□馬賀賀上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

基于結(jié)構(gòu)光視覺的大型鍛件尺寸測量系統(tǒng)研究與應(yīng)用

□馬賀賀
上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

針對大型鍛件生產(chǎn)過程中尺寸獲取困難的問題，提出一種運用線結(jié)構(gòu)光的機器視覺測量系統(tǒng)。獲取被測鍛件表面測點的三維坐標后，實現(xiàn)大鍛件關(guān)鍵尺寸參數(shù)的測量。最后通過實驗驗證與結(jié)果分析證明了該系統(tǒng)的有效性。

隨著工業(yè)智能化水平的不斷提高，機器視覺技術(shù)憑借其持續(xù)性強、可靠性高、非接觸等優(yōu)勢在汽車和電子等行業(yè)的流水線生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。但在傳統(tǒng)的大型設(shè)備制造企業(yè)中，仍存在生產(chǎn)方式老舊、過程自動化程度低等問題。生產(chǎn)過程的升級改造需求非常迫切，如何利用機器視覺等先進技術(shù)的優(yōu)勢來實現(xiàn)智能制造，具有重要的現(xiàn)實意義。

諸如核電站堆內(nèi)成套鍛件、發(fā)電轉(zhuǎn)子設(shè)備、船用曲軸等重大設(shè)備加工制造過程中，大型鍛件作為基礎(chǔ)件發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在鍛件生產(chǎn)過程中，尺寸測量是其中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，及時提供當(dāng)前鍛件的準確尺寸，能夠有效降低鍛件的廢品率，降低終鍛尺寸不合格的風(fēng)險，從而大幅降低能源消耗與資源浪費［1-3］。但受到客觀生產(chǎn)環(huán)境以及鍛件鍛壓工藝的限制，目前如何有效獲取精確的鍛件尺寸仍然是一個技術(shù)難題。這一問題引起了各大重型機器廠以及國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，通過激光測量、視覺測量等方式尋求突破，已取得了一定的成果［4-8］。

筆者針對大型鍛件鍛壓生產(chǎn)過程中無法獲取精確尺寸信息的問題，提出了一種利用結(jié)構(gòu)光視覺的非接觸式大型鍛件尺寸測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用線結(jié)構(gòu)光作為光源投射到被測鍛件表面，同時利用高分辨率線陣相機獲取受到工件形狀調(diào)制之后的線結(jié)構(gòu)光圖像數(shù)據(jù)，利用高速FPGA（Field-Programmable GateArray）實現(xiàn)亮點數(shù)據(jù)的預(yù)處理，進而結(jié)合系統(tǒng)標定過程中獲取的相關(guān)相機參數(shù)與結(jié)構(gòu)光參數(shù)進行工件表面測點的三維坐標解算。獲取工件點云數(shù)據(jù)后，進行工件測量模型分析，提取其關(guān)鍵尺寸。通過這種非接觸、遠距離的方式，實現(xiàn)鍛件鍛壓過程中的關(guān)鍵尺寸精確計算，從而實現(xiàn)對鍛壓過程的精細化分析。

1 基于結(jié)構(gòu)光的大型鍛件三維尺寸測量系統(tǒng)設(shè)計

大型鍛件尺寸測量系統(tǒng)采用機器視覺方法，測量過程中在被測工件上投射一條垂直線結(jié)構(gòu)光，受到工件形狀的影響，在不同的工件表面上將形成不同形狀的光條。同時利用分辨率較高、幀頻較高的線陣相機，通過水平拍攝的方式進行圖像采集，一次拍攝獲取工件表面上一個測量點的亮點像素位置。系統(tǒng)利用相機云臺帶動線陣相機進行俯仰掃描，激光器云臺帶動線結(jié)構(gòu)光水平掃描的方式，完成對被測工件表面從點到線、再由線到面的整體測點。主要測量原理是利用相機提取被測亮點的像素位置，利用結(jié)構(gòu)光提供被測對象的深度信息，結(jié)合光學(xué)三角法原理以及標定的相機和結(jié)構(gòu)光相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過圖像坐標系、相機坐標系、世界坐標系的坐標變換，利用被測點的亮點像素位置、相機俯仰角度、結(jié)構(gòu)光偏轉(zhuǎn)角度等信息，解算出其在世界坐標系下的物理三維坐標。在獲取工件表面上的測點之后，通過對點云數(shù)據(jù)的濾波處理、特征提取等操作，提取出被測工件的關(guān)鍵尺寸信息，如圖1所示。

