CN102749047B - 一种轧辊轴承座尺寸测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轧辊轴承座尺寸测量方法，有效解决轧辊轴承座检测，对检测场地、设备和人员要求较高，测量受限制，不能满足轧辊轴承座尺寸实际测量需要的问题，对待检测轴承座进行摄影测量，获取轴承座表面的测量三维点数据，将摄影测量采集到的三维数据，综合轴承座的设计参数对轴承座的平面度，开档距和对称度进行分析计算，将分析结果利用报表形式输出；对分析计算得到的轴承座的平面度、对称度和开档距结果进行数据报表输出和图形化输出，本发明采用相机通过获取轧辊轴承座多幅数字图像，经图像处理、识别及图像匹配、空间交会等获取轴承座表面特征点的三维坐标，采用计算机快速计算出轴承座参数，实现轴承座几何参数快速、高精度检测。

Description

一种轧辊轴承座尺寸测量方法

技术领域

本发明涉及一种轧辊轴承座尺寸测量方法。

背景技术

在钢板轧制过程中，轧制工艺对轧辊空间位置有较高的要求。轧辊空间位置直接关系到板形、辊耗和设备稳定的运行，因此在轧机设计、制造、安装等各阶段都需要保证轧辊空间位置的正确性。

轧辊的空间位置一般通过调整轧机窗口衬板以达到其设计位置，但实践中发现仅调整窗口衬板并不能完全满足轧辊空间位置的调整要求，还必需保证轧辊轴承座衬板的平行度、平面度、对称度满足设计要求，才能真正有效的调整及控制轧辊空间位置。

因此，对轧辊轴承座进行检测是保证轧辊空间位置的关键环节之一，主要包括轴承座衬板的平行度、平面度、对称度等检测项目。

轧辊轴承座检测方法先后经历了千分尺、固定座、跟踪仪等技术阶段，最终发展为基于摄影测量技术的检测方法。

1、千分尺测量法，该方法简便、快捷，但受轴承座外形结构所限，仅能测量局部个别点，且检测的尺寸大小有限，不能全面反映轴承座衬板的真实状况。

2、固定测量座测量法，该方法能够测量轴承座衬板的平面度、平行度，但需要专门的场地、起重设备和经验丰富的检测技术人员，且不能进行带辊测量。由于该方法对检测场地、设备和人员要求较高，目前很少有单位使用该测量方法。

3、跟踪仪测量法，该方法能够带辊测量轴承座衬板的平面度、平行度、对称度，但跟踪仪测量法对检测环境要求较高，不允许检测现场周围有震动源，而磨辊间紧靠轧机，难免有震动等因素的影响，故跟踪仪测量法的应用受到较大的限制。因此，其改进和创新势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种轧辊轴承座尺寸测量方法，可有效解决轧辊轴承座检测时，不能全面反映轴承座衬板的真实状况，对检测场地、设备和人员要求较高，测量受限制，不能满足轧辊轴承座尺寸实际测量需要的问题。

本发明解决的技术方案是，1、对待检测轴承座进行数字近景摄影测量，获取轴承座表面的测量三维点数据，得到轴承座三维数据；2、将摄影测量采集到的轴承座三维数据，综合轴承座的设计参数对轴承座的平面度，开档距和对称度进行分析计算，并将分析结果利用报表形式输出；所述的轴承座的设计参数又称轴承座基本参数，包括轴承座的腔孔设计长度，衬板设计宽度，衬板面粘贴的编码点编号；3、对分析计算得到的轴承座的平面度、对称度和开档距结果进行数据报表（Excel表中进行数据列表）输出和图形化（Excel表中画出偏差示意图）输出。

本发明采用测量用的相机，通过在不同的位置和方向获取轧辊轴承座多幅数字图像，经图像处理、识别及图像匹配、空间交会等获取轴承座表面特征点的三维坐标，采用计算机及其软件快速计算出轴承座的平面度、对称度、开档距三维几何参数，基于该方法，实现轴承座各项几何参数的快速、高精度检测。

