CN104359415A - 一种水火弯板角变形量测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水火弯板角变形量测量方法及系统。该方法的物理架构包括显示装置、数据处理器、数据存储器和三维轮廓测量仪。该方法的核心是对水火弯板加工前后钢板的三维点云数据进行处理，计算各个焰道附近的角变形量。具体处理包括点云数据的目标提取、去噪、数据插补、焰道识别、测量点提取最后自动计算出角变量的大小。因此，该方法为水火弯板焰道角变形量自动测量提供了一种方法，以及为水火弯板工艺预报系统的自动校正提供了一个基础。

Description

一种水火弯板角变形量测量方法及系统

技术领域

本发明涉及水火弯板形变量自动测量技术领域，具体涉及一种水火弯板角变形量测量方法及系统，主要是用于测量水火弯板后焰道附近的角变形量。

背景技术

水火弯板工艺过程的自动化是提高生产效率、减轻工人劳动强度、降低能耗的必要手段。但是实现水火弯板工艺过程的自动化，必须解决两个关键性的问题，分别是焰道轨迹的自动生成和加工工艺参数的预报。

目前，国内外的相关研究机构对于工艺参数的自动生成已有了一定的研究成果。例如，大连理工大学对加工板的温度场数学模型和形变场数学模型进行分析研究，以及对船厂实船板加工数据进行测量。最后建立了焰道的横向收缩量和角变形量与加工工艺参数之间的经验回归曲线，并其进行工艺参数的预报。

但相对而言，用于验证工艺参数预报是否准确的焰道形变量测量技术的相关的研究较少，且相应的测量技术基本还停留在手工测量方式上。因此，需要一种自动测量技术，用于测量水火弯板后焰道附近的横向收缩量和角变形量。

发明内容

本发明是针对现有焰道附近角变形量的自动测量问题，提出了首先一种水火弯板角变形量测量方法，为水火弯板工艺预报系统的自动校正提供了一个基础。

本发明的又一目的是提出一种水火弯板角变形量测量系统。

为解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现：

一种水火弯板角变形量测量方法，包括以下步骤：

1)数据采集：对水火弯板加工前和加工后的钢板进行轮廓测量，获取钢板曲面的三维点云信息，以及各点对应的灰度值；

2)数据预处理：对点云数据进行目标提取、去噪以及数据插补处理获取整个钢板曲面的轮廓信息；

3)焰道识别：利用烧过的焰道痕迹与钢板本身的灰度值信息之间的差异，识别钢板上的焰道轨迹；提取焰道的中心轨迹，并在中心轨迹上等间距取N个测量点；

4)测量点提取：提取加工前点云数据上相应的测量点；

5)计算角变形量：每条焰道的角变形量是通过计算焰道上N个测量点的角变形量平均值而得。

更进一步的，所述步骤2)中对点云数据进行目标提取的过程为：获取钢板灰度值与周围环境灰度值之间的差异值，当差异值大于设定的灰度值通行域，则将其所对应的环境信息去除。

更进一步的，所述步骤2)中去噪的过程为：通过扫描数据的首尾点，用最小二乘法拟合得到一条拟合曲线，分别计算中间数据点到样条曲线的距离e，如果距离e大于设定阀值则该数据点是噪声点，剔除该点。

更进一步的，所述步骤2)中数据插补的过程为：将XOY平面划分成若干个小方块；再将测量数据投影到这些小方块上，如果出现某些方块上没有投影数据而四周的小方块均有投影数据，则该方块对应的XY区域为数据缺失区域；利用样条插值的方法对钢板曲面上数据缺失区域进行补充。

更进一步的，所述步骤4)中提取加工前点云数据上相应的测量点的过程为：忽略钢板在X和Y方向上的收缩量，将测量点沿着Z方向投影在加工前点云数据上，找到加工前点云数据上与测量点(x，y)坐标相同的点。

更进一步的，所述计算角变形量的具体方式为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{AC}}^2-{\mathrm{BC}}^2}{2\mathrm{AB}\·\mathrm{AC}}\right)$

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arccos \left(\frac{{\left({\mathrm{AB}}^{\′}\right)}^2+{\left({\mathrm{AC}}^{\′}\right)}^2-{\left({\mathrm{BC}}^{\′}\right)}^2}{2{\mathrm{AB}}^{\′}\·{\mathrm{AC}}^{\′}}\right)$

Δθ＝θ-θ′

上式中，AB表示点A与B之间的连线长度，AC表示点A与C之间的连线长度，BC表示点B与C之间的连线长度，其中A点为目标焰道上的测量点，B、C为与目标焰道相邻的焰道或钢板边界上相应的测量点，AB、AC、BC为加工前的量，AB′、AC′、BC′表示加工后的量，Δθ表示角变形量。

