CN101650156B - 超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于超塑性非球面自由胀形实验中超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置和方法，也适于轴对称旋转曲面形状变化几何参数的测量。该装置由被测胀形件、环形光源、摄像机、PC机和可调云台组成，所述的环形光源与摄像机的镜头同轴，且位于被测胀形件与摄像机之间，环形光源和摄像机安装在可调云台上，PC机控制摄像机连续采集被测胀形件图像，并对采集的图像进行处理，测算出被测胀形件的几何参数。本发明的测量方法与其它测量方法相比，以胀形件图像作为信息载体，通过对图像其分析处理，从中提取有用的信息，达到测量的目的，具有非接触和获得信息丰富等优点，且测量精度高，速度快，可实现在线实时测量。

Description

超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置和方法

技术领域：

本发明专利属于现代先进制造的仪器技术领域，具体是涉及一种特别适用于超塑性非球面自由胀形实验中胀形件几何参数测量的装置，也适于轴对称旋转曲面形状变化几何参数的测量。

技术背景：

超塑性胀形是超塑性成形的重要工艺之一，在进行超塑性理论研究和应用开发中都占有重要的地位。超塑自由胀形的真实几何形状为轴对称旋转曲面，为了建立准确的力学解析理论，就必须精确测量胀形件旋转曲面的外形轮廓。而胀形过程中试件温度较高、且变形是在压边桶中进行的，目前的实验装置只能测量试件极点处的高度变化，对于其轮廓外形的测量，是在停止胀形并将试件从压边桶中拿出后再测量，这样，一次实验中要想获取试件在不同高度下的几何参数，就必须将若干个试件胀至要求的高度后再行测量。而且测量的方法，早期是先将试件过中心轴切割开，将其轮廓印在纸上，然后测量其经向曲率半径和纬向曲率半径，这种测量方法不易将纬向的小角度Δθ测得很准，为此笔者设计了非球面测量仪，并获得中国发明专利。使用该仪器，无须将试件切开，只要沿经向和纬向测得任意两点的数据，即可求得对应的经向曲率半径和纬向曲率半径，但这种方法必须与试件接触，也必然存在人为测量的随机误差，而且不能在线测量。利用三坐标测量仪测量，虽然是非接触测量，而且所得的数据比较精确，但设备造价高，所占空间大，也不易在线测量。用三维结构光扫描仪(如3DSS)，先扫描胀形件的轮廓，然后也可测得其经向曲率半径和纬向曲率半径，但3DSS扫描仪的售价也较高，且实时性无法满足实验中测量的要求。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在超塑自由胀形实验中可在线、实时测量胀形件几何参数并记录几何参数变化的超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置和方法。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下。

超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置，该装置由被测胀形件、环形光源、摄像机、PC机和可调云台组成，所述的环形光源2与摄像机3的镜头同轴，且位于被测胀形件1与摄像机3之间，环形光源2和摄像机3安装在可调云台5上，PC机4控制摄像机3连续采集被测胀形件1图像，并对采集的图像进行处理，测算出被测胀形件1的几何参数。

所述的安装摄像机3的可调云台5台面既能绕X、Y和Z三个轴旋转，也能沿Z轴方向移动，并由光栅位移传感器测量移动的距离。

采用所述的超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置基于视觉的胀形件图像测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1、调整摄像机3视角；

2、标定摄像机3内参数；

3、测算被测胀形件1物面至摄像机3光心的距离即物距；

4、采集被测胀形件1图像，并对图像处理，确定图像中被测胀形件1的轮廓边缘上各点的坐标；

5、结合标定的摄像机1内参数，计算物面上对应各点的实际坐标；

6、对计算所得的实际坐标进行修正，求得被测胀形件1旋转体边缘各点的真实坐标。

所述的摄像机3视角调整包括下列步骤：

1、利用一个已知尺寸的正方体作为标定模块，将其中的一个侧面作为标定参考面，放置在胀形实验中被测胀形件1的被测物面所处的位置处，摄像机3正对标定参考面即被测物面后，采集其图像；

