锻件测量（精选三篇）
锻件测量 篇1
大型锻件是制造重大装备的基础件, 一般用于机械设备的核心部位。我国重机行业规定, 凡是需要10 MN以上液压机或50k N锻锤用钢锭锻造的锻件称为大型锻件[1]。各行业中的重型机械产品, 所用关键受力零件毛坯均为大锻件, 大型模具或大型齿轮等通用件的生产也都离不开大锻件。大型锻件的生产能力与技术水平是衡量一个国家重工业发展与重大技术装备自给能力的重要标志之一。尺寸测量是大型锻件生产中的重要环节, 是重大装备所需关键基础件和通用部件制造中的关键技术问题。
大锻件在线尺寸测量是指在锻造过程中高温状态下, 测量锻件的主要尺寸, 以判断其是否达到工艺文件的要求, 便于及时地调整锻压设备或决定是否终止锻造。传统的测量方法就是采用机械式量具, 由人工测定。这种测量方法受量具和人为因素影响严重, 测量误差大, 为了减少废品率, 多采用加大锻造余量的方法, 但是增加了钢锭材料的损耗。此外, 锻造生产环境中强烈的冲击震动影响经常存在, 被测件表面温度可达1400[2], 在这样恶劣的条件下进行人工接触式测量, 不仅工作强度大, 还对人身安全存在潜在的危害。
长期以来, 大锻件热态在线尺寸测量问题未能得到圆满解决, 大型锻件的尺寸测量已成为大锻件生产中迫切需要解决的重大技术问题[3]。提高大锻件尺寸测量系统的实用性、测量精度和自动化程度, 对促进整个大锻件行业的技术进步具有重大意义。
1 现有的大锻件尺寸测量方法
由于锻压过程中, 还没有切实可行、通用性好、自动化程度高的系统能够用于测量大型锻件, 所以非接触式大锻件尺寸在线测量成为测量领域的研究热点。现有的非接触式测量方法主要有:超声波测量技术、激光测量技术和计算机视觉技术。超声波测量技术的主要优点是不受环境光及电磁场的干扰、工作间隙大, 对恶劣环境有一定的适应能力, 测量精度高。由于上述优点, 这种测量技术发展较快, 是目前在很多领域得到广泛应用。但这种测量技术也有一些缺点, 如受声速、环境介质等因素的干扰较大, 抗干扰能力差, 测试电路复杂, 必须进行多种补偿才能获得较高精度[4]。目前, 非接触式测量的研究方向主要集中在激光测量技术和计算机视觉技术两个方向。值得一提的是, 计算机视觉技术成为多个领域的研究热点, 它有可视化的优点, 不仅可以得到数据信息, 还可以通过图像观察环境信息, 便于人们及时应对突发状况。
1.1 激光测量技术
1.水压机操作台;2.固定激光器;3.套筒;4.锻件;5.剁刀;6.工具操作机;7.水压机;8.下砧;9.测头小车;10.导轨;11.绳轮;12.步进电动机
1.1.1 激光束投射法
激光束投射法一般用于测量锻件的长度尺寸, 其测量原理见图1, 侧头小车9与钢丝绳牢固联结, 在小车上安放激光反射镜及其摆动调节机构;固定激光器2发出的激光束始终指向下砧8宽度的中心位置, 在测头小车9上安放反射镜及其摆动调节机构, 摆动调节机构带动反射镜摆动, 将发出的激光束变成一条位置指示线, 并将以激光光斑垂直投射在锻件4表面[3]。
1.水压机操作台;2.固定激光器;3.套筒;4.锻件;5.剁刀;6.工具操作机;7.水压机;8.下砧;9.测头小车;10.导轨;
这种测量方法的优点是操作简单, 它犹如一把巨大的卡尺, 读数直观, 可实现非接触测量。缺点是装置略显复杂;钢丝绳与绳轮间不易长时间张紧, 打滑在所难免, 读数存在随机误差;激光斑在锻件上不易辨识;还需加工较长的导轨。该装置曾应用于20世纪80年代[3]。
1.1.2 激光扫描测距法
以激光器作为光源进行距离度量, 其原理主要有两种:相位雷达法和脉冲雷达法。相位雷达法根据激光相位的变化测量距离, 测量相对距离有较高精度, 测量绝对距离精度不高, 不适合远距离、大范围测量[5]。脉冲雷达法又称为飞行时间法 (Time of Flight, TOF) , 是激光器发射激光脉冲后遇到被测物反射回来被探测器接收, 由于光在空气中传播为常数, 则计时器测定激光束从发射到接收的时间, 乘以光速, 就可计算出观测者到目标的距离, 可远距离大范围测量绝对距离。该方法中以激光器为核心测量工具, 而激光器的工作温度较低, 在大锻件高温生产环境中, 其测量精度将受到影响, 因此需要采取一些措施以保证测量精度。