附图说明

图1为本发明测量方法的流程示意图。

图2为本发明的圆形反光标志。

图3为本发明的编码标志。

图4为本发明的工装点。

图5为本发明的轴承座衬板面。

图6为本发明的腔孔圆布设工装点的示意图。

图7为本发明的概略定向棒。

图8为本发明的基准尺。

图9为本发明的轴承座的摄影示意图。

图10为本发明的图像处理结果的示意图。

图11为本发明的轴承座测量三维点形状。

图12为本发明的轴承座分析报表输出的示意图。

图13为本发明的轴承座分析结果界面图。

图14为本发明的报表输出的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1给出，本发明测量方法如下：

（1）、对待检测轴承座用相机进行数字近景摄影测量，获取轴承座表面的测量三维点数据，得到轴承座三维数据，方法是：A、在待检测轴承座两个衬板上布设摄影测量用圆形反光标志（如图2），轴承座表面由左右两个衬板平面（图5）、前后两个腔孔圆（图6）、以及上下面组成，在轴承座左右两个衬板表面按照满足覆盖全部衬板的要求布设25-50个圆形反光标志和8-16个编码标志（图3），标志布设的原则是，摄影时，每张像片至少拍摄到4个编码标志，利用编码标志实现不同像片间的自动拼接；

B、在轴承座的前后两个腔孔圆上布设6-9个工装点（图5），用于测量腔孔圆（图6），从而拟合圆计算，求得圆心，为计算轴承座的对称度提供基准；

C、在轴承座前面或后面放置概略定向棒（图7）和基准尺（图8），概略定向棒的作用是概略计算出像片的外方位元素，基准尺是已经法定计量单位精确标定过的，为整个测量工程提供长度基准；

D、用相机（所述的相机为数码相机，如尼康D3相机）对待测轴承座进行摄影，摄影的原则是从轴承座的上下左右各个方向和位置进行拍摄（图9），由于一张像片不可能将所有标志点（所述的标志点是指编码标志、圆形标志以及工装点，以下同）拍摄下来，故要确保相邻像片间要有4个以上的相同编码标志点；

E、对所拍摄的像片用计算机及其软件进行图像处理（包括标志点中心提取与定位，编码标志识别，图10，因为只有编码标志是经过一定编码规则排列的点组合，所以只对编码标志进行识别，本领域技术人员公知常识）、概略定向(确定像片的近似外方位元素的过程)、同名像点自动匹配（匹配就是寻求物方点在不同像片上的相应像点，自动匹配过程就是在计算过程中不需要人工干预，通过算法实现自动在不同相片上寻找同名像点的过程）和光束法平差计算，得到标志点的三维坐标，即得到待测轴承座表面的测量三维点数据（图11），从而得到轴承座三维数据；

光束法平差：光束法平差是以每条空间光线为一单元，利用三点共线条件列出误差方程式；所谓三点共线条件，即是指在摄影时，测量点、相应像点和相机中心点是在同一条直线之上的；

由共线条件出发，对每个像点可以列出下列两个关系公式：

$\left.\begin{array}{c}x=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\\ y=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\end{array}\right\}---1);$

