超大型工件圆形截面形状与方位测量装置及方法

摘要

本发明涉及一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的装置及方法。针对大型圆截面测点较少，难以准确评价尺寸信息难题，发明一种分布测量网络，包括激光跟踪仪、端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网。以线结构光视觉坐标测量传感器为坐标采集设备。端面圆截面形状测量网采用多组配对视觉传感器采集圆水平平行弦和垂直平行弦，通过中点连线必过圆心定理求解圆心，再利用最小二乘求解半径。轴线修正测量网采用多组视觉传感器测量多个圆柱圆截面，圆心连线即为圆柱轴线，可完整评价包括形状和方位的六维信息，可修正位置引入的对端面形状测量误差。激光跟踪仪作为全局测量设备统一测量坐标系。本发明可快速、高精度测量大型圆柱工件的形状和方位。

权利要求

1.一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的装置，其特征在于它包括：激光跟踪仪、端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网，所述的端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网分别是由若干视觉传感器构成；视觉传感器是通用的非接触式的坐标测量传感器，它是由半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜组成；

所述的端面几何形状测量网至少具有八个视觉传感器，一组四个用于组成水平测量网，包括两个配对视觉传感器，每个配对视觉传感器由两个视觉传感器以中心对称放置组成，另一组组成与水平测量网相互垂直的垂直测量网，用于同时测量一个圆截面；

所述的轴线修正测量网具有六个视觉传感器，每组三个视觉传感器同时测量一个圆截面所有视觉传感器均基于双目视觉原理采集被测点三坐标，内部包括半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜；

激光跟踪仪作为全局测量设备，每个视觉传感器与激光跟踪仪用于同时测量公共视场内的点。

2.一种利用权利要求1所述的超大型工件圆形截面形状与方位测量装置进行测量的方法，其特征在于它包括的步骤：

1)将视觉传感器放置在距被测工件有效工作距离范围内，经视觉传感器内部的半导体激光器投射点光源到柱面镜，形成线结构光刀到被测物，内部的双目CCD传感器对光刀成像，利用亚像素细分算法细化高斯分布的光刀，提取光刀上特征点像坐标，利用三角测量原理，从两个相机的二维坐标计算被测点三维坐标，可得到整个结构光条上所有点坐标；

2)端面几何形状测量网中的水平测量网和垂直测量网分别测量工件端面圆截面的多条水平弦线和垂直弦线，采用两个视觉传感器以中心对称放置，配对测量每一条弦线，两个视觉传感器发射共面结构光刀，并光切到被测圆形截面上，在圆周处发生光线弯折，弯折点即为两个被测特征点d1和d2，从而得到圆截面上两点d1和d2的坐标，得到圆的一条弦d1d2，并可计算出弦的中点M1＝(d1+d2)/2；

水平测量网由n个平行的配对视觉传感器构成，即每条弦线互相平行，求出n条平行弦的中点M1，M2，...Mn，最后将这些中点拟合一条直线lH；同理，由垂直测量网也测量和计算出一条直线lV，根据圆中一组平行弦的中点连线必经过圆心定理，两条中点连线的交点就是所求圆心O＝lH∩lV；

3)得到圆心后，利用圆心约束，再用最小二乘法拟合圆半径：

$\min f(a,b,r)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(\sqrt{{(x_i-a)}^2+{(y_i-b)}^2}-r)}^2$其中a，b作为已知量，将上述平行弦法得到的结果代入，从而求解半径r；

4)同时启动工件轴线修正测量网测定，视觉传感器沿被测工件轴线布置，每个视觉传感器发射线结构光刀垂直于工件轴线，照射在圆柱柱面轮廓上，光切得到圆截面的圆弧特征，采集整条结构光线上多点坐标，即可拟合圆截面形状；多个视觉传感器投射的线结构光构成一个统一的光平面，并可在轮廓上光切出多条弧线，通过采集整条弧线上多点的三坐标，可计算出弧线所在截面的中心位置坐标Oi，依次采集多个截面中心的连线，就可以拟合工件轴线l，通过工件轴线方位和被测端面形状的同时测量，可以得出圆柱形工件在测量网中的六维安装位置，以此来修正截面几何形状的测量结果；