目前, 基于脉冲雷达的激光测量技术发展较为成熟。德国研发的La Cam-Forge系统[6,7] (如图2和图3) 即采用基于飞行时间法的激光测距原理在线测量高温锻件的关键几何参数。激光器发射出的激光投射在多棱镜上, 通过多棱镜的转动改变被测量点的位置, 可完成轴向长度和径向直径两个方向的尺寸测量。多棱镜的质量轻, 容易控制, 可以达到很高的控制和测量精度。系统可在每次锻打完成后实施测量锻件的截面高度和总长度, 而不影响锻造工作的进行, 通过3D图像处理技术实现对锻件关键几何参数的可视化监控。
法国Y.B[8,9,10]等研究采用两台商用TOF激光测距仪, 测量马杠扩孔工艺中锻件柱壳的厚度。激光测距仪 (Laser Range Finder, LRF) 由于半导体集成化的电子线路, 加上激光单色性好、方向性好等特点, 不仅能够日夜作业, 而且可以提高测距精度, 显著减少重量和功耗。两台测距仪安装在一个可移动的工业三脚架上, 利用在锻压区域内设置的三个球形靶标计算相对位置。由于扫描获得的数据含有锻压机或其它非目标信息, 采用人机交互的方式从全部数据点中选择属于被测物的三个数据点作为初始点, 其它数据点则根据初始点的位置自动配准。这样就可获得一个测量位置上的局部点云。为了能够对整个被测物体进行三维重建, 需从被测目标周围相差120°的三个位置以同样方式获取三个局部点云数据, 再对不同位置的点云进行拼接, 拼接中的配准利用一些先验信息, 如被测物形状信息、三个视点的转角位120°等。这样就可以对柱壳的内外表面进行三维重建, 从而计算外壳和内壳的直径。二者相减得到被测柱壳的厚度。该系统 (如图4) 已经成功地应用于柱壳锻件的直径测量中。
田志松等[11]研究采用二自由度并联旋转机构配合下的激光测距仪 (如图5) , 完成对大锻件的在线尺寸测量。激光测距传感器安装在球面二自由度的并联扫描机构上, 并结合CCD相机快速拍摄大范围场景, 引导激光扫描直接到所需的关键位置, 根据事前的扫描规划, 做高效的扫描, 实现了图像导引下的快速、准确的激光扫描。扫描机构安装在固定方形机架上增大刚度, 并采用铝合金材料减少重量, 适于高速、高精度的定位运动。此外, 采用高精度和高分辨率的无刷直流电机, 可以实现球面机构的快速运动和精确定位。但是球面扫描机构由于自身位置相对固定, 电机最大转角受限, 若要测量径向较长的锻件, 需要安装在离锻件较远的位置, 从而影响精度;且球面机构的形心与激光测距传感器中心重合标定较复杂[2]。
1.2 计算机视觉测量技术
视觉测量将计算机视觉理论应用于空间几何尺寸测量和定位, 采用高密度、低噪声、畸变小的图像传感器, 通过高速实时图像采集系统, 专用图像硬件处理系统以及高性能计算机完成对二值或灰度图像的有效处理。视觉测量任务是对生产线上的工件或装配件进行测量, 以确保他们与预置标准量的相符程度, 具有非接触、动态响应快、大量程、全自动等优点, 广泛应用于制造加工工业。视觉测量有着向智能化工业发展的优势。典型的计算机视觉技术有基于双目立体视觉的被动视觉测量和基于结构光视觉的主动视觉测量。
1.2.1 双目立体视觉测量
聂绍珉等研究过单CCD成像测量系统, 并应用于某锻压厂。但是由于单CCD成像景深较浅, 不能远距离, 大范围测量, 而且只能得出二维尺寸, 无法得到三维外形, 因此应用受到限制。
日本神户制钢所铸钢事业部的开发部门研制出基于双CCD成像的大锻件测量系统 (如图6) 。该测量系统采用线阵CCD摄像头摄像, 通过图像处理、拼接, 并运用数学模型 (如图7) 计算得出锻件尺寸。系统由CCD摄像头、图像采集卡和工控机等硬件组成。工作时, 首先由CCD摄像头分别由不同的位置拍摄锻件的图像, 然后由图像采集卡进行I/D转换, 再由工控机进行图像处理, 由于两摄像头的位置相对固定, 可以进行图像拼接, 最后利用数学模型对图像中的锻件进行识别, 得出关键尺寸[12]。
