一種基于三維掃描數據的轉向軸內徑測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于工業(yè)測量領域，涉及一種測量大型工件(汽車轉向節(jié))內徑方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)測量與工件直接接觸，精度較低，且易對工件造成污染等缺陷，具有精度高、實時性，減少工人的勞動強度，提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點。本發(fā)明利用基于雙目視覺系統(tǒng)原理搭建而成的三維掃描儀將掃描到的工件點云生成數據，并將其導入到PC的三維處理軟件當中；然后，將掃描到各個角度的點云數據利用Geomagic?Studio軟件準確拼接到一起生成完整三維立體圖像，并進行合并與封裝處理，使圖像達到最佳測量狀態(tài)。根據曲線擬合的原理創(chuàng)建擬合孔，并調整半徑以期望達到實際物體半徑與擬合半徑的重合，從而測得被測物體的半徑數據。
【專利說明】一種基于三維掃描數據的轉向軸內徑測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及基于三維掃描數據的兩種測量工件(汽車轉向節(jié))直徑方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于大工件完整三維圖像的(汽車轉向節(jié))直徑測量方法。
【背景技術】
[0002]隨著三維測量技術的發(fā)展，特別是三維掃描儀的問世，現實世界中物體或環(huán)境的形狀(幾何構造)與外觀數據(如顏色、表面反照率等性質)也得到了精確的測量。測量轉向軸內徑的流程圖如圖1所示。
[0003]轉向節(jié)是汽車轉向橋上的主要零件之一，能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向，轉向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷，支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強度。轉向節(jié)如圖2(a)所
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[0004]目前為止，國內外研究人員在測量大型工件直徑尺寸方面也做了很多研究。國內常用的大型工件在線測量方法主要有通過多組平行光照明對工件成像，利用多組工件圖像的信息來確定待測工件的直徑和馮正鳴、蔣志成、李敬杰等人提出的測量工件直徑的雙光路法等方法。
[0005]目前國外的工件測量系統(tǒng)主要是通過計算機科學和人工智能等先進技術實現測量系統(tǒng)的自動化和智能化。比較好的大型工件直徑測量系統(tǒng)主要有美國TSI公司開發(fā)的RDMS4200系列對小口徑鋼管的直徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可環(huán)繞產品轉動，其每分鐘可提供140個鋼管的輪廓信息，并通過CXD相機進行接收，其在線速度小于500m / min的情況下，能較好的提供完整的直徑圖形。該方法的優(yōu)點是測量系統(tǒng)的旋轉速度較快，分辨率較高，優(yōu)于0.01mm，采用了精確測量旋轉鏡旋轉角度的光電編碼器，具有氣體清理系統(tǒng)使系統(tǒng)停機時間最短，展示不同產品截圖，能夠測量不同的產品截面，例如方形，六角形等。
[0006]另外還有德國LAP公司研制的RDMS激光測徑儀，其專門用于小型管材的非接觸測量。該產品基本類型為RDMS900和RDMS180，其能夠測量最大直徑分別為80mm和160mm的線、棒以及管材的外徑尺寸，測量精度能達到0.001_。該系統(tǒng)通過激光掃描的方式進行測量。
[0007]德國聯邦物理技術研究院(PTB)在高精度直徑測量領域投入了大量經費和力量，并取得了世界領先的技術水平，對于來自計量領域和工業(yè)部門的不同需求，他們分別采用了不同的方法來測量這一關鍵量值。就其技術水平而言，其中以自行研制的直徑和圓柱形狀測量比較儀最為突出。PTB研制的這臺直徑和形狀測量比較儀，采用了機械軟測頭與激光干涉測量結合的方法，實現圓柱內外徑高精度絕對測量，而采用與標準圓柱表面相比較實現圓柱工件的形狀測量。接觸測頭由帶有測力控制機構的測桿和紅寶石球形測頭組成，在測量的初始位置兩個測頭的球心在水平和垂直兩個方向上共軸，隨后測頭拉開分別與被測件的兩個面接觸找到最大直徑位置，測頭移動的距離由激光干涉儀測出。儀器在結構設計上嚴格遵循阿貝原則，最大程度地減小二次誤差對測量結果的影響，并通過巧妙的機械結構設計提高儀器的動態(tài)性能。測量鏈上的機械框架由殷鋼材料制成，溫度膨脹系數非常小，有效避免了溫度變化對測量的影響。PTB在研制直徑和形狀測量比較儀時提出的最高技術指標是:外徑測量范圍O?IOOmm,測量不確定度達到U=IOnm / 100mm, k=2,內徑測量范圍10?100mm，測量不確定度達到U=15nm / 100mm, k=2 ;目前達到的水平是外徑測量不確定度為 U=12nm / 100mm, k=2,內徑測量不確定度為 U=30nm / 100mm, k=2。
