大型鍛件尺寸在線測量技術(shù)研究

摘 要：隨著制造業(yè)自動化程度越來越高，傳統(tǒng)的尺寸測量設(shè)備和方法已難以滿足大型高溫鍛件尺寸在線測量的要求。該文闡述大型高溫鍛件尺寸在線測量系統(tǒng)的重要性，介紹大尺寸工件在線測量的發(fā)展現(xiàn)狀，指出目前大型高溫鍛件尺寸在線測量存在的問題，提出一種基于多目視覺的大型長軸類鍛件尺寸測量方法，對測量系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，建立計算的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)該測量方法特點與局限性，并指出未來進(jìn)一步探索的方向。

關(guān)鍵詞：大型鍛件；長軸類；在線測量；多目視覺；測量技術(shù)

中圖分類號：TG316.193 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0185-04

Abstract： With the increasing degree of automation in the manufacturing industry， traditional size measurement equipment and methods have become difficult to meet the requirements of online size measurement of large high-temperature forgings. This paper expounds the importance of online size measurement system for large high-temperature forgings， expounds the development status of online measurement of large size workpieces， points out the problems existing in online measurement of large high-temperature forgings size， proposes a size measurement method for large-long axis forgings based on multi-ocular vision， designs the measurement system， establishes a mathematical model for calculation， summarizes the characteristics and limitations of this measurement method， and points out the direction of further exploration in the future.

Keywords： large-forging; long shaft; online measurement; multi-ocular vision; measurement technology

大型鍛件是很多大型生產(chǎn)裝備的關(guān)鍵部件，在航天、軍工、船舶等制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。不論在生產(chǎn)過程中，還是生產(chǎn)完成后，大型鍛件尺寸的測量都是一項重要的工作。在鍛造過程中需要多次測量鍛件的尺寸，因為鍛件的外形尺寸是壓下量、鍛打力、鍛打次數(shù)等工藝參數(shù)的主要依據(jù)之一[1-2]。由于大型鍛件的生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境溫度高，大型高溫鍛件尺寸測量工作強度大、危險性高，且測量效率低。大型長軸類鍛件的軸向尺寸較大，常使用自由鍛的方法鍛造，加工時鍛件尺寸在線測量難度大。隨著制造業(yè)自動化程度越來越高，傳統(tǒng)的尺寸測量設(shè)備和人工接觸式測量方法已難以滿足在線測量的要求[3-4]。目前，我國還是比較缺乏在線檢測大型高溫鍛件尺寸的測量系統(tǒng)及測量方法。

機(jī)器視覺檢測技術(shù)有著測量速度快、效率高、安全性好的特點，成功地應(yīng)用在軍事、安防、制造業(yè)等多個領(lǐng)域，在各領(lǐng)域智能化、現(xiàn)代化發(fā)展的道路上有著舉足輕重的地位[5-6]。在制造業(yè)加工測量領(lǐng)域中，機(jī)器視覺檢測技術(shù)因其特有的非接觸式測量的優(yōu)勢得到了廣大研究學(xué)者的重視，與傳統(tǒng)測量方法相比較具有測量速度快、可代替人工在惡劣高危環(huán)境中完成測量工作，可以大大提高生產(chǎn)的效率和自動化程度，在大型鍛件尺寸在線測量系統(tǒng)研究領(lǐng)域有著良好的開發(fā)應(yīng)用前景。

1 大尺寸工件在線測量的研究現(xiàn)狀

通過查閱大量的文獻(xiàn)及走訪企業(yè)調(diào)研，了解到大尺寸工件在線測量的需求和要求都在不斷提高，目前也很多學(xué)者對基于機(jī)器視覺檢測技術(shù)的大尺寸在線測量方法開展了研究活動?？到芑⒌萚7]采用三相機(jī)結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)，設(shè)計了一種的高溫鍛件三維尺寸在線測量系統(tǒng)，可適用于鍛件熱態(tài)測量。馬平等[8]研究了基于定位平臺的大尺寸工件視覺測量方法，結(jié)合單目視覺系統(tǒng)和定位運動系統(tǒng)對大幅面工件進(jìn)行全尺寸測量，實現(xiàn)了非接觸測量大尺寸工件，并取得較高的測量精度；馮西等[9]研究了一種基于機(jī)器視覺的大尺寸工件自動測量系統(tǒng)，利用光電編碼器精確定位相機(jī)位置，將大尺寸工件分解為多個部分進(jìn)行采集，建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)大尺寸工件的尺寸測量，系統(tǒng)算法精度高，穩(wěn)定性好。崔功強[10]提出了一種結(jié)合線陣相機(jī)、亞像素邊緣檢測技術(shù)及圖像拼接技術(shù)的大尺寸工件測量方法，實現(xiàn)了大尺寸工件高精度測量。唐寒冰等[11]將數(shù)張含有重疊部分的圖像，通過圖像配準(zhǔn)和圖像融合兩項關(guān)鍵技術(shù)，拼接成一幅具有高分辨率且包含完整信息的圖像的技術(shù)，來完成大尺寸零件測量。鄭伊玫等[12]以機(jī)器視覺為核心，結(jié)合優(yōu)化后的SURF特征點匹配和最小二乘法擬合等算法，提出可對大尺寸工件的孔洞和邊線等參數(shù)進(jìn)行高精度測量分析的系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)檢測方法，具有高精度和高效率的優(yōu)點。

