一种筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统及其测量方法与流程

1.本发明属于制造业的产品自动化检测的技术领域。更具体地，本发明涉及一种筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统。本发明还涉及该三维测量系统的测量方法。


背景技术：

2.目前，关于圆筒状零件内壁形貌测量与检测可以分为接触式检测和非接触式检测。接触式检测虽然测量精度高，但效率低，而且容易对工件内表面造成一定程度的损坏。对于受限空间的零件的检测更是难以达到其内部，在应用上具有一定的局限性，给测量内壁完整形貌和获取高精度的表面尺寸数据带了极大的困难。非接触式检测，现在被广泛应用，借助结构光视觉系统可以完成接触式检测不易解决的场景，而且伴随三维技术和机器学习技术的日新月益，更是达到高精度的检测效果。
3.检索到相关的现有技术文献：
4.1、论文：基于激光超声可视化的厚壁管内壁缺陷无损检测(《激光与光电子学进展》，2021年第58卷第6期)，其技术方案是：采用一种斜入射纵波探头在管内壁上形成爬波，以达到检测厚壁管内壁缺陷的目的。首先采用有限元方法模拟斜入射纵波在内壁上形成爬波的过程；然后使用激光超声可视化技术观察爬波在内壁上的形成过程，以验证有限元仿真的结果；最后通过超声波探伤仪连接研制的爬波探头，得到爬波在内壁人工缺陷上的反射信号。实验结果表明，超声纵波在管内壁上发生模态转换形成爬波，而爬波能量和纵波的入射角有关；探头和缺陷之间的距离影响着缺陷反射信号的幅值和出现时间；纵波在内壁上只是部分转换为爬波，还存在其他模态的超声波。试制的爬波探头可有效地检测厚壁管的内壁缺陷，为保障厚壁管的运行安全提供有效的无损检测方法。
5.2、论文：主动热激励式红外热成像管道缺陷深度检测(《光学学报》，2018年第38卷第9期)，其技术方案是：针对管道内壁缺陷深度检测的问题，建立了一种基于电涡流主动热激励的红外热成像管道缺陷深度检测方法；阐述了红外热成像管道缺陷深度检测的机理，针对埋地管道检测对热激励的特殊要求，设计了参数可调控的电涡流热激励实验装置，按照管道内壁形状制作了检测试件，通过基于电涡流的主动热激励实验，分析了谐振频率、提离高度、输入电功率这3个重要参数对热激励效率的影响，并得出它们的优化值；在此基础上，对预先设计带有不同深度缺陷的检测试件进行主动热激励，并获取其红外热图像，通过分析热图像数据发现，缺陷与非缺陷区域间灰度均值的差值随缺陷深度的变化而变化，一在定条件下二者呈单值对应关系，且具有较好的线性度；利用这一规律，通过实验数据拟合建立了槽形缺陷和圆形缺陷的深度检测模型，实验测试显示所建立的模型具有一定的检测精度；研究结果表明：在优化的电涡流主动热激励条件下，可以通过红外热图像计算出缺陷深度，所提出的基于电涡流主动热激励的红外热成像管道缺陷深度检测方法具有可行性。
6.现有技术及其存在的技术问题：
7.工件产品缺陷检测现在大多采用视觉检测系统的实时图像处理及识别的算法，包括噪声去除，图像分割，边缘检测及各种参数的提取。针对特定工件的结构特点，设计适合
检测环境的检测算法，达到实现特定工件表面缺陷检测的精确定位、测量以及缺陷识别，提高在线检测的处理速度和检测精度，降低检测系统的误判率，相较于图像处理方法，三维形貌信息的流失，对于分析结果和准确性以及外界环境变化扰动影响较大，而且易误检。


