CN103630082A - 一种基于三维扫描数据的转向轴内径测量方法 - Google Patents

本发明属于工业测量领域，涉及一种测量大型工件(汽车转向节)内径方法。本发明解决了传统测量与工件直接接触，精度较低，且易对工件造成污染等缺陷，具有精度高、实时性，减少工人的劳动强度，提高系统可靠性等优点。本发明利用基于双目视觉系统原理搭建而成的三维扫描仪将扫描到的工件点云生成数据，并将其导入到PC的三维处理软件当中；然后，将扫描到各个角度的点云数据利用Geomagic Studio软件准确拼接到一起生成完整三维立体图像，并进行合并与封装处理，使图像达到最佳测量状态。根据曲线拟合的原理创建拟合孔，并调整半径以期望达到实际物体半径与拟合半径的重合，从而测得被测物体的半径数据。

一种基于三维扫描数据的转向轴内径测量方法

技术领域

本发明涉及基于三维扫描数据的两种测量工件(汽车转向节)直径方法，更具体地说，本发明涉及一种用于大工件完整三维图像的(汽车转向节)直径测量方法。

背景技术

随着三维测量技术的发展，特别是三维扫描仪的问世，现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)也得到了精确的测量。测量转向轴内径的流程图如图1所示。

转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。转向节如图2(a)所示。

目前为止，国内外研究人员在测量大型工件直径尺寸方面也做了很多研究。国内常用的大型工件在线测量方法主要有通过多组平行光照明对工件成像，利用多组工件图像的信息来确定待测工件的直径和冯正鸣、蒋志成、李敬杰等人提出的测量工件直径的双光路法等方法。

目前国外的工件测量系统主要是通过计算机科学和人工智能等先进技术实现测量系统的自动化和智能化。比较好的大型工件直径测量系统主要有美国TSI公司开发的RDMS4200系列对小口径钢管的直径测量系统，该系统可环绕产品转动，其每分钟可提供140个钢管的轮廓信息，并通过CCD相机进行接收，其在线速度小于500m／min的情况下，能较好的提供完整的直径图形。该方法的优点是测量系统的旋转速度较快，分辨率较高，优于0.01mm，采用了精确测量旋转镜旋转角度的光电编码器，具有气体清理系统使系统停机时间最短，展示不同产品截图，能够测量不同的产品截面，例如方形，六角形等。

另外还有德国LAP公司研制的RDMS激光测径仪，其专门用于小型管材的非接触测量。该产品基本类型为RDMS900和RDMS180，其能够测量最大直径分别为80mm和160mm的线、棒以及管材的外径尺寸，测量精度能达到0.001mm。该系统通过激光扫描的方式进行测量。

德国联邦物理技术研究院(PTB)在高精度直径测量领域投入了大量经费和力量，并取得了世界领先的技术水平，对于来自计量领域和工业部门的不同需求，他们分别采用了不同的方法来测量这一关键量值。就其技术水平而言，其中以自行研制的直径和圆柱形状测量比较仪最为突出。PTB研制的这台直径和形状测量比较仪，采用了机械软测头与激光干涉测量结合的方法，实现圆柱内外径高精度绝对测量，而采用与标准圆柱表面相比较实现圆柱工件的形状测量。接触测头由带有测力控制机构的测杆和红宝石球形测头组成，在测量的初始位置两个测头的球心在水平和垂直两个方向上共轴，随后测头拉开分别与被测件的两个面接触找到最大直径位置，测头移动的距离由激光干涉仪测出。仪器在结构设计上严格遵循阿贝原则，最大程度地减小二次误差对测量结果的影响，并通过巧妙的机械结构设计提高仪器的动态性能。测量链上的机械框架由殷钢材料制成，温度膨胀系数非常小，有效避免了温度变化对测量的影响。PTB在研制直径和形状测量比较仪时提出的最高技术指标是：外径测量范围0～100mm，测量不确定度达到U=10nm／100mm，k=2，内径测量范围10～100mm，测量不确定度达到U=15nm／100mm，k=2；目前达到的水平是外径测量不确定度为U=12nm／100mm，k=2，内径测量不确定度为U=30nm／100mm，k=2。

