一种面向船舶曲面板材加工过程中的测量系统及测量方法与流程

本发明涉及船舶制造过程中的测量技术领域，具体涉及一种面向船舶曲面板材加工过程中的测量系统及测量方法。

背景技术：

传统的船舶曲面板材加工主要采用油压机与水火弯曲结合的方式进行，加工过程中需要操作人员手持木质样板或样箱对加工的曲面板材形状进行不断的人工目测和检验，通常加工一块船用曲面板材需要4-5个有经验的操作工人相互配合才能完成，如图6所示，该木质样板用于测量船舶曲面板材加工程度，其形状和曲率与加工合格曲面板材相吻合，通过人工判断木质样板与船舶曲面板材吻合程度，从而不断修正板材加工位置，直到木质样板与曲面板材吻合程度达到产品要求。随着船舶生产的发展，对船舶制造过程中的零部件的加工质量要求越来越高，特别是对于船舶中的球面板、马鞍形板和扭曲面板等加工过程复杂、加工误差较大、对操作人员技能要求高的复杂曲面板种，一直是船舶制造效率的瓶颈和弱势。

国内有一部分人针对船舶曲面板材加工或加工过程的测量进行了研究并取得了一定的成果，但绝大多数仍处于理想状况和小尺寸测量阶段，没有完全解决实际船厂曲面板材加工过程的痛点，其主要存在以下问题：(1)主要适用于3米见方，厚度小于20毫米的船舶曲面板材的一次性成型；(2)机械结构复杂，故障率较高；(3)对曲面板的材质要求较高，不能覆盖普通船舶的生产制造。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种面向船舶曲面板材加工过程中的测量系统及测量方法，改变现有的人工手持样板或样箱测量的弊端，提升船舶制造的智能化程度，并提高生产效率及工作质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种面向船舶曲面板材加工过程中的测量系统，包括光学测量设备、门架装置、移动装置以及电源与控制装置，

所述光学测量设备用于测量船舶曲面板材加工过程中的几何尺寸，所述船舶曲面板材上已由上一道工序标记好检测线，

所述光学测量设备包括用于测量曲面板材宽度方向的一字激光三维测量装置和用于测量曲面板材长度方向的十字激光三维测量装置，

所述门架装置包括压弯门架和滚弯门架，所述一字激光三维测量装置设置于压弯门架上，所述十字激光三维测量装置设置于滚弯门架上，

所述移动装置包括左行车和右行车，用于实现对船舶曲面板材位置的调整，所述电源与控制装置用于实现光学测量设备、门架装置和移动装置的供电及控制。

进一步地，所述一字激光三维测量装置的数量为两个，分别对称设置在压弯门架的前后两侧，所述十字激光三维测量装置的数量为一个，设置在滚弯门架的一侧，所述一字激光三维测量装置包括用于发射一字型线激光的一字激光发生器、用于采集一字型线激光图像的第一相机和用于调整一字激光三维测量装置姿态的第一伺服电机，所述十字激光三维测量装置包括用于发射十字型线激光的十字激光发生器、用于采集十字型线激光图像的第二相机和用于调整十字激光三维测量装置姿态的第二伺服电机。

进一步地，所述左行车通过两条铁链连接有两个夹具，所述右行车通过两条铁链连接有两个夹具，所述左行车和右行车的共四个夹具用于共同夹紧船舶曲面板材，通过调节左行车和右行车的位置及其铁链的升降能够实现船舶曲面板材空间中姿态的变化。

进一步地，所述电源与控制装置包括用于给光学测量设备、门架装置、左行车、右行车供电的电源以及用于控制一字激光发生器和十字激光发生器的开闭、第一伺服电机和第二伺服电机的运动、第一相机和第二相机的采集、与曲面板材设计人员工作站进行通信的控制装置。

根据上述所述的面向船舶曲面板材加工过程中的测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将曲面板材通过移动装置运输到压弯门架的下方，同时打开安装在压弯门架上的一字激光发生器，调整曲面板材的位置和姿态，使得一字激光发生器投射的一字型线激光与曲面板材上的第一条横向检测线重合；

