四目相機(jī)在大鍛件在線測量領(lǐng)域的探索及應(yīng)用

文/張曉非，張浩·北京機(jī)電研究所有限公司

陳飛，段來山，魯橋·武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司

曹亮，周芝琪·北京清影機(jī)器視覺技術(shù)有限公司

在線測量技術(shù)是大鍛件生產(chǎn)智能化發(fā)展的一個(gè)重要方向，應(yīng)用在線測量大鍛件技術(shù)不僅可以避免人工測量時(shí)工人處于惡劣環(huán)境、測量誤差大等問題，還可以提高鍛造生產(chǎn)效率、鍛造質(zhì)量和材料利用率，降低成本等。

大鍛件生產(chǎn)技術(shù)是制造重大技術(shù)裝備關(guān)鍵零部件的基礎(chǔ)，涉及航天、船舶、軍工、石油、核電、化工、能源等行業(yè)，其制造能力和水平直接決定著國家重大技術(shù)裝備制造和發(fā)展。大鍛件一般采用自由鍛生產(chǎn)方式，由于鍛造車間高溫、振動(dòng)、多塵等環(huán)境因素，對各類傳感器的使用造成影響，也制約了鍛造在線測量技術(shù)水平的發(fā)展和進(jìn)步。

目前，國內(nèi)對自由鍛件測量普遍采取的是接觸式人工測量，靠人工手持卡尺、量桿近距離測量。這種測量方式工作環(huán)境差，溫度高，安全性不高，影響操作人員安全與健康；測量誤差大，影響產(chǎn)品質(zhì)量和成本；人工測量時(shí)，須停機(jī)測量，影響生產(chǎn)效率。

因鍛件尺寸不合格，會(huì)導(dǎo)致鍛件返工或報(bào)廢；為保證鍛件尺寸，而過多放大尺寸，機(jī)加工工時(shí)會(huì)增加，也會(huì)導(dǎo)致成本提高。因此，研發(fā)一套切實(shí)可靠、實(shí)用的在線測量技術(shù)和設(shè)備，是十分迫切的。為解決上述問題，我們在生產(chǎn)現(xiàn)場采用測量相機(jī)進(jìn)行測試試驗(yàn)，針對鍛造生產(chǎn)特點(diǎn)采取適當(dāng)?shù)臏y量方案和防護(hù)措施，取得一定測量成果。

測量原理

大鍛件在鍛造過程中，具有形狀變化大、不規(guī)則等特點(diǎn)，以及需要在線測量的時(shí)效性，所以我們采用四目相機(jī)三維成像對大鍛件進(jìn)行快速數(shù)據(jù)建模。這種相機(jī)的測量方式不依賴輔助結(jié)構(gòu)光即可生成三維測量數(shù)據(jù)，相機(jī)視野范圍內(nèi)被動(dòng)式成像，測量速度快、可以靈活測量。

四目相機(jī)的測量數(shù)據(jù)建模原理，是通過對四幅二維圖像兩兩的卷積匹配運(yùn)算，計(jì)算得到物體的邊緣和圖像特征點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)位置，計(jì)算原理如圖1、圖2 所示。

圖1 四目相機(jī)計(jì)算原理圖A

圖1 所示為采用后像模型，建立四目相機(jī)空間直角坐標(biāo)系，空間坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)置在四目相機(jī)光軸焦點(diǎn)所對應(yīng)的平面上，是四目相機(jī)光心所組成矩形的中心點(diǎn)，空間任意物體上的P 點(diǎn)，在四目相機(jī)圖像上有一組像素點(diǎn)與該點(diǎn)形成唯一的對應(yīng)關(guān)系。任意圖像上的任意一個(gè)像素點(diǎn)，在其他三幅圖像上都有唯一一個(gè)像素點(diǎn)與該點(diǎn)形成唯一正確的對應(yīng)關(guān)系。水平方向上的兩幅圖像上的對應(yīng)點(diǎn)位于兩幅圖像上的同一條水平掃描線上，垂直方向的兩幅圖像上的對應(yīng)點(diǎn)位于同一條垂直掃描線上。對角位置的兩幅圖像的對應(yīng)點(diǎn)位于同一條對角線上，且該組像素點(diǎn)也同時(shí)組成與四目相機(jī)光軸所組成的矩形相似的矩形，這就是四目相機(jī)圖像匹配的幾何約束條件，也是圖像像素匹配的一個(gè)必要條件。