此外，瑞士计量实验室(OFMET)的方法瑞士计量实验室为解决高精度轴孔直径测量问题对一台商用坐标测量机进行了改造，他们利用CMM工作台和导轨，将机械测头与激光干涉仪结合实现测量。激光干涉仪设计在机械测头球心连线上以避免产生阿贝误差，机械测头上设计有测力控制机构，实现测力变形补偿。该仪器测量范围为：[<700mm，测量不确定度为U=62nm／40mm，k=2，相对不确定度达到10-6量级。仪器的特点是：测头由整块殷钢材料电腐蚀加工而成，热稳定性、刚性和动态性能优良，这样的设计增加了垂直方向自由度，消除测头迟滞现象。此外，测头采用电容传感器控制测力，实现测力回推至零，从而消除了高精度测量中测力对测量结果的影响。该仪器的另一特色之处在于采用平面镜干涉仪，以实现测头在Z方向可移动越过被测工件，方便测量；但同时这种光路设计提高了对导轨直线度的要求。但测量时为保证所测量位置为真正的直径位置，必须在水平和垂直两个平面内寻找极值点，且测头直径也需预先标定。

由于接触式测量需与工件直接接触，精度较低，且易对工件造成污染，操作不便；而所述的测量方法基于计算机视觉原理，通过三维扫描仪的扫描和三维图像处理软件的加工合成，在汽车转向节的立体三维图像上进行测量和分析。这种方法在没有接触到工件的情况下进行操作处理，精度高，实时性，减少了工人的劳动强度，提高了工件的生产效率。

发明内容

本发明提供一种基于三维扫描数据的转向轴内径测量方法，经过三维扫描仪扫描并经过三维软件处理，得到完整的立体三维图像。在此基础上进行的转向轴内径测量能够达到迅速、精确的结果。本发明所用三维扫描仪如图2(b)所示。

所述的转向轴内径测量方法的硬件系统包括：

用于对转向节进行三维扫描处理的光学拍照式三维扫描仪1个；

用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机一台；

本发明所设计的基于三维扫描数据的转向轴内径测量方法，具体操作步骤如下：

步骤1：所述的光学拍照式三维扫描仪将扫描到的大型工件(汽车转向节)点云生成三维数据，并将其导入到PC的三维处理软件当中；然后，将扫描到各个角度的点云数据利用Geomagic Studio软件准确拼接到一起生成完整三维立体图像，并进行合并与封装处理，使图像达到最佳测量状态。这关系到工件所有测量数据的精确度及准度，需要足够的耐心与恒心才能顺利完成；

拼接完成并处理后的汽车转向节三维图像如图3(a)所示；

步骤2：所述的“创建拟合孔”指的是根据曲线拟合的原理在未知半径数据的圆柱形物体中创建圆心并调整半径以期望达到实际物体半径与拟合半径的重合，从而测得被测物体的半径数据。由此来看，最关键的一步是如何准确地确定立体工件的截面圆心。

根据几何原理我们知道，通过不在一条直线上的三个点能且仅能作一个圆，因此，要确定一条圆曲线，至少需要不在其上的三个点。确定圆心方法如下：

实地测量圆曲线上三点A、B、C，其坐标分别为A(x₁，y₁)，B(x₂，y₂)，C(x₃，y₃)，则圆心坐标及圆坐标可有下式求得：

x = 1 2 [ x 2 + x 3 + ( y 2 - y 3 ) ctgr ] y = 1 2 [ y 2 + y 3 + ( x 3 - x 2 ) ctgr ] - - - ( 1 )

R=S_BC／2sinr   (2)

下面给出(1)式的推导过程：

x = 1 2 ( x 2 + x 3 ) + 1 2 S BC ctgr . cos ( a BC + 90 ) = 1 2 ( x 2 + x 3 ) - 1 2 S BC sin &alpha; BC . ctgr = 1 2 [ x 2 + x 3 + ( y 2 - y 3 ) ctgr ] - - - ( 3 )

同理，

y = 1 2 ( y 2 + y 3 ) + 1 2 S BC ctgr . sin ( &alpha; BC + 90 ) = 1 2 [ y 2 + y 3 + ( x 3 - x 2 ) ctgr ] - - - ( 4 )

由以上公式可以看出，只要看A，B，C三点按顺时针排列，则(1)、(2)式皆适用。(3)式求得的x、(4)式求得的y分别即为圆心的横、纵坐标。因此，(1)、(2)式是已知圆上三点求圆心坐标通用的公式。