其中：

x，y是像点坐标；

f是摄影焦距；

a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃是旋转矩阵的9个参数；

X_S，Y_S，Z_S是摄站点的物方空间坐标；

X，Y，Z是物方点的物方空间坐标；

对上式进行线性化后即可得到光束法平差的误差方程式：

光束法平差的误差方程式：

V=CΔ+L    2）；

其中：

V=[v_x v_y]^T，

V是指整体的改正数矩阵，

v_x，v_y是像点坐标改正值，

下标中的_x,_y是指像点坐标，^T是指矩阵的转置；

C是指误差方程系数矩阵，

是像点坐标x对摄站点物方坐标X_S的偏导值，

是像点坐标x对摄站点物方坐标Y_S的偏导值，

是像点坐标x对摄站点物方坐标Z_S的偏导值，

是像点坐标x对旋转角ω的偏导值,

是像点坐标x对旋转角的偏导值,

是像点坐标x对旋转角κ的偏导值,

是像点坐标y对摄站点物方坐标X_S的偏导值，

是像点坐标y对摄站点物方坐标Y_S的偏导值，

是像点坐标y对摄站点物方坐标Z_S的偏导值，

是像点坐标y对旋转角ω的偏导值,

是像点坐标y对旋转角的偏导值,

是像点坐标y对旋转角κ的偏导值,

Δ=[ΔX_S ΔY_S ΔZ_S ΔωΔκ]^T，

Δ是指误差方程解的矩阵，

ΔX_S，ΔY_S，ΔZ_S是指摄站点物方坐标X_S，Y_S，Z_S的改正数，

Δω，Δκ是指旋转角ω，κ的改正数，^T是指矩阵的转置；

L=[x⁰-x y⁰-y]^T

L是指误差方程的常数项矩阵，

x，y是像点坐标，x⁰,y⁰是像点坐标x，y的近似值，^T是指矩阵的转置；

所述的圆形反光标志、编码标志、概略定向棒和基准尺均为市售产品，圆形反光标志采用定向反光材料制作而成，定向反光材料的原理是反光材料中都含有一种高折射率玻璃微珠或微晶立方角体，将入射光按原路反射回光源处，形成回归反射现象；编码标志是一种自身带有数字编码信息的人工标志；概略定向棒用来进行概略定向的棒形装置；

（2）、将摄影测量采集到的轴承座三维数据，综合轴承座的腔孔设计长度，衬板设计宽度，衬板面粘贴的编码点编号，对轴承座的平面度，开档距和对称度进行分析计算，并将分析结果利用报表形式输出，方法是：

A、利用设计参数中轴承座的腔孔设计长度和衬板设计宽度来确定衬板的范围，从而在MPS/RBMS轧辊轴承座测量系统软件中自动剔除范围的杂点，利用衬板面粘贴的编码点编号在软件中分辨出轴承座的前后左右，方便自动分析出是轴承座哪个面的平面度；

B、利用衬板上的测量三维点数据集，使用最小二乘平面拟合，得到一个拟合平面，并计算衬板上的测量三维点到拟合平面的最大距离，即得出轴承座的开档距的；

C、利用衬板上的测量三维点，测量到对面衬板上拟合平面的距离，这样可以得到当前位置点相对于对面的偏移程度；

D、利用腔孔圆上的工装点拟合得到两个拟合腔孔圆，并计算得到圆心，从而以圆心轴线为基准，计算两衬板到此基准的对称度，从而得到衬板上各点相对于中心位置的对称性；

（3）、数据报表及图形化输出：对分析计算得到的轴承座的平面度、对称度和开档距结果进行数据报表（Excel表中进行数据列表）输出和图形化（Excel表中画出偏差示意图）输出（如图12）。

本发明经实验和反复试用，取得了满意的效果，如以下对其钢铁厂轧辊轴承座进行尺寸测量与计算，其具体情况如下：

首先，选定待测轴承座，将轴承座放置于热轧厂房的空地上，对其表面灰尘进行简单清洁，并将摄影测量设备（数码相机、基准尺、概略定向棒、编码标志、圆形反光标志、工装点和电脑及软件等）带至现场；

然后，对该轴承座按照上述测量方法的步骤（1）中的A步骤，在轴承座的左右两个衬板的平面上布设40个圆形反光标志，并在左右两个衬板的平面周围布设12个编码标志，编码标志使用材料与尺寸与圆形人工标志一样；按照（1）中的B步骤，在腔孔上布设工装点；按照上述测量方法的步骤（1）中的C步骤，在轴承座前部上放置概略定向棒和基准尺，基准尺的标准尺度（经过国家计量院标定过的长度）为四个，每个尺度为800mm；按照上述测量方法的步骤（1）中的D步骤，利用D2H（Nikon D3）数码相机对轴承座与编码标志、圆形反光标志以及工装点进行不同方位的摄影，拍摄照片30张；按照上述测量方法的步骤（1）中的E步骤，对所拍摄的相片进行数字图像处理与计算，得到测量三维点数据，数据处理时间为5分钟，测量时，一是圆形反光标志分布要按照布满衬板平面的原则，以确定的行列数排列，方便后期对不同位置的分析；二是在转角处的地方要加密编码标志，增加拼接精度；三是编码标志的数量要确保每张像片上至少能拍摄4个，足够获取轴承座的测量三维点数据；

