大直径钢管直线度在线测量研究

　　1　引言

　　大直径钢管直线度测量一直是困扰现代化工业生产的一个重要的技术难题。目前国内外对大尺寸直线度测量的主要方法有:激光准直法、自准直仪法、拉线法、三坐标测量法等。上述所有这些测量方法只能适用于离线抽检,不能进行在线实时自动测量。如对大型无缝钢管轴心线直线度在线实时自动检测,国外至今都没有很好的解决;国内无缝钢管生产厂家是采用目测的方法测出钢管圆柱外表面若干母线的直线度,从而估计出轴线在任意方向上的直线度。

　　随着视觉检测技术的不断发展与完善,基于视觉检测技术的大直径钢管直线度测量方案应运而生。该方案是采用结构光传感器获得被测钢管的截面信息,从而获得该截面的曲率中心坐标,通过对多视觉传感器的坐标统一,可以获得多个曲率中心坐标。由该坐标可以拟合出理论空间轴心线,通过误差评定原则即可获得直线度误差。该方法具有大量程、非接触、测量速度快、系统柔性好、精度适中等特点,特别适合于产品的几何参数检测与质量监控领域。

　　2　测量原理

　　如图1所示,检测系统在钢管上分配了由多个视觉传感器组成的传感器组,每个传感器由半导体激光器LD投射出一束光平面与被测钢管相交,得到一条钢管截面部分圆周的椭圆弧;由CCD摄像机接收各椭圆弧的图像并将其转化为电信号;经图像采集系统转化为数字信号进入计算机;通过适当的数学方法,由截面上部分圆周拟合得到截面的尺寸和截面圆心的空间三维坐标;多个传感器得到多个截面的尺寸和截面圆心的三维空间坐标;综合资料可以得出无缝钢管的直线度误差。

　　3　传感器数学模型

　　图2为传感器测量示意图。U—V为定义的图像直角坐标系。以摄像机透视中心O点为原点,Xc轴和Yc轴与图像直角坐标轴U,V平行,Zc轴为摄像机光轴,它与图像平面垂直,光轴与图像平面的交点为O1,在图像直角坐标系下的坐标为(u0,v0)。则O—X'Y’Z'组成摄像机坐标系,OO1为摄像机焦距f。设一个基准坐标系Xw—Yw—Zw称为世界坐标系,(xw,yw,zw)为空间点P在世界坐标系下的坐标。(u,v)为P点在图像直角坐标系下的坐标。

　　对于投射光平面上的任一点在世界坐标系到图像直角坐标系的关系可简化为:

　　其中,为摄像机坐标系与世界坐标系间的转换矩阵。Nx,Ny为CCD的水平和垂直像素间距。

　　钢管上被光平面截得的圆弧经图像采集系统,得到椭圆弧数字图像。由最小二乘方法可得到圆弧中心c在图像直角坐标系下的坐标(uc,vc)。从而得在世界坐标系下的坐标(xw,yw,zw)。该坐标即为被测截面的曲率中心C的坐标。式(4)中的14个未知参数(5个摄像机内部参数,9个外部参数)可采用摄像机标定、传感器标定得出。