一種基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種測(cè)量大型工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))直徑方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)測(cè)量與工件直接接觸，精度較低，且易對(duì)工件造成污染等缺陷，具有精度高、實(shí)時(shí)性，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)云生成數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入到PC的三維處理軟件當(dāng)中；然后，將掃描到點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用Geomagic?Studio軟件準(zhǔn)確拼接到一起生成完整三維立體圖像，并進(jìn)行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測(cè)量狀態(tài)；然后將被測(cè)工件選取三點(diǎn)確定一平面，用多重截面曲線截取柱形橫截面，生成截面曲線圖；確定兩端點(diǎn)并實(shí)時(shí)測(cè)量，得到兩點(diǎn)距離即為柱形截面圓的直徑。
【專利說明】一種基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于三維掃描數(shù)據(jù)的兩種測(cè)量工件(汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向節(jié))直徑測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著三維測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，特別是三維掃描儀的問世，現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀(幾何構(gòu)造)與外觀數(shù)據(jù)(如顏色、表面反照率等性質(zhì))也得到了精確的測(cè)量。轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法流程圖如圖1所示。
[0003]轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)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(qiáng)度。轉(zhuǎn)向節(jié)如圖2(a)所
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[0004]目前為止，國內(nèi)外研究人員在測(cè)量大型工件直徑尺寸方面也做了很多研究。國內(nèi)常用的大型工件在線測(cè)量方法主要有通過多組平行光照明對(duì)工件成像，利用多組工件圖像的信息來確定待測(cè)工件的直徑和馮正鳴、蔣志成、李敬杰等人提出的測(cè)量工件直徑的雙光路法等方法。
[0005]目前國外的工件測(cè)量系統(tǒng)主要是通過計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化。比較好的大型工件直徑測(cè)量系統(tǒng)主要有美國TSI公司開發(fā)的RDMS4200系列對(duì)小口徑鋼管的直徑測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可環(huán)繞產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)，其每分鐘可提供140個(gè)鋼管的輪廓信息，并通過CXD相機(jī)進(jìn)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(diǎn)是測(cè)量系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度較快，分辨率較高，優(yōu)于
0.01mm，采用了精確測(cè)量旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器，具有氣體清理系統(tǒng)使系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間最短，展示不同產(chǎn)品截圖，能夠測(cè)量不同的產(chǎn)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(cè)徑儀，其專門用于小型管材的非接觸測(cè)量。該產(chǎn)品基本類型為RDMS900和RDMS180，其能夠測(cè)量最大直徑分別為80mm和160mm的線、棒以及管材的外徑尺寸，測(cè)量精度能達(dá)到0.001_。該系統(tǒng)通過激光掃描的方式進(jìn)行測(cè)量。
[0007]德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)在高精度直徑測(cè)量領(lǐng)域投入了大量經(jīng)費(fèi)和力量，并取得了世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，對(duì)于來自計(jì)量領(lǐng)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(cè)量這一關(guān)鍵量值。就其技術(shù)水平而言，其中以自行研制的直徑和圓柱形狀測(cè)量比較儀最為突出。PTB研制的這臺(tái)直徑和形狀測(cè)量比較儀，采用了機(jī)械軟測(cè)頭與激光干涉測(cè)量結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)圓柱內(nèi)外徑高精度絕對(duì)測(cè)量，而采用與標(biāo)準(zhǔn)圓柱表面相比較實(shí)現(xiàn)圓柱工件的形狀測(cè)量。