再根据上述测量方法的步骤（2），利用计算机及其分析软件MPS/RBMS轧辊轴承座测量系统，对摄影测量的三维点和轴承座基本参数，分析软件自动进行计算分析（图13），得到轴承座检测所需要的轴承座的平面度，开档距和对称度三种分析参数，轴承座基本参数：轴承座的腔孔设计长度，衬板设计宽度和衬板上粘贴的编码点编号是为了上述软件自动进行计算分析过程中，需要依靠的外部输入，方便软件自动处理；

最后，将三种分析参数以报表结果输出（图14）：通过报表数据和示意图，查看轴承座两衬板的偏差，从而进行修正，避免在使用中，发生磨损，从而生产出更高质量的钢铁产品，上述经反复多次实验和测试，其轴承座的平面度，对称度，以及开档距测量精度平均达0.05mm，速度快，平均只有1.5小时。

实验和实践表明，本发明与现有技术相比，具有突出的特点：

1）、测量设备便携性好：重量轻、一个人即可携带，并进行长途运输；

2）、实时测量：可以在钢铁厂现场进行测量，并不受现场震动、杂光干扰等影响；

3）、非接触式测量方式：采用光学摄影方式，测量时不需要接触轴承座；

4）、测量尺寸不受限制：可以测量大、中、小各种轴承座；

5）、测量速度快、效率高：对于开档距在2m的轴承座，在钢铁厂现场测量（包括准备）只要1.5小时左右；

6）、测量精度高，对于2m左右开档距的轴承座，之前的各种方法一般最优精度是0.1mm，本发明的方法测量精度优于0.05mm；

7）、自动化程度高，对采集的数据结果自动进行分析计算；

8）、分析方法能有效反应测量需求，方便被测物进行后期调整；

9）、计算速度快，用时少，实时处理得到结果；

10）、报表输出结果完整，生动；

11）、测量数据完整全面，原来的千分尺测量法无法测量对称度，使用本发明的方法可以测量，更好的反应出轴承座完整的数据偏差；

12）、测量方式稳定性好，不受环境影响，原来的跟踪仪测量法很容易受到周围环境干扰，本发明的方法不受环境影响，在实际车间可以实时测量。

Claims (1)

1.一种轧辊轴承座尺寸测量方法，其特征在于，由以下步骤实现：

(1)、对待检测轴承座用相机进行数字近景摄影测量，获取轴承座表面的测量三维点数据，得到轴承座三维数据，方法是：A、在待检测轴承座两个衬板上布设摄影测量用圆形反光标志，轴承座表面由左右两个衬板平面、前后两个腔孔圆、以及上下面组成，在轴承座左右两个衬板表面按照满足覆盖全部衬板的要求布设25-50个圆形反光标志和8-16个编码标志，标志布设的原则是，摄影时，每张像片至少拍摄到4个编码标志，利用编码标志实现不同像片间的自动拼接；

B、在轴承座的前后两个腔孔圆上布设6-9个工装点，用于测量腔孔圆，从而拟合圆计算，求得圆心，为计算轴承座的对称度提供基准；

C、在轴承座前面或后面放置概略定向棒和基准尺，概略定向棒的作用是概略计算出像片的外方位元素，基准尺是已经法定计量单位精确标定过的，为整个测量工程提供长度基准；

D、用相机对待测轴承座进行摄影，摄影的原则是从轴承座的上下左右各个方向和位置进行拍摄，由于一张像片不可能将所有标志点拍摄下来，故要确保相邻像片间要有4个以上的相同编码标志点；

