基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)

□ 曹晨霞

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

大型鍛件是各類重大裝備的關(guān)鍵性基礎(chǔ)部件，一般用在機(jī)械設(shè)備的核心部位[1]。作為大鍛件生產(chǎn)中非常重要的一環(huán)，鍛件尺寸能否有效測(cè)量直接影響鍛件生產(chǎn)的成本與質(zhì)量。

當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中，鍛件尺寸測(cè)量主要采用傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式，比如利用大尺寸接桿式內(nèi)徑千分尺等機(jī)械量具來(lái)進(jìn)行測(cè)量[2]。這一類人工測(cè)量方式不可避免地會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差，導(dǎo)致鍛件的終鍛尺寸無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求，從而造成廢料。

為了盡量避免鍛件在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)廢料，鍛件在鍛壓的過(guò)程中大多采用增大余量的方法來(lái)解決。這一方法雖然在一定程度上降低了廢料率，但也增加了鋼錠材料的損耗和精加工過(guò)程中的時(shí)間成本及能耗成本等，從而降低了鍛件產(chǎn)品的利潤(rùn)率。此外，在惡劣環(huán)境中生產(chǎn)鍛件也使人工接觸式測(cè)量方法越來(lái)越不適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展需求[3]。

為了對(duì)鍛件在鍛壓過(guò)程中是否已達(dá)到終鍛尺寸進(jìn)行及時(shí)掌握，技術(shù)人員尋求運(yùn)用新技術(shù)對(duì)鍛件尺寸展開(kāi)高效測(cè)量。

筆者提出利用結(jié)構(gòu)光和高速視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型鍛件的在線測(cè)量，這對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有很大的現(xiàn)實(shí)意義。為實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化生產(chǎn)，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與其它大型鍛造生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)相結(jié)合，將成為重型機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[4]。通過(guò)利用結(jié)構(gòu)光視覺(jué)實(shí)現(xiàn)非接觸式大型鍛件尺寸測(cè)量方法，能夠幫助現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工人更為精確地了解鍛壓過(guò)程中鍛件的實(shí)際狀態(tài)，從而降低因尺寸難以測(cè)量而帶來(lái)的生產(chǎn)原材料浪費(fèi)，避免產(chǎn)品報(bào)廢現(xiàn)象，同時(shí)為鍛件生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化、自動(dòng)化信息采集與提取，以及整個(gè)鍛壓流程自動(dòng)化、智能化打下基礎(chǔ)。

2 鍛件測(cè)量方法研究現(xiàn)狀

大型鍛件的尺寸測(cè)量技術(shù)已有多年研究，許多成果在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中已得到應(yīng)用。從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，尺寸測(cè)量技術(shù)可以按照是否與被測(cè)對(duì)象有直接接觸進(jìn)行劃分。鍛件在生產(chǎn)過(guò)程中，表面高溫和高壓力導(dǎo)致傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法測(cè)量精度低、效率差、不易操作，測(cè)量工具容易產(chǎn)生變形。從已有的研究結(jié)果來(lái)看，接觸式測(cè)量方法已無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，因此，非接觸式測(cè)量方法逐漸取而代之[5]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與光電技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)集中到非接觸測(cè)量方法上[6]。當(dāng)前大鍛件的非接觸式測(cè)量方法包括激光測(cè)距、視覺(jué)測(cè)量，以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)配合結(jié)構(gòu)光光柵等測(cè)量方法[7]。激光測(cè)距技術(shù)測(cè)量結(jié)果精度相對(duì)較高，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于完成被測(cè)件尺寸和位移的快速實(shí)時(shí)測(cè)量還存在一定缺陷，尤其是在工況復(fù)雜的條件下[8]。視覺(jué)技術(shù)通過(guò)獲取圖像信息來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，測(cè)量范圍大，但精度較低。這種新型尺寸測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)，同時(shí)也包含了光學(xué)原理、電力電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)，是一種新興技術(shù)[9]。

3 鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)