5)每个视觉传感器均基于各自的坐标系Oi-XiYiZi测量三坐标，需要将所有测量数据统一到全局坐标系OW-XWYWZW，以激光跟踪仪作为全局测量设备，采用跟踪仪合作目标作为公共点，即角锥棱镜球面反射靶标，跟踪仪测得棱镜顶点坐标F，每个视觉传感器与跟踪仪同时测量公共视场内的3个点，求解旋转矩阵R和平移向量T，再利用公式F＝RM+T即可将局部坐标系数据转换到全局坐标系中；角锥棱镜由三块平面镜互相垂直拼接而成，CCD对三条相交边直接成像，并测量3条直线的交点M，由此得到公共点，利用四元数方法求解转换参数：重心坐标分别为$\bar{F}=\frac{\mathrm{\Sigma F}}{3},$$\bar{M}=\frac{\mathrm{\Sigma M}}{3}$重心化后的坐标分别为

FC＝F-F，MC＝M-M

$S_{\mathrm{ab}}=\Sigma M_C{F}_C^T$其中a，b＝x，y，z

$P=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{\mathrm{xx}}+S_{\mathrm{yy}}+S_{\mathrm{zz}}& S_{\mathrm{yz}}-S_{\mathrm{zy}}& S_{\mathrm{zx}}-S_{\mathrm{xz}}& S_{\mathrm{xy}}-S_{\mathrm{yx}}\\ S_{\mathrm{yz}}-S_{\mathrm{zy}}& S_{\mathrm{xx}}-S_{\mathrm{yy}}-S_{\mathrm{zz}}& S_{\mathrm{xy}}+S_{\mathrm{yx}}& S_{\mathrm{zx}}+S_{\mathrm{xz}}\\ S_{\mathrm{zx}}-S_{\mathrm{xz}}& S_{\mathrm{xy}}+S_{\mathrm{yx}}& S_{\mathrm{yy}}-S_{\mathrm{xx}}-S_{\mathrm{zz}}& S_{\mathrm{yz}}+S_{\mathrm{zy}}\\ S_{\mathrm{xy}}-S_{\mathrm{yx}}& S_{\mathrm{zx}}+S_{\mathrm{xz}}& S_{\mathrm{yz}}+S_{\mathrm{zy}}& S_{\mathrm{zz}}-S_{\mathrm{xx}}-S_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]$求解P的特征值和特征向量，其中最大特征值对应的特征向量为最佳四元数q，即可按下式计算R：

$R=\left[\begin{array}{ccc}{q}_0^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& q_0^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)& q_0^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2\end{array}\right]$然后求解平移向量T＝FC-R·MC。

