本發(fā)明屬于精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種三維形貌測量裝置及其控制方法，適用于對(duì)高溫物體進(jìn)行自動(dòng)化的形貌測量，獲得高溫物體表面的三維數(shù)據(jù)。

背景技術(shù)：

工業(yè)零件或零件坯料在加工過程中可能被加熱至900～1000℃的高溫，呈現(xiàn)出高溫紅熱狀態(tài)，紅熱狀態(tài)下的工業(yè)零件或零件坯料對(duì)外具有強(qiáng)烈的黑體輻射，其中包含了大量的熱輻射，同時(shí)由于溫度極高，通過空氣進(jìn)行的熱傳導(dǎo)也非常顯著。傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程中，受限于高溫對(duì)量具造成的影響，高溫紅熱狀態(tài)的工業(yè)零件或零件坯料無法進(jìn)行接觸式尺寸檢測。為了解決高溫物體的外形尺寸檢測，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了非接觸式光學(xué)測量方式，例如線激光掃描測量方式或面結(jié)構(gòu)光掃描測量方式。

線激光掃描測量高溫物體的方法是通過向高溫物體表面投射一束高亮度的線狀激光，并用相機(jī)拍攝物體表面，獲取包含激光線影像在內(nèi)的物體表面圖像，通過圖像處理方法提取激光線影像的中心，根據(jù)三角測量原理，重建激光線的三維數(shù)據(jù)，再通過多次掃描得到的激光線三維數(shù)據(jù)的組合，得到被測物體的表面三維形貌。面結(jié)構(gòu)光掃描測量高溫物體的方法，與線激光掃描的方法類似，通過向高溫物體表面投射特定的面結(jié)構(gòu)光圖樣，用相機(jī)拍攝物體表面，并在采集圖像時(shí)僅保留藍(lán)色通道的圖像，以減少黑體輻射對(duì)圖像采集的影響，獲取經(jīng)過物體表面形貌調(diào)制的結(jié)構(gòu)光影像，然后應(yīng)用相位展開等算法和三角測量原理，重建被測物體表面三維數(shù)據(jù)。

但是，上述面結(jié)構(gòu)光掃描測量高溫物體的方法測量過程由于測量路徑的規(guī)劃以及同步原因，其測量精度不高，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫物體的三維形貌精確測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種三維形貌測量裝置及測量方法，其通過測量器件的優(yōu)化布局以及測量路徑的優(yōu)化處理，可以精確測量得到高溫物體的三維形貌。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種三維形貌測量裝置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫物體的三維形貌測量，其特征在于，該測量裝置包括工業(yè)機(jī)器人、時(shí)鐘同步控制器、投影儀、兩CCD相機(jī)、圖像采集卡及計(jì)算機(jī)，其中，

兩CCD相機(jī)分別對(duì)稱設(shè)置在所述投影儀兩側(cè)，且各CCD相機(jī)的光心軸與投影儀的光心軸夾角均在20至60度之間，該兩CCD相機(jī)以及所述投影儀組成測量裝置，且該測量裝置設(shè)置在工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器上；

所述工業(yè)機(jī)器人的工具中心點(diǎn)設(shè)置為投影儀鏡頭端面中心，工具坐標(biāo)系與投影儀光心軸平行，所述時(shí)鐘同步控制器受控于工業(yè)機(jī)器人，并分別與投影儀和兩CCD相機(jī)相連，所述投影儀與計(jì)算機(jī)連接，兩CCD相機(jī)通過圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接；