圖2 四目相機(jī)計(jì)算原理圖B

根據(jù)以上空間幾何約束條件和關(guān)于圖像相似性匹配函數(shù)，可以設(shè)置一套計(jì)算步驟，以四目相機(jī)中的其中一幅圖像為基準(zhǔn)，搜索每個(gè)像素點(diǎn)在其他圖像上的對應(yīng)匹配點(diǎn)，尋找到每個(gè)像素點(diǎn)滿足匹配條件的最佳的一組匹配點(diǎn)，即完成了圖像匹配的計(jì)算。

現(xiàn)場應(yīng)用

測量相機(jī)布置在操作室與鍛造壓機(jī)之間，相機(jī)測量圖像與操作人員同一視角，如圖3 所示，操作顯示屏放在操作人員旁側(cè)，這樣方便其觀察、獲知鍛件形狀與尺寸。相機(jī)視野范圍在鍛造壓機(jī)上下砧之間，視野高度滿足多品種鍛造工藝，如鐓粗、拔長、沖孔等。相機(jī)距離壓力機(jī)中心固定，選取合適焦距，確保相機(jī)測量精度。

大鍛件生產(chǎn)現(xiàn)場具有高溫輻射、振動(dòng)等環(huán)境問題，為了保護(hù)相機(jī)的正常工作，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，研制了相機(jī)的防護(hù)裝置，如圖4 所示，耐高溫輻射防護(hù)殼，相機(jī)減振器，風(fēng)扇散熱等防護(hù)裝置。經(jīng)多次長時(shí)間現(xiàn)場測試，相機(jī)溫度在鍛造過程中控制在50℃以內(nèi)，保護(hù)了相機(jī)元件免受高溫輻射破壞，相機(jī)可以正常工作。相機(jī)在鍛造振動(dòng)環(huán)境下，拍攝的穩(wěn)定性和照片清晰度均滿足設(shè)計(jì)使用要求，測量相機(jī)現(xiàn)場安裝應(yīng)用圖如圖5 所示。

圖3 測量相機(jī)現(xiàn)場布置簡圖

圖4 測量相機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)圖

圖5 測量相機(jī)現(xiàn)場安裝應(yīng)用圖

測量效果

測量相機(jī)將拍照得到的圖片先進(jìn)行圖像預(yù)處理，獲得清晰圖片后，再傳入軟件計(jì)算系統(tǒng)，經(jīng)專研專用的FPGA 芯片進(jìn)行快速計(jì)算處理，數(shù)秒內(nèi)得到準(zhǔn)確的鍛件尺寸。用戶操作界面具有便捷測量、查詢數(shù)據(jù)的功能，可根據(jù)不同工藝使用相應(yīng)的操作功能。可根據(jù)需要，在測量界面上自動(dòng)生成測量的尺寸數(shù)據(jù)。還可以采用手動(dòng)測量的方式，直接在鍛件圖像上測量數(shù)據(jù)，柔性處理其他需要觀測的尺寸。

以長軸帶法蘭盤為例。如圖6 所示，可以自動(dòng)測量法蘭前后軸段的中心線夾角，從而可以指導(dǎo)長軸矯直；可以自動(dòng)測量同一軸段直徑的最大值和最小值位置、法蘭厚度等，有助于判斷鍛件是否滿足尺寸要求以及控制鍛件尺寸公差；還可以采用手動(dòng)測量的方式，如圖7 所示，任意測量軸段直徑、軸向長度等其他需要測量尺寸，可以指導(dǎo)號印分料。

結(jié)論

南宋抗金名將岳飛，極善使槍。岳家槍法，可謂是出神入化，岳家槍的絕技有“大漠孤煙”和“長河落日”。岳家槍術(shù)中最高層次的還是以瀝泉為名的槍術(shù)套路——瀝泉槍。

⑴結(jié)合大鍛件生產(chǎn)特點(diǎn)和在線測量的時(shí)效性，選取四目相機(jī)作為測量主要儀器，可以遠(yuǎn)距離大場景測量大鍛件尺寸，被動(dòng)成像，無需借助輔助光源；采用專研專用的FPGA 芯片，進(jìn)行快速計(jì)算，可適應(yīng)在線測量的即時(shí)性。

圖6 自動(dòng)測量軸類鍛件效果圖

圖7 手動(dòng)測量軸類鍛件效果圖

⑵根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)，研制的防護(hù)裝置經(jīng)長時(shí)間現(xiàn)場測試，防振、防高溫輻射等滿足使用要求，相機(jī)在鍛造環(huán)境中可正常使用。

⑶用戶操作界面可以顯示自動(dòng)測量的常用關(guān)心尺寸，也可通過鼠標(biāo)操作顯示手動(dòng)測量的尺寸。測量方式具有靈活、快捷、適應(yīng)多工藝測量等特點(diǎn)。