说明书

技术领域

本发明涉及大尺寸几何量测量技术，特别是一种超大型工件圆形截面形状与方位测量装置及方法。

背景技术

圆形截面形状测量是工业测量的基本任务之一，常规圆形截面尺寸的测量方法较多，测量精度和效率都易于保障，而几米甚至十几米以上的大尺寸圆形截面几何形状的测量一直是工业上的难题，如飞机舱体、水轮发电机组和大型轴承等都是圆形、椭圆形等类似截面形状，对其尺寸准确测量具有重要意义，特别是飞机、轮船等分段部件装配时，要求装配部件的端面几何形状测量准确度高。
制约大型圆形截面测量的难点在于被测物尺寸大，每个测量设备相对只能测量小部分点，往往很难采集足够的点覆盖整个被测物。这样不仅造成信息少，而且点集分布不均匀，导致拟合精度不高。而放置过多传感器将导致成本过高以及难以维护，全局标定困难。即使能够获得均匀的整个圆周上的大量信息，也需要花费大量时间，如激光跟踪仪需要进行多次移站，经纬仪需要人工逐点瞄准效率低。而大尺寸工件受周围环境的影响较大，尤其是温度影响。长时间测量过程中的温度梯场变化会使测量数据噪声加大。另外由于测量熟练程度等各方面原因，测量不可避免地混入噪声。这些都造成测量精度的下降，大尺寸测量对于噪声尤其敏感。因此需要研究更有效的测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的装置及方法，可以解决超大型工件圆形截面几何量测量的难题。本发明具有所有测点同时测量、完整获取工件六维信息等优点。
本发明提供的一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的装置包括：激光跟踪仪、端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网，所述的端面几何形状测量网包括水平测量网和垂直测量网，在每个测量网上布置至少两对视觉传感器，用于同时测量一个圆截面；激光跟踪仪作为全局测量设备，每个视觉传感器与激光跟踪仪用于同时测量公共视场内的点。视觉传感器是通用的非接触式的坐标测量传感器，它主要是由半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜组成。
本发明提供的一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的装置包括：激光跟踪仪、端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网，所述的测量网是由若干视觉传感器构成；视觉传感器是通用的非接触式的坐标测量传感器，它主要是由半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜组成。
所述的端面几何形状测量网至少具有八个视觉传感器，一组四个用于组成水平测量网，包括两个配对视觉传感器，每个配对视觉传感器由两个视觉传感器以中心对称放置组成，另一组组成与水平测量网相互垂直的垂直测量网，用于同时测量一个圆截面；
所述的轴线修正测量网至少具有六个视觉传感器，每组三个视觉传感器同时测量一个圆截面。所有视觉传感器均基于双目视觉原理采集被测点三坐标，内部包括半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜。
激光跟踪仪作为全局测量设备，每个视觉传感器与激光跟踪仪用于同时测量公共视场内的点。
本发明提供的一种超大型工件测量的方法包括的步骤：
1)将视觉传感器放置在距被测工件有效工作距离范围内，经测量传感器内部的半导体激光器投射点光源到柱面镜，投射线结构光刀到被测物，内部的双目CCD传感器对光刀成像，利用亚像素细分算法细化高斯分布的光刀，提取光刀上特征点像坐标，精度可达0.05像素。利用三角测量原理，从两个相机的二维坐标计算被测点三维坐标，可得到整个结构光条上所有点坐标。
2)端面几何形状测量网分为水平测量网和垂直测量网，分别测量工件端面圆截面的多条水平弦线和垂直弦线，采用两个视觉传感器以中心对称放置，配对测量每一条弦线，两个配对视觉传感器发射共面结构光刀，并光切到被测圆形截面上，在圆周处发生光线弯折，弯折点即为两个被测特征点d1和d2，从而得到圆截面上两点d1和d2的坐标，得到圆的一条弦d1d2，并可计算出弦的中点M1＝(d1+d2)/2。
水平测量网由这样n个平行的配对视觉传感器构成，即每条弦线互相平行，求出n条平行弦的中点M1，M2，...Mn，最后将这些中点拟合一条直线lH。同理，由垂直测量网也测量和计算出一条直线lV。根据圆中一组平行弦的中点连线必经过圆心定理，两条中点连线的交点就是所求圆心O＝lH∩lV。
所有配对视觉传感器同时测量，提高了端面几何形状中心位置的灵敏度和精度，提高了抗干扰性。由于设计的配对测量传感器是以中心对称分布的，因此具有差动测量能力。
3)得到圆心后，利用圆心约束，再用最小二乘法拟合圆半径r。
$\min f(a,b,r)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(\sqrt{{(x_i-a)}^2+{(y_i-b)}^2}-r)}^2$