接觸測(cè)頭由帶有測(cè)力控制機(jī)構(gòu)的測(cè)桿和紅寶石球形測(cè)頭組成，在測(cè)量的初始位置兩個(gè)測(cè)頭的球心在水平和垂直兩個(gè)方向上共軸，隨后測(cè)頭拉開分別與被測(cè)件的兩個(gè)面接觸找到最大直徑位置，測(cè)頭移動(dòng)的距離由激光干涉儀測(cè)出。儀器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上嚴(yán)格遵循阿貝原則，最大程度地減小二次誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高儀器的動(dòng)態(tài)性能。測(cè)量鏈上的機(jī)械框架由殷鋼材料制成，溫度膨脹系數(shù)非常小，有效避免了溫度變化對(duì)測(cè)量的影響。PTB在研制直徑和形狀測(cè)量比較儀時(shí)提出的最高技術(shù)指標(biāo)是:外徑測(cè)量范圍O?IOOmm,測(cè)量不確定度達(dá)到U=10nm/100mm, k=2,內(nèi)徑測(cè)量范圍10?100mm，測(cè)量不確定度達(dá)到U=15nm/100mm，k=2 ;目前達(dá)到的水平是外徑測(cè)量不確定度為 U=12nm/100mm, k=2,內(nèi)徑測(cè)量不確定度為 U=30nm/100mm, k=2。
[0008]此外，瑞士計(jì)量實(shí)驗(yàn)室(OFMET)的方法瑞士計(jì)量實(shí)驗(yàn)室為解決高精度軸孔直徑測(cè)量問題對(duì)一臺(tái)商用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行了改造，他們利用CMM工作臺(tái)和導(dǎo)軌，將機(jī)械測(cè)頭與激光干涉儀結(jié)合實(shí)現(xiàn)測(cè)量。激光干涉儀設(shè)計(jì)在機(jī)械測(cè)頭球心連線上以避免產(chǎn)生阿貝誤差，機(jī)械測(cè)頭上設(shè)計(jì)有測(cè)力控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)力變形補(bǔ)償。該儀器測(cè)量范圍為:[〈700_，測(cè)量不確定度為U=62nm/40mm，k=2，相對(duì)不確定度達(dá)到10_6量級(jí)。儀器的特點(diǎn)是:測(cè)頭由整塊殷鋼材料電腐蝕加工而成，熱穩(wěn)定性、剛性和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，這樣的設(shè)計(jì)增加了垂直方向自由度，消除測(cè)頭遲滯現(xiàn)象。此外，測(cè)頭采用電容傳感器控制測(cè)力，實(shí)現(xiàn)測(cè)力回推至零，從而消除了高精度測(cè)量中測(cè)力對(duì)測(cè)量結(jié)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(shí)現(xiàn)測(cè)頭在Z方向可移動(dòng)越過被測(cè)工件，方便測(cè)量；但同時(shí)這種光路設(shè)計(jì)提高了對(duì)導(dǎo)軌直線度的要求。但測(cè)量時(shí)為保證所測(cè)量位置為真正的直徑位置，必須在水平和垂直兩個(gè)平面內(nèi)尋找極值點(diǎn)，且測(cè)頭直徑也需預(yù)先標(biāo)定。
[0009]由于接觸式測(cè)量需與工件直接接觸，精度較低，且易對(duì)工件造成污染，操作不便；而所述的測(cè)量方法基于計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)向節(jié)的立體三維圖像上進(jìn)行測(cè)量和分析。這種方法在沒有接觸到工件的情況下進(jìn)行操作處理，精度高，實(shí)時(shí)性，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工件的生產(chǎn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供一種基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法:經(jīng)過三維掃描儀掃描并經(jīng)過三維軟件處理，得到完整的立體三維圖像。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量能夠達(dá)到迅速、精確的結(jié)果。本發(fā)明所用三維掃描儀如圖2(b)所示。
[0011]所述的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法的硬件系統(tǒng)包括:
[0012]用于對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行三維掃描處理的光學(xué)拍照式三維掃描儀I個(gè)；
[0013]用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)一臺(tái)；
[0014]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向軸內(nèi)徑測(cè)量方法，具體操作步驟如下:
[0015]步驟1:所述的光學(xué)拍照式三維掃描儀將掃描到的大型工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))點(diǎn)云生成三維數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入到PC的三維處理軟件當(dāng)中；然后，將掃描到各個(gè)角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用Geomagic Studio軟件準(zhǔn)確拼接到一起生成完整三維立體圖像,并進(jìn)行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測(cè)量狀態(tài)。
[0016]拼接完成并處理后的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)三維圖像如圖3所示；
[0017]步驟2:對(duì)齊平面。
