应用线结构光技术在线检测轴类零件轴线

　　1 引言

　　线结构光非接触测量方法具有能自动测量、测量速度快、无需接触物体等优点,在实际测量中已经得到了一些应用[1]。在重型机械制造业,大型轴类零件占有很大比例,如轧辊、电站转子等。这些零件热处理后易产生弯曲变形,目前依靠人工划线检查确定变形量,同时采用/借心0的办法进行定心。由于工件的体积和重量较大,翻转工件费力费时,划线时需要占用专用的场地,且工件的热处理温度高达近千度,加工人员无法靠近,在炉外需要长时间缓冷,严重影响了生产进度安排。根据被测工件在热处理后表面有氧化层、不产生反光、测量精度要求不高等具体情况,在轴类零件定心工序中,用线结构光非接触测量的方法检测弯曲轴心,既能提高生产效率,又能满足生产要求。

　　2 线结构光测量原理及成像模型

　　2.1 测量原理

　　线结构光在线检测属非接触测量,检测装置主要由线激光器、CCD摄像机及固定它们用的支架组成。利用线激光器形成光平面,光平面投射到被测物体表面,形成一条亮线,由物体表面形状对光条进行调制,用CCD摄像机对光条进行拍摄记录,经图像采集卡送入计算机,求得光条图像坐标。由于激光器、像机及被测物体之间存在着空间位置对应关系,通过坐标转换,可获取被测物体的坐标,实现非接触测量。

　　图1为测量系统模型,轴类工件放在平台上,随着检测装置的移动,线激光器发出的光平面依次照射到工件的各个截面上(截面数根据工件的长度确定),然后用CCD像机采集光条图像如图2所示。当工件过长时,亦可采用多个光源和CCD像机进行拍摄。

　　2.2 成像模型

　　热处理后轴类工件产生弯曲变形,因弯曲变形的曲率较小,工件表面上形成的光条像可近似为椭圆上的一段弧线。采用线结构光成像模型[1],如图1所示,OsXsYsZs表示物体坐标系,oxyz表示图像坐标系。光平面OsYsZs与平台垂直,CCD像机与线激光器成一定角度放置,光平面投射在物体表面上。激光投射中心位于OsZs轴上,CCD摄像机的中心o和Os连线与OsZs的夹角为B,o点在物体坐标系中的坐标(Dp,0,Dg)。利用透视投影变换理论,得出物点与像点的关系为:

　　式中:f为摄像机焦距,Dp,Dg,B为模型参数。

　　测量之前需对摄像系统进行标定,确定焦距及模型参数,由公式(1)就可以求得被测点在物体坐标系中的坐标,被测物体Xs坐标可通过检测装置的移动获得。考虑到测试精度为毫米级,镜头畸变系数等一些参数可忽略,以简化标定过程。

　　3 计算工件轴线

　　被测点求出后,用最小二乘法进行曲线拟合,求出椭圆的中心和长、短轴直径。求得多个截面的这些参数后,即可计算出弯曲后实际工件的轴线。为保证后续加工余量最均,同样用最小二乘法可确定工件的实际加工轴心。