大锻件在线测量系统中的三维重构研究

发布时间：2016-06-25 06:45

第一章  绪论 

1.1  课题背景及意义
大锻件生产具有以下特点:其一是质量要求严格，大锻件一般受力复杂，工况特殊，因此要求具备优良的工作性能，才能保证重大装备长期、高效、安全、可靠的工作。其二是工艺过程复杂，由于其工艺环节多、周期长、连续性强、科技含量高，因此没有现代化的管理、科学地协调配合，难以组织好生产。另外，大型锻造过程属高温、高压、非稳定成形，影响因素多，变化大，一旦产品报废，将造成很大的经济损失，因此须对大锻件的质量和锻压工艺进行严格科学控制。其三是大锻件投资巨大，原材料、能源、工装、劳力、工时消耗大，单件、小批量生产，品种等级多变，导致其造价昂贵，制造成本高。 大锻件成品率、钢锭利用率和锻件生产效率的高低决定了锻压工厂的发展与经济效益。在大锻件锻压过程中，实时掌握锻件尺寸信息与形状信息，给锻件加工提供及时精确的反馈，能够给锻件制造提供很好的指导作用，既可以避免因加工过量而造成锻件报废，也可以避免因留下过多加工余量而造成能源与资源浪费。由此可知，大锻件锻压过程中的及时、快速、准确的三维尺寸测量对提高锻件加工效率、提升锻件企业产能、减少材料与能源浪费和建设环境友好型重大装备业有重要作用。对大型锻件进行精确尺寸测量以改善锻造工艺，有效提高大锻件的合格率和材料能源利用率，不仅是保障企业正常生产经营，实现企业走“节能降耗”的可持续发展之路，同时也是企业适应市场需要，降低成本、增加效益、改善环境，提高企业竞争力的必然选择。
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1.2  国内外研究现状
大型锻件的生产在国家经济发展以及国防工业中占有重要地位，世界上许多国家在大锻件尺寸测量技术方面进行了研究，且有些成果已经应用到实际生产中。国内在这一方面的研究起步较晚，随着我国对重型机械设备需求的增加，近年来受到了广泛重视。尺寸测量技术从被测对象的接触方式上分类，可以分为接触式测量和非接触式测量。传统的锻件尺寸测量方法大部分采用接触式测量，接触式测量方法受测量工具自身重量以及锻件表面温度的影响，容易产生变形，导致测量精度低。另外接触式测量方式的测量速度低，操作麻烦。为了适应现代工业发展的需求，已经逐渐被非接触式测量方法所取代。 随着光电技术和计算机技术的迅猛发展，非接触式测量方法成为国内外学者的研究热点。如图 1-2 所示，非接触式测量按测量原理和测量装置的不同又可分为被动式和主动式两种。各种测量方案在具体的实现方法上各具特色，差异较大，下面对国内外一些具有代表性的大锻件尺寸测量方法进行概述。
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第二章   测量系统原理介绍 

2.1  引言 
为解决目前大尺寸锻压件加工过程中，生产环境复杂，在线测量困难、测量精度较低的问题，，本文提出了基于线结构光的 CCD 相机扫描法。本方法利用线阵相机作为图像传感器，利用线结构光作为物体的辅助照明，使用两个云台的推扫实现对锻件表面三维信息的获取，最后对图像进行拟合与拼接，重构锻件表面形貌。本章将主要介绍结构光三维视觉测量的工作原理及本测量系统下点云数据的解算过程。 
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2.2  系统测量方法介绍 
结构光三维视觉测量方法是基于光学三角法测量原理，由光学投射器将一定模式的结构光投射于物体表面，形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像，该图像由处于另一位置的摄像机探测，从而获得光条的二维畸变图像，如图 2-1所示。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维光条图像便可重现物体表面三维形态。采用结构光投影的三维测量方法是一种主动式光学测量法，也是目前研究比较热门的三维视觉测量方法，通过结构光与高速摄像机的精密配合，可实现大尺寸的三维立体的高精度测量。 实验表明，在该测量系统下，如果只采用一套系统的测量结果进行拟合计算，效果较差，严重影响测量精度。为了解决这一问题，本文采用的结构光测量系统在锻件的两侧各配置了一套数据采集系统，以获取相对完整的锻件表面点云数据，减小拟合误差。经实验验证，将两套系统采集到的点云数据进行匹配后再拟合可以大大提高拟合精度，达到符合最终测量要求的测量精度。 
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第三章  测量系统软件开发........ 16 
3.1  引言....... 16 
3.2  通讯方式及数据格式........... 16 
3.2.1  通讯方式选择.... 16 
3.2.2  数据格式.... 17 
3.3  需求分析及程序实现........... 18
3.4  本章小结....... 26 
第四章  关键参数解算算法设计........ 27 
4.1  引言....... 27 
4.2  点云预处理........... 27 
4.3  参数解算....... 35 
4.3.1  切片椭圆拟合及直径解算........ 35 
4.3.2  轴线解算.... 38 
4.3.3 同轴度及偏心量解算......... 40 
4.3.4  长度解算.... 41 
4.4  解算结果输出....... 42 
4.5  本章小结....... 42 
第五章  实验与误差分析.... 43 
5.1  引言....... 43 
5.2  测量实验....... 43 
5.2.1  实验室测量实验........ 43 
5.2.2  加工现场测量实验.... 45 
5.3  误差分析....... 47 
5.4  本章小结....... 47 