为了解决图像匹配问题, 贾振元等[13,14,15]利用数字投影仪将多条光条纹投射到被测锻件表面, 然后由两台CCD相机采集锻件表面光条纹图像。测量模型如图8所示。该方法提高了光条纹中心在亚像素级的提取精度, 并通过光条纹网格点之间的匹配, 解决了相机改变视野后, 相机之间的匹配问题。
双目立体视觉是通过立体匹配, 根据视差来重建物体的深度信息[16], 然而立体匹配是双目立体视觉存的一个难以克服的问题。在大锻件尺寸测量中, 由于锻件表面温度高, 不便于标记特征点等, 在双目视觉测量中需要采用激光等辅助照明, 以便于匹配。避免立体匹配的一种有效方法就是采用结构光视觉。
1.2.2 结构光视觉测量
Zhang Yucun等[17,18]提出了基于线结构光的结构光视觉测量系统。该系统如图9所示, 一个线结构光投射器和一台CCD相机以某一固定的角度安装在一个滑动块上, 线结构光垂直的投射到被测锻件表面, 同时由相机捕捉锻件表面图像。根据被测锻件的特征, 可以控制线激光器和CCD相机有滑块带动沿着水平和垂直导轨滑动, 以完成对锻件整体的扫描。最后, 通过图像数据的处理得到锻件的尺寸信息, 计算机实时显示锻压图像, 便于指导锻压过程。
该测量系统可以完成规则和不规则锻件的尺寸测量, 根据激光可以判断工作位置, 在实验室环境中测量精度在4mm以下。但是该测量方法中采用的是导轨机构, 导轨的尺寸易受到应用空间的限制, 因而影响能够测量的锻件尺寸, 且需要事先根据锻件形状设置扫描路径。该测量系统采用的是平面网格的标定方法, 标定过程复杂, 用于锻压厂仍需要改进。
2 结论
基于特征匹配拼接的大锻件测量研究 篇2
大锻件测量的研究一直是衡量国家制造和锻造水平的重要标准之一。$目前大锻件测量研究依据是否与物体表面接触分为接触式和非接触式两大类。虽然接触式测量中用到的机械测量技术较为成熟,但其缺点也是明显的,如测量精度难把握、劳动强度高、所用设备复杂、价格高、测速慢、数据单一等;而非接触式测量正好弥补了这些缺点,具有非接触、设备集成度高、计算处理快、测量利用率高等特点,其按技术主要分光学法和非光学两大类别,其中在光学研究领域中图像分析法(立体视觉)最为国际学术界所重视[1],Gadelmawla E S利用计算机视觉技术开发出一种非接触式能够快速检查齿轮参数的测量系统[2];在国内非接触测量也受到众多学者的关注,肖武华等人则运用非接触测量机总结得到一整套完整的非接触测量规范机制[3];姜军等人对双目立体视觉中BODVS测量精度与基线和测量距离的关系做了深入研究[4];宋丽梅等人对相位叠加、相位编码及全局解相在多频率三维测量的应用做了有益探索[5]。
传统双目立体视觉测量仅能确定图像中部分重叠弧上点的空间位置关系;对于一般大锻件截面而言所得弧度太小无法满足实际测量需求,个别特殊情况则要考虑辅助算法求解,如最小二乘圆拟合[6]。为解决传统方法视野狭小,所求截面轮廓短小的问题,本文针对大锻件表面轮廓宽、截面尺寸较大、结构形状复杂的特征,借助图像匹配拼接技术完成对大锻件截面大体轮廓的拼接从而得到较为精准的尺寸信息。
1 特征匹配与拼接
当前比较流行的特征检测的方法有很多,如Forstner、Moravec、Harris、FAST、SIFT等,本文对上述算子进行对比实验后,综合考虑各算法的优缺点以及匹配拼接技术的要求,在基于Harris特征点和SIFT特征点均对邻域窗口内像素梯度变化敏感的前提下[7]提出一种SIFT结合改进的Harris的特征检测法,进一步增强算法的检测效果和鲁棒性。
1. 1 SIFT特征检测