通过以上计算过程，可以求得圆心位置，为接下来在三维处理软件上的工作奠定了基础；

步骤3：接下来要在Geomagic Studio软件上来拟合圆的圆心位置，并求得圆的直径：

如图3(b)所示：在被测柱形物体上寻找到其边缘不在一条直线上的三个点，并做标记。利用曲线拟合和三点定圆原理创建圆形模型并计算出圆心位置。在扫描数据上找到圆心位置，拟合一个圆孔，创建一个拟合的轴心。与此同时，可以调节半径距离以期望达到所给物体半径与拟合半径的重合，从而测得被测物体的实际半径。

本发明的有益效果是：在没有接触到工件的情况下进行操作处理，精度高，实时性，减少了工人的劳动强度，提高了工件的生产效率。

附图说明

图1：测量转向轴内径流程图；

图2(a)：汽车转向节；

图2(b)：光学三维拍照式扫描仪；

图3(a)：处理后的完整三维图像；

图3(b)：拟合孔。

具体实施方式

本发明提出一种基于三维扫描数据的转向轴内径测量方法：创建拟合孔来测量转向轴内径，所述的方法是基于光学拍照式三维扫描仪所采集到的工件完整三维数据所得。测量转向轴内径的流程图如图1所示。

转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。转向节如图2(a)所示。

三维扫描仪的用途是创建物体几何表面的点云(point cloud)，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型，这个过程称作三维重建。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图，亦即所谓的材质印射。

本文测量转向节所用的是光学拍照式扫描仪，它是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。该扫描仪能同时测量一个面，测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。本发明所用三维扫描仪如图2(b)所示。

本发明所设计的基于三维扫描数据的转向轴内径测量方法，具体操作步骤如下：

步骤1：所述的光学拍照式三维扫描仪将扫描到的大型工件(汽车转向节)点云生成三维数据，并将其导入到PC的三维处理软件当中；然后，将扫描到各个角度的点云数据利用Geomagic Studio软件准确拼接到一起生成完整三维立体图像，并进行合并与封装处理，使图像达到最佳测量状态。这关系到工件所有测量数据的精确度及准度，需要足够的耐心与恒心才能顺利完成；

Geomagic是业界一款结合了实时三维扫描、三维点云和三角网格编辑功能以及全面CAD造型设计、装配建模、二维出图等功能的三维设计软件。生成三维图像的流程图如图2所示，拼接完成并处理后的汽车转向节三维图像如图3(a)所示。通过如上所述，便得到工件(汽车转向节)的完整三维图像。

曲线拟合指的是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系的一种数据处理方法。在科学实验或社会活动中，通过实验或观测得到量x与y的一组数据对(xi，yi)(i=1，2，…m)，其中各xi是彼此不同的。人们希望用一类与数据的背景材料规律相适应的解析表达式，y=f(x，c)来反映量x与y之间的依赖关系，即在一定意义下“最佳”地逼近或拟合已知数据。f(x，c)常称作拟合模型，式中c=(c1，c2，…cn)是一些待定参数。当c在f中线性出现时，称为线性模型，否则称为非线性模型。

步骤2：所述的“创建拟合孔”指的是根据曲线拟合的原理在未知半径数据的圆柱形物体中创建圆心并调整半径以期望达到实际物体半径与拟合半径的重合，从而测得被测物体的半径数据。由此来看，最关键的一步是如何准确地确定立体工件的截面圆心。

根据几何原理我们知道，通过不在一条直线上的三个点能且仅能作一个圆，因此，要确定一条圆曲线，至少需要不在其上的三个点。确定圆心方法如下：

实地测量圆曲线上三点A、B、C，其坐标分别为A(x₁，y₁)，B(x₂,y₂)，C(x₃，y₃)则圆心坐标及圆坐标可有下式求得：

x = 1 2 [ x 2 + x 3 + ( y 2 - y 3 ) ctgr ] y = 1 2 [ y 2 + y 3 + ( x 3 - x 2 ) ctgr ] - - - ( 1 )

R=S_BC／2sinr    (2)

下面给出(1)式的推导过程：

x M = 1 2 ( x 2 + x 3 ) , y M = 1 2 ( y 2 + y 3 ) , S CM = S BM ctgr = 1 2 S BC ctgr ,

