摘 要：隨著制造業(yè)自動(dòng)化程度越來越高，傳統(tǒng)的尺寸測量設(shè)備和方法已難以滿足大型高溫鍛件尺寸在線測量的要求。該文闡述大型高溫鍛件尺寸在線測量系統(tǒng)的重要性，介紹大尺寸工件在線測量的發(fā)展現(xiàn)狀，指出目前大型高溫鍛件尺寸在線測量存在的問題，提出一種基于多目視覺的大型長軸類鍛件尺寸測量方法，對測量系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，建立計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)該測量方法特點(diǎn)與局限性，并指出未來進(jìn)一步探索的方向。

關(guān)鍵詞：大型鍛件；長軸類；在線測量；多目視覺；測量技術(shù)

中圖分類號：TG316.193 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0185-04

Abstract： With the increasing degree of automation in the manufacturing industry， traditional size measurement equipment and methods have become difficult to meet the requirements of online size measurement of large high-temperature forgings. This paper expounds the importance of online size measurement system for large high-temperature forgings， expounds the development status of online measurement of large size workpieces， points out the problems existing in online measurement of large high-temperature forgings size， proposes a size measurement method for large-long axis forgings based on multi-ocular vision， designs the measurement system， establishes a mathematical model for calculation， summarizes the characteristics and limitations of this measurement method， and points out the direction of further exploration in the future.

Keywords： large-forging; long shaft; online measurement; multi-ocular vision; measurement technology

大型鍛件是很多大型生產(chǎn)裝備的關(guān)鍵部件，在航天、軍工、船舶等制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。不論在生產(chǎn)過程中，還是生產(chǎn)完成后，大型鍛件尺寸的測量都是一項(xiàng)重要的工作。在鍛造過程中需要多次測量鍛件的尺寸，因?yàn)殄懠耐庑纬叽缡菈合铝?、鍛打力、鍛打次?shù)等工藝參數(shù)的主要依據(jù)之一[1-2]。由于大型鍛件的生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境溫度高，大型高溫鍛件尺寸測量工作強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高，且測量效率低。大型長軸類鍛件的軸向尺寸較大，常使用自由鍛的方法鍛造，加工時(shí)鍛件尺寸在線測量難度大。隨著制造業(yè)自動(dòng)化程度越來越高，傳統(tǒng)的尺寸測量設(shè)備和人工接觸式測量方法已難以滿足在線測量的要求[3-4]。目前，我國還是比較缺乏在線檢測大型高溫鍛件尺寸的測量系統(tǒng)及測量方法。

機(jī)器視覺檢測技術(shù)有著測量速度快、效率高、安全性好的特點(diǎn)，成功地應(yīng)用在軍事、安防、制造業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，在各領(lǐng)域智能化、現(xiàn)代化發(fā)展的道路上有著舉足輕重的地位[5-6]。在制造業(yè)加工測量領(lǐng)域中，機(jī)器視覺檢測技術(shù)因其特有的非接觸式測量的優(yōu)勢得到了廣大研究學(xué)者的重視，與傳統(tǒng)測量方法相比較具有測量速度快、可代替人工在惡劣高危環(huán)境中完成測量工作，可以大大提高生產(chǎn)的效率和自動(dòng)化程度，在大型鍛件尺寸在線測量系統(tǒng)研究領(lǐng)域有著良好的開發(fā)應(yīng)用前景。

1 大尺寸工件在線測量的研究現(xiàn)狀

通過查閱大量的文獻(xiàn)及走訪企業(yè)調(diào)研，了解到大尺寸工件在線測量的需求和要求都在不斷提高，目前也很多學(xué)者對基于機(jī)器視覺檢測技術(shù)的大尺寸在線測量方法開展了研究活動(dòng)?？到芑⒌萚7]采用三相機(jī)結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種的高溫鍛件三維尺寸在線測量系統(tǒng)，可適用于鍛件熱態(tài)測量。馬平等[8]研究了基于定位平臺(tái)的大尺寸工件視覺測量方法，結(jié)合單目視覺系統(tǒng)和定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對大幅面工件進(jìn)行全尺寸測量，實(shí)現(xiàn)了非接觸測量大尺寸工件，并取得較高的測量精度；馮西等[9]研究了一種基于機(jī)器視覺的大尺寸工件自動(dòng)測量系統(tǒng)，利用光電編碼器精確定位相機(jī)位置，將大尺寸工件分解為多個(gè)部分進(jìn)行采集，建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)大尺寸工件的尺寸測量，系統(tǒng)算法精度高，穩(wěn)定性好。崔功強(qiáng)[10]提出了一種結(jié)合線陣相機(jī)、亞像素邊緣檢測技術(shù)及圖像拼接技術(shù)的大尺寸工件測量方法，實(shí)現(xiàn)了大尺寸工件高精度測量。唐寒冰等[11]將數(shù)張含有重疊部分的圖像，通過圖像配準(zhǔn)和圖像融合兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，拼接成一幅具有高分辨率且包含完整信息的圖像的技術(shù)，來完成大尺寸零件測量。鄭伊玫等[12]以機(jī)器視覺為核心，結(jié)合優(yōu)化后的SURF特征點(diǎn)匹配和最小二乘法擬合等算法，提出可對大尺寸工件的孔洞和邊線等參數(shù)進(jìn)行高精度測量分析的系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)檢測方法，具有高精度和高效率的優(yōu)點(diǎn)。