近年來，基于機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的在線測量技術(shù)已取得了較大的發(fā)展，但其在大型高溫鍛件尺寸測量應(yīng)用中仍存在一些問題。尺寸超過3 m的大型鍛件尺寸測量中，限于攝像機(jī)分辨率，固定位置的單目視覺檢測系統(tǒng)不能完成測量任務(wù)。若選擇單目視覺系統(tǒng)進(jìn)行測量，需要結(jié)合相機(jī)定位運動系統(tǒng)，由定位系統(tǒng)運載相機(jī)到達(dá)多個拍照點拍照，再通過圖片拼接融合技術(shù)恢復(fù)鍛件圖像全貌。但是由于定位運動系統(tǒng)需要較長時間來完成相機(jī)定位，存在測量響應(yīng)速度慢的缺點。

多目視覺檢測技術(shù)能實現(xiàn)在線快速測量大型鍛件尺寸，能提高生產(chǎn)效率，有助于推動鍛造領(lǐng)域的智能自動化發(fā)展，具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。為了實現(xiàn)大型鍛件尺寸非接觸測量，提高測量速度，提高生產(chǎn)效率，本文對基于多目視覺的大型長軸類鍛件尺寸測量方法進(jìn)行研究。

2 基于多目視覺的大型長軸類鍛件尺寸測量系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

相機(jī)位置固定的單相機(jī)視覺檢測系統(tǒng)，由于視場限制，無法完成大型長軸類鍛件尺寸的測量任務(wù)。若搭配相機(jī)定位運動系統(tǒng)，由于需要一定的時間完成相機(jī)定位任務(wù)，導(dǎo)致系統(tǒng)存在測量響應(yīng)速度慢的缺點。本文針對大型長軸類鍛件尺寸測量，采用4個相機(jī)組合搭建視覺檢測系統(tǒng)，相機(jī)空間布局示意圖如圖1所示，檢測臺上方布置2個相機(jī)，檢測臺側(cè)面布置2個相機(jī)，其中相機(jī)C、D經(jīng)過標(biāo)定后分別測量鍛件兩端的高度，4個相機(jī)結(jié)合測量鍛件的長度及鍛件兩端的寬度。相機(jī)支架可上下左右活動，可以根據(jù)實際需求改變4個相機(jī)的位置。主要電路硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，4個相機(jī)和電腦接到交換機(jī)，通過TCP協(xié)議進(jìn)行通信。本測量系統(tǒng)針對大型長軸類鍛件尺寸測量，通過視覺測量鍛件兩端的尺寸數(shù)據(jù)，再結(jié)合數(shù)學(xué)計算模型，獲得大型長軸類鍛件的整體尺寸。其中，相機(jī)A和相機(jī)C組合測量鍛件左端的與相機(jī)A的光軸相對距離；相機(jī)B和相機(jī)D組合測量鍛件右端的與相機(jī)B的光軸的相對距離。