[0018]在一個(gè)未知圓心半徑的圓內(nèi)很難確定哪條線段才是圓的直徑。因此憑借肉眼直接在柱形物體選擇兩點(diǎn)連成的線段作為圓的直徑不夠準(zhǔn)確。在被測(cè)柱形物體要測(cè)圓形的平面中選取三點(diǎn)，從而確立一個(gè)平面，使之垂直于X軸，并與y軸和z軸組成的平面平行。如圖4 (a)所示；[0019]步驟3:用多重截面曲線截取柱形橫截面。
[0020]在所述的步驟2中已確立yz平面,柱形橫截面亦平行于yz平面,利用GeomagicStudio軟件建立多重截面曲線來截取柱形橫截面，理論上截取的曲面越多，曲面間的距離越短測(cè)量的直徑數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。截取后的效果圖如圖4(b)所示；
[0021]步驟4:生成截面曲線圖并測(cè)量。
[0022]在所述的步驟3中已經(jīng)截取柱形平面，需生成截面曲線圖。經(jīng)過計(jì)算，截面曲線圖如圖4(c)所示；
[0023]在生成的截面曲線圖中轉(zhuǎn)動(dòng)工件角度，使之與側(cè)面圖相吻合。其中，需要小心轉(zhuǎn)動(dòng)，仔細(xì)甄別，從而確定要測(cè)柱形的直徑兩端點(diǎn)。具體測(cè)量如圖4(d)所示；
[0024]將被測(cè)柱形放大到一定程度(若在比較小的圖上選取兩點(diǎn)，誤差會(huì)比較大)，選取近似于一條線段的兩個(gè)端點(diǎn)，并利用Geomagic Studio軟件中的測(cè)距功能測(cè)得兩端點(diǎn)的距離，即為柱形截面圓的直徑。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:在沒有接觸到工件的情況下進(jìn)行操作處理，精度高，實(shí)時(shí)性，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工件的生產(chǎn)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1:轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法流程圖；
[0027]圖2 (a):汽車轉(zhuǎn)向節(jié)；
[0028]圖2 (b):光學(xué)三維拍照式掃描儀；
[0029]圖3:處理后的完整三維圖像；
[0030]圖4 (a):選取二點(diǎn)，確立平面；
[0031]圖4(b):多重曲面截取柱形橫截面；
[0032]圖4 (c):截面曲線圖；
[0033]圖4(d):被測(cè)柱形截面曲線放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]本發(fā)明提出一種基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法:建立多重截面曲線來測(cè)量轉(zhuǎn)向軸直徑，所述的方法均是基于光學(xué)拍照式三維掃描儀所采集到的工件完整三維數(shù)據(jù)所得。轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法流程圖如圖1所示。
[0035]轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)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(qiáng)度。轉(zhuǎn)向節(jié)如圖2(a)所
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[0036]三維掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的點(diǎn)云(point cloud),這些點(diǎn)可用來插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型，這個(gè)過程稱作三維重建。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進(jìn)一步在重建的表面上粘貼材質(zhì)貼圖，亦即所謂的材質(zhì)印射。
[0037]本文測(cè)量轉(zhuǎn)向節(jié)所用的是光學(xué)拍照式掃描儀，它是一種高速高精度的三維掃描測(cè)量設(shè)備，采用的是目前國際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測(cè)量原理。該掃描儀能同時(shí)測(cè)量一個(gè)面，測(cè)量時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測(cè)物體上，成一定夾角的兩個(gè)攝像頭同步采得相應(yīng)圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測(cè)量原理，解算出兩個(gè)攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。本發(fā)明所用三維掃描儀如圖2(b)所示。
[0038]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法，具體操作步驟如下:
[0039]步驟1:所述的光學(xué)拍照式三維掃描儀將掃描到的大型工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))點(diǎn)云生成數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入到PC的三維處理軟件當(dāng)中，然后，將掃描到各個(gè)角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用Geomagic Studio軟件準(zhǔn)確拼接到一起生成完整三維立體圖像,并進(jìn)行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測(cè)量狀態(tài)。