E、对所拍摄的像片用计算机及其软件进行图像处理、概略定向、同名像点自动匹配和光束法平差计算，得到标志点的三维坐标，即得到待测轴承座表面的测量三维点数据，从而得到轴承座三维数据；

所述的标志点是指编码标志、圆形反光标志以及工装点；

光束法平差：光束法平差是以每条空间光线为一单元，利用三点共线条件列出误差方程式；所谓三点共线条件，即是指在摄影时，测量点、相应像点和相机中心点是在同一条直线之上的；

由共线条件出发，对每个像点可以列出下列两个关系公式：

$\left.\begin{array}{c}x=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\\ y=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2\left({Y-Y}_S\right)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\end{array}\right\}---1);$

其中：

x，y是像点坐标；

f是摄影焦距；

a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃是旋转矩阵的9个参数；

X_S，Y_S，Z_S是摄站点的物方空间坐标；

X，Y，Z是物方点的物方空间坐标；

对上式进行线性化后即可得到光束法平差的误差方程式：

光束法平差的误差方程式：

V＝CΔ+L    2)；

其中：

V＝[v_x  v_y]^T，

V是指整体的改正数矩阵，

v_x，v_y是像点坐标改正值，

下标中的_x,_y是指像点坐标，上标^T是指矩阵的转置；

C是指误差方程系数矩阵，

是像点坐标x对摄站点物方坐标X_S的偏导值，

是像点坐标x对摄站点物方坐标Y_S的偏导值，

是像点坐标x对摄站点物方坐标Z_S的偏导值，

是像点坐标x对旋转角ω的偏导值,

是像点坐标x对旋转角的偏导值,

是像点坐标x对旋转角κ的偏导值,

是像点坐标y对摄站点物方坐标X_S的偏导值，

是像点坐标y对摄站点物方坐标Y_S的偏导值，

是像点坐标y对摄站点物方坐标Z_S的偏导值，

是像点坐标y对旋转角ω的偏导值,

是像点坐标y对旋转角的偏导值,

是像点坐标y对旋转角κ的偏导值,

Δ是指误差方程解的矩阵，

ΔX_S，ΔY_S，ΔZ_S是指摄站点物方坐标X_S，Y_S，Z_S的改正数，

Δω，Δκ是指旋转角ω，κ的改正数，上标^T是指矩阵的转置；

L＝[x⁰-x  y⁰-y]^T

L是指误差方程的常数项矩阵，

x，y是像点坐标，x⁰,y⁰是像点坐标x，y的近似值，上标^T是指矩阵的转置；

(2)、将摄影测量采集到的轴承座三维数据，综合轴承座的设计参数对轴承座的平面度，开档距和对称度进行分析计算，并将分析结果利用报表形式输出；所述的轴承座的设计参数又称轴承座基本参数，包括轴承座的腔孔设计长度，衬板设计宽度，衬板面粘贴的编码点编号，方法是：

A、利用轴承座的腔孔设计长度和衬板设计宽度来确定衬板的范围，从而在MPS/RBMS轧辊轴承座测量系统软件中自动剔除范围的杂点，利用衬板面粘贴的编码点编号在软件中分辨出轴承座的前后左右，方便自动分析出是轴承座哪个面的平面度；

B、利用衬板上的测量三维点数据集，使用最小二乘平面拟合，得到一个拟合平面，并计算衬板上的测量三维点到拟合平面的最大距离，得轴承座的开档距；

C、利用衬板上的测量三维点，测量到对面衬板上拟合平面的距离，得到当前位置点相对于对面的偏移程度；

D、利用腔孔圆上的工装点拟合得到两个拟合腔孔圆，并计算得到圆心，从而以圆心轴线为基准，计算两衬板到此基准的对称度，从而得到衬板上各点相对于中心位置的对称性；

(3)、数据报表及图形化输出：对分析计算得到的轴承座的平面度、对称度和开档距结果进行数据报表输出和图形化输出。