基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)采用兩側(cè)同時(shí)掃描的方式進(jìn)行，具體測(cè)量方法如圖1所示。在車間中，在被測(cè)對(duì)象兩側(cè)各布置一套基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)，其中任意一套測(cè)量系統(tǒng)都采用兩個(gè)云臺(tái)分別帶動(dòng)相機(jī)與激光器進(jìn)行掃描，完成整個(gè)亮點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取。相機(jī)的掃描方式是俯仰掃描，結(jié)構(gòu)光的掃描方式是水平掃描[10]。在搭建視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的過(guò)程中，通過(guò)分析測(cè)量需求選擇合適的相機(jī)等設(shè)備，并設(shè)計(jì)相關(guān)的云臺(tái)、控制柜、光學(xué)平臺(tái)等。

圖1 基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的鍛件尺寸測(cè)量方法

選用橫向分辨率為8 192像素件高速高靈敏度線陣電荷耦合器件相機(jī)，像元尺寸為7 μm。其余鏡頭及濾光片等結(jié)合車間的實(shí)際光線情況進(jìn)行選擇，盡可能提高成像質(zhì)量，同時(shí)降低環(huán)境光給系統(tǒng)帶來(lái)的干擾。考慮到鍛件鍛壓過(guò)程中溫度較高，鍛件本身為紅色，為了便于相機(jī)更有效地提取亮點(diǎn)，選擇測(cè)量系統(tǒng)用的光為綠色線結(jié)構(gòu)光，定制波長(zhǎng)為532 nm的大功率綠激光器，并使其線寬在距離被測(cè)對(duì)象5 m處達(dá)到2 mm的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)使其光平面處于垂直狀態(tài)。相機(jī)云臺(tái)主要的設(shè)計(jì)要求是體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。控制柜與支架部分包含四個(gè)支架，固定于地面上。支架上方放置光學(xué)平臺(tái)，光學(xué)平臺(tái)上分別放置相機(jī)云臺(tái)和激光器云臺(tái)。這兩個(gè)云臺(tái)外設(shè)置防塵箱，防塵箱前端為玻璃材質(zhì)，保證激光和相機(jī)通透。光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)專門與相機(jī)云臺(tái)及激光器云臺(tái)匹配的螺紋接口，使同一臺(tái)面可以適用于兩個(gè)云臺(tái)底板。結(jié)合對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)的安裝環(huán)境分析，最終完成整個(gè)系統(tǒng)在車間內(nèi)的安裝調(diào)試。在數(shù)據(jù)處理方面，通過(guò)高速現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)亮點(diǎn)的預(yù)處理與數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而在上位機(jī)內(nèi)利用標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行具體的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)解算[11]。

鍛壓生產(chǎn)車間中安裝條件有限，同時(shí)需要盡量減小現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)任務(wù)帶來(lái)的不利影響，在滿足車間安全要求的基礎(chǔ)上，尋找合適的安裝位置。通過(guò)與車間現(xiàn)場(chǎng)工人多次溝通，明確兩套測(cè)試設(shè)備在鍛壓機(jī)南側(cè)與北側(cè)的位置。通過(guò)利用依據(jù)車間實(shí)際測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)建立的鍛壓機(jī)車間模型，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的視野情況進(jìn)行分析，車間模型如圖2所示。在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)車間現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有其它設(shè)備及車間的實(shí)際情況，對(duì)車間模擬位置進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，同時(shí)盡量借助車間現(xiàn)有的線槽、供電網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，展開(kāi)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的安裝工作。含中間的三段階梯軸。在上位機(jī)控制界面內(nèi)設(shè)置好掃描范圍、相機(jī)和激光器的旋轉(zhuǎn)速度，以及步進(jìn)角度等參數(shù)后，就可以進(jìn)行掃描。由于第二套系統(tǒng)離測(cè)量工件的距離較遠(yuǎn)，因此選擇較小的相機(jī)步進(jìn)角度，以便于獲取更多的工件表面數(shù)據(jù)。上位機(jī)控制界面如圖4所示。

圖2 車間模型

圖3 階梯軸零件現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

為了在車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中對(duì)實(shí)際工件展開(kāi)測(cè)量試驗(yàn)，在某重型機(jī)器廠存放大型鑄鍛件的倉(cāng)庫(kù)中選擇一個(gè)階梯軸零件。該零件材料為鑄鐵，質(zhì)量為18 t，將其按如圖3所示方式擺放在相機(jī)視野范圍之內(nèi)。點(diǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)兩套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光，選擇視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量范圍。最終確定有效掃描范圍為3.3 m，包