圖1 基于結(jié)構(gòu)光視覺的大型鍛件尺寸測量方法

系統(tǒng)完整的測量過程步驟如下。

（1）線結(jié)構(gòu)光按照垂直于地面的方式投射到被測工件表面，形成在當(dāng)前結(jié)構(gòu)光偏轉(zhuǎn)角度下的光條L1，高分辨率線陣CCD相機水平拍攝，獲取相交亮點P1的像素位置。

（2）相機云臺帶動線陣相機進行一次俯仰掃描，在掃描過程中，F(xiàn)PGA依據(jù)云臺控制器發(fā)出的脈沖信號來進行圖像采集，獲取整個光條L1下的多個亮點。云臺控制器的外發(fā)脈沖按照固定的相機云臺轉(zhuǎn)動角度間隔來發(fā)送，因此可以根據(jù)脈沖個數(shù)以及相機云臺起始角度等信息，獲取這些亮點分別對應(yīng)的相機偏轉(zhuǎn)角度。

（3）激光器云臺帶動線結(jié)構(gòu)光偏轉(zhuǎn)一定角度，得到被測工件表面上新的光條L2。

（4）相機在相機云臺的帶動下反向掃描，重復(fù)步驟（2），獲取光條L2上的多個亮點像素位置。

（5）相機不停進行俯仰掃描，激光器進行水平掃描，并重復(fù)上述圖像采集過程，直至完成被測工件的整體掃描。

2 基于結(jié)構(gòu)光的大型鍛件三維尺寸測量系統(tǒng)構(gòu)成

整個系統(tǒng)主要包括圖像采集與處理子系統(tǒng)、相機云臺與激光器云臺運動控制子系統(tǒng)、三維坐標解算與尺寸提取模塊、上位機軟件部分（如圖2所示）。

（1）運動控制子系統(tǒng)。為了在測量精度方面盡可能提升系統(tǒng)的應(yīng)用效果，系統(tǒng)采用高分辨率的線陣相機配合掃描運動的方式來實現(xiàn)被測工件的整體測量工作，同時在測點三維坐標解算的過程中，需要利用相機的俯仰角度以及結(jié)構(gòu)光的水平偏轉(zhuǎn)角度，因此高效且角度定位精確的云臺機構(gòu)是整個測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件，也是關(guān)鍵部分。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，滿足相機俯仰掃描運動以及激光器水平掃描運動的同時，考慮到某些軸類鍛件可能尺寸較大，超出相機視野范圍的情況，因此在相機掃描中增加了水平旋轉(zhuǎn)的一維自由度。按照系統(tǒng)測試過程中的運動需求，設(shè)計相機云臺實物如圖3所示，激光器云臺實物如圖4所示。所選運動轉(zhuǎn)臺及控制器具體參數(shù)見表1。

圖2 基于結(jié)構(gòu)光的大型鍛件三維尺寸測量系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 相機云臺（含相機）實物