[0008]此外，瑞士計量實驗室(OFMET)的方法瑞士計量實驗室為解決高精度軸孔直徑測量問題對一臺商用坐標測量機進行了改造，他們利用CMM工作臺和導軌，將機械測頭與激光干涉儀結合實現測量。激光干涉儀設計在機械測頭球心連線上以避免產生阿貝誤差，機械測頭上設計有測力控制機構，實現測力變形補償。該儀器測量范圍為:[<700_，測量不確定度為U=62nm / 40mm, k=2，相對不確定度達到10_6量級。儀器的特點是:測頭由整塊殷鋼材料電腐蝕加工而成，熱穩(wěn)定性、剛性和動態(tài)性能優(yōu)良，這樣的設計增加了垂直方向自由度，消除測頭遲滯現象。此外，測頭采用電容傳感器控制測力，實現測力回推至零，從而消除了高精度測量中測力對測量結果的影響。該儀器的另一特色之處在于采用平面鏡干涉儀，以實現測頭在Z方向可移動越過被測工件，方便測量；但同時這種光路設計提高了對導軌直線度的要求。但測量時為保證所測量位置為真正的直徑位置，必須在水平和垂直兩個平面內尋找極值點，且測頭直徑也需預先標定。
[0009]由于接觸式測量需與工件直接接觸，精度較低，且易對工件造成污染，操作不便；而所述的測量方法基于計算機視覺原理，通過三維掃描儀的掃描和三維圖像處理軟件的加工合成，在汽車轉向節(jié)的立體三維圖像上進行測量和分析。這種方法在沒有接觸到工件的情況下進行操作處理，精度高，實時性，減少了工人的勞動強度，提高了工件的生產效率。
【發(fā)明內容】
[0010]本發(fā)明提供一種基于三維掃描數據的轉向軸內徑測量方法，經過三維掃描儀掃描并經過三維軟件處理，得到完整的立體三維圖像。在此基礎上進行的轉向軸內徑測量能夠達到迅速、精確的結果。本發(fā)明所用三維掃描儀如圖2(b)所示。
[0011]所述的轉向軸內徑測量方法的硬件系統(tǒng)包括:
[0012]用于對轉向節(jié)進行三維掃描處理的光學拍照式三維掃描儀I個；
[0013]用于精度控制、圖像采集和數據處理的計算機一臺；
[0014]本發(fā)明所設計的基于三維掃描數據的轉向軸內徑測量方法，具體操作步驟如下:
[0015]步驟1:所述的光學拍照式三維掃描儀將掃描到的大型工件(汽車轉向節(jié))點云生成三維數據，并將其導入到PC的三維處理軟件當中；然后，將掃描到各個角度的點云數據利用Geomagic Studio軟件準確拼接到一起生成完整三維立體圖像,并進行合并與封裝處理，使圖像達到最佳測量狀態(tài)。這關系到工件所有測量數據的精確度及準度，需要足夠的耐心與恒心才能順利完成；
[0016]拼接完成并處理后的汽車轉向節(jié)三維圖像如圖3(a)所示；
[0017]步驟2:所述的“創(chuàng)建擬合孔”指的是根據曲線擬合的原理在未知半徑數據的圓柱形物體中創(chuàng)建圓心并調整半徑以期望達到實際物體半徑與擬合半徑的重合，從而測得被測物體的半徑數據。由此來看，最關鍵的一步是如何準確地確定立體工件的截面圓心。
[0018]根據幾何原理我們知道，通過不在一條直線上的三個點能且僅能作一個圓，因此，要確定一條圓曲線，至少需要不在其上的三個點。確定圓心方法如下:
[0019]實地測量圓曲線上三點A、B、C，其坐標分別為A (Xl，Y1), B(x2, y2), C(x3, y3)，則圓心坐標及圓坐標可有下式求得:
【權利要求】
1.一種基于三維掃描數據的轉向軸內徑測量方法:創(chuàng)建擬合孔來測量轉向軸內徑；所述的三維掃描數據是經過基于雙目視覺系統(tǒng)原理搭建而成的光學拍照式三維掃描儀的掃描并處理得到的，所述的光學拍照式三維掃描儀是一種高速高精度的三維掃描測量設備，采用的是目前國際上最先進的結構光非接觸照相測量原理；方法包括如下步驟: 步驟1:所述的光學拍照式三維掃描儀將掃描到的大型工件(汽車轉向節(jié))點云生成三維數據，并將其導入到PC的三維處理軟件當中；然后，將掃描到各個角度的點云數據利用Geomagic Studio軟件準確拼接到一起生成完整三維立體圖像,并進行合并與封裝處理，使圖像達到最佳測量狀態(tài)； 步驟2:所述的“創(chuàng)建擬合孔”指的是根據曲線擬合的原理在未知半徑數據的圓柱形物體中創(chuàng)建圓心并調整半徑以期望達到實際物體半徑與擬合半徑的重合，從而測得被測物體的半徑數據；由此來看，最關鍵的一步是如何準確地確定立體工件的截面圓心； 根據幾何原理我們知道，通過不在一條直線上的三個點能且僅能作一個圓，因此，要確定一條圓曲線，至少需要不在其上的三個點；確定圓心方法如下: 實地測量圓曲線上三點A、B、C，其坐標分別為A (Xl，Y1), B(x2, y2)，C(x3, y3)，則圓心坐標及圓坐標可有下式求得:
【文檔編號】G01B11/12GK103630082SQ201310680885
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權日:2013年12月9日
【發(fā)明者】宋麗梅, 李大鵬, 常玉蘭, 覃名翠, 李宗艷 申請人:天津工業(yè)大學