一種基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于工業(yè)測量領(lǐng)域，涉及一種測量大型工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))直徑方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)測量與工件直接接觸，精度較低，且易對工件造成污染等缺陷，具有精度高、實時性，減少工人的勞動強度，提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點。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，并進行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測量狀態(tài)；然后將被測工件選取三點確定一平面，用多重截面曲線截取柱形橫截面，生成截面曲線圖；確定兩端點并實時測量，得到兩點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))直徑測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著三維測量技術(shù)的發(fā)展，特別是三維掃描儀的問世，現(xiàn)實世界中物體或環(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))也得到了精確的測量。轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測量方法流程圖如圖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，支承并帶動前輪繞主銷轉(zhuǎn)動而使汽車轉(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量方法主要有通過多組平行光照明對工件成像，利用多組工件圖像的信息來確定待測工件的直徑和馮正鳴、蔣志成、李敬杰等人提出的測量工件直徑的雙光路法等方法。
[0005]目前國外的工件測量系統(tǒng)主要是通過計算機科學(xué)和人工智能等先進技術(shù)實現(xiàn)測量系統(tǒng)的自動化和智能化。比較好的大型工件直徑測量系統(tǒng)主要有美國TSI公司開發(fā)的RDMS4200系列對小口徑鋼管的直徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可環(huán)繞產(chǎn)品轉(zhuǎn)動，其每分鐘可提供140個鋼管的輪廓信息，并通過CXD相機進行接收，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)點是測量系統(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)停機時間最短，展示不同產(chǎn)品截圖，能夠測量不同的產(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激光測徑儀，其專門用于小型管材的非接觸測量。該產(chǎn)品基本類型為RDMS900和RDMS180，其能夠測量最大直徑分別為80mm和160mm的線、棒以及管材的外徑尺寸，測量精度能達(dá)到0.001_。該系統(tǒng)通過激光掃描的方式進行測量。
[0007]德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)在高精度直徑測量領(lǐng)域投入了大量經(jīng)費和力量，并取得了世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，對于來自計量領(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量比較儀最為突出。PTB研制的這臺直徑和形狀測量比較儀，采用了機械軟測頭與激光干涉測量結(jié)合的方法，實現(xiàn)圓柱內(nèi)外徑高精度絕對測量，而采用與標(biāo)準(zhǔn)圓柱表面相比較實現(xiàn)圓柱工件的形狀測量。接觸測頭由帶有測力控制機構(gòu)的測桿和紅寶石球形測頭組成，在測量的初始位置兩個測頭的球心在水平和垂直兩個方向上共軸，隨后測頭拉開分別與被測件的兩個面接觸找到最大直徑位置，測頭移動的距離由激光干涉儀測出。儀器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上嚴(yán)格遵循阿貝原則，最大程度地減小二次誤差對測量結(jié)果的影響，并通過巧妙的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提高儀器的動態(tài)性能。測量鏈上的機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測量的影響。PTB在研制直徑和形狀測量比較儀時提出的最高技術(shù)指標(biāo)是:外徑測量范圍O?IOOmm,測量不確定度達(dá)到U=10nm/100mm, k=2,內(nèi)徑測量范圍10?100mm，測量不確定度達(dá)到U=15nm/100mm，k=2 ;目前達(dá)到的水平是外徑測量不確定度為 U=12nm/100mm, k=2,內(nèi)徑測量不確定度為 U=30nm/100mm, k=2。
[0008]此外，瑞士計量實驗室(OFMET)的方法瑞士計量實驗室為解決高精度軸孔直徑測量問題對一臺商用坐標(biāo)測量機進行了改造，他們利用CMM工作臺和導(dǎo)軌，將機械測頭與激光干涉儀結(jié)合實現(xiàn)測量。激光干涉儀設(shè)計在機械測頭球心連線上以避免產(chǎn)生阿貝誤差，機械測頭上設(shè)計有測力控制機構(gòu)，實現(xiàn)測力變形補償。該儀器測量范圍為:[〈700_，測量不確定度為U=62nm/40mm，k=2，相對不確定度達(dá)到10_6量級。儀器的特點是:測頭由整塊殷鋼材料電腐蝕加工而成，熱穩(wěn)定性、剛性和動態(tài)性能優(yōu)良，這樣的設(shè)計增加了垂直方向自由度，消除測頭遲滯現(xiàn)象。此外，測頭采用電容傳感器控制測力，實現(xiàn)測力回推至零，從而消除了高精度測量中測力對測量結(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，以實現(xiàn)測頭在Z方向可移動越過被測工件，方便測量；但同時這種光路設(shè)計提高了對導(dǎo)軌直線度的要求。但測量時為保證所測量位置為真正的直徑位置，必須在水平和垂直兩個平面內(nèi)尋找極值點，且測頭直徑也需預(yù)先標(biāo)定。
[0009]由于接觸式測量需與工件直接接觸，精度較低，且易對工件造成污染，操作不便；而所述的測量方法基于計算機視覺原理，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行測量和分析。這種方法在沒有接觸到工件的情況下進行操作處理，精度高，實時性，減少了工人的勞動強度，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)上進行的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測量能夠達(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)直徑測量方法的硬件系統(tǒng)包括:
[0012]用于對轉(zhuǎn)向節(jié)進行三維掃描處理的光學(xué)拍照式三維掃描儀I個；
[0013]用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機一臺；