则

x = 1 2 ( x 2 + x 3 ) + 1 2 S BC ctgr . cos ( a BC + 90 ) = 1 2 ( x 2 + x 3 ) - 1 2 S BC sin &alpha; BC . ctgr = 1 2 [ x 2 + x 3 + ( y 2 - y 3 ) ctgr ] - - - ( 3 )

同理，

y = 1 2 ( y 2 + y 3 ) + 1 2 S BC ctgr . sin ( &alpha; BC + 90 ) = 1 2 [ y 2 + y 3 + ( x 3 - x 2 ) ctgr ] - - - ( 4 )

由以上公式可以看出，只要看A，B，C三点按顺时针排列，则(1)、(2)式皆适用。(3)式求得的x、(4)式求得的y分别即为圆心的横、纵坐标。因此，(1)、(2)式是已知圆上三点求圆心坐标通用的公式。

通过以上计算过程，可以求得圆心位置，为接下来在三维处理软件上的工作奠定了基础。

步骤3：在Geomagic Studio软件上来拟合圆的圆心位置，并求得圆的直径：

拟合孔如图3(b)所示：在被测柱形物体上寻找到其边缘不在一条直线上的三个点，并做标记。利用曲线拟合和三点定圆原理创建圆形模型并计算出圆心位置。在扫描数据上找到圆心位置，拟合一个圆孔，创建一个拟合的轴心。与此同时，可以调节半径距离以期望达到所给物体半径与拟合半径的重合，从而测得被测物体的实际半径。

综上所述，本发明所述测量大型工件(汽车转向节)直径方法的优点是：

1)与被测对象没有接触，最大程度上减弱了观测者与被观测者之间的影响，提高系统的可靠性。

2)精度高，实时性，减少了工人的劳动强度，提高了工件的生产效率。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

1.一种基于三维扫描数据的转向轴内径测量方法：创建拟合孔来测量转向轴内径；所述的三维扫描数据是经过基于双目视觉系统原理搭建而成的光学拍照式三维扫描仪的扫描并处理得到的，所述的光学拍照式三维扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理；方法包括如下步骤：

步骤1：所述的光学拍照式三维扫描仪将扫描到的大型工件(汽车转向节)点云生成三维数据，并将其导入到PC的三维处理软件当中；然后，将扫描到各个角度的点云数据利用Geomagic Studio软件准确拼接到一起生成完整三维立体图像，并进行合并与封装处理，使图像达到最佳测量状态；

步骤2：所述的“创建拟合孔”指的是根据曲线拟合的原理在未知半径数据的圆柱形物体中创建圆心并调整半径以期望达到实际物体半径与拟合半径的重合，从而测得被测物体的半径数据；由此来看，最关键的一步是如何准确地确定立体工件的截面圆心；

根据几何原理我们知道，通过不在一条直线上的三个点能且仅能作一个圆，因此，要确定一条圆曲线，至少需要不在其上的三个点；确定圆心方法如下：

实地测量圆曲线上三点A、B、C，其坐标分别为A(x₁，y₁)，B(x₂，y₂)，C(x₃，y₃)，则圆心坐标及圆坐标可有下式求得：

x = 1 2 [ x 2 + x 3 + ( y 2 - y 3 ) ctgr ] y = 1 2 [ y 2 + y 3 + ( x 3 - x 2 ) ctgr ] - - - ( 1 )

R=S_BC／2sinr   (2)

由以上公式可以看出，只要看A，B，C三点按顺时针排列，则(1)、(2)式皆适用；因此，(1)、(2)式是已知圆上三点求圆心坐标通用的公式；

通过以上计算过程，可以求得圆心位置，为接下来在三维处理软件上的工作奠定了基础；

步骤3：接下来要在Geomagic Studio软件上来拟合圆的圆心位置，并求得圆的直径：

在被测柱形物体上寻找到其边缘不在一条直线上的三个点，并做标记；利用曲线拟合和三点定圆原理创建圆形模型并计算出圆心位置；在扫描数据上找到圆心位置，拟合一个圆孔，创建一个拟合的轴心；与此同时，可以调节半径距离以期望达到所给物体半径与拟合半径的重合，从而测得被测物体的实际半径。