p，利用直线拟合方法确定前截面光斑投影直线l5在O-xz平面坐标系下的直线方程为x＝xp，得到钢坯的长度为|xk-xp|；
控制机1得到测量结果后，将相关图像和测量结果通过交换机组15传送到远程服务器16进行数据管理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。