測量時(shí)所述工業(yè)機(jī)器人以圓弧方式運(yùn)動(dòng)通過將要進(jìn)行測量的路徑點(diǎn)，在通過路徑點(diǎn)的同時(shí)啟動(dòng)所述時(shí)鐘同步控制器觸發(fā)投影儀向被測物體投影一組灰度正弦光柵圖像，同時(shí)，所述時(shí)鐘同步控制器給兩CCD相機(jī)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行圖像采集，且兩個(gè)相機(jī)的圖像采集幀率與投影儀的投影幀率保持一致，兩CCD相機(jī)采集的圖像經(jīng)圖像采集卡傳送給計(jì)算機(jī)，再根據(jù)工具中心點(diǎn)通過測量點(diǎn)時(shí)的線速度，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，得到修正后的圖像，即可計(jì)算得到高溫物體的三維形貌數(shù)據(jù)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述兩CCD相機(jī)的光心軸與投影儀的光心軸夾角相同。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述兩CCD相機(jī)的圖像采集幀率與投影儀的投影幀率為每秒90幀以上。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述正弦光柵圖像可在柵線的垂直方向上平移柵距的1/3，且等距平移二次，使得每幀三維數(shù)據(jù)可投影出三幅正弦光柵圖像。

按照本發(fā)明的另一方面，提供一種利用上述三維形貌測量裝置對(duì)高溫物體進(jìn)行三維形貌測量的方法，其包括如下步驟：

S1：工具中心點(diǎn)和工具坐標(biāo)系設(shè)置

將測量裝置安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器，并將機(jī)器人末端執(zhí)行器的工具中心點(diǎn)設(shè)置為投影儀鏡頭端面與光心軸的交點(diǎn)，同時(shí)將工具坐標(biāo)系設(shè)置為與光心軸平行，且其水平軸與兩CCD相機(jī)中心點(diǎn)的連線平行；

S2：路徑規(guī)劃

機(jī)器人路徑由測量單元組成，每一個(gè)測量單元包含一個(gè)前路徑點(diǎn)和一個(gè)后路徑點(diǎn)以及一個(gè)測量點(diǎn)，前一個(gè)測量單元的后路徑點(diǎn)同時(shí)作為后一個(gè)測量單元的前路徑點(diǎn)，三點(diǎn)之間以圓弧運(yùn)動(dòng)方式過渡，使測量點(diǎn)處于圓弧頂點(diǎn)，且在頂點(diǎn)時(shí)相機(jī)鏡頭連線為圓弧切線，瞬時(shí)速度方向沿切線方向

S3：自動(dòng)測量

機(jī)器人執(zhí)行器末端沿規(guī)劃的路徑運(yùn)行，其中路徑點(diǎn)和測量點(diǎn)均不做停留，在通過測量點(diǎn)的同時(shí)，機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)鐘控制器，觸發(fā)投影儀和相機(jī)同步動(dòng)作以采集高溫物體數(shù)據(jù)，依據(jù)通過測量點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度方向和大小，修正得到準(zhǔn)確的優(yōu)化圖像，據(jù)此計(jì)算獲得高溫物體的三維形貌。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述兩CCD相機(jī)的光心軸與投影儀的光心軸夾角相同。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述兩CCD相機(jī)的圖像采集幀率與投影儀的投影幀率為每秒90幀以上。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述正弦光柵圖像可在柵線的垂直方向上平移柵距的1/3，且等距平移二次，使得每幀三維數(shù)據(jù)可投影出三幅正弦光柵圖像。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的測量裝置和測量方法中，對(duì)測量裝置的測量運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，即通過設(shè)置圓弧運(yùn)動(dòng)方式通過測量點(diǎn)，在一個(gè)測量點(diǎn)前后分別存在前路徑點(diǎn)和后路徑點(diǎn)，三點(diǎn)之間以圓弧運(yùn)動(dòng)方式過渡，使測量點(diǎn)處于圓弧頂點(diǎn)，且在頂點(diǎn)時(shí)相機(jī)鏡頭連線為圓弧切線，瞬時(shí)速度方向沿切線方向，從而可以使得其以最優(yōu)化的路徑對(duì)高溫物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