SIFT( 即尺度不变特征转换)[8]是1999 年由David G Lowe提出并于2004 年完善总结的,SIFT特征点不仅对尺度缩放、光线变化和旋转都保持稳定,还具有扩展性强和信息量大等特点,非常符合场景复杂的大锻件锻造要求,但其不足是算法复杂度高,计算量大。具体提取流程如图1 所示。
1. 2 改进的多尺度Harris
Harris特征点[9]检测算法作为广泛使用的经典特征检测法具有算法简易、特征点分布合理稳定等优点,但其对尺度变化敏感。Harris算法是Moravec算法[10]的升级,其原理是将以目标像素点(x,y)为中心的窗口向任何方向移动(u,v)后计算灰度变化,其表达式:
其中,Ex,y为窗口灰度变化量也可以称为局部自相关函数,wx,y为高斯窗口函数,定义为:,I为图像灰度函数,Ix、Iy分别是x,y方向一阶微分,O(u2,v2)是位移后的无穷小量可略去,故可将式(1)改写成下式:
这里设自相关函数矩阵M:
1.2.1添加尺度因子
针对原Harris对尺度变化敏感的缺陷,Mikolajczyk[11~12]、Bellavia F[13]等人都对多尺度Harris进行了较为深入的研究,公式如下:
其中,μ为特征点,G(σ1)为高斯函数,σI为积分尺度,σD为微分尺度,σI=sσD,s为常数。为削弱式(4)卷积运算所带来的影响,对自相关函数矩阵M做了改进,具体如下:
1. 2. 2 8 - 邻域灰度相似度准则
图2 列出了Harris检测的几种常见的特征点类型,中间黑色圆点为特征点( 从左上至右下分别为:Y型,X型,斜T型,L型,T型) 。
原Harris对T型和斜T型特征点判断时,易受特征点邻域的影响,产生伪特征点。对此本文引入8-邻域灰度相似度准则来提高对该类型特征点的检测精度。具体流程如图3所示。
1. 3 特征匹配拼接
通过上述改进的算子检测出更加稳定的特征点后,依据余弦相似度原理和RANSAC法将其中一幅图像的特征点作为初始数据样本集U,从U中随机抽取包含n个子集K作为内点计算匹配模型X; 通过反复迭代重新估算模型,最终获得逼近理想的匹配模型。
依据上述模型匹配成功后,根据图像平面之的映射关系( 即单应矩阵) 可将两幅图像对应拼接,形成尺寸范围较为宽广的大锻件截面图。
2 摄像机标定及测量原理
2. 1 摄像机标定
摄像机标定是立体视觉和摄影测量学不可或缺的内容,主要是根据摄像机成像几何模型求解摄像机内外参数的过程:
式中,( Xw,Yw,Zw) 为世界坐标系上的三维坐标,M是投影矩阵,由内参矩阵M1 和外参矩阵M2 计算得来,( u,v) 是图像坐标,Zc是摄像机光轴坐标。
2. 2 截面尺寸测量原理
截面尺寸测量原理如图4 所示。测量步骤如下:1首先建立空间世界坐标系( Ow-Xw Yw Zw) ,将大锻件模型置于底线为v型砧的工件台面上使其轴线方向与所建立的世界坐标系Zw方向共线。
2用三脚架分别固定两摄像机,在相距一定基线距离后从左右两个不同位置以一定的俯视角 α 度获取截面轮廓两侧曲线图像,如图上轮廓曲线弧p1p2对应左图像弧p11p12,轮廓曲线弧p2p3对应右图像弧p22p23,p2是两幅图中重叠部分的一点。
3撤走锻件模型,将标定模板平面置于Zw = 0平面处进行摄像机标定。
4输入摄影所得图像,进行灰度化、滤波去噪、匹配拼接等图像处理操作。
5经算法处理后,得到拼接后截面轮廓图像像素点坐标、摄像机内外参数即可求取各点实际平面坐标,得到截面尺寸信息。
3 实验分析
3. 1 特征检测算子对比试验
表1 所示为特征检测算法。
从图5 中可以明显查看出Forstner、Moravec检测的特征点或数量不够多或位移偏差大,而Harris、SURF、FAST特征点不仅数量多且定位准确。
由于单应变换的局限性,假设的拼接假设的场景需基本保持在同一平面内,虽然Harris、SURF、FAST在检测和匹配上性能卓越但大量匹配点无法满足拼接要求故舍弃。如图6 所示。
