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光學坐標測量系統在無縫鋼管生產中的應用
檢測技術是現代工業的基礎之一，是保證產品質量的關鍵。現代工業生產強調實時、在線、非接觸檢測，確保對生產過程實現控制，提高生產效率和產品的合格率，這是許多傳統檢測手段無法提供的。
由線結構光視覺傳感器和CMM（C00rd1nate Measur1ng Mach1ne，三坐標測量機）組成的光學坐標測量系統用于產品檢測具有非接角、速度快、精度合適、現場抗干擾能力強等優點，能很好地滿足現代工業生產的需求。
一、光學坐標測量系統原理
線結構光視覺傳感器實質上是二維坐標傳感系統，測量時由精密的伺服機構驅動，對被測物體進行掃描以獲得檢測系統的原始數據。集成系統利用二維視覺傳感器進行三維測量，原理圖如圖1所示。其中視覺傳感器提供YS和ZS方向的坐標值，即傳感器坐標平面；XS坐標由CMM給出，即CMM的運動方向。在視覺傳感器中所用的線光源可由半導體激光器光束經圓柱面鏡反射擴展而成，能量接受器彩面陣式CCD攝像機。
二、光學坐標測量系統的結構框架
基于線結構光視覺傳感器光學坐標測量系統的主要設備有：CMM和線結構光視覺傳感器集成測量系統；驅動CMM集成系統的伺服機構；PC機（下位機）以及工作站（上位機）等。測量時將視覺傳感器固定在CMM的橫梁滑塊上，在CMM精密伺服機的驅動下可以在CMM的X-Y坐標平面上運動，實現對被測物體的掃描。系統各部分之間的指令與各種信息的傳遞通過計算機網絡完成。其硬件結構框圖如圖2所示。
三、無縫鋼管直線度和截面在線檢測系統
1、 基本原理
無縫鋼管是一類重要的工業產品，在反映無縫鋼管質量的參數中，鋼管直線度及截面尺寸是主要的幾何參數。這兩個參數的在線檢測意義重大，是控制無縫鋼管制造質量的關鍵。現代工業技術已能實現無縫鋼管的大批量規模生產，但無縫鋼管直線度、截面尺寸的率檢測一直沒有得到很好的解決，原因可歸結為：無縫鋼管的制造環境惡劣，不允許采用接觸式的測量方法：無縫鋼管的空間尺寸大，大型無縫鋼管長度達十幾米，要求檢測系統具備很大的測量空間。基于線結構光視覺傳感器的光學坐標則量系統能夠 對無縫鋼管的直線度及截面尺寸進行較為拓線測量，其檢測原理圖如圖3所示。
由線結構光視覺傳感器組成檢測系統，傳感器的線結構光投射器的光平面和被測鋼管相交，得到鋼管截面的部分圓周，通過調整傳感器的視覺角度，從而得到整個圓周的表面數據，這些表面數據由圖像采集卡采集，再通過計算機系統進行擬合計算，得到該截面的尺寸和截面圓心的位置。在CMM的移動方向上傳感器順序測量無縫鋼管的多個截面，綜合多組數據得到無縫鋼管的直線度和截面尺寸。
2、控制系統模型的建立
該系統主要有四個功能模塊組成：集成測量系統建模、視覺傳感器測量視角規劃、測量數據的預處理、多視角測量數據的配準與拼接。其系統流程圖如圖4所示。
集成測量系統建模
集成測量系統建模主要包括兩個方面：
①視覺傳感器映射模型的建立；
②將視覺傳感器集成到CMM測量坐標系下，實現測量數據由視覺傳感器窨相對坐標系到CMM測量坐標系的轉換[1]。其中視覺傳感器的映射模型（攝像機的映射模型）建立如下：
其中：（ZW，YW，ZW）-全局坐標系；
（XS，YS，ZS）-攝像機坐標系；
R-兩坐標系之間的旋轉正交矩陣，由攝像機在空間的三個方位角ψ、φ、θ確定；
T-攝像機光心在空間坐標系中的坐標。
若令圖像坐標平面為X-Y，像素坐標為（x,y）,圖像坐標系坐標原點的坐標為（x0,y0）,fx、fy是橫縱CCD陣列的放大比例函數，則可以得到圖像坐標與攝像機之間的關系式[4]：
第二部分統一坐標系模型如下：
其中：Cn-齊次形式的攝像機坐標；
P-透視變換矩陣；
Wn-表示對應的齊次坐標。
視覺傳感器視角規劃
視覺傳感器視角規劃問題的提出主要是因為線結構傳感器只能測量無縫鋼管某一個截面的部分表面，因此必須調整傳感器的角度，從不同角度對無縫鋼管的截面進行測量，以獲得覆蓋整個截面的數據[2]。這要求在滿足測量精度的前提下，以少的測量視角對物體進行掃描。
圖像的預處理
由于對無縫鋼管截面部分圓周掃描得到數據是由排列密集、雜亂的數據點所組成的整個測量數據之間沒有明顯的拓撲關系，無法直接在該系統現有的商品化CAD系統中建立模型，因此必須對測得的數據進行分割預處理，生成規范的網格數據，滿足CAD建模的要求。因為對鋼管截面的擬合得到的是一個封閉的輪廓可采用邊緣檢出法進行分割，其數學模型如下：
多視角測量數據的配準與拼接
就是通過坐標變換的方法將不同坐標系下的數據點集轉換到統一的坐標系下，在此基礎上將配準后的數據拼接成完整的數據[3]。
四、結束語
基于線結構光視覺傳感器的光學坐標測量系統用于無縫鋼管的生產中，能較為的測量出所需參數，從而提高產品的質量，滿足生產的需求。（end）
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