[0040]Geomagic是業(yè)界一款結(jié)合了實(shí)時(shí)三維掃描、三維點(diǎn)云和三角網(wǎng)格編輯功能以及全面CAD造型設(shè)計(jì)、裝配建模、二維出圖等功能的三維設(shè)計(jì)軟件。拼接完成并處理后的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)三維圖像如圖3所示。通過如上所述，便得到工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))的完整三維圖像。
[0041]在一個(gè)未知圓心半徑的圓內(nèi)很難確定哪條線段才是圓的直徑。因此憑借肉眼直接在柱形物體選擇兩點(diǎn)連成的線段作為圓的直徑不夠準(zhǔn)確。鑒于此，發(fā)明出一種建立多重截面曲線來測(cè)量轉(zhuǎn)向軸直徑的方法。
[0042]步驟2:對(duì)齊平面。
[0043]在被測(cè)柱形物體要測(cè)圓形的平面中選取三點(diǎn)，從而確立一個(gè)平面，使之垂直于X軸，并與y軸和z軸組成的平面平行；
[0044]步驟3:用多重截面曲線截取柱形橫截面。
[0045]在所述的步驟2中已確立yz平面,柱形橫截面亦平行于yz平面,利用GeomagicStudio軟件建立多重截面曲線來截取柱形橫截面，理論上截取的曲面越多，曲面間的距離越短測(cè)量的直徑數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確；
[0046]步驟4:生成截面曲線圖并測(cè)量。
[0047]在所述的步驟3中已經(jīng)截取柱形平面，需生成截面曲線圖。在生成的截面曲線圖中轉(zhuǎn)動(dòng)工件角度，使之與側(cè)面圖相吻合。其中，需要小心轉(zhuǎn)動(dòng)，仔細(xì)甄別，從而確定要測(cè)柱形的直徑兩端點(diǎn)。將被測(cè)柱形放大到一定程度(若在比較小的圖上選取兩點(diǎn)，誤差會(huì)比較大)，選取近似于一條線段的兩個(gè)端點(diǎn)，并利用Geomagic Studio軟件中的測(cè)距功能測(cè)得兩端點(diǎn)的距離，即為柱形截面圓的直徑。
[0048]綜上所述，本發(fā)明所述兩種測(cè)量大型工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))直徑方法的優(yōu)點(diǎn)是:
[0049]I)與被測(cè)對(duì)象沒有接觸，最大程度上減弱了觀測(cè)者與被觀測(cè)者之間的影響，提高系統(tǒng)的可靠性。
[0050]2)精度高，實(shí)時(shí)性，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工件的生產(chǎn)效率。
[0051]以上示意性的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有局限性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它形式的同類部件或其它形式的各部件布局方式，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的技術(shù)方案與實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測(cè)量方法:建立多重截面曲線來測(cè)量轉(zhuǎn)向軸直徑；所述的三維掃描數(shù)據(jù)是經(jīng)過基于雙目視覺系統(tǒng)原理搭建而成的光學(xué)拍照式三維掃描儀的掃描并處理得到的，所述的光學(xué)拍照式三維掃描儀是一種高速高精度的三維掃描測(cè)量設(shè)備，采用的是目前國際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測(cè)量原理；方法包括如下步驟: 步驟1:掃描并進(jìn)行三維處理； 所述的光學(xué)拍照式三維掃描儀將掃描到的大型工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))點(diǎn)云生成數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入到PC的三維處理軟件當(dāng)中，然后，將掃描到各個(gè)角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用GeomagicStudio軟件準(zhǔn)確拼接到一起生成完整三維立體圖像，并進(jìn)行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測(cè)量狀態(tài)； 步驟2:對(duì)齊平面； 在一個(gè)未知圓心半徑的圓內(nèi)很難確定哪條線段才是圓的直徑；因此憑借肉眼直接在柱形物體選擇兩點(diǎn)連成的線段作為圓的直徑不夠準(zhǔn)確；在被測(cè)柱形物體要測(cè)圓形的平面中選取三點(diǎn)，從而確立一個(gè)平面，使之垂直于X軸，并與y軸和z軸組成的平面平行； 步驟3:用多重截面曲線截取柱形橫截面； 在所述的步驟2中已確立yz平面，柱形橫截面亦平行于yz平面，利用GeomagicStudio軟件建立多重截面曲線來截取柱形橫截面，理論上截取的曲面越多，曲面間的距離越短測(cè)量的直徑數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確； 步驟4:生成截面曲線圖并測(cè)量； 在所述的步驟3中已經(jīng)截取柱形平面，需生成截面曲線圖；在生成的截面曲線圖中轉(zhuǎn)動(dòng)工件角度，使之與側(cè)面圖相吻合；其中，需要小心轉(zhuǎn)動(dòng)，仔細(xì)甄別，從而確定要測(cè)柱形的直徑兩端點(diǎn)；將被測(cè)柱形放大到一定程度(若在比較小的圖上選取兩點(diǎn)，誤差會(huì)比較大)，選取近似于一條線段的兩個(gè)端點(diǎn)，并利用Geomagic Studio軟件中的測(cè)距功能測(cè)得兩端點(diǎn)的距離，即為柱形截面圓的直徑。
【文檔編號(hào)】G01B11/08GK103615985SQ201310680882
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】宋麗梅, 李大鵬, 李宗艷, 覃名翠, 常玉蘭 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)