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汽车大型模具实型的三维摄影测量检测研究


 

摘  要:随着中国制造业的快速发展,产品工件大量采用复杂曲面,对于大型复杂曲面工件,如汽车大型模具和覆盖件、水轮机叶轮、大型抛物面天线等,现有的测量设备很难实现全尺寸检测。本文针对汽车大型模具泡沫实型的快速检测,完成了基于近景三维摄影测量技术的XJTUDP系统,研究了摄影测量的关键技术,包括测量理论、标志点的亚像素识别、相机自标定、标志的自动匹配、并进行了大量的实验验证。使用环形编码标志点实现相机姿态自动定向,将相机自标定技术应用于光束平差,用于优化测量结果。通过多个相机位置外极关系解决非编码标志点的匹配与重建问题,去除了标志点厚度带来的测量误差。实验结果表明,该系统与德国TRITOP系统测量结果偏差小于0.01mm,20分钟内可以完成3米×3米×3米的大型工件测量。

关键词:光学测量;近景摄影测量;光束平差;相机自标定
中图分类号: TP393  文献标识码:A


 3D photogrammetry Measurement and Inspect Technology for Foam Model of Auto Die

Abstract :With the rapid development of manufacture in China, more and more complicated curves are applied in the mechanical productions. But as to the large work-piece with complicated curves, such as large automobile mould and panel, large injection parts, welded automobile rind, turbine blade and large parabolic antenna and aero model and so on, the traditional apparatus are incapable to realize the whole size measurement. In view of the need of 3D rapid measuring in Auto die & mould foam model, the principle of 3D optical measuring system is analyzed. The XJTUDP 3D photogrammetry measuring system is developed. A series of research is carried out on the key technologies of digital close range industrial photogrammetry, such as the basic measurement theory, center sub-pixel localization of targets , self-calibration of digital camera, automatic image points' match and bundle adjustment algorithms. Through the use of circular coded targets, it first locates the positions of the camera automatically. Then Camera self-calibration is applied by using the Bundle Adjustment algorithm to optimize the initial values. Last the matching and reconstruction of the un-coded targets are resolved throughout the epipolar geometry of multiple positions of the camera. The normal vector of the targets is used to eliminate the error from thickness of targets. Some experimental results show that the proposed method can perform a 3m×3m×3m large component within 20 minutes and the error is less than 0.01mm with the TRITOP system of Germany.

Key words:Optical Measurement;Close Range Photogrammetry;Bundle Adjustment;Camera Self-Calibration

1 引言
随着中国制造业的快速发展,许多行业的产品大量采用了中大型和复杂曲面工件,特别是在汽车、飞机、船舶、军工、风电等行业中比较普遍。目前,对于小于1米长度工件的三维尺寸质量检测,基本不存在问题,多采用三坐标测量机、关节臂、激光扫描等完成。而对于1米~30米长度的工件,如风力发电叶片、汽车模具、汽车覆盖件、飞机部件、船舶部件、大型机械设备等,传统的方法多采用龙门式三坐标机、激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等,激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等设备存在繁琐的移站问题,要全方位测量中大型工件非常繁琐,而且测量设备昂贵,一般企业无法承受,而且很多中大型工件越来越多采用复杂曲面,不但要测关键点三维尺寸,还要测量曲面尺寸,所以目前中大型工件存在大量的三维全尺寸质量检测难题,迫切需要解决。
汽车大型模具一般是采用铸造件加工而成,铸造件采用泡沫实型翻铸而成。泡沫实型(如图 1所示)是汽车模具制造的第一个工序,由于泡沫实型的尺寸很大(一般在2米~6米左右),由多个部分粘贴完成的,在制造和装配过程中都会产生误差,在进行铸造之前,需要快速检测泡沫件的关键尺寸。泡沫件的误差会造成整个铸件的报废,对企业造成巨大的损失。泡沫件的快速检测可为企业创造可观的经济效益。
由于汽车泡沫模具很大,质地较轻较软,很难采用传统的接触式三坐标测量机,而且传统的三坐标机效率低,所以企业目前基本没有办法检测,造成很多不必要的经济损失。
本项目采用工业摄影技术自主研发了XJTUDP三维摄影测量系统(如图 2所示),实现了大型工件的快速三维检测。工业摄影测量技术[1]是大地摄影测量、机器视觉、机械测量的综合学科,工业摄影测量技术的精度控制是最大的难点[2]。工业摄影测量技术主要代替传统的龙门三坐标、激光跟踪仪、经纬仪、关节臂等,不需要繁琐的移站,是一个便携式光学三坐标测量机[3]。
世界上近景工业摄影测量技术上的研究和开发主要集中在德国,德国Oldenburg 的University of Applied Sciences大学IAPG研究所的Thomas Luhmann教授[3]在工业摄影测量做了很多开拓性工作。目前国际上主要有三维摄影系统:德国AICON公司的DPA产品、德国GOM公司的TRITOP产品、美国GSI的VSTARS系统等。XJTUDP三维摄影测量系统是国内自主研发的第一个达到工业测量要求的系统。
 