近年來，基于機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的在線測量技術(shù)已取得了較大的發(fā)展，但其在大型高溫鍛件尺寸測量應(yīng)用中仍存在一些問題。尺寸超過3 m的大型鍛件尺寸測量中，限于攝像機(jī)分辨率，固定位置的單目視覺檢測系統(tǒng)不能完成測量任務(wù)。若選擇單目視覺系統(tǒng)進(jìn)行測量，需要結(jié)合相機(jī)定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由定位系統(tǒng)運(yùn)載相機(jī)到達(dá)多個(gè)拍照點(diǎn)拍照，再通過圖片拼接融合技術(shù)恢復(fù)鍛件圖像全貌。但是由于定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要較長時(shí)間來完成相機(jī)定位，存在測量響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。

多目視覺檢測技術(shù)能實(shí)現(xiàn)在線快速測量大型鍛件尺寸，能提高生產(chǎn)效率，有助于推動(dòng)鍛造領(lǐng)域的智能自動(dòng)化發(fā)展，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)大型鍛件尺寸非接觸測量，提高測量速度，提高生產(chǎn)效率，本文對基于多目視覺的大型長軸類鍛件尺寸測量方法進(jìn)行研究。

2 基于多目視覺的大型長軸類鍛件尺寸測量系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

相機(jī)位置固定的單相機(jī)視覺檢測系統(tǒng)，由于視場限制，無法完成大型長軸類鍛件尺寸的測量任務(wù)。若搭配相機(jī)定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由于需要一定的時(shí)間完成相機(jī)定位任務(wù)，導(dǎo)致系統(tǒng)存在測量響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。本文針對大型長軸類鍛件尺寸測量，采用4個(gè)相機(jī)組合搭建視覺檢測系統(tǒng)，相機(jī)空間布局示意圖如圖1所示，檢測臺(tái)上方布置2個(gè)相機(jī)，檢測臺(tái)側(cè)面布置2個(gè)相機(jī)，其中相機(jī)C、D經(jīng)過標(biāo)定后分別測量鍛件兩端的高度，4個(gè)相機(jī)結(jié)合測量鍛件的長度及鍛件兩端的寬度。相機(jī)支架可上下左右活動(dòng)，可以根據(jù)實(shí)際需求改變4個(gè)相機(jī)的位置。主要電路硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，4個(gè)相機(jī)和電腦接到交換機(jī)，通過TCP協(xié)議進(jìn)行通信。本測量系統(tǒng)針對大型長軸類鍛件尺寸測量，通過視覺測量鍛件兩端的尺寸數(shù)據(jù)，再結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算模型，獲得大型長軸類鍛件的整體尺寸。其中，相機(jī)A和相機(jī)C組合測量鍛件左端的與相機(jī)A的光軸相對距離；相機(jī)B和相機(jī)D組合測量鍛件右端的與相機(jī)B的光軸的相對距離。