一种水火弯板角变形量测量系统，包括：

三维轮廓测量仪，用于对水火弯板加工前和加工后的钢板进行轮廓测量，获取钢板曲面的三维点云信息，以及各点对应的灰度值；

数据处理器，用于对点云数据进行目标提取、去噪以及数据插补处理获取整个钢板曲面的轮廓信息；利用烧过的焰道痕迹与钢板本身的灰度值信息之间的差异，识别钢板上的焰道轨迹；提取焰道的中心轨迹，并在中心轨迹上等间距取N个测量点；提取加工前点云数据上相应的测量点；通过计算焰道上N个测量点的角变形量平均值得到每条焰道的角变形量。

更进一步的，测量系统还包括用于显示加工钢板的三维轮廓、焰道轨迹和各焰道的角变形量计算结果的显示装置。

更进一步的，测量系统还包括用于存储数据处理器的计算结果以及加工时的工艺参数的数据存储器。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：现有焰道附近角变形量的还属于手工测量，本发明的水火弯板角变形量测量方法，是一种自动测量方法，为水火弯板工艺预报系统的自动校正提供了一个基础，提高了水火弯板角变形量测量的测量精度，降低了劳动成本。

附图说明

图1为实现本发明水火弯板形变测量方法的结构框图。

图2为本发明水火弯板形变测量方法的数据处理流程图。

图3为本发明水火弯板形变测量方法的角变形量计算原理图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种水火弯板角变形量测量方法的物理架构，包含了显示装置、数据处理器、数据存储器和三维轮廓测量仪这几部分。

其中，显示装置具有三维图形显示功能，能将钢板的3维轮廓以及钢板上的焰道轨迹分布情况显示给用户看。此外，显示装置还通过表格形式显示出各个焰道的角变形量计算结果。

数据存储器则存储数据处理器的计算结果以及加工时的工艺参数，方便用户日后查看历史数据或对工艺参数预报系统进行升级。

三维轮廓测量仪要采用非接触式、高速、高测量精度以及具有灰度信息或RGB信息测量能力的激光3维扫描仪。该测量仪主要负责在水火弯板加工前和加工后，对加工钢板的3维轮廓信息及灰度信息进行测量，并将测量结果传输到数据处理器中。在实际中一般固定在水火弯板机的一侧，且保证测量仪到检测板之间没有任何东西阻隔。

数据处理器主要是对3维轮廓测量仪的测量数据进行处理，计算各焰道的角变形量，并将结果反馈到显示装置和存储到数据存储器中。其具体数据处理过程如下：

1)目标提取：由于数据采集过程中，三维轮廓测量仪除了加工钢板的轮廓信息外，还将周围环境信息一并采集。因此，本发明利用钢板灰度值与周围环境灰度值之间的差异，通过设定一个灰度值通行域，将无关的环境信息去除。

2)去噪：目标提取后，测量数据仍存在许多噪声点。因此，本发明将具有相同X坐标的点利用最小二乘法拟合成一条曲线。然后分别计算数据点到样条曲线的距离e，如果e大于设定阀值则认为只是噪声点予以剔除。

3)数据插补：由于所有的加工钢板都是一块内部没有任何孔洞的板，但由于测量时外界环境干扰，可能会使钢板的测量数据上出现孔洞。因此，需要将孔洞补回来以获取整个钢板曲面的轮廓信息。具体过程如下：首先，将XOY平面划分成若干个小方块；然后，将测量数据投影到这些小方块上，如果出现某些方块上没有投影数据而四周的小方块均有投影数据，则该方块对应的XY区域为数据缺失区域；最后，利用样条插值的方法，将钢板曲面上缺失的数据补充回来。

4)焰道识别：利用烧过的焰道痕迹与钢板本身的灰度值信息之间的差异，识别钢板上的焰道轨迹。然后，提取焰道的中心轨迹，并在中心轨迹上等间距取5个测量点。

5)测量点提取：为了计算出角变形量，还需要提取加工前点云数据上相应的测量点。具体的提取方法是忽略钢板在X和Y方向上的收缩量，然后将测量点沿着Z方向投影在加工前点云数据上，找到加工前点云数据上与测量点(x，y)坐标相同的点。

6)角变形量计算：每条焰道的角变形量是通过计算焰道上5个测量点的角变形量平均值而得。每个测量点的角变形量计算原理如图3所示，图中虚线表示加工前的钢板切面轮廓，实线表示加工后的钢板切面轮廓，黑色圆点为焰道点与切面的交点。角变形量的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{AC}}^2-{\mathrm{BC}}^2}{2\mathrm{AB}\·\mathrm{AC}}\right)$