圖4 激光器（含激光器電源）云臺實物

（2）圖像采集與處理系統(tǒng)。圖像采集與處理系統(tǒng)由線陣相機、鏡頭、濾光片、激光器、FPGA圖像采集卡并配合FPGA圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理程序等構(gòu)成，完成被測工件表面亮點像素位置的提取工作。按5 m左右的工作距離進行評估，結(jié)合鍛壓車間的空間尺寸、壓機尺寸等因素，以及實際測量過程中的工件特性，選用分辨率為8 192的線陣CCD相機作為圖像傳感器，像元尺寸7 μm，經(jīng)過計算，被測對象在5 m處成像時，每一個像素可表示0.58 mm的實際物理尺寸，同時配以最大視場角為60°的Macro 60 mm（宏觀60 mm）鏡頭組。選用透光范圍為540±40 nm的窄帶濾光片，可以有效過濾綠色光以外的其它干擾光線。定制波長為532 nm、功率為1 W、扇角為60°、光線與地面垂直度為90±0.3°、在5 m處投射線寬<2 mm的線結(jié)構(gòu)光的高穩(wěn)定性激光器。由于掃描速度較快，短時間內(nèi)會產(chǎn)生較多的圖像數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)可利用FPGA的可編程能力，在底層對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行亮點提取，僅將一行圖像內(nèi)被認為是亮點的圖像數(shù)據(jù)傳送給上位機進行后續(xù)處理，由此大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢摀?dān)，提高了系統(tǒng)的整體效率。

表1 基于結(jié)構(gòu)光的大型鍛件三維尺寸測量系統(tǒng)電動轉(zhuǎn)臺參數(shù)

3 實際應(yīng)用與分析

由于視覺測量方法僅能對被測對象處于相機視野內(nèi)的一側(cè)展開測量，為了解決視場遮擋的問題，采用兩套視覺測量系統(tǒng)交叉測量的方式，從左右兩側(cè)同時測量，獲取被測對象的表面點三維坐標。在兩套系統(tǒng)同時測量開始之前，利用全站儀首先標定第一套系統(tǒng)的相機和結(jié)構(gòu)光參數(shù)，然后利用全站儀搬站后坐標系不變的功能，在搬站后對第二套系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行標定，從而實現(xiàn)兩套系統(tǒng)測量點的三維坐標解算結(jié)果處于同一個世界坐標系下。在測量過程中，對3段臺階軸類工件展開測量實驗，并重點對其直徑進行測試，以驗證本系統(tǒng)的有效性，臺階軸3段直徑實際值分別為400mm、1000mm、700mm。經(jīng)過系統(tǒng)參數(shù)標定后，兩套系統(tǒng)參數(shù)見表2。

通過掃描并解算得到工件表面測點三維坐標，經(jīng)過濾波刪除雜散點后得到被測對象點云情況，如圖5所示。由于測量過程中兩套測量系統(tǒng)分別處于被測工件兩側(cè)，兩側(cè)系統(tǒng)所測工件在XY平面內(nèi)的邊緣總能夠處于測量視野范圍內(nèi)，因此對兩套系統(tǒng)所測得點云數(shù)據(jù)進行XY平面內(nèi)的投影，并選取邊緣點可以得到被測工件的輪廓，如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，利用相鄰邊緣點的連線斜率可以有效地確認臺階軸不同臺階的邊緣。同時由于所獲取的點云數(shù)據(jù)按照不同的結(jié)構(gòu)光角度在水平掃描過程中順序排列，因此可依照XY投影面內(nèi)輪廓點分別所屬的結(jié)構(gòu)光角度，將所有的點云數(shù)據(jù)進行劃分，獲得不同臺階的點云數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示。通過判斷同一臺階內(nèi)兩套系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)哪個在XY投影面內(nèi)邊緣點較多，即判斷哪一側(cè)掃描的結(jié)構(gòu)光條數(shù)較多，進一步用較多一側(cè)的邊緣點擬合直線作為當(dāng)前臺階的邊緣線，用較少的一側(cè)數(shù)據(jù)到該直線的距離平均值作為當(dāng)前臺階的直徑。利用上面擬合好的直線，通過點與垂足之間的中點作為軸線上的點，再擬合出中軸線，結(jié)果如圖8所示。

表2 標定完成后兩套系統(tǒng)的相機參數(shù)及結(jié)構(gòu)光參數(shù)