(2)本發(fā)明的測量裝置和測量方法中，對(duì)測量裝置中各測量元件進(jìn)行優(yōu)化的布局，并設(shè)置改進(jìn)的控制方式，即將機(jī)器人末端執(zhí)行器的工具中心點(diǎn)設(shè)置為投影儀鏡頭端面與光心軸的交點(diǎn)，同時(shí)將工具坐標(biāo)系設(shè)置為與光心軸平行，且水平軸與CCD相機(jī)中心點(diǎn)連線平行，同時(shí)輔以每秒90幀以上的幀率投影以及圖像采集頻率，從而獲得更為精確的圖像數(shù)據(jù)；

(3)本發(fā)明的測量裝置中，工業(yè)機(jī)器人工具中心點(diǎn)的路徑被設(shè)置為僅在測量點(diǎn)最接近高溫物體，在運(yùn)動(dòng)通過最近點(diǎn)時(shí)候僅進(jìn)行圖像采集，圖像的處理和運(yùn)算在測量系統(tǒng)離開測量區(qū)域后進(jìn)行，因此可以保證測量系統(tǒng)在高溫物體輻射區(qū)和熱傳導(dǎo)高溫區(qū)最短的暴露時(shí)間；

(4)本發(fā)明能夠在無人工干預(yù)的情況下對(duì)高溫紅熱物體進(jìn)行三維測量，在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)通過最近點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測量，能夠最大限度地避免高溫物體熱輻射和熱傳導(dǎo)對(duì)測量系統(tǒng)的影響,獲得物體表面完整準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的測量裝置中的工具中心點(diǎn)和工具坐標(biāo)系示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的測量裝置在測量前準(zhǔn)備流程圖；

圖4為本發(fā)明中自動(dòng)化測量流程圖；

圖5為通過測量單元示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的自動(dòng)化測量系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)及圖像采集卡101，工業(yè)機(jī)器人102，面結(jié)構(gòu)光測量裝置103，時(shí)鐘控制器106，其中該面結(jié)構(gòu)光測量裝置103包括投影儀104和兩個(gè)CCD相機(jī)105，投影儀可以優(yōu)選為DLP投影儀，兩CCD相機(jī)分別為第一CCD相機(jī)和第二CCD相機(jī)，兩CCD相機(jī)相對(duì)于投影儀104對(duì)稱設(shè)置在其兩側(cè)，各CCD相機(jī)的光心軸與DLP投影儀的光心軸夾角優(yōu)選相同，一般在20至60度之間，并且測量時(shí)優(yōu)選保持DLP投影儀與第一CCD相機(jī)、第二CCD相機(jī)的相對(duì)位置不變。

時(shí)鐘同步控制器106受工業(yè)機(jī)器人102控制并分別與DLP投影儀104和兩CCD相機(jī)105相連，工業(yè)機(jī)器人102，測量裝置103均與計(jì)算機(jī)及圖像采集卡101相連。

測量前，先對(duì)工業(yè)機(jī)器人102進(jìn)行路徑規(guī)劃，使用常溫狀態(tài)下的待測物體作為規(guī)劃時(shí)的參考，確定所需的測量點(diǎn)，并在測量點(diǎn)直接增加路徑點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)平滑過渡，并在運(yùn)動(dòng)過程中與高溫物體保持安全距離。

測量的過程中，由工業(yè)機(jī)器人102以圓弧方式運(yùn)動(dòng)通過將要進(jìn)行測量的路徑點(diǎn)，在通過路徑點(diǎn)的同時(shí)，啟動(dòng)時(shí)鐘同步控制器106觸發(fā)DLP投影儀104向被測物體以每秒90幀以上的幀率投影一組灰度正弦光柵圖像，投影時(shí)正弦光柵圖像都在柵線的垂直方向上平移柵距的1/3，等距平移二次，每幀三維數(shù)據(jù)投影出三幅正弦光柵圖像。