图 1  汽车模具泡沫实型
Fig.1 Foam Model of Auto Die
 
图 2 XJTUDP三维摄影软件界面
 Fig. 2 Software Interface  of XJTUDP Photogrammetry Measurement System

2 三维摄影测量关键技术研究
    数字近景工业摄影测量(digital close range Industry photogrammetry),是通过在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像(如图 3所示),经捆绑调整(如图 4所示)、图像处理匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标,其测量原理和经纬仪测量系统一样,均是三角形交会法。
    工业近景摄影测量来源于大地摄影测量(photogrammetry)技术,摄影测量是一门通过分析记录在胶片或电子载体上的影像,来确定被测物体的位置、大小和形状的科学。它包括很多分支学科,如航空摄影测量、航天摄影测量和近景摄影测量等。其中,近景摄影测量是指测量范围小于100m,像机布设在物体附近的摄影测量。近年来,随着微电子和半导体技术的飞速发展,尤其是固体阵列像机和计算机硬件的发展,使得近景摄影测量已进入全数字近景摄影测量时代。
 
图 3摄影测量原理
Fig. 3 Principle of Photogrammetry  Measurement
 
图 4捆绑调整算法原理
Fig. 4 Principle of Bundle Adjustment
1)标志点检测
在开始测量前首先要在被测工件上粘贴标志点,测量的过程就是通过所拍摄的工件表面多个位置的图像重建出标志点的三维坐标。本文使用两种圆形标志点,如图 5所示,黑底白色圆点和带有环形编码的圆形标志点。
 
图 5 非编码和编码标志点图案
Fig.5 un-code and code targets
使用圆形标志点可以获得比较高的检测精度,带有环形编码的标志点则可以方便的实现同名点的匹配,用来实现相机姿态自动化定向。圆形标志点在经过投影后在图像上呈椭圆形。首先将获取的图像转化为8位灰度图像;然后使用Canny算子进行边缘检测;在结果中搜索可能的椭圆边界,同时排除不可能的边缘;对确认为椭圆边界的图像点使用梯度均值法进行亚像素修正,然后使用最小二乘法拟合得到椭圆中心和长短轴、旋转角等信息;最后以该椭圆为中心,在其外围对原始灰度图进行灰度采样,得到编码环的编码,如果存在该编码值,则认为是编码标志点,否则为非编码标志点。

4 结论
经过大量试验,目前本系统已经在国内的最大汽车模具企业---天津汽车模具公司投入生产使用,满足了生产需要,性能指标达到国外系统的先进水平,解决了大型模具的快速检测难题。试验结果表明,“XJTUDP三维光学点测量系统”的相对误差达到1/100000, 一般测量精度为0.03mm左右,而且检测速度快,具有便携式、流动性特点,特别适合在生产现场对大型工件进行快速三维测量检测。该技术可以检测铸件、锻件、冲压件、模具、注塑件等,可广泛应用在汽车工业、航空航天工业、船舶工业领域的质量检测、变形测量、逆向工程等。


 

 
Web www.xjtudic.com
 

西安交通大学 机械工程学院 模具与先进成形技术研究所 信息机电研究所
电子邮件: xjtops@163.com  网站: www.xjtudic.com  www.xjtops.com  www.3dthink.cn

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