2.2 尺寸計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

在視覺測量系統(tǒng)里，建立相機(jī)成像模型和尺寸計(jì)算的數(shù)學(xué)模型是開展視覺測量研究工作的基礎(chǔ)任務(wù)。針孔模型是典型的相機(jī)成像模型，也是理想模型，通過近似三角形知識求得模型中參數(shù)的比例關(guān)系式[13-14]。本文以長度測量為例，以相機(jī)針孔模型為基礎(chǔ)，建立長度尺寸計(jì)算數(shù)學(xué)模型如圖3所示。鍛件長度尺寸計(jì)算如公式（1）所示，L3為相機(jī)A光軸與相機(jī)B光軸的距離，L1為鍛件左端與相機(jī)A光軸的相對距離，L2為鍛件右端與相機(jī)B光軸的相對距離。由相機(jī)A的針孔成像模型得到公式（2），由相機(jī)B的針孔成像模型得到公式（3）。相機(jī)A、B與測量臺(tái)的高度H為已知，鍛件兩端的高度h1、h2分別可由相機(jī)C、D求得，可得公式（4）和公式（5）。公式（6）中的K1為相機(jī)A的X方向像素當(dāng)量，公式（7）中K2為相機(jī)B的X方向像素當(dāng)量，需要分別對相機(jī)C、D標(biāo)定獲得。圖3中，F(xiàn)1為相機(jī)A的成像焦距，F(xiàn)2為相機(jī)B的成像焦距，（Xc1，Yc1）為相機(jī)A的光心坐標(biāo)，（Xc2，Yc2）為相機(jī)B的光心坐標(biāo)，△X1為相機(jī)A圖像中工件左端點(diǎn)與圖像中心的距離，△X2為相機(jī)B圖像中工件左端點(diǎn)與圖像中心的距離。相機(jī)A和相機(jī)B的成像焦距相等，H為焦點(diǎn)與檢測臺(tái)面的距離。

數(shù)學(xué)模型中的計(jì)算公式如下

L=L1+L2+L3， （1）

L1=H1/F1×△X1， （2）

L2=H2/F2×△X2， （3）

H1=H-h1， （4）

H2=H-h2， （5）

△X1=K1×（Xl-Xc1）， （6）

△X2=K2×（Xr-Xc2）， （7）

式中：K1為相機(jī)A的X方向像素當(dāng)量，K2為相機(jī)B的X方向像素當(dāng)量，Xl為工件最左端在圖像中的x像素坐標(biāo)，Xr為工件最右端在圖像中的x像素坐標(biāo)，h1由相機(jī)C測量獲得，h2由相機(jī)D測量獲得。

由公式（1）—（7）可求得工件長度為

L=（H-h1）/F1×K1×（X1-Xc1）+（H-h1）/F1×K2×

（X1-Xc1）+L3。 （8）

2.3 相機(jī)標(biāo)定

無論是在視覺測量還是視覺定位中，相機(jī)參數(shù)標(biāo)定都是非常重要的任務(wù)，標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確度直接影響了視覺系統(tǒng)的測量、定位精度[15]。在視覺測量系統(tǒng)中，為了確定空間物體表面上某物的實(shí)際尺寸與其在圖像上的像素距離之間的關(guān)系，需要求出像素當(dāng)量，即求出一個(gè)像素與實(shí)際物理尺寸的數(shù)學(xué)關(guān)系。像素當(dāng)量是視覺測量系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，需要在特定的測量條件下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與計(jì)算得到。

公式（6）中的K1為相機(jī)A的X方向像素當(dāng)量。通常需要使用已知實(shí)際尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件來輔助測量獲得像素當(dāng)量，由于標(biāo)準(zhǔn)件尺寸已知，在特定測量條件下只要求出標(biāo)準(zhǔn)件在圖像里的像素尺寸，即可以求得像素當(dāng)量。KIMAGE軟件提供了XY標(biāo)定工具，如圖4所示。首先需要利用KIMAGE軟件測量出標(biāo)準(zhǔn)件的像素尺寸，并手動(dòng)輸入到標(biāo)定工具指定的位置，再輸入標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)際物理尺寸，其中像素距離的單位是Pixel，實(shí)際距離的單位是mm，由標(biāo)定工具求出X方向的像素當(dāng)量和Y方向的像素當(dāng)量。得到標(biāo)定結(jié)果以后，就可以通過求得物體在圖像中投影的像素距離來求得其實(shí)際尺寸。

圖4 XY標(biāo)定工具

3 結(jié)束語

本文闡述了大型鍛件尺寸在線測量的重要性及存在的問題。相機(jī)位置固定的單相機(jī)視覺檢測系統(tǒng)由于視場限制，不能完成大型長軸類鍛件尺寸的測量任務(wù)，若搭配相機(jī)定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，存在測量響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。ObrqlYQNg3Yk5cMRn4oH3Q==本文針對大型長軸類鍛件尺寸測量，提出了一種基于4個(gè)相機(jī)的尺寸測量方法，對硬件系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，對尺寸計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。闡述了XY相機(jī)標(biāo)定方法，標(biāo)定的前提是在特定的測量條件下完成的。但是由于鍛件加工過程中，鍛件加工表面是在變化的，這給相機(jī)標(biāo)定帶來了很多難題，若采用固定加工表面來進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，則會(huì)存在較大的測量誤差，為了提高相機(jī)標(biāo)定的自適應(yīng)性，還需要繼續(xù)在相機(jī)標(biāo)定方面進(jìn)行研究。

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