技术实现要素：

8.本发明提供一种筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统，其目的是在不接触工件表面的情况下对其内壁缺陷尺寸进行测量，并判断工件是否合格。
9.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
10.本发明的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统，包括稳定测量平台；所述的稳定测量平台上设置多自由度位移机构、零件固定台和观测结构支撑架；在所述的观测结构支撑架上设置观测机构，所述的观测机构上设置观测模组和测量传感器；所述的筒形零件固定在零件固定台上；。
11.所述的测量传感器通过扫描头扫描筒形零件的内壁，采集激光条纹图像并转换得到表面三维信息。
12.所述的零件固定台通过回转驱动机构安装在稳定测量平台上。
13.所述的零件固定台的尺寸为：水平面x、y方向大于200mm
×
300mm；高度z方向大于400mm。
14.所述的稳定测量平台的材料采用大理石平板，其矩形的水平面尺寸为1000mm
×
1000mm，厚度尺寸为100mm。
15.所述的多自由度位移机构的驱动最大位移是：水平面x、y方向为50mm
×
50mm，高度z方向为200mm。
16.所述的观测模组分辨率为1920
×
1440，观察范围为360
°
。
17.所述的测量传感器进行高精度三维轮廓信息提取；工作方式采用侧向出光，分辨率为0.1um，测量范围为300um。
18.为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统的测量方法，其过程是：
19.开始；
20.步骤1、设定传感器旋转角度步长和垂直位移步长；
21.步骤2、测量传感器按照设定的旋转角度步长采集内表面的一周360
°
点云数据；
22.步骤3、测量传感器按照设定的垂直位移步长在z轴方向向下移动一个步长；
23.步骤4、判断：测量传感器在z轴方向移动距离是否小于设定的圆筒高度；如果是，则返回步骤2；如果否，则继续下一步骤；
24.步骤5、融合采集的点云数据，形成整个圆筒内壁表面数据；
25.步骤6、点云数据的滤波去噪、平滑处理；
26.步骤7、点云数据三角网格化建立三维模型；
27.步骤8、通过三维可视化技术，对内壁三维模型进行可视化软件界面3d渲染显示和操作；
28.步骤9、通过可视化交互，手动通过软件可视化交互界面在内壁绘制一条切割线；
29.步骤10、将二维视图坐标系下的切割线转换到3d空间坐标系下的切割线；
30.步骤11、计算二维视图坐标系下的切割线的垂直线并转换到3d空间坐标系下作为法向量；
31.步骤12、根据计算得到的法向量和3d切割线上的一点计算切割面；
32.步骤13、基于内壁三维模型坐标对进行平移，使得切割面可以切割到三维模型上；
33.步骤14、根据切割面和三维模型，通过vtk三维技术可以获取所有相交点；
34.步骤15、将切割面与模型相交点生成切割点云，切换视图并可视化显示；
35.步骤16、对生成的切割点云进行拟合，寻找有缺陷点云；
36.步骤17、缺陷点云投影到2d空间，根据切割角度和满足设定条件的缺陷点，计算缺陷点在切割方向上的宽度和高度；
37.步骤18、判断：对比设定参数是否有缺陷；如果是，则继续下一步骤；如果否，则判定合格，结束；
38.步骤19、返回不合格，并提供缺陷数据；
39.结束。
40.所述的三维模型建立，是通过求解泊松方程，提取等值面构建表面三维模型。
41.本发明采用上述技术方案，采用非接触式测量，降低传统接触式测量仪器本身存在制造误差、人为因素的读数误差；基于ransac算法进行模型拟合，鲁棒性强，效率更高；采用高精度多角度位移驱动、实现垂直升降及360
°
全方位感性式触发，一体式自动执行，提高工作效率。
附图说明
42.附图所示内容及图中的标记简要说明如下：
43.图1为本发明的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统的结构示意图；
44.图2为图1所示测量系统中的观测结构的示意图；
45.图3为切割模型形成切割点示意图；
46.图4为本发明的算法流程图；
47.图5为检测出工件内壁表面缺陷宽度值的示意图；
48.图6为检测出工件内壁表面缺陷深度值的示意图；
49.图中标记为：
50.1、稳定测量平台，2、观测结构，3、观测模组，4、测量传感器，5、筒形零件，6、多自由度位移机构，7、零件固定台，8、观测结构支撑架。
具体实施方式
51.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
52.本发明应用于能源、化工、汽车、航空等自动化检测技术领域，主要应用于对圆筒内壁进行三维形貌数据采集和测量内壁表面是否有划痕、凹陷、腐蚀，并依据测量结果参数来评判工件是否合格。
53.适用的圆筒内壁直径范围φ15mm～φ35mm，圆筒深度超过200mm。
54.如图1、图2所示本发明的结构，为一种筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统，包括稳定测量平台1。
55.为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现在不接触工件表面的情况下对其内壁缺陷尺寸进行测量，并判断工件是否合格的发明目的，本发明采取的技术方案为：
56.如图1所示，本发明的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统，其中所述的稳定测量平台1上设置多自由度位移机构6、零件固定台7和观测结构支撑架8；在所述的观测结构支撑架8上设置观测机构2，所述的观测机构2上设置观测模组3和测量传感器4；所述的筒形零件5固定在零件固定台7上。