點(diǎn)擊啟動(dòng)檢測(cè)按鈕，上位機(jī)獲取由以太網(wǎng)發(fā)送而來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列亮點(diǎn)數(shù)據(jù)，并可以自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理和尺寸擬合，將擬合結(jié)果顯示在上位機(jī)界面上。顯示的尺寸信息包括所測(cè)量每段階梯軸的直徑、長(zhǎng)度、同軸度和偏心量。

圖4 上位機(jī)控制界面

點(diǎn)擊三維顯示按鈕，可將上位機(jī)三維重構(gòu)的結(jié)果顯示出來(lái)，如圖5所示。不同的顏色表示不同的誤差等級(jí)，根據(jù)顏色可以判斷各段軸實(shí)際鍛壓情況與理想尺寸的偏差。白色代表正偏差超過(guò)10%，黃色代表正偏差3.33%，橘黃色代表無(wú)偏差，紅色代表負(fù)偏差3.33%，黑色代表負(fù)偏差超過(guò)10%。

圖5 三維顯示

按X軸正向?qū)ε_(tái)階進(jìn)行區(qū)分，分別標(biāo)注第一段至第五段階梯軸，如圖6所示。選取合適的測(cè)量手段后，對(duì)線結(jié)構(gòu)光掃描范圍之內(nèi)的三段階梯軸長(zhǎng)度和直徑進(jìn)行測(cè)量，并與上位機(jī)擬合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。第一段及第五段臺(tái)階被下方砧臺(tái)遮擋，其數(shù)據(jù)結(jié)果具有不確定性，不作比較。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，在測(cè)量系統(tǒng)能夠進(jìn)行有效測(cè)量的第二、第三、第四段臺(tái)階中，獲取的尺寸對(duì)鍛件實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程有一定的指導(dǎo)意義。經(jīng)過(guò)預(yù)處理及尺寸擬合后建立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型如圖7所示，紅色與藍(lán)色表示兩套系統(tǒng)分別測(cè)出的鍛件表面坐標(biāo)，綠色是根據(jù)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出來(lái)的曲線。

圖6 臺(tái)階區(qū)分

測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后，測(cè)點(diǎn)誤差精度達(dá)到預(yù)期。在實(shí)際車間生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用過(guò)程中，存在一些客觀不利因素，導(dǎo)致最終的尺寸獲取精度略有降低。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境來(lái)看，車間南側(cè)墻上大面積玻璃外墻導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)有較強(qiáng)的陽(yáng)光投射，而陽(yáng)光是全波段的，因此在測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行濾光片物理過(guò)濾之后，陽(yáng)光的照射仍然會(huì)帶來(lái)較多的雜散亮點(diǎn)，從而對(duì)相機(jī)的測(cè)點(diǎn)亮點(diǎn)數(shù)據(jù)采集造成一定影響，進(jìn)而給點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波和尺寸擬合帶來(lái)干擾。

表1 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)相關(guān)技術(shù)研發(fā)與試驗(yàn)調(diào)試，針對(duì)基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)展開(kāi)研究，在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)搭建和優(yōu)化改進(jìn)后，進(jìn)行實(shí)際軸類工件測(cè)量驗(yàn)證工作。

測(cè)量結(jié)果顯示，基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)前期標(biāo)定之后，利用標(biāo)定的參數(shù)能夠較為精確地獲取工件表面測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，被測(cè)工件的尺寸計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工件的尺寸誤差較小。

在實(shí)際工程生產(chǎn)應(yīng)用的過(guò)程中，鍛件車間生產(chǎn)的環(huán)境較為復(fù)雜，測(cè)量系統(tǒng)容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的干擾。可見(jiàn)，如何更進(jìn)一步提高鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)的精度，將是需要持續(xù)進(jìn)行研究的方向。鍛件在鍛壓過(guò)程中，鍛件表面測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的獲取能夠有效反映當(dāng)前時(shí)刻鍛件的形狀信息。通過(guò)持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，并進(jìn)一步與鍛壓工藝結(jié)合，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)研究，可以為鍛壓過(guò)程的自動(dòng)化、智能化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。