[0014]本發(fā)明所設(shè)計的基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向軸內(nèi)徑測量方法，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，將掃描到各個角度的點云數(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,并進行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測量狀態(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:對齊平面。
[0018]在一個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連成的線段作為圓的直徑不夠準(zhǔn)確。在被測柱形物體要測圓形的平面中選取三點，從而確立一個平面，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)動工件角度，使之與側(cè)面圖相吻合。其中，需要小心轉(zhuǎn)動，仔細(xì)甄別，從而確定要測柱形的直徑兩端點。具體測量如圖4(d)所示；
[0024]將被測柱形放大到一定程度(若在比較小的圖上選取兩點，誤差會比較大)，選取近似于一條線段的兩個端點，并利用Geomagic Studio軟件中的測距功能測得兩端點的距離，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行操作處理，精度高，實時性，減少了工人的勞動強度，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，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):被測柱形截面曲線放大圖。
【具體實施方式】
[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)直徑測量方法:建立多重截面曲線來測量轉(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，支承并帶動前輪繞主銷轉(zhuǎn)動而使汽車轉(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云(point cloud),這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型，這個過程稱作三維重建。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進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量設(shè)備，采用的是目前國際上最先進的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測量原理。該掃描儀能同時測量一個面，測量時光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應(yīng)圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理，解算出兩個攝像機公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標(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)計的基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測量方法，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，將掃描到各個角度的點云數(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,并進行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測量狀態(tài)。
[0040]Geomagic是業(yè)界一款結(jié)合了實時三維掃描、三維點云和三角網(wǎng)格編輯功能以及全面CAD造型設(shè)計、裝配建模、二維出圖等功能的三維設(shè)計軟件。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量轉(zhuǎn)向軸直徑的方法。
[0042]步驟2:對齊平面。
[0043]在被測柱形物體要測圓形的平面中選取三點，從而確立一個平面，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)動工件角度，使之與側(cè)面圖相吻合。其中，需要小心轉(zhuǎn)動，仔細(xì)甄別，從而確定要測柱形的直徑兩端點。將被測柱形放大到一定程度(若在比較小的圖上選取兩點，誤差會比較大)，選取近似于一條線段的兩個端點，并利用Geomagic Studio軟件中的測距功能測得兩端點的距離，即為柱形截面圓的直徑。
[0048]綜上所述，本發(fā)明所述兩種測量大型工件(汽車轉(zhuǎn)向節(jié))直徑方法的優(yōu)點是:
[0049]I)與被測對象沒有接觸，最大程度上減弱了觀測者與被觀測者之間的影響，提高系統(tǒng)的可靠性。
[0050]2)精度高，實時性，減少了工人的勞動強度，提高了工件的生產(chǎn)效率。
[0051]以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，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)計出與該技術(shù)方案相似的技術(shù)方案與實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三維掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向節(jié)直徑測量方法:建立多重截面曲線來測量轉(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量設(shè)備，采用的是目前國際上最先進的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測量原理；方法包括如下步驟: 步驟1:掃描并進行三維處理； 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，將掃描到各個角度的點云數(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，并進行合并與封裝處理，使圖像達(dá)到最佳測量狀態(tài)； 步驟2:對齊平面； 在一個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連成的線段作為圓的直徑不夠準(zhǔn)確；在被測柱形物體要測圓形的平面中選取三點，從而確立一個平面，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量的直徑數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確； 步驟4:生成截面曲線圖并測量； 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)動工件角度，使之與側(cè)面圖相吻合；其中，需要小心轉(zhuǎn)動，仔細(xì)甄別，從而確定要測柱形的直徑兩端點；將被測柱形放大到一定程度(若在比較小的圖上選取兩點，誤差會比較大)，選取近似于一條線段的兩個端點，并利用Geomagic Studio軟件中的測距功能測得兩端點的距離，即為柱形截面圓的直徑。
【文檔編號】G01B11/08GK103615985SQ201310680882
【公開日】2014年3月5日 申請日期: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 申請人:天津工業(yè)大學(xué)