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arccos \left(\frac{{\left({\mathrm{AB}}^{\′}\right)}^2+{\left({\mathrm{AC}}^{\′}\right)}^2-{\left({\mathrm{BC}}^{\′}\right)}^2}{2{\mathrm{AB}}^{\′}\·{\mathrm{AC}}^{\′}}\right)$

Δθ＝θ-θ′

上式中，AB表示点A与B之间的连线长度，AC表示点A与C之间的连线长度，BC表示点B与C之间的连线长度，其中A点为目标焰道上的测量点，B、C为与目标焰道相邻的焰道或钢板边界上相应的测量点，AB、AC、BC为加工前的量，AB′、AC′、BC′表示加工后的量，Δθ表示角变形量。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水火弯板角变形量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)数据采集：对水火弯板加工前和加工后的钢板进行轮廓测量，获取钢板曲面的三维点云信息，以及各点对应的灰度值；

2)数据预处理：对点云数据进行目标提取、去噪以及数据插补处理获取整个钢板曲面的轮廓信息；

3)焰道识别：利用烧过的焰道痕迹与钢板本身的灰度值信息之间的差异，识别钢板上的焰道轨迹；提取焰道的中心轨迹，并在中心轨迹上等间距取N个测量点；

4)测量点提取：提取加工前点云数据上相应的测量点；

5)计算角变形量：每条焰道的角变形量是通过计算焰道上N个测量点的角变形量平均值而得。

2.根据权利要求1所述的水火弯板角变形量测量方法，其特征在于，所述步骤2)中对点云数据进行目标提取的过程为：获取钢板灰度值与周围环境灰度值之间的差异值，当差异值大于设定的灰度值通行域，则将其所对应的环境信息去除。

3.根据权利要求2所述的水火弯板角变形量测量方法，其特征在于，所述步骤2)中去噪的过程为：通过扫描数据的首尾点，用最小二乘法拟合得到一条拟合曲线，分别计算中间数据点到样条曲线的距离e，如果距离e大于设定阀值则该数据点是噪声点，剔除该点。

4.根据权利要求3所述的水火弯板角变形量测量方法，其特征在于，所述步骤2)中数据插补的过程为：将XOY平面划分成若干个小方块；再将测量数据投影到这些小方块上，如果出现某些方块上没有投影数据而四周的小方块均有投影数据，则该方块对应的XY区域为数据缺失区域；利用样条插值的方法对钢板曲面上数据缺失区域进行补充。

5.根据权利要求4所述的水火弯板角变形量测量方法，其特征在于，所述步骤4)中提取加工前点云数据上相应的测量点的过程为：忽略钢板在X和Y方向上的收缩量，将测量点沿着Z方向投影在加工前点云数据上，找到加工前点云数据上与测量点(x，y)坐标相同的点。

6.根据权利要求5所述的水火弯板角变形量测量方法，其特征在于，所述计算角变形量的具体方式为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{AC}}^2-{\mathrm{BC}}^2}{2\mathrm{AB}\·\mathrm{AC}}\right)$

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arccos \left(\frac{{\left({\mathrm{AB}}^{\′}\right)}^2+{\left({\mathrm{AC}}^{\′}\right)}^2-{\left({\mathrm{BC}}^{\′}\right)}^2}{{2\mathrm{AB}}^{\′}\·{\mathrm{AC}}^{\′}}\right)$

Δθ＝θ-θ′

上式中，AB表示点A与B之间的连线长度，AC表示点A与C之间的连线长度，BC表示点B与C之间的连线长度，其中A点为目标焰道上的测量点，B、C为与目标焰道相邻的焰道或钢板边界上相应的测量点，AB、AC、BC为加工前的量，AB′、AC′、BC′表示加工后的量，Δθ表示角变形量。

7.一种水火弯板角变形量测量系统，其特征在于，包括：

三维轮廓测量仪，用于对水火弯板加工前和加工后的钢板进行轮廓测量，获取钢板曲面的三维点云信息，以及各点对应的灰度值；

数据处理器，用于对点云数据进行目标提取、去噪以及数据插补处理获取整个钢板曲面的轮廓信息；利用烧过的焰道痕迹与钢板本身的灰度值信息之间的差异，识别钢板上的焰道轨迹；提取焰道的中心轨迹，并在中心轨迹上等间距取N个测量点；提取加工前点云数据上相应的测量点；通过计算焰道上N个测量点的角变形量平均值得到每条焰道的角变形量。

8.根据权利要求7所述的水火弯板角变形量测量系统，其特征在于，测量系统还包括用于显示加工钢板的三维轮廓、焰道轨迹和各焰道的角变形量计算结果的显示装置。

9.根据权利要求7或8所述的水火弯板角变形量测量系统，其特征在于，测量系统还包括用于存储数据处理器的计算结果以及加工时的工艺参数的数据存储器。