步骤2，开启第一相机，采集投射在曲面板材上的激光线图像；

步骤3，将采集到的激光线图像进行处理，获取图像的三维信息，该图像的三维信息即为实际点云曲线；

步骤4，接收曲面板材设计人员工作站发送的标准曲面板材设计三维模型并进行处理，获取模型检测位置标准点云曲线；

步骤5，将标准点云曲线与步骤3获得的对应位置的实际一字型线激光的实际点云曲线进行配准，得到两者误差，操作人员根据误差和加工工艺对曲面板材进行下一步的加工，重复以上步骤，直到该位置加工合格；

步骤6：将步骤5加工合格的曲面板材通过移动装置运输到滚弯门架的下方，同时打开安装在滚弯门架上的十字激光发生器，调整曲面板材的位置和姿态，使得十字激光发生器投射的十字型线激光中的纵向激光线与曲面板材上的第一条纵向检测线重合；

步骤7：开启第二相机，采集投影到曲面板材上的纵向激光线图像；

步骤8：将采集到的纵向激光线图像进行处理，获取图像的三维信息，该图像的三维信息即为实际点云曲线；

步骤9：选取该检测位置的标准点云曲线与步骤8获得的实际点云曲线进行配准，得到两者的误差，操作人员根据误差和加工工艺对曲面板材进行下一步的加工，重复以上步骤，直到该位置加工合格。

进一步地，所述步骤3具体包括：

步骤3.1，根据步骤2得到含有一字型线激光的图像，首先利用高斯滤波器对图像进行平滑处理，减少图像中噪声；

步骤3.2，利用自适应阈值方法对图像进行阈值化处理；

步骤3.3，利用图像形态学中的膨胀和腐蚀方法对图像先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作，进一步的将一字型线激光特征分割出来；

步骤3.4，导入第一相机与激光器相对关系的标定文件，利用三角测量原理求出一字型线激光在第一相机坐标系下的三维坐标；

步骤3.5，将步骤3.4得到的三维坐标数据进行点与点之间5倍的差分处理，数据更加密集均匀，得到一条空间实际点云曲线。

进一步地，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，系统接收曲面板材设计人员发送的标准曲面板材三维模型，并将模型转换为标准的stl格式；

步骤4.2，将stl格式三维模型进行点云化处理，得到基于三维点数据的标准曲面板材模型；

步骤4.3，构建标准曲面板材模型的最小包围盒，选取包围盒上不共线的三点，以该三点构成的平面和标准曲面板材相交，得到两者的点云曲线，该点云曲线即为标准点云曲线，该曲线在标准板材上的位置与实际板材上检测线的位置一一对应；

步骤4.4，将标准点云曲线按照实际加工检测顺序进行编号并保存。

进一步地，所述步骤5具体包括：

步骤5.1，选取标准点云曲线与实际点云曲线；

步骤5.2，将两曲线相同方向的曲线端点重合，实现配准前的粗匹配；

步骤5.3，采用迭代最近点算法将标准点云曲线与实际点云曲线进行配准，得到两者的误差；

步骤5.4，将得到的误差以误差趋势曲线显示给操作人员，操作人员根据误差和加工工艺对实际曲面板材进行进一步的加工，重复以上步骤，直到曲线配准合格，完成加工。

进一步地，所述步骤6具体包括：

步骤6.1，纵向检测线以两米为单位进行间隔，调整移动装置位置与十字激光三维测量装置姿态，使得十字激光发生器发射的十字型线激光交点与两米为单位的线段端点重合，十字型线激光的交点即为端点；

步骤6.2，十字型线激光中的纵向激光线与纵向检测线重合，在沿着纵向检测线距离十字型线激光的交点两米的位置放置长200mm、宽10mm、高10mm的矩形块，激光线与矩形块的交点即为另一端点。

进一步地，所述步骤8具体包括：

步骤8.1，根据步骤7得到的含有十字型线激光的图像，首先利用高斯滤波器对图像进行平滑处理，减少图像噪声；

步骤8.2，利用图像形态学中的膨胀和腐蚀方法对图像先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作，进一步的将十字型线激光特征分割出来；