其中(a，b)作为已知量，将上述平行弦法得到的结果代入，从而求解半径r。
尽管多数测量任务只需要圆柱工件端面的几何形状三维测量，但圆形截面所在方位的六维信息评价则更为全面。更为重要的是，一般测量圆柱形工件时，当测量圆截面不垂直于轴线时，实际测得椭圆截面，引起测量误差。加入工件轴线修正网，两个测量网结合更加全面评价工件几何形状和方位信息，可修正由于被测工件安装位置不准确带来的测量不确定性，减少对被测超大型工件安装精确垂直的要求。
4)工件轴线修正网同样由多组视觉传感器组成，沿被测工件轴线布置，每个视觉传感器发射线结构光刀垂直于工件轴线，照射在圆柱柱面轮廓上，光切得到圆截面的圆弧特征。采集整条结构光线上多点坐标，即可拟合圆截面形状。尽管一个视觉传感器可以采集结构光条上多点坐标足够拟合圆截面，但测点不均布时拟合精度较差。因此一般每个截面都均匀分布若干个视觉传感器来均匀采集点坐标，提高圆截面拟合精度。多个视觉传感器投射的线结构光构成一个统一的光平面，并可在轮廓上光切出多条弧线，通过采集整条弧线上多点的三坐标，可计算出弧线所在截面的中心位置坐标Oi。依次采集多个截面中心的连线，就可以拟合工件轴线l。通过工件轴线方位和被测端面形状的同时测量，可以得出圆形截面在测量网中的六维安装位置，以此来修正截面几何形状的测量结果，使测量更准确。
以上分析是假定所有测量数据都在同一坐标系下的，但每个视觉传感器均基于各自的坐标系Oi-XiYiZi测量三坐标，因此需要将所有测量数据统一到全局坐标系OW-XWYWZW，以激光跟踪仪作为全局测量设备。每个视觉传感器与跟踪仪同时测量公共视场内的3个点，即可以求解旋转矩阵R和平移向量T，再利用公式F＝RM+T即可将局部坐标系数据转换到全局坐标系中。以往公共点获取经常采用标准球测量。本发明采用跟踪仪合作目标作为公共点，即角锥棱镜球面反射靶标(spherically mountedretroreflector，SMR)，跟踪仪测得棱镜顶点坐标F。而角锥棱镜由三块平面镜互相垂直拼接而成，CCD可以对三条相交边直接成像，并测量3条直线的交点M，由此得到公共点。利用四元数方法求解转换参数：
重心坐标分别为$\bar{F}=\frac{\mathrm{\Sigma F}}{3},\bar{M}=\frac{\mathrm{\Sigma M}}{3}$
重心化后的坐标分别为FC＝F-F，MC＝M-M
$S_{\mathrm{ab}}=\Sigma M_C{F}_C^T,$其中a，b＝x，y，z
$P=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{\mathrm{xx}}+S_{\mathrm{yy}}+S_{\mathrm{zz}}& S_{\mathrm{yz}}-S_{\mathrm{xy}}& S_{\mathrm{zx}}-S_{\mathrm{xz}}& S_{\mathrm{xy}}-S_{\mathrm{yz}}\\ S_{\mathrm{yz}}-S_{\mathrm{zy}}& S_{\mathrm{xx}}-S_{\mathrm{yy}}-S_{\mathrm{zz}}& S_{\mathrm{xy}}+S_{\mathrm{yx}}& S_{\mathrm{zx}}+S_{\mathrm{xz}}\\ S_{\mathrm{zx}}-S_{\mathrm{xz}}& S_{\mathrm{xy}}+S_{\mathrm{yx}}& S_{\mathrm{yy}}-S_{\mathrm{xx}}-S_{\mathrm{zz}}& S_{\mathrm{yz}}+S_{\mathrm{zy}}\\ S_{\mathrm{xy}}-S_{\mathrm{yx}}& S_{\mathrm{zx}}+S_{\mathrm{xz}}& S_{\mathrm{yz}}+S_{\mathrm{zy}}& S_{\mathrm{zz}}-S_{\mathrm{xx}}-S_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]$
求解P的特征值和特征向量，其中最大特征值对应的特征向量为最佳四元数q，即可按下式计算R。
$R=\left[\begin{array}{ccc}{q}_0^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& q_0^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)& q_0^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2\end{array}\right]$
然后求解平移向量T＝FC-R·MC。
本发明的优点在于：提出基于视觉的端面测量网配合平行弦拟合圆心方法，可以用较少的测点提高圆心定位精度，从而提高圆端面半径拟合精度。利用轴线修正网可修正端面相对轴线的不垂直导致的误差。测量网可以随工件尺寸的变化灵活配置视觉传感器数量。