2、应用梯度算子，从采集图像中检测出标定参考面上正方形的边缘；

3、采用亚像素算法，计算图像中正方形四个边的边长；

4、通过调整可调云台5来调整摄像机3视角，使图像中的两组平行边方向与像面上坐标轴方向平行，且每组平行边的大小相等。

所述的摄像机3内参数标定时，根据正方体边长与被测物面上所成像的比值，求得表示图像中的每个像素点在x轴和y轴方向所代表的真实几何尺寸的摄像机3内参数k_xd、k_yd。

所述的物距测量时，通过移动可调云台5来移动摄像机3，并记录移动的距离，根据移动前后所成像的尺寸，测算出被测物面至摄像机3光心的距离即物距。

对测量结果进行修正：通过误差修正公式修正后，求得旋转体胀形件边缘各点的真实坐标。

本发明的有益效果：

1.以胀形件图像作为信息载体，通过对图像其分析处理，从中提取有用的信息，达到测量的目的，具有非接触和获得信息丰富等优点。

2.测量精度高，速度快，可实现在线实时测量。

3.与胀形实验装置的控制***结合在一起，共用同一PC机控制，具有集控制、测量与图像处理于一体的特点。

附图说明：

附图1为测量***硬件组成图；

附图2(a)为摄像机标定示意图；

附图2(b)为测量***物距测定示意图；

附图2(c)为旋转体成像投影误差分析图；

附图3轴对称旋转曲面胀形测量示意图；

附图4实验测得的胀形件轮廓曲线。

图中：1为像面 2为物面 3为试件轮廓 4为投影轮廓

具体实施方式：

下面结合附图实施例，进一步说明本发明的具体内容及其使用方法。

以测量形状为轴对称旋转曲面的胀形件的为例，如图4所示，其几何参数的测量内容主要测得图中胀形件轮廓曲线上各点的坐标，以此可以拟合出该轮廓曲线的方程，进一步求解曲面上各点的纬向曲率半径ρ_θ和经向曲率半径ρ_s。

图1给出了整个测量装置的组成图，由被测胀形件、环形光源、摄像机、PC机和可调云台组成。

其中数字摄像机选择可根据被测试件的尺寸范围和测量精度要求来选择。图4中由于试验中试样和压边圈的尺寸限制，其胀形件轮廓的最大尺寸在120mm×120mm范围内。因此，选择分辨率为1280×1024的摄像机时，其宽度和高度方向的像素级精度分别为120/1280＝0.09mm和120/1024＝0.12mm，结合亚像素算法可进一步提高测量精度。本专利选择具有USB2.0标准接口的DH-HV1302UC工业彩色数字摄像机，其分辩率为1280×1024，最高分辨率下的采集帧率为15帧/秒，并配备焦距为50mm的通用定焦距镜头；

摄像过程中的照明采用环形LED光源；

可调云台是在市购通用云台的基础上加以改造后，市购云台一般具有在水平和垂直两个方向摆动功能，在此基础上增加绕光轴的旋转和沿光轴方向移动的功能后便可应用。可调云台光轴方向移动位移的测量采用TG110光栅测微传感器。

由于胀形实验是在在超塑胀形实验装置的压边桶侧壁开设一观察窗，数字摄像机正对观察窗，以便观测和记录胀形过程，在胀形实验过程中，通过对所采集的图像数据的处理，进而计算出胀形件的几何参数。主要过程如下：

在进行胀形件测量前，首先必须进行摄像机视角调整，使其光轴与被侧面垂直，结合图2(a)进行说明。取一边长尺寸已知的正方体作为标定用模板，将其放置在胀形实验中胀形件所处的位置处，使立方体的一个侧面与胀形件中心剖面所处位置重合，将该侧面作为被测面并成像，如果摄像机光轴与被侧面垂直，则成像后有|A′B′|＝|C′D′|、|A′D′|＝|B′C′|，否则，可通过调整可调云台来调整摄像机视角，将其绕X轴或Y轴旋转，直至其光轴与被测面垂直；然后将可调云台绕Z轴旋转，直至A′B′边和C′D′边均与U轴平行。

