[发明专利]超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置和方法

说明书

技术领域：

本发明专利属于现代先进制造的仪器技术领域，具体是涉及一种特别适用于超塑性非球面自由胀形实验中胀形件几何参数测量的装置，也适于轴对称旋转曲面形状变化几何参数的测量。

技术背景：

超塑性胀形是超塑性成形的重要工艺之一，在进行超塑性理论研究和应用开发中都占有重要的地位。超塑自由胀形的真实几何形状为轴对称旋转曲面，为了建立准确的力学解析理论，就必须精确测量胀形件旋转曲面的外形轮廓。而胀形过程中试件温度较高、且变形是在压边桶中进行的，目前的实验装置只能测量试件极点处的高度变化，对于其轮廓外形的测量，是在停止胀形并将试件从压边桶中拿出后再测量，这样，一次实验中要想获取试件在不同高度下的几何参数，就必须将若干个试件胀至要求的高度后再行测量。而且测量的方法，早期是先将试件过中心轴切割开，将其轮廓印在纸上，然后测量其经向曲率半径和纬向曲率半径，这种测量方法不易将纬向的小角度Δθ测得很准，为此笔者设计了非球面测量仪，并获得中国发明专利。使用该仪器，无须将试件切开，只要沿经向和纬向测得任意两点的数据，即可求得对应的经向曲率半径和纬向曲率半径，但这种方法必须与试件接触，也必然存在人为测量的随机误差，而且不能在线测量。利用三坐标测量仪测量，虽然是非接触测量，而且所得的数据比较精确，但设备造价高，所占空间大，也不易在线测量。用三维结构光扫描仪(如3DSS)，先扫描胀形件的轮廓，然后也可测得其经向曲率半径和纬向曲率半径，但3DSS扫描仪的售价也较高，且实时性无法满足实验中测量的要求。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在超塑自由胀形实验中可在线、实时测量胀形件几何参数并记录几何参数变化的超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置和方法。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下。

超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置，该装置由被测胀形件、环形光源、摄像机、PC机和可调云台组成，所述的环形光源2与摄像机3的镜头同轴，且位于被测胀形件1与摄像机3之间，环形光源2和摄像机3安装在可调云台5上，PC机4控制摄像机3连续采集被测胀形件1图像，并对采集的图像进行处理，测算出被测胀形件1的几何参数。

所述的安装摄像机3的可调云台5台面既能绕X、Y和Z三个轴旋转，也能沿Z轴方向移动，并由光栅位移传感器测量移动的距离。

采用所述的超塑性非球面自由胀形几何参数测量装置基于视觉的胀形件图像测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1、调整摄像机3视角；

2、标定摄像机3内参数；

3、测算被测胀形件1物面至摄像机3光心的距离即物距；

4、采集被测胀形件1图像，并对图像处理，确定图像中被测胀形件1的轮廓边缘上各点的坐标；

5、结合标定的摄像机1内参数，计算物面上对应各点的实际坐标；

6、对计算所得的实际坐标进行修正，求得被测胀形件1旋转体边缘各点的真实坐标。

所述的摄像机3视角调整包括下列步骤：

1、利用一个已知尺寸的正方体作为标定模块，将其中的一个侧面作为标定参考面，放置在胀形实验中被测胀形件1的被测物面所处的位置处，摄像机3正对标定参考面即被测物面后，采集其图像；

2、应用梯度算子，从采集图像中检测出标定参考面上正方形的边缘；

3、采用亚像素算法，计算图像中正方形四个边的边长；

4、通过调整可调云台5来调整摄像机3视角，使图像中的两组平行边方向与像面上坐标轴方向平行，且每组平行边的大小相等。

所述的摄像机3内参数标定时，根据正方体边长与被测物面上所成像的比值，求得表示图像中的每个像素点在x轴和y轴方向所代表的真实几何尺寸的摄像机3内参数k_xd、k_yd。

所述的物距测量时，通过移动可调云台5来移动摄像机3，并记录移动的距离，根据移动前后所成像的尺寸，测算出被测物面至摄像机3光心的距离即物距。

对测量结果进行修正：通过误差修正公式修正后，求得旋转体胀形件边缘各点的真实坐标。

本发明的有益效果：

1.以胀形件图像作为信息载体，通过对图像其分析处理，从中提取有用的信息，达到测量的目的，具有非接触和获得信息丰富等优点。

2.测量精度高，速度快，可实现在线实时测量。

3.与胀形实验装置的控制系统结合在一起，共用同一PC机控制，具有集控制、测量与图像处理于一体的特点。

附图说明：

附图1为测量系统硬件组成图；

附图2(a)为摄像机标定示意图；