57.本发明对于圆筒类工件进行精密检测，实现在不接触物体表面的情况下对其内壁缺陷宽度、深度等尺寸信息进行测量，并评估工件是否合格。
58.测量缺陷尺寸的测量传感器4和全轮廓的观测模组3构成整个观测机构2；多自由度位移机构6实现筒形零件5的内壁凹槽划痕的稳定、高精度测量。测量传感器4通过扫描头扫描圆筒件5的内壁，采集激光条纹图像并转换得到表面三维信息。全轮廓观测模组3用于进行内壁360
°
观察缺陷并定位，使缺陷测量传感器4精确定位缺陷区域，并进行三维测量，提高测量效率与测量精度。
59.本发明的技术效果：
60.采用非接触式测量，降低传统接触式测量仪器本身存在制造误差、人为因素的读数误差；基于ransac算法进行模型拟合，鲁棒性强，效率更高；采用高精度多角度位移驱动、实现垂直升降及360
°
全方位感性式触发，一体式自动执行，提高工作效率。
61.检测出工件内壁表面缺陷宽度值，如图5所示；
62.检测出工件内壁表面缺陷深度值，如图6所示。
63.所述的测量传感器4通过扫描头扫描筒形零件5的内壁，采集激光条纹图像并转换得到表面三维信息。
64.所述的零件固定台7通过回转驱动机构安装在稳定测量平台1上。
65.所述的零件固定台7的尺寸为：水平面x、y方向为200mm
×
300mm；高度z方向为400mm。可以适应不同测量对象，测量精度无偏差。
66.所述的稳定测量平台1的材料采用大理石平板，其矩形的水平面尺寸为1000mm
×
1000mm，厚度尺寸为100mm。
67.所述的稳定测量平台1采用大理石平板，具有一定的吸震性能，保证系统的测量稳定性。
68.所述的多自由度位移机构6的驱动最大位移是：水平面x、y方向为50mm
×
50mm，高度z方向为200mm。
69.所述的多自由度位移机构6由电机驱动，在xyz轴方向上，电机行程50
×
50
×
200mm，电机重复定位精度稳定在5um，工件放置底盘台(即零件固定台7)可以实现360
°
旋转。
70.为保证测量精度，对多自由度系统误差进行标定，实现误差校正补偿，进一步提高测量精度。
71.所述的观测模组3分辨率为1920
×
1440，观察范围为360
°
。
72.所述的测量传感器4进行高精度三维轮廓信息提取；工作方式采用侧向出光，分辨
率为0.1um，测量范围为300um。
73.所述的测量传感器4结构如图2所示。
74.本发明进一步优化、改进或可替代的技术方案：
75.1、对于部分内壁表面模糊粗糙造成无法采集到深度数据，通过自动/边界补洞及搭桥处理方法进行修补。
76.2、由于圆筒开口处有外界自然光或光源的干扰，随着工件深度增加，整个工件不同深度处内表面数据采集有影响，可以通过增加光源保证光亮均匀，采集效果更好，提高计算准确度和可靠性。
77.如图3所示，为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的筒形零件内壁缺陷尺寸三维测量系统的测量方法，该方法的过程如下：
78.开始；
79.步骤1、设定传感器旋转角度步长和垂直位移步长；
80.步骤2、测量传感器4按照设定的旋转角度步长采集内表面的一周360
°
点云数据；
81.步骤3、测量传感器4按照设定的垂直位移步长在z轴方向向下移动一个步长；
82.步骤4、判断：测量传感器4在z轴方向移动距离是否小于设定的圆筒高度；如果是，则返回步骤2；如果否，则继续下一步骤；
83.步骤5、融合采集的点云数据，形成整个圆筒内壁表面数据；
84.步骤6、点云数据的滤波去噪、平滑处理；
85.步骤7、点云数据三角网格化建立三维模型；
86.步骤8、通过三维可视化技术，对内壁三维模型进行可视化软件界面3d渲染显示和操作；
87.步骤9、通过可视化交互，手动通过软件可视化交互界面在内壁绘制一条切割线；
88.步骤10、将二维视图坐标系下的切割线转换到3d空间坐标系下的切割线；
89.步骤11、计算二维视图坐标系下的切割线的垂直线并转换到3d空间坐标系下作为法向量；
90.步骤12、根据计算得到的法向量和3d切割线上的一点计算切割面；
91.步骤13、基于内壁三维模型坐标对进行平移，使得切割面可以切割到三维模型上；
92.步骤14、根据切割面和三维模型，通过vtk三维技术可以获取所有相交点；
93.步骤15、将切割面与模型相交点生成切割点云，切换视图并可视化显示；
94.步骤16、对生成的切割点云进行拟合，寻找有缺陷点云；
95.步骤17、缺陷点云投影到2d空间，根据切割角度和满足设定条件的缺陷点，计算缺陷点在切割方向上的宽度和高度；
96.步骤18、判断：对比设定参数是否有缺陷；如果是，则继续下一步骤；如果否，则判定合格，结束；
97.步骤19、返回不合格，并提供缺陷数据；
98.结束。
99.具体的视觉点云数据采集方案如图1所示。整个视觉检测算法系统结构流程如图4所示。切割模型形成切割点，如图3所示。
100.所述的三维模型建立，是通过求解泊松方程，提取等值面构建表面三维模型。
101.本发明与检索到的文献1相比，其技术特点是：
102.1、通过布置视觉传感系统和高精度位移机构，通过观测模组测量工件内壁表面一周数据，通过高精度升降机构实现整个工件内壁的表面数据垂直采集，采集数据更全面，结果更高效更可靠。
103.2、采用非接触测量，机器视觉检测技术，技术更先进更高效。
104.本发明与检索到的文献2相比，其技术特点是：
105.1、通过布置视觉传感系统和高精度位移机构，通过观测模组测量工件内壁表面一周数据，通过高精度升降机构实现整个工件内壁的表面数据垂直采集，本发明采集数据更全面，结果更高效更可靠。
106.2、采用非接触式三维测量技术，检测结果比二维热成像分析结果，更可靠，通用性更广更好。
107.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。