然后进行摄像机标定，确定图像上的每个像素点与实际尺寸间的对应关系，在图2(a)中，根据被测面上各边的边长(真实几何尺寸)与所对应的像的长(像素值)，即可求得摄像机参数：

$k_{\mathrm{xd}}=\frac{\left|\mathrm{AB}\right|}{\left|A^{\′}{B}^{\′}\right|},$ $k_{\mathrm{yd}}=\frac{\left|\mathrm{BC}\right|}{\left|B^{\′}{C}^{\′}\right|}$

测算被测物面与与镜头光心之间的距离(即物距)，将摄像机沿光轴方向由初始位置I移动至位置II，光栅位移传感器检测出移动的距离k，移动前后标定模块上的CD边所成的像分别为C′D′和C″D″，如图2(b)，根据成像的几何关系有：

$\frac{\left|C^{\′}{D}^{\′}\right|}{\left|\mathrm{CD}\right|}=\frac{\mathrm{\υ}}{u}$

$\frac{\left|C^{\′\′}{D}^{\′\′}\right|}{\left|\mathrm{CD}\right|}=\frac{\mathrm{\υ}}{u-k}$

上述两式中υ和u分别表示像距和物距，|C′D′|和|C″D″|为不同位置CD边的像长，可采用图像处理算法，求出对应的像素数n′和n″，而摄像机中每个像素的尺寸作为其硬件参数是已知的，如DH-HV1302UC型摄像机像素尺寸为5.2μm×5.2μm，因此，|C′D′|＝0.0052×n′mm，|C″D″|＝0.0052×n″mm，而|CD|和k已知，因此代入后联立两式，求得成像***的像距υ和物距u，至此摄像机视角调整和标定全部完成，接下来便可进行实验测量。

实验测量分两步进行：实验过程中只测量试样极点高度的变化，并按照设定的频率保存图像数据；轮廓检测等进一步的处理，是在实验结束后对保存的图像进行，以下为实验后测量的主要过程。

采集的试件图像如图4，进行图像测量时应用图像处理边缘检测以及亚像素算法，精确定位图像中试件的边缘点，求得试件边缘上的点相对图2(a)中的O′的坐标(u，υ)，(u₀，υ₀)，O′为光轴与像面的交点，可取像面的中心点。

如图2(c)，被测轮廓3所在的物面上，在光轴的垂足Ow处建立图示的坐标系，则在该坐标系中，根据像点边缘的坐标(u，υ)，求得物面上的坐标为(k_xdu，k_ydυ)。

由于三维空间中的物体到像平面的投影关系是由成像模型确定，理想的投影成像模型是光学中的中心投影，也称小孔模型。由于胀形件的真实外形为轴对称旋转曲面，基于小孔模型的单目成像***所成的像并非是试件中心剖面上的轮廓的投影，如图2(c)中，A、B为像面上图像中试件轮廓边缘处的两点，直线AO_C和BO_C与旋转曲面相切于点A′和B′，与被测物面相交于A″和B″点，由此可知，点A是A′的像，根据像面上A(u，υ)点的坐标求得的物面上对应点的坐标(k_xdu，k_ydυ)为A″点的坐标，因此必须对测量结果进行修正。在图2(c)中A′所在的纬线圆的半径ξ就是|O′A′|，实际测量时，由于物距较大，可假设过A′的纬线圆与O_CA′相切，则根据所示几何关系有

$\mathrm{\ξ}=\left|O^{\′}{A}^{\′}\right|=\left|\mathrm{Ow}{C}^{\′}\right|=\frac{\left|O_C\mathrm{Ow}\right|\×\left|\mathrm{Ow}{C}^{\′\′}\right|}{\sqrt{{\left|O_C\mathrm{Ow}\right|}^2+{\left|\mathrm{Ow}{C}^{\′\′}\right|}^2}}=\frac{u\×{\mathrm{\ξ}}^{\′\′}}{\sqrt{u^2+{\mathrm{\ξ}}^{\′\′2}}}---\left(1\right)$