步骤8.3，利用角点检测算法找出图像中所有的角点，并通过判断所有角点像素与周围像素的梯度变化程度筛选出十字型线激光的十字中心点以及矩形块与激光线的交点；

步骤8.4，利用霍夫线变换算法得到十字中心点与交点之间线段，并将该线段分割提取出来；

步骤8.5，导入第二相机与激光器相对关系的标定文件，利用三角测量原理求出步骤8.4分割出的激光线段在第二相机坐标系下的三维坐标；

步骤8.6，将步骤8.5得到的三维坐标数据进行点与点之间5倍的差分处理，数据更加密集均匀，得到一条空间点云曲线，

所述步骤9具体包括：

步骤9.1，选取步骤4中与步骤8实际点云曲线位置相应的标准点云曲线；

步骤9.2，将两曲线相同方向的曲线端点重合，实现配准前的粗匹配；

步骤9.3，采用迭代最近点算法将标准点云曲线与实际点云曲线进行配准，得到两者的误差；

步骤9.4，将得到的误差以误差趋势曲线显示给操作人员，操作人员根据误差和加工工艺对实际曲面板材进行进一步的加工，重复以上步骤，直到曲线配准合格，完成加工。

为了解决现有人工手持样板或样箱测量曲面板材的问题，设计一款用于高精度、非接触的测量系统。由于激光具有精度高、非接触、成本低等优点，配合三维模型处理算法、点云配准算法可以实现曲面板材加工过程中的高精度、非接触、自动化测量等功能，故该测量系统及测量方法可以实现各种船舶曲面板材加工过程测量的智能化，缩短测量时间，提高曲面板材产品的加工效率和加工质量，为完全替代人工手持木质样板或样箱提供一种有效的解决方案。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)解决曲面板材加工过程中人工手持样箱或样板测量曲面板材加工完成情况所不可避免的测量位置不准、测量结果随机误差较大的问题；

(2)解决船舶曲面板材大尺寸、多曲度、非标准的非接触测量问题，实现测量数据的精确化、信息化、可视化，对船舶智能制造具有较好的应用意义；

(3)降低船舶曲面板材的制造成本，本发明通过采用激光+视觉的方式简易集成到门架装置上，系统组成简单，测量范围多样，并可通过更换不同视野范围的相机实现曲面板的全覆盖，大幅减少加工木质样板或样箱的物质和人力成本。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明面向船舶曲面板材加工过程中测量系统系统布局图。

图2是本发明压弯门架上不同视角的测量装置示意图。

图3是本发明滚弯门架上不同视角的测量装置示意图。

图4是本发明一字激光三维测量装置结构示意图。

图5是本发明十字激光三维测量装置结构示意图。

图6是本发明中替代的木质样板结构示意图。

图7是本发明中测量方法的流程图。

附图中的附图标记分别表示：光学测量设备1，门架装置2，移动装置3，电源与控制装置4，船舶曲面板材5，一字激光三维测量装置11，一字激光发生器111，第一相机112，第一伺服电机113，十字激光三维测量装置12，十字激光发生器121，第二相机122，第二伺服电机123，压弯门架21，滚弯门架22，左行车31，右行车32，矩形块51。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。、

如图1所示，本发明提供一种面向船舶曲面板材加工过程中的测量系统，包括光学测量设备1、门架装置2、移动装置3以及电源与控制装置4。

光学测量设备1负责测量船舶曲面板材5上的形状信息，其主要包括一字激光三维测量装置11以及十字激光三维测量装置12。其中，一字激光三维测量装置11的数量为两个，分别对称设置在压弯门架21的两侧，主要作用为测量船舶曲面板材横向宽度方向的形状信息；十字激光三维测量装置12的数量为一个，设置在滚弯门架22的一侧，主要作用为测量船舶曲面板材纵向宽度方向的形状信息。一字激光三维测量装置11中的相机112采集一字激光发生器111发射一字型线激光图像，通过调整伺服电机113，从而实现一字激光三维测量装置11姿态的变化，使得相机112能够采集到目标位置的线激光图像，从而实现横向精确位置测量。十字激光三维测量装置12中的相机122采集十字激光发生器121发射的十字型线激光图像，通过调整伺服电机123从而实现十字激光三维测量装置姿态的变化，使得相机122能够采集到目标位置的十字线激光图像，并通过放置矩形块51，构造额定长度的线激光，使得相机122能够采集到目标位置的额定长度线激光图像，从而实现纵向精确位置测量；