2.2 尺寸計算的數(shù)學(xué)模型

在視覺測量系統(tǒng)里，建立相機(jī)成像模型和尺寸計算的數(shù)學(xué)模型是開展視覺測量研究工作的基礎(chǔ)任務(wù)。針孔模型是典型的相機(jī)成像模型，也是理想模型，通過近似三角形知識求得模型中參數(shù)的比例關(guān)系式[13-14]。本文以長度測量為例，以相機(jī)針孔模型為基礎(chǔ)，建立長度尺寸計算數(shù)學(xué)模型如圖3所示。鍛件長度尺寸計算如公式（1）所示，L3為相機(jī)A光軸與相機(jī)B光軸的距離，L1為鍛件左端與相機(jī)A光軸的相對距離，L2為鍛件右端與相機(jī)B光軸的相對距離。由相機(jī)A的針孔成像模型得到公式（2），由相機(jī)B的針孔成像模型得到公式（3）。相機(jī)A、B與測量臺的高度H為已知，鍛件兩端的高度h1、h2分別可由相機(jī)C、D求得，可得公式（4）和公式（5）。公式（6）中的K1為相機(jī)A的X方向像素當(dāng)量，公式（7）中K2為相機(jī)B的X方向像素當(dāng)量，需要分別對相機(jī)C、D標(biāo)定獲得。圖3中，F(xiàn)1為相機(jī)A的成像焦距，F(xiàn)2為相機(jī)B的成像焦距，（Xc1，Yc1）為相機(jī)A的光心坐標(biāo)，（Xc2，Yc2）為相機(jī)B的光心坐標(biāo)，△X1為相機(jī)A圖像中工件左端點與圖像中心的距離，△X2為相機(jī)B圖像中工件左端點與圖像中心的距離。相機(jī)A和相機(jī)B的成像焦距相等，H為焦點與檢測臺面的距離。

數(shù)學(xué)模型中的計算公式如下

L=L1+L2+L3， （1）

L1=H1/F1×△X1， （2）

L2=H2/F2×△X2， （3）

H1=H-h1， （4）

H2=H-h2， （5）

△X1=K1×（Xl-Xc1）， （6）

△X2=K2×（Xr-Xc2）， （7）

式中：K1為相機(jī)A的X方向像素當(dāng)量，K2為相機(jī)B的X方向像素當(dāng)量，Xl為工件最左端在圖像中的x像素坐標(biāo)，Xr為工件最右端在圖像中的x像素坐標(biāo)，h1由相機(jī)C測量獲得，h2由相機(jī)D測量獲得。

由公式（1）—（7）可求得工件長度為

L=（H-h1）/F1×K1×（X1-Xc1）+（H-h1）/F1×K2×

（X1-Xc1）+L3。 （8）

2.3 相機(jī)標(biāo)定

無論是在視覺測量還是視覺定位中，相機(jī)參數(shù)標(biāo)定都是非常重要的任務(wù)，標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確度直接影響了視覺系統(tǒng)的測量、定位精度[15]。在視覺測量系統(tǒng)中，為了確定空間物體表面上某物的實際尺寸與其在圖像上的像素距離之間的關(guān)系，需要求出像素當(dāng)量，即求出一個像素與實際物理尺寸的數(shù)學(xué)關(guān)系。像素當(dāng)量是視覺測量系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，需要在特定的測量條件下，進(jìn)行實驗與計算得到。

公式（6）中的K1為相機(jī)A的X方向像素當(dāng)量。通常需要使用已知實際尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件來輔助測量獲得像素當(dāng)量，由于標(biāo)準(zhǔn)件尺寸已知，在特定測量條件下只要求出標(biāo)準(zhǔn)件在圖像里的像素尺寸，即可以求得像素當(dāng)量。KIMAGE軟件提供了XY標(biāo)定工具，如圖4所示。首先需要利用KIMAGE軟件測量出標(biāo)準(zhǔn)件的像素尺寸，并手動輸入到標(biāo)定工具指定的位置，再輸入標(biāo)準(zhǔn)件的實際物理尺寸，其中像素距離的單位是Pixel，實際距離的單位是mm，由標(biāo)定工具求出X方向的像素當(dāng)量和Y方向的像素當(dāng)量。得到標(biāo)定結(jié)果以后，就可以通過求得物體在圖像中投影的像素距離來求得其實際尺寸。

圖4 XY標(biāo)定工具

3 結(jié)束語

本文闡述了大型鍛件尺寸在線測量的重要性及存在的問題。相機(jī)位置固定的單相機(jī)視覺檢測系統(tǒng)由于視場限制，不能完成大型長軸類鍛件尺寸的測量任務(wù)，若搭配相機(jī)定位運動系統(tǒng)，存在測量響應(yīng)速度慢的缺點。ObrqlYQNg3Yk5cMRn4oH3Q==本文針對大型長軸類鍛件尺寸測量，提出了一種基于4個相機(jī)的尺寸測量方法，對硬件系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，對尺寸計算方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。闡述了XY相機(jī)標(biāo)定方法，標(biāo)定的前提是在特定的測量條件下完成的。但是由于鍛件加工過程中，鍛件加工表面是在變化的，這給相機(jī)標(biāo)定帶來了很多難題，若采用固定加工表面來進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，則會存在較大的測量誤差，為了提高相機(jī)標(biāo)定的自適應(yīng)性，還需要繼續(xù)在相機(jī)標(biāo)定方面進(jìn)行研究。

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