式中u表示光心到物面的距离即物距，ξ″为A″的Xw坐标即k_xdu。A′、B′所在纬线圆上点的Yw坐标为图中的|O′Ow|，即

Yw＝|O′Ow|＝|A′C′|

图中A′C′平行于A″C″，故 $\left|A^{\′}{C}^{\′}\right|=\frac{\left|\mathrm{Oc}{C}^{\′}\right|}{\left|\mathrm{Oc}{C}^{\′\′}\right|}\×\left|A^{\′\′}{C}^{\′\′}\right|,$ 代入上式得

$\mathrm{Yw}=\frac{\sqrt{u^2-{\mathrm{\ξ}}^2}}{\sqrt{u^2+{\mathrm{\ξ}}^{\′\′2}}}\×{\mathrm{Yw}}^{\′\′}---\left(2\right)$

式中Yw″为A″的Yw坐标即k_xdυ，至此便求得胀形件轮廓上各点的真实坐标(ξ，Yw)，以此便可做出轮廓曲线如图4(b)，进一步便可曲面上各点的纬向曲率半径ρ_θ和经向曲率半径ρ_s。

Claims (6)

1.超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置，该装置由被测胀形件、环形光源、摄像机、PC机和可调云台组成，其特征在于，所述的环形光源(2)与摄像机(3)的镜头同轴，且位于被测胀形件(1)与摄像机(3)之间，环形光源(2)和摄像机(3)安装在可调云台(5)上，PC机(4)控制摄像机(3)连续采集被测胀形件(1)图像，并对采集的图像进行处理，测算出被测胀形件(1)的几何参数。

2.一种采用权利要求1所述的装置进行超塑性非球面自由胀形几何参数测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)调整摄像机(3)视角；

2)标定摄像机(3)内参数；

3)测算被测胀形件(1)物面至摄像机(3)光心的距离即物距；

4)采集被测胀形件(1)图像，并对图像处理，确定图像中被测胀形件(1)的轮廓边缘上各点的坐标；

5)结合标定的摄像机(1)内参数，计算物面上对应各点的实际坐标；

6)对计算所得的实际坐标进行修正，求得被测胀形件(1)旋转体边缘各点的真实坐标。

3.根据权利要求2所述的超塑性非球面自由胀形几何参数测量方法，其特征在于，所述的摄像机(3)视角调整包括下列步骤：

1)利用一个已知尺寸的正方体作为标定模块，将其中的一个侧面作为标定参考面，放置在胀形实验中被测胀形件(1)的被测物面所处的位置处，摄像机(3)正对标定参考面即被测物面后，采集其图像；

2)应用梯度算子，从采集图像中检测出标定参考面上正方形的边缘；

3)采用亚像素算法，计算图像中正方形四个边的边长；

4)通过调整可调云台(5)来调整摄像机(3)视角，使图像中的两组平行边方向与像面上坐标轴方向平行，且每组平行边的大小相等。

4.根据权利要求2所述的超塑性非球面自由胀形几何参数测量方法，其特征在于，所述的摄像机(3)内参数标定时，根据正方体边长与被测物面上所成像的比值，求得表示图像中的每个像素点在x轴和y轴方向所代表的真实几何尺寸的摄像机(3)内参数k_xd、k_yd。

5.根据权利要求2所述的超塑性非球面自由胀形几何参数测量方法，其特征在于，所述的物距测量时，通过移动可调云台(5)来移动摄像机(3)，并记录移动的距离，根据移动前后所成像的尺寸，测算出被测物面至摄像机(3)光心的距离即物距。

6.根据权利要求2所述的超塑性非球面自由胀形几何参数测量方法，其特征在于，对测量结果进行修正：通过修正后，求得旋转体胀形件边缘各点的真实坐标。

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