所述门架装置2为已有冷弯用油压机，包括压弯门架21和滚弯门架22，主要用于实现曲面板材压弯作业和滚弯作业以及用于搭载光学测量设备1，通过与光学测量设备1的互连，实现光学测量设备在一定高度下对不同宽度和形状的曲面板材的测量；

所述移动装置3中，左行车31和右行车32下的铁链末端共有四个夹具，四个夹具夹持在船舶曲面板材上，通过两台行车的相对移动和升降，曲面板材位置和姿态发生变化，从而实现光学测量设备1对船舶曲面板材5不同位置的测量；

所述电源与控制装置4负责整个系统的供电、控制、处理以及通信作用。其主要包括用于给光学测量设备1、左行车31、右行车32、控制装置(如工控机)供电的电源，用于控制一字激光发生器111的开闭、十字激光发生器121的开闭、伺服电机113和伺服电机123的运动、相机112和相机122采集以及与曲面板材设计人员工作站进行通信的网络和控制装置。电源装置可以提供多种规格的直流电和交流电，包括给一字激光发生器、十字激光发生器提供12v的直流电，给相机提供的48v直流电、给伺服电机提供的220v交流电，给行车提供的380v三相交流电。控制装置通过千兆以太网控制相机的工作及传输，通过ethercat总线控制伺服电机的工作，通过internet实现曲面板材设计人员工作站与系统的收发功能。

一种面向船舶曲面板材加工过程中的测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将曲面板材5通过移动装置3运输到压弯门架21的下方，同时打开安装在压弯门架21上的一字激光发生器111，调整曲面板材5的位置和姿态，使得一字激光发生器111投射的一字型线激光与曲面板材5上的第一条横向检测线重合；

步骤2，开启相机112，采集投射在曲面板材5上的激光线图像；

步骤3，将采集到的激光线图像进行处理，获取图像的三维信息，该图像的三维信息即为实际点云曲线；

步骤4，接收曲面板材设计人员工作站发送的标准曲面板材设计三维模型并进行处理，获取模型检测位置标准点云曲线；

步骤5，将标准点云曲线与步骤3获得的对应位置的实际一字型线激光的实际点云曲线进行配准，得到两者误差，操作人员根据误差和加工工艺对曲面板材5进行下一步的加工，重复以上步骤，直到该位置加工合格；

步骤6：将步骤5加工合格的曲面板材5通过移动装置3运输到滚弯门架22的下方，同时打开安装在滚弯门架22上的十字激光发生器121，调整曲面板材5的位置和姿态，使得十字激光发生器121投射的十字型线激光中的纵向激光线与曲面板材5上的第一条纵向检测线重合；

步骤7：开启相机122，采集投影到曲面板材5上的纵向激光线图像；

步骤8：将采集到的纵向激光线图像进行处理，获取图像的三维信息，该三维信息即为实际点云曲线；

步骤9：选取该检测位置的标准点云曲线与步骤8获得的实际点云曲线进行匹配，得到两者的误差，操作人员根据误差和加工工艺对曲面板材(5)进行下一步的加工，重复以上步骤，直到该位置加工合格。

进一步的，步骤3对得到的激光线图像进行有针对性的处理，具体为：

(3.1)根据步骤2得到含有一字型线激光的图像，首先利用高斯滤波器对图像进行平滑处理，减少图像中噪声；

(3.2)利用自适应阈值方法对图像进行阈值化处理；

(3.3)利用图像形态学中的膨胀和腐蚀方法对图像先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作，进一步的将一字型线激光特征分割出来；

