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光学坐标测量系统在无缝钢管生产中的应用

光学坐标测量系统在无缝钢管生产中的应用 2011年12月04日 来源： 检测技术是现代工业的基础之一，是保证产品质量的关键。现代工业生产强调实时、在线、非接触检测，确保对生产过程实现全面控制，提高生产效率和产品的合格率，这是许多传统检测手段无法提供的。由线结构光视觉传感器和CMM（Coordinate Measuring Machine，三坐标测量机）组成的光学坐标测量系统用于产品检测具有非接角、速度快、精度合适、现场抗干扰能力强等优点，能很好地满足现代工业生产的需求。一、光学坐标测量系统原理线结构光视觉传感器实质上是二维坐标传感系统，测量时由精密的伺服机构驱动，对被测物体进行扫描以获得检测系统的原始数据。集成系统利用二维视觉传感器进行三维测量，原理图如图1所示。其中视觉传感器提供YS和ZS方向的坐标值，即传感器坐标平面；XS坐标由CMM给出，即CMM的运动方向。在视觉传感器中所用的线光源可由半导体激光器光束经圆柱面镜反射扩展而成，能量接受器彩面阵式CCD摄像机。

二、光学坐标测量系统的结构框架基于线结构光视觉传感器光学坐标测量系统的主要设备有：CMM和线结构光视觉传感器集成测量系统；驱动CMM集成系统的伺服机构；PC机（下位机）以及工作站（上位机）等。测量时将视觉传感器固定在CMM的横梁滑块上，在CMM精密伺服机的驱动下可以在CMM的X-Y坐标平面上运动，实现对被测物体的扫描。系统各部分之间的指令与各种信息的传递通过计算机网络完成。其硬件结构框图如图2所示。

三、无缝钢管直线度和截面在线检测系统1、 基本原理无缝钢管是一类重要的工业产品，在反映无缝钢管质量的参数中，钢管直线度及截面尺寸是主要的几何参数。这两个参数的在线检测意义重大，是控制无缝钢管制造质量的关键。现代工业技术已能实现无缝钢管的大批量规模生产，但无缝钢管直线度、截面尺寸的高效率检测一直没有得到很好的解决，原因可归结为：无缝钢管的制造环境恶劣，不允许采用接触式的测量方法：无缝钢管的空间尺寸大，大型无缝钢管长度达十几米，要求检测系统具备很大的测量空间。基于线结构光视觉传感器的光学坐标则量系统能够 对无缝钢管的直线度及截面尺寸进行较为精确拓线测量，其检测原理图如图3所示。

由线结构光视觉传感器组成检测系统，传感器的线结构光投射器的光平面和被测钢管相交，得到钢管截面的部分圆周，通过调整传感器的视觉角度，从而得到整个圆周的表面数据，这些表面数据由图像采集卡采集，再通过计算机系统进行拟合计算，得到该截面的尺寸和截面圆心的位置。在CMM的移动方向上传感器顺序测量无缝钢管的多个截面，综合多组数据得到无缝钢管的直线度和截面尺寸。2、控制系统模型的建立该系统主要有四个功能模块组成：集成测量系统建模、视觉传感器测量视角规划、测量数据的预处理、多视角测量数据的配准与拼接。其系统流程图如图4所示。

集成测量系统建模集成测量系统建模主要包括两个方面：①视觉传感器映射模型的建立；②将视觉传感器集成到CMM测量坐标系下，实现测量数据由视觉传感器窨相对坐标系到CMM测量坐标系的转换[1]。其中视觉传感器的映射模型（摄像机的映射模型）建立如下：

其中：（ZW，YW，ZW）-全局坐标系；（XS，YS，ZS）-摄像机坐标系；R-两坐标系之间的旋转正交矩阵，由摄像机在空间的三个方位角ψ、φ、θ确定；T-摄像机光心在空间坐标系中的坐标。若令图像坐标平面为X-Y，像素坐标为（x,y）,图像坐标系坐标原点的坐标为（x0,y0）,fx、fy是横纵CCD阵列的放大比例函数，则可以得到图像坐标与摄像机之间的关系式[4]：

第二部分统一坐标系模型如下：

其中：Cn-齐次形式的摄像机坐标；P-透视变换矩阵；Wn-表示对应的齐次坐标。视觉传感器视角规划视觉传感器视角规划问题的提出主要是因为线结构传感器只能测量无缝钢管某一个截面的部分表面，因此必须调整传感器的角度，从不同角度对无缝钢管的截面进行测量，以获得覆盖整个截面的数据[2]。这要求在满足测量精度的前提下，以最少的测量视角对物体进行扫描。图像的预处理由于对无缝钢管截面部分圆周扫描得到数据是由排列密集、杂乱的数据点所组成的整个测量数据之间没有明显的拓扑关系，无法直接在该系统现有的商品化CAD系统中建立模型，因此必须对测得的数据进行分割预处理，生成规范的网格数据，满足CAD建模的要求。因为对钢管截面的拟合得到的是一个封闭的轮廓可采用边缘检出法进行分割，其数学模型如下：

多视角测量数据的配准与拼接就是通过坐标变换的方法将不同坐标系下的数据点集转换到统一的坐标系下，在此基础上将配准后的数据拼接成完整的数据[3]。 四、结束语基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量系统用于无缝钢管的生产中，能较为精确的测量出所需参数，从而提高产品的质量，满足生产的需求。(end)

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