无缝钢管直线度激光视觉在线测量

    1 引言

    对于工业生产线上的零部件进行100%的在线检测是产品质量的重要保证。目前,国内外对于大尺寸直线度(含同轴度)的测量,如十几米长无缝钢管直线度、大型设备主轴轴线直线度与阶梯主轴的同轴度、大型箱体孔同轴度,主要有激光准直法、自准直光管检测法、拉线法及坐标测量法等。而使用上述这些测量方法实现在线实时自动测量具有相当的难度,有些甚至是无法实现的。国内最大的无缝钢管生产厂家)天津大无缝钢管厂,基本上没有合适的测量手段,而是采用目测法估算出钢管的直线度。随着生产批量的增大与产品质量要求的提高,迫切需要一种高精度非接触自动在线的检测方法与之相适应。本文对无缝钢管直线度在线视觉检测方法进行了理论研究和实验分析,并给出了实验结果。

    2 测量原理

    无缝钢管直线度的检测,实际上是钢管轴心线上各点在三维空间中的位置坐标的检测。因此,根据采定理,只要能够测出被测直线(轴心线)上若干点在三维空间坐标系中的坐标,就可以根据直线度评定原则,在线实时地评定出直线度误差[1]。视觉检测方法具有大量程、非接触、测量速度快、系统柔性好、精度适中等特点。若用多个线结构光传感器和计算机组成的视觉准直系统,可以很方便地在线测量出无缝钢管的直线度误差。其基本测量原理如图1所示,采用多个激光线光源对工件进行光切,得到被测钢管长度方向上若干个截面的椭圆弧,由CCD摄象机接收各椭圆弧的图象,经图象采集卡送入计算机,经分析和处理求得各椭圆弧中心在系统坐标系中的坐标,并经误差评定算法求出直线度误差,同时还可以求出钢管在不同位置的直径。

    3 数学模型

    3.1 线结构光传感器数学模型

    线结构光传感器是由一台CCD摄象机和一个线光源构成的基于主动三角法的视觉传感器,如图2所示。线光源投射出一个光平面,与被测钢管相切形成一条椭圆弧线,此弧线成象于CCD摄象机象面上。图中o为成象透视点,oxyz为摄象机坐标系,XOY为象平面直角坐标系。设o点到O点的距离为f,即摄象机的有效焦距。在光平面上以oL为原点建立直角坐标系oLxLyLzL,线结构光传感器光平面坐标和CCD摄象机象平面有如下转换关系:

    式中,Q为线性变换系数;(r1,r4,r7)、(r2,r5,r8)分别为oLxL、oLyL轴方向的单位矢量在摄象机坐标系中的方向余弦;t=(tx,ty,tz)为平移矢量,是光平面坐标系坐标原点oL在摄象机坐标系oxyz中的坐标;f为摄象机的有效焦距。这些参数要通过摄象机和感器标定求出[2]。式(1)即为线结构光传感器的数学模型。