四目相机在大锻件在线测量领域的探索及应用

2020-07-09张晓非张浩北京机电研究所有限公司

锻造与冲压 2020年13期

文/张晓非，张浩·北京机电研究所有限公司

陈飞，段来山，鲁桥·武汉重工铸锻有限责任公司

曹亮，周芝琪·北京清影机器视觉技术有限公司

在线测量技术是大锻件生产智能化发展的一个重要方向，应用在线测量大锻件技术不仅可以避免人工测量时工人处于恶劣环境、测量误差大等问题，还可以提高锻造生产效率、锻造质量和材料利用率，降低成本等。

大锻件生产技术是制造重大技术装备关键零部件的基础，涉及航天、船舶、军工、石油、核电、化工、能源等行业，其制造能力和水平直接决定着国家重大技术装备制造和发展。大锻件一般采用自由锻生产方式，由于锻造车间高温、振动、多尘等环境因素，对各类传感器的使用造成影响，也制约了锻造在线测量技术水平的发展和进步。

目前，国内对自由锻件测量普遍采取的是接触式人工测量，靠人工手持卡尺、量杆近距离测量。这种测量方式工作环境差，温度高，安全性不高，影响操作人员安全与健康；测量误差大，影响产品质量和成本；人工测量时，须停机测量，影响生产效率。

因锻件尺寸不合格，会导致锻件返工或报废；为保证锻件尺寸，而过多放大尺寸，机加工工时会增加，也会导致成本提高。因此，研发一套切实可靠、实用的在线测量技术和设备，是十分迫切的。为解决上述问题，我们在生产现场采用测量相机进行测试试验，针对锻造生产特点采取适当的测量方案和防护措施，取得一定测量成果。

测量原理

大锻件在锻造过程中，具有形状变化大、不规则等特点，以及需要在线测量的时效性，所以我们采用四目相机三维成像对大锻件进行快速数据建模。这种相机的测量方式不依赖辅助结构光即可生成三维测量数据，相机视野范围内被动式成像，测量速度快、可以灵活测量。

四目相机的测量数据建模原理，是通过对四幅二维图像两两的卷积匹配运算，计算得到物体的边缘和图像特征点的三维空间坐标位置，计算原理如图1、图2 所示。

图1 四目相机计算原理图A

图1 所示为采用后像模型，建立四目相机空间直角坐标系，空间坐标的原点设置在四目相机光轴焦点所对应的平面上，是四目相机光心所组成矩形的中心点，空间任意物体上的P 点，在四目相机图像上有一组像素点与该点形成唯一的对应关系。任意图像上的任意一个像素点，在其他三幅图像上都有唯一一个像素点与该点形成唯一正确的对应关系。水平方向上的两幅图像上的对应点位于两幅图像上的同一条水平扫描线上，垂直方向的两幅图像上的对应点位于同一条垂直扫描线上。对角位置的两幅图像的对应点位于同一条对角线上，且该组像素点也同时组成与四目相机光轴所组成的矩形相似的矩形，这就是四目相机图像匹配的几何约束条件，也是图像像素匹配的一个必要条件。

图2 四目相机计算原理图B

根据以上空间几何约束条件和关于图像相似性匹配函数，可以设置一套计算步骤，以四目相机中的其中一幅图像为基准，搜索每个像素点在其他图像上的对应匹配点，寻找到每个像素点满足匹配条件的最佳的一组匹配点，即完成了图像匹配的计算。

现场应用

测量相机布置在操作室与锻造压机之间，相机测量图像与操作人员同一视角，如图3 所示，操作显示屏放在操作人员旁侧，这样方便其观察、获知锻件形状与尺寸。相机视野范围在锻造压机上下砧之间，视野高度满足多品种锻造工艺，如镦粗、拔长、冲孔等。相机距离压力机中心固定，选取合适焦距，确保相机测量精度。

大锻件生产现场具有高温辐射、振动等环境问题，为了保护相机的正常工作，根据现场生产环境，研制了相机的防护装置，如图4 所示，耐高温辐射防护壳，相机减振器，风扇散热等防护装置。经多次长时间现场测试，相机温度在锻造过程中控制在50℃以内，保护了相机元件免受高温辐射破坏，相机可以正常工作。相机在锻造振动环境下，拍摄的稳定性和照片清晰度均满足设计使用要求，测量相机现场安装应用图如图5 所示。

图3 测量相机现场布置简图

图4 测量相机防护结构图

图5 测量相机现场安装应用图

测量效果

测量相机将拍照得到的图片先进行图像预处理，获得清晰图片后，再传入软件计算系统，经专研专用的FPGA 芯片进行快速计算处理，数秒内得到准确的锻件尺寸。用户操作界面具有便捷测量、查询数据的功能，可根据不同工艺使用相应的操作功能。可根据需要，在测量界面上自动生成测量的尺寸数据。还可以采用手动测量的方式，直接在锻件图像上测量数据，柔性处理其他需要观测的尺寸。

以长轴带法兰盘为例。如图6 所示，可以自动测量法兰前后轴段的中心线夹角，从而可以指导长轴矫直；可以自动测量同一轴段直径的最大值和最小值位置、法兰厚度等，有助于判断锻件是否满足尺寸要求以及控制锻件尺寸公差；还可以采用手动测量的方式，如图7 所示，任意测量轴段直径、轴向长度等其他需要测量尺寸，可以指导号印分料。