(3.4)导入相机与激光器相对关系的标定文件(标定文件为相机与激光器之间的位置关系矩阵，包括旋转矩阵和平移矩阵，相机通过采集激光器投射在标准长度物体上的一字型线激光图像，将图像导入到halcon软件，添加物体标准长度值，生成相应的标定文件)，利用三角测量原理(已知相机与一字激光发生器之间距离，利用相机光轴与一字激光发生器夹角求出相机光心到目标点的距离，即为目标点的z坐标)求出一字型线激光在相机坐标系下的三维坐标；

(3.5)将(3.4)得到的三维坐标数据进行点与点之间5倍的差分处理，数据更加密集均匀，得到一条空间实际点云曲线。

进一步的，步骤4得到实际板材所需的标准点云曲线，具体为：

(4.1)系统接收曲面板材设计人员发送的标准曲面板材三维模型，并将模型转换为标准的stl格式；

(4.2)将stl格式三维模型进行点云化处理，得到基于三维点数据的标准曲面板材模型；

(4.3)构建标准曲面板材模型的最小包围盒，选取包围盒上不共线的三点，以该三点构成的平面和标准曲面板材相交，得到两者的点云曲线，该点云曲线即为标准点云曲线，该曲线在标准板材上的位置与实际板材上检测线的位置一一对应；

(4.4)将标准点云曲线按照实际加工检测顺序进行编号并保存。

进一步的，步骤5对步骤3和步骤4得到的曲线进行解析，具体为：

(5.1)选取标准点云曲线与实际点云曲线；

(5.2)将两曲线相同方向的曲线端点重合，实现配准前的粗匹配；

(5.3)采用迭代最近点(iterativeclosestpoint，icp)算法将标准点云曲线与实际点云曲线进行配准，得到两者的误差；

(5.4)将得到的误差以误差趋势曲线显示给操作人员，操作人员根据误差和加工工艺对实际曲面板材进行进一步的加工，重复以上步骤，直到曲线配准合格，完成加工。

进一步的，步骤6对曲面板材纵向加工结果进行测量操作，具体为：

(6.1)纵向检测线以两米为单位进行间隔，调整移动装置位置与十字激光三维测量装置姿态，使得十字激光发生器发射的十字激光交点与两米为单位的线段端点重合，十字型线激光的交点即为端点；

(6.2)十字型线激光中的纵向激光线与纵向检测线重合，在沿着纵向检测线距离十字型线激光的交点两米的位置放置长200mm、宽10mm、高10mm的矩形块51，激光线与矩形块的交点即为另一端点。

进一步的，步骤8对得到的十字激光线图像进行有针对性的处理，具体为：

(8.1)根据步骤7得到的含有十字型线激光的图像，首先利用高斯滤波器对图像进行平滑处理，减少图像噪声；

(8.2)利用图像形态学中的膨胀和腐蚀方法对图像先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作，进一步的将十字型线激光特征分割出来；

(8.3)利用角点检测算法(如fast算法)找出图像中所有的角点，并通过判断所有角点像素与周围像素的梯度变化程度筛选出十字型线激光的十字中心点以及矩形块与激光线的交点；

(8.4)利用霍夫线变换算法得到十字中心点与交点之间线段，并将该线段分割提取出来；

(8.5)导入相机与激光器相对关系的标定文件，利用三角测量原理(已知相机与十字激光发生器之间距离，利用相机光轴与十字激光发生器夹角求出相机光心到目标点的距离，即为目标点的z坐标)求出(8.4)分割出的激光线段在相机坐标系下的三维坐标；

(8.6)将(8.5)得到的三维坐标数据进行点与点之间5倍的差分处理，数据更加密集均匀，得到一条空间实际点云曲线。

进一步的，步骤9对步骤4和步骤8得到的曲线进行解析，具体为：

(9.1)选取步骤4中与步骤8实际点云曲线位置相应的标准点云曲线；

(9.2)将两曲线相同方向的曲线端点重合，实现配准前的粗匹配；

(9.3)采用迭代最近点(iterativeclosestpoint，icp)算法将标准点云曲线与实际点云曲线进行配准，得到两者的误差；

(9.4)将得到的误差以误差趋势曲线显示给操作人员，操作人员根据误差和加工工艺对实际曲面板材进行进一步的加工，重复以上步骤，直到曲线配准合格，完成加工。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。