第一章  緒論 

1.1  課題背景及意義
大鍛件生產(chǎn)具有以下特點(diǎn):其一是質(zhì)量要求嚴(yán)格，大鍛件一般受力復(fù)雜，工況特殊，因此要求具備優(yōu)良的工作性能，才能保證重大裝備長(zhǎng)期、高效、安全、可靠的工作。其二是工藝過程復(fù)雜，由于其工藝環(huán)節(jié)多、周期長(zhǎng)、連續(xù)性強(qiáng)、科技含量高，因此沒有現(xiàn)代化的管理、科學(xué)地協(xié)調(diào)配合，難以組織好生產(chǎn)。另外，大型鍛造過程屬高溫、高壓、非穩(wěn)定成形，影響因素多，變化大，一旦產(chǎn)品報(bào)廢，將造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此須對(duì)大鍛件的質(zhì)量和鍛壓工藝進(jìn)行嚴(yán)格科學(xué)控制。其三是大鍛件投資巨大，原材料、能源、工裝、勞力、工時(shí)消耗大，單件、小批量生產(chǎn)，品種等級(jí)多變，導(dǎo)致其造價(jià)昂貴，制造成本高。 大鍛件成品率、鋼錠利用率和鍛件生產(chǎn)效率的高低決定了鍛壓工廠的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)效益。在大鍛件鍛壓過程中，實(shí)時(shí)掌握鍛件尺寸信息與形狀信息，給鍛件加工提供及時(shí)精確的反饋，能夠給鍛件制造提供很好的指導(dǎo)作用，既可以避免因加工過量而造成鍛件報(bào)廢，也可以避免因留下過多加工余量而造成能源與資源浪費(fèi)。由此可知，大鍛件鍛壓過程中的及時(shí)、快速、準(zhǔn)確的三維尺寸測(cè)量對(duì)提高鍛件加工效率、提升鍛件企業(yè)產(chǎn)能、減少材料與能源浪費(fèi)和建設(shè)環(huán)境友好型重大裝備業(yè)有重要作用。對(duì)大型鍛件進(jìn)行精確尺寸測(cè)量以改善鍛造工藝，有效提高大鍛件的合格率和材料能源利用率，不僅是保障企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)走“節(jié)能降耗”的可持續(xù)發(fā)展之路，同時(shí)也是企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)需要，降低成本、增加效益、改善環(huán)境，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必然選擇。
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
大型鍛件的生產(chǎn)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國(guó)防工業(yè)中占有重要地位，世界上許多國(guó)家在大鍛件尺寸測(cè)量技術(shù)方面進(jìn)行了研究，且有些成果已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。國(guó)內(nèi)在這一方面的研究起步較晚，隨著我國(guó)對(duì)重型機(jī)械設(shè)備需求的增加，近年來受到了廣泛重視。尺寸測(cè)量技術(shù)從被測(cè)對(duì)象的接觸方式上分類，可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。傳統(tǒng)的鍛件尺寸測(cè)量方法大部分采用接觸式測(cè)量，接觸式測(cè)量方法受測(cè)量工具自身重量以及鍛件表面溫度的影響，容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致測(cè)量精度低。另外接觸式測(cè)量方式的測(cè)量速度低，操作麻煩。為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，已經(jīng)逐漸被非接觸式測(cè)量方法所取代。 隨著光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非接觸式測(cè)量方法成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。如圖 1-2 所示，非接觸式測(cè)量按測(cè)量原理和測(cè)量裝置的不同又可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。各種測(cè)量方案在具體的實(shí)現(xiàn)方法上各具特色，差異較大，下面對(duì)國(guó)內(nèi)外一些具有代表性的大鍛件尺寸測(cè)量方法進(jìn)行概述。
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第二章   測(cè)量系統(tǒng)原理介紹 