按照上述方式對該臺階軸類工件進行3次測量，通過改變臺階的夾持位置，改變被測工件的姿態(tài)來詳細分析筆者所提測量系統(tǒng)的有效性。具體直徑計算結(jié)果見表3。從表中可以看出，對于直徑為1 000 mm的中間臺階以及直徑為700 mm的臺階，由于其本身長度相對較長，在測量過程中能夠有較多的結(jié)構(gòu)光條數(shù)掃描到這兩個臺階上，因此，其直徑計算結(jié)果較為理想，誤差最大僅為3.3 mm，其余誤差均小于2 mm。而直徑為400 mm的臺階，可以發(fā)現(xiàn)其3種姿態(tài)下的誤差，結(jié)果差別比其它兩個臺階大。通過仔細對比3種姿態(tài)下的結(jié)構(gòu)光掃描情況可以發(fā)現(xiàn)，直徑為400 mm的臺階（3個臺階中最短的臺階），在掃描過程中比如姿態(tài)三的情況下，中間較粗的臺階會對臺階一造成一定遮擋，從而導(dǎo)致臺階以上的測點較少，在這種情況下所獲取的點云數(shù)據(jù)不足以表征當(dāng)前對象的一些具體尺寸特征，這也是在姿態(tài)三下測量誤差較大的原因。因此，測量過程中在工件遮擋情況不嚴重的情況下，通過測量系統(tǒng)獲取的工件表面測點的三維坐標，能夠有效地反映被測對象的基本特征，此時獲取的直徑尺寸誤差較小，能夠滿足測量要求。

圖5 被測對象點云結(jié)果

圖6 被測對象XY平面內(nèi)投影后的輪廓圖

圖7 劃分不同臺階后的點云數(shù)據(jù)結(jié)果

圖8 臺階軸線擬合結(jié)果

表3 被測對象不同姿態(tài)下的直徑測量結(jié)果 mm

4 結(jié)論

通過一些新的技術(shù)手段來實現(xiàn)對傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式的智能化升級是一步步實現(xiàn)智能制造的必經(jīng)之路，這也是大企業(yè)通過開展技術(shù)升級提高生產(chǎn)效率，提高自身競爭力的重要途徑。筆者針對大型鍛件生產(chǎn)過程中尺寸獲取較為困難的現(xiàn)狀，研發(fā)設(shè)計一種基于結(jié)構(gòu)光視覺的非接觸式測量系統(tǒng)，通過將鍛件的三維坐標解算，獲取鍛件的三維點云數(shù)據(jù)并構(gòu)建出精度較高的鍛件實際形狀，最后通過具體實驗驗證了其有效性。筆者提出的測量系統(tǒng)可以有效降低大型鍛件生產(chǎn)過程中的能源損耗，從而降低生產(chǎn)成本，同時鍛件表面點云數(shù)據(jù)的獲取，也為后續(xù)系統(tǒng)的擴展應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。但由于鍛件種類的多樣性以及鍛件生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性，更為完善的鍛件測量系統(tǒng)仍然需要在已獲取鍛件表面測點的點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行相關(guān)的模型構(gòu)建與分析。

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Aiming at the difficulties involving dimensional metrology of large forgings during production process，a machine vision measurement systemby using of line structured light was proposed.After acquiring the three-dimensional coordinates of the measuring point on the measured forging surface，it was available to measure critical dimension parameters of large forgings.Finally，the effectiveness of the system is proven by experimental verification and interpretation of the results.

線結(jié)構(gòu)光；機器視覺；鍛件測量；尺寸測量

Line Structured Light；Machine Vision；Forging Measurement；DimensionalMetrology

TG31

A

1672-0555（2015）04-006-06

2015年8月

馬賀賀（1985年～），男，工學(xué)博士，工程師，主要從事視覺測量、過程監(jiān)控和故障檢測領(lǐng)域的相關(guān)研究工作