同時(shí)，時(shí)鐘同步控制器106給第一CCD相機(jī)、第二CCD相機(jī)發(fā)送信號(hào)，使兩個(gè)相機(jī)的圖像采集幀率與DLP投影儀的投影幀率保持一致；第一CCD相機(jī)、第二CCD相機(jī)采集的圖像經(jīng)圖像采集卡傳送給計(jì)算機(jī)，再根據(jù)工具中心點(diǎn)通過測量點(diǎn)時(shí)的線速度，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，得到準(zhǔn)確清晰的圖像，隨后根據(jù)修正后的圖像計(jì)算出高溫物體的三維數(shù)據(jù)。

具體地，如圖3和4所示，利用上述自動(dòng)化測量系統(tǒng)進(jìn)行高溫物體的自動(dòng)化測量，具體可以按照如下步驟進(jìn)行。

S1：工具中心點(diǎn)和工具坐標(biāo)系設(shè)置。

將測量裝置103固定在機(jī)器人末端執(zhí)行器上之后，通過機(jī)器人控制器的設(shè)置工具將機(jī)器人末端執(zhí)行器的工具中心點(diǎn)設(shè)置為投影儀鏡頭端面與光心軸的交點(diǎn)，即圖2中所示投影儀鏡頭中心203，同時(shí)將工具坐標(biāo)系204設(shè)置為與光心軸平行，且水平軸與第一CCD相機(jī)中心點(diǎn)201和第二CCD相機(jī)中心點(diǎn)202連線平行。

S2：路徑規(guī)劃。

如圖5，機(jī)器人路徑由測量單元組成，每一個(gè)測量單元包含一個(gè)前路徑點(diǎn)501和一個(gè)后路徑點(diǎn)503以及一個(gè)測量點(diǎn)502，前一個(gè)測量單元的后路徑點(diǎn)同時(shí)作為后一個(gè)測量單元的前路徑點(diǎn)。通過機(jī)器人示教器為機(jī)器人示教測量點(diǎn)，示教過程中用常溫狀態(tài)下的待測物體替代高溫物體504，調(diào)整機(jī)器人位置和姿態(tài)使得在測量點(diǎn)測量裝置103能夠獲取最清晰的待測物體影像。測量點(diǎn)可以由人工調(diào)整得到，每個(gè)測量點(diǎn)的測量裝置參數(shù)(包括投影儀亮度、相機(jī)曝光參數(shù)等)和測量點(diǎn)位置同時(shí)記錄下來。完成測量點(diǎn)的示教和記錄之后，在測量點(diǎn)之間增加路徑點(diǎn)，使測量裝置103在測量點(diǎn)以外均處于遠(yuǎn)離高溫物體504的位置，并設(shè)置圓弧運(yùn)動(dòng)方式通過測量點(diǎn)，在一個(gè)測量點(diǎn)前后分別存在前路徑點(diǎn)和后路徑點(diǎn)，三點(diǎn)之間以圓弧運(yùn)動(dòng)方式過渡，使測量點(diǎn)處于圓弧頂點(diǎn)，且在頂點(diǎn)時(shí)相機(jī)鏡頭連線為圓弧切線，瞬時(shí)速度方向沿切線方向。

完成路徑點(diǎn)、測量點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)方式的示教后，將示教過程生成自動(dòng)測量代碼，以供測量過程中的自動(dòng)運(yùn)行使用。

S3：自動(dòng)測量。

完成路徑規(guī)劃后，可以對(duì)高溫物體進(jìn)行自動(dòng)化測量。啟動(dòng)自動(dòng)測量程序，機(jī)器人開始運(yùn)行自動(dòng)測量代碼，路徑點(diǎn)和測量點(diǎn)均不做停留，連續(xù)走完完整的路徑。在通過測量點(diǎn)的同時(shí)，機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)鐘控制器，觸發(fā)投影儀和相機(jī)同步動(dòng)作，以90幀每秒的速率采集3幀數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上，待全部數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，依據(jù)通過測量點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度方向和大小，消除采集到的圖像的運(yùn)動(dòng)模糊，得到準(zhǔn)確的優(yōu)化圖像，再進(jìn)行計(jì)算，獲得物體三維形貌。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。