附图说明

图1为本发明流程框图。
图2为本发明测量装置示意图。
图3为本发明激光跟踪仪全局标定示意图。
图4为本发明最小二乘与平行弦法比较仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详述本发明技术方案：
如图1所示，本发明端面形状测量网包括视觉传感器1、视觉传感器2、视觉传感器3、视觉传感器4、视觉传感器5、视觉传感器6、视觉传感器7和视觉传感器8；轴线修正测量网包括视觉传感器9、视觉传感器10和视觉传感器11，视觉传感器12、视觉传感器13和视觉传感器14；如图3所示，15是半导体激光发射器，16是CCD传感器，17是柱面镜，18是激光跟踪仪。
本发明提供的一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的装置包括：激光跟踪仪、端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网，所述的测量网是由若干视觉传感器构成；视觉传感器是通用的非接触式的坐标测量传感器，它是由半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜组成。
所述的端面几何形状测量网至少具有八个视觉传感器，一组四个用于组成水平测量网，包括两个配对视觉传感器，每个配对视觉传感器由两个视觉传感器以中心对称放置组成，另一组组成与水平测量网相互垂直的垂直测量网，用于同时测量一个圆截面；
所述的轴线修正测量网具有六个视觉传感器，每组三个视觉传感器同时测量一个圆截面。所有视觉传感器均基于双目视觉原理采集被测点三坐标，内部包括半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜。
激光跟踪仪作为全局测量设备，每个视觉传感器与激光跟踪仪用于同时测量公共视场内的点。
本发明提供的一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的方法包括的步骤：
视觉传感器放置在距被测工件有效工作距离范围内，内部的半导体激光器15投射点光源到柱面镜，形成线结构光刀到被测物，内部的双目CCD视觉传感器16对光刀成像，得到整个结构光条上所有点坐标；
截面几何形状测量网分为水平和垂直测量网，分别测量工件端面圆截面的多条水平弦线和垂直弦线，采用两个视觉传感器对称放置，配对测量每一条弦线，两个配对视觉传感器发射共面结构光刀，并光切到被测圆形截面上，在圆周处发生光线弯折，得到圆截面上两特征点d1和d2的坐标，得到圆的一条弦d1d2，并计算出弦的中点M1＝(d1+d2)/2，水平测量网由这样n个平行的配对视觉传感器1和视觉传感器2、视觉传感器3和视觉传感器4构成，即每条弦线互相平行，求出n条平行弦的中点M1，M2，...Mn，最后将这些中点拟合一条直线lH；同理，由垂直测量网的视觉传感器5和视觉传感器6、视觉传感器7和视觉传感器8也可测量和计算出一条直线lV，根据圆中一组平行弦的中点连线必经过圆心定理，两条中点连线的交点就是所求圆心O＝lH∩lV，然后利用圆心约束，最小二乘拟合圆半径r，所有配对视觉传感器同时测量，提高抗干扰性；
加入工件轴线修正网，更加全面评价工件截面几何形状和方位6D信息，修正由于被测工件安装位置不准确带来的测量不确定性，工件轴线修正网由多组视觉传感器组成，沿被测工件轴线布置，每个视觉传感器发射线结构光垂直于工件轴线，打在轮廓上即得到圆截面的圆弧特征，可以测量到工件的轮廓，采集整条结构光线上多点坐标，即可拟合圆截面形状，每个截面都均匀分布若干个视觉传感器来均匀采集点坐标，提高圆截面拟合精度，多个视觉传感器投射的线结构光构成一个统一的光平面，并可在轮廓上光切出多条弧线，通过采集整条弧线上多点的三坐标，可计算出弧线所在截面的中心位置坐标Oi，依次采集多个截面中心的连线，就可以求出工件轴线l，通过工件轴线方位和被测端面形状的同时测量，可以得出圆形截面在测量网中的6D安装位置，以此来修正截面几何形状的测量结果，使测量更准确；
每个视觉传感器均基于各自的坐标系Oi-XiYiZi测量三坐标，需要将所有测量数据统一到全局坐标系OW-XWYWZW，以激光跟踪仪18作为全局测量设备，每个视觉传感器与跟踪仪同时测量公共视场内的3个点，即可以求解旋转矩阵R和平移向量T，再利用公式F＝RM+T即可将局部坐标系数据转换到全局坐标系中，采用跟踪仪合作目标作为公共点，即角锥棱镜球面反射靶标(spherically mounted retroreflector，SMR)，跟踪仪测得棱镜顶点坐标F，CCD对角锥棱镜中三条平面镜相交边直接成像，并测量3条直线的交点M，由此得到公共点，利用四元数方法求解转换参数。
应用实施例：
如图2所示，布置端面形状测量网，视觉传感器距离端面在最佳工作距离350mm，其中视觉传感器1和视觉传感器2、视觉传感器3和视觉传感器4组成配对三坐标测量传感器，共同组成为水平网，视觉传感器5和视觉传感器6、视觉传感器7和视觉传感器8组成配对三坐标测量传感器，共同组成垂直网，开启配对视觉传感器的半导体线结构光刀发射器，分别调整水平网激光和垂直网平行，光切到圆截面处，形成特征点，视觉传感器内两个WAT-902H黑白CCD对光刀成像，得到768*576像素图像，利用三角测量原理计算特征点坐标。从而得到弦线d1d2，d3d4，其中点为M1，M2，两者拟合直线lH，同理由d5d6和d7d8得到lV。两者交点即为圆心O。固定圆心O后，再用最小二乘原理求解半径r。以FARO生产的XI型号激光跟踪仪18为全局测量设备，与每个视觉传感器同时测量三个公共点C1，C2和C3，如图3。利用四元数分解方法将每个测量传感器的测量值转换到跟踪仪坐标系下。
如图2布设轴线修正网，包括两组圆截面测量，在圆截面1，视觉传感器9、视觉传感器10和视觉传感器11开启激光，调整激光共面，采集弧线坐标，拟合圆心O1。同理视觉传感器12、视觉传感器13和视觉传感器14测量圆截面2的圆心O2，连线O1O2即为圆柱轴心。由轴心l和端面圆心O及半径r，即可判断圆柱形工件在空间的方位，实现了形状和位置同时评价的六维测量系统。本实例以最小配置为例，随工件的直径和长度增加，可任意增加测量传感器。
通过仿真，平行弦法相对最小二乘的精度提高。如图4。