第五章  实验与误差分析 

5.1  引言 

为了验证本文所开发的测量系统的测量精度以及可重复性，本章将进行相关的实验验证。在测量系统的调试和验证过程中，分别在实验室和加工现场进行了两种测试实验。实验室测量实验的主要目的为验证测量系统的测量精度并分析误差产生的原因；加工现场测量实验的主要目的是验证整个测量系统操作的连贯性以及在实际测量环境中进一步验证测量精度。为便于实验过程的开展，加工定制了阶梯轴模拟工件，并对其在两种不同的偏转角度下进行相关的验证测试实验，模拟工件实物及其拟合效果如图 5-1 和图5-2 所示。 本实验在于验证测量系统的测量精度并分析误差产生的原因，因此只对直径和长度计算结果与加工标准值进行分析比较。图 5-3 是该模拟件的加工尺寸图。表 5-1 和表 5-2 是在两种姿态下的测量结果，姿态一轴线方向与 x 轴夹角约为5°，姿态二轴线方向与 x 轴夹角约为 20°。 

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总结 

大锻件的在线精确测量能给加工提供很好的指导作用，进一步可以高生产效率和资源利用率。基于这些实际需求，本文在查阅总结国内外大锻件测量技术的基础上，结合热态轴类锻件的特点，提出了一种基于线结构光的轴类大锻件在线测量系统。该系统采用特定波段的线结构光作为辅助照明，高速高精度 CCD 线阵相机作为图像采集传感器，通过控制结构光和相机云台的推扫实现锻件表面点云的获取，最后对点云数据进行去噪和重构获取所需尺寸信息。本文的主要工作如下： 
（1）国内外大锻件测量技术现状的研究分析。大锻件的实时加工尺寸测量直接关系到判断是否停止锻造，对生产加工有重要的指导意义。基于这些背景，主要分析比较了国内外目前的非接触式测量方法，分析了各种方法的优缺点，最后做出了总结。 
（2）基于结构光的大锻件在线测量系统设计。提出了基于线结构光的线阵CCD 相机扫描法，阐述了本系统的测量原理和扫描过程，并给出了在该系统下三维空间点的解算方法。 
（3）测量系统软件的开发。结合本系统的通讯需求，分析比较了串口通讯和以太网通讯的优缺点。在满足用户测量需求的基础上，开发出测量系统的上位机操作软件，实现了系统的电源管理、云台运动控制、数据接收处理以及测量结果的三维模型显示。 
（4）给出了点云数据的去噪与参数解算算法。由于受测量设备、现场环境等因素的影响，测量所获得的数据通常不可避免地存在很多噪声数据。结合现场测量环境及系统工作原理，给出了测量该系统下点云数据的去噪和阶梯轴点云自动化分割算法。在此基础上，采用切片的方式进行最小二乘椭圆拟合获取锻件的轴线、直径等参数，进一步计算得到长度、同轴度和偏心量。 
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参考文献(略)

本文编号：61244