2.1  引言 
為解決目前大尺寸鍛壓件加工過程中，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，在線測(cè)量困難、測(cè)量精度較低的問題，，本文提出了基于線結(jié)構(gòu)光的 CCD 相機(jī)掃描法。本方法利用線陣相機(jī)作為圖像傳感器，利用線結(jié)構(gòu)光作為物體的輔助照明，使用兩個(gè)云臺(tái)的推掃實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛件表面三維信息的獲取，最后對(duì)圖像進(jìn)行擬合與拼接，重構(gòu)鍛件表面形貌。本章將主要介紹結(jié)構(gòu)光三維視覺測(cè)量的工作原理及本測(cè)量系統(tǒng)下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算過程。 
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2.2  系統(tǒng)測(cè)量方法介紹 
結(jié)構(gòu)光三維視覺測(cè)量方法是基于光學(xué)三角法測(cè)量原理，由光學(xué)投射器將一定模式的結(jié)構(gòu)光投射于物體表面，形成由被測(cè)物體表面形狀所調(diào)制的光條三維圖像，該圖像由處于另一位置的攝像機(jī)探測(cè)，從而獲得光條的二維畸變圖像，如圖 2-1所示。當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置一定時(shí)，由畸變的二維光條圖像便可重現(xiàn)物體表面三維形態(tài)。采用結(jié)構(gòu)光投影的三維測(cè)量方法是一種主動(dòng)式光學(xué)測(cè)量法，也是目前研究比較熱門的三維視覺測(cè)量方法，通過結(jié)構(gòu)光與高速攝像機(jī)的精密配合，可實(shí)現(xiàn)大尺寸的三維立體的高精度測(cè)量。 實(shí)驗(yàn)表明，在該測(cè)量系統(tǒng)下，如果只采用一套系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合計(jì)算，效果較差，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。為了解決這一問題，本文采用的結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)在鍛件的兩側(cè)各配置了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以獲取相對(duì)完整的鍛件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，減小擬合誤差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將兩套系統(tǒng)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后再擬合可以大大提高擬合精度，達(dá)到符合最終測(cè)量要求的測(cè)量精度。 
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第三章  測(cè)量系統(tǒng)軟件開發(fā)........ 16 
3.1  引言....... 16 
3.2  通訊方式及數(shù)據(jù)格式........... 16 
3.2.1  通訊方式選擇.... 16 
3.2.2  數(shù)據(jù)格式.... 17 
3.3  需求分析及程序?qū)崿F(xiàn)........... 18
3.4  本章小結(jié)....... 26 
第四章  關(guān)鍵參數(shù)解算算法設(shè)計(jì)........ 27 
4.1  引言....... 27 
4.2  點(diǎn)云預(yù)處理........... 27 
4.3  參數(shù)解算....... 35 
4.3.1  切片橢圓擬合及直徑解算........ 35 
4.3.2  軸線解算.... 38 
4.3.3 同軸度及偏心量解算......... 40 
4.3.4  長(zhǎng)度解算.... 41 
4.4  解算結(jié)果輸出....... 42 
4.5  本章小結(jié)....... 42 
第五章  實(shí)驗(yàn)與誤差分析.... 43 
5.1  引言....... 43 
5.2  測(cè)量實(shí)驗(yàn)....... 43 
5.2.1  實(shí)驗(yàn)室測(cè)量實(shí)驗(yàn)........ 43 
5.2.2  加工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn).... 45 
5.3  誤差分析....... 47 
5.4  本章小結(jié)....... 47 

第五章  實(shí)驗(yàn)與誤差分析 

5.1  引言 

為了驗(yàn)證本文所開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度以及可重復(fù)性，本章將進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)試和驗(yàn)證過程中，分別在實(shí)驗(yàn)室和加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了兩種測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量實(shí)驗(yàn)的主要目的為驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度并分析誤差產(chǎn)生的原因；加工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)操作的連貫性以及在實(shí)際測(cè)量環(huán)境中進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)量精度。為便于實(shí)驗(yàn)過程的開展，加工定制了階梯軸模擬工件，并對(duì)其在兩種不同的偏轉(zhuǎn)角度下進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)，模擬工件實(shí)物及其擬合效果如圖 5-1 和圖5-2 所示。 本實(shí)驗(yàn)在于驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度并分析誤差產(chǎn)生的原因，因此只對(duì)直徑和長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果與加工標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行分析比較。圖 5-3 是該模擬件的加工尺寸圖。表 5-1 和表 5-2 是在兩種姿態(tài)下的測(cè)量結(jié)果，姿態(tài)一軸線方向與 x 軸夾角約為5°，姿態(tài)二軸線方向與 x 軸夾角約為 20°。 

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總結(jié) 

大鍛件的在線精確測(cè)量能給加工提供很好的指導(dǎo)作用，進(jìn)一步可以高生產(chǎn)效率和資源利用率�；谶@些實(shí)際需求，本文在查閱總結(jié)國(guó)內(nèi)外大鍛件測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱態(tài)軸類鍛件的特點(diǎn)，提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光的軸類大鍛件在線測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用特定波段的線結(jié)構(gòu)光作為輔助照明，高速高精度 CCD 線陣相機(jī)作為圖像采集傳感器，通過控制結(jié)構(gòu)光和相機(jī)云臺(tái)的推掃實(shí)現(xiàn)鍛件表面點(diǎn)云的獲取，最后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和重構(gòu)獲取所需尺寸信息。本文的主要工作如下： 
（1）國(guó)內(nèi)外大鍛件測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀的研究分析。大鍛件的實(shí)時(shí)加工尺寸測(cè)量直接關(guān)系到判斷是否停止鍛造，對(duì)生產(chǎn)加工有重要的指導(dǎo)意義�；谶@些背景，主要分析比較了國(guó)內(nèi)外目前的非接觸式測(cè)量方法，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后做出了總結(jié)。 
（2）基于結(jié)構(gòu)光的大鍛件在線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。提出了基于線結(jié)構(gòu)光的線陣CCD 相機(jī)掃描法，闡述了本系統(tǒng)的測(cè)量原理和掃描過程，并給出了在該系統(tǒng)下三維空間點(diǎn)的解算方法。 
（3）測(cè)量系統(tǒng)軟件的開發(fā)。結(jié)合本系統(tǒng)的通訊需求，分析比較了串口通訊和以太網(wǎng)通訊的優(yōu)缺點(diǎn)。在滿足用戶測(cè)量需求的基礎(chǔ)上，開發(fā)出測(cè)量系統(tǒng)的上位機(jī)操作軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的電源管理、云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)接收處理以及測(cè)量結(jié)果的三維模型顯示。 
（4）給出了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪與參數(shù)解算算法。由于受測(cè)量設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素的影響，測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)通常不可避免地存在很多噪聲數(shù)據(jù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境及系統(tǒng)工作原理，給出了測(cè)量該系統(tǒng)下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和階梯軸點(diǎn)云自動(dòng)化分割算法。在此基礎(chǔ)上，采用切片的方式進(jìn)行最小二乘橢圓擬合獲取鍛件的軸線、直徑等參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算得到長(zhǎng)度、同軸度和偏心量。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：61244