而SIFT虽然检测的特征点数最多,但经改进的Harris筛选后,匹配时多集中在大锻件模型顶部,在曲率变化不大的情况下可以认为基本处于同一平面内符合单应拼接要求。匹配效果图如图7 所示。
3. 2 T型特征点检测
对T型特征点的检测效果,对比实验结果如表2所示。
其中c Harris为原多尺度Harris算子,i Harris为改进的多尺度Harris算子,实验对比图如图8 所示。
从图8 - 9 可以看出i Harris对T型和斜T型特征点的检测效果明显优于c Harris,从而最终的匹配数目也相对较多。
3. 3 截面尺寸测量
本实验所用的摄像机标定平面模板如图10所示。
该模板尺寸为73 × 55mm2共160 个黑白格,焦距f = 44mm,所求摄像机内外参数矩阵K、[r1r2t]及单应矩阵Hm为:
大锻件模型轮廓拼接效果图如图11 所示。
图像尺寸均为480 × 320,以左图为基准图,右图经单应变换后拼接到左图中。
本文所用大锻件模型均为圆轴类型,所求大锻件截面尺寸为轮廓宽度l和高度h ,l为轮廓直径,h为半径r 。图12 为五组不同模型轮廓从图像像素坐标系转换为世界坐标系后的三维呈现,其中纵轴为Z轴,右边为X轴,左边为Y轴,单位是mm。
图12 为五组不同轮廓点云图,实际计算时选择顶点和两端端点坐标来求取l和h ,如表3 所示。
由表3 的坐标计算每组的宽度和高度得:
表4 - 5 所示为所求宽度,高度与实际值对比。
分析: 从表4 - 5 可知所求误差绝对值较小和误差百分比绝大部分在5% 左右,符合预期效果,出现误差较大的是在第一、五组所求的高度,主要由于选取的高度是以标准圆半径为参考,而实际拼接结果略有偏差,顶端位置略显凸出或凹陷所致。
4 结束语
本文根据大锻件特征,提出一种SIFT结合改进的Harris特征提取方法,利用匹配拼接技术完成对大锻件截面轮廓尺寸的测量,并通过相关理论分析和对比实验数据证明本文方法具有精度高、鲁棒性强等特点。
摘要：在对大锻件尺寸非接触测量的研究中,为有效解决传统双目视觉测量视野狭小的问题,文中提出一种基于图像特征拼接的测量方法,首先通过理论分析和实验重点研究了相关特征检测算子,使改进后的算子不仅提高了检测效果,提升了匹配精度而且鲁棒性更强;然后结合余弦相似度原则和RANSAC法完成大锻件截面轮廓拼接,最后通过摄像机标定原理得到截面尺寸。通过多组实验结果与实际数据相比较,表明文中方法确实能有效测量大锻件截面轮廓尺寸。
大锻件产能过剩高端锻件依赖进口 篇3
目前我国拥有1000吨以上锻压机约450台 (套) , 万吨级以上大压机15~17台, 未来可能会达到21~25台。大型模锻设备3万~8万吨压力机已建成4台, 正在建设中的约有3台。大口径厚壁管3.6万~6.5万吨挤压线将有3条, 拉拔线5条。1米以上辗环机及配套生产线约150条 (套) , 最大的辗环件直径为10米。
但同时, 应该注意的是, 火热的生产线建设也造成了我国锻件行业的产能过剩。
“我国大锻件行业新设备投资过快, 产能过剩现象严重。与大锻件生产相关的基础工业配套失衡。同时, 工业窑炉耐火材料性能不稳定、冶炼原材料质量低等都成为影响大锻件行业产品质量的因素。”专家提醒说, 由于技术水平限制, 目前我国发电设备所需要的大锻件等高端产品仍需依赖进口, 不但影响到我国发电设备企业的经济效益, 也大大影响了我国大锻件行业的发展。
成套生产能力不足是造成这一问题的首要原因。锻件生产企业除需具备较强的锻造能力, 还需具备成套生产的能力, 即从锻件生产的原材料冶炼开始, 到锻造、热处理及机加工四个方面都满足用户要求, 对炼钢和热处理必须予以足够重视。二是软件投入严重不足。大锻件制造的关键还表现在企业的软实力, 企业的管理能力、工艺水平和文化都会影响产品质量的稳定性, 都需要大锻件制造企业认真思考和积极面对。三是因为我国大锻件行业最早从日本室兰引进生产技术, 然而当年参与引进技术的人员几乎都不再从事锻造生产, 技术力量出现明显断档, 企业缺少技术积累。