CN111649667A - 法兰管路端头测量方法、测量装置及适配器结构 - Google Patents

Abstract

一种法兰管路端头测量方法、测量装置及适配器结构，该方法包括：通过已标定的多相机测量系统采集带有标志点的适配器的图像，建立适配器坐标系，确定适配器的端面和轴线在适配器坐标系的位置；将适配器插装在法兰管路端头的法兰孔中；采集适配器的图像，确定标志点在世界坐标系下的坐标值；根据标志点在适配器坐标系和世界坐标系下的坐标值确定坐标系转换关系；根据适配器的端面和轴线在适配器坐标系的位置，基于转换关系确定法兰孔的端面及轴线在世界坐标系下的位置；采集法兰管路的图像，获取法兰管路中心轴线的位置，确定法兰孔相对于法兰管路中心轴线的位置关系。本发明可准确测量法兰孔位相对于法兰管路端头的位置关系。

Description

法兰管路端头测量方法、测量装置及适配器结构

技术领域

本发明涉及管路检测，特别是涉及一种法兰管路端头测量方法、测量装置及适配器结构。

背景技术

目前管路系统广泛应用在航空、航天、汽车等工业领域，其能否精准装配会直接影响到产品的品质，因此对于管路的检测工作显得尤为重要。管路端头作为管路的核心部件之一，其受工艺的影响，往往存在加工误差，因此在装配过程中需要精准保证管路两端接头的端面中心位置。只有经过检测合格后的管路方可装配，以此来控制产品质量。现有测量管路端头的空间位置参数的技术主要有：三坐标测量机、激光跟踪仪。前者通过测量测量空间中的待测物多点坐标，从而解算待测物的尺寸、形态、位置等参数；其精度相对来说较高，但受框架尺寸和测量路径的限制，在测量部分管路端头过程中，可能会产生遮挡的情况，有测量死角，无法完整测量。后者是非接触式测量，空间中以一定距离扫描待测物，虽相对三坐标来说，其更加轻便；但对于管路端头依然存在测量死角，无法完整测量。此外，使用多目视觉的测量方式检测管路的方式，是通过检索、拟合管路中心轴线从而三维重建整个管型。但这种测量方式要求对管路边界精确提取，否则影响拟合精度，从而导致测量精度降低。受采集图像的质量影响，管路端头的测量精度难保证。多目视觉的测量方式解决了管路管型的测量问题，但该方法很难直接解算确定管路端头的空间位置。要完成与其他设备的装配对接，对管路端头的空间位置精度要求较高。目前，多目视觉的测量方式对于管路端头的测量尚没有较好的解决方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种法兰管路端头测量方法、测量装置及适配器结构，以准确测量法兰管路端头。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种法兰管路端头测量方法，包括如下步骤：

S1、对多相机测量系统进行标定；

S2、通过已标定的多相机测量系统采集带有标志点的适配器的图像，经解算建立适配器坐标系，并确定所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置；

S3、将所述适配器以端面对接且同轴的方式插装在法兰管路端头的法兰孔中；通过所述已标定的多相机测量系统采集所述适配器的图像，识别所述标志点并确定所述标志点在世界坐标系下的坐标值；根据所述标志点在所述适配器坐标系下的坐标值和所述世界坐标系下的坐标值确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系；根据所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置，基于所述转换关系确定所述法兰孔的端面及轴线在所述世界坐标系下的位置；

S4、通过所述多相机测量系统采集所述法兰管路的图像，获取所述法兰管路中心轴线的位置，并结合步骤S3得到的法兰孔的端面及轴线的位置，确定所述法兰孔相对于所述法兰管路中心轴线的位置关系。

进一步地，所述多相机测量系统为四相机测量系统，步骤S1中，四个相机在测量系统空间中从不同方位采集带有标志点的标定板在多个不同位置下的图像，根据采集到的图像进行解算，标定四个相机的内、外参数。

进一步地，所述适配器包括可拆卸地安装在底座上且可转动的标记板，其中所述底座的上表面和所述标记板上均带有标志点，步骤S2中，所述四个相机采集适配器图像时，所述标记板安装在所述底座上，所述四个相机对称分布所述标记板周围同步进行拍摄且保持相对位置不变，每转动所述标记板3-5°拍摄一次，整个拍摄过程中所述标记板的转动角度变化范围在45°以内。

进一步地，所述底座上具有带有标志点的固定卡槽，所述适配器的下端可拆卸地插装在所述固定卡槽中，且所述适配器的所述下端与所述法兰孔适配。

进一步地，步骤S2中，利用最小二乘法原理，根据所述标志点在世界坐标系中的坐标拟合出所述适配器的轴线。

进一步地，步骤S3中，通过奇异值分解法确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系。

一种用于所述的法兰管路端头测量方法的适配器结构，包括适配器和底座，所述适配器具有可拆卸地安装在所述底座上且可转动的标记板，其中所述底座的上表面和所述标记板上均带有标志点，所述适配器还具有与法兰孔适配的下端。

进一步地，所述底座上具有带有标志点的固定卡槽，所述适配器的所述下端可拆卸地插装在所述固定卡槽中。

进一步地，所述适配器的所述下端具有用于与所述法兰孔螺纹连接的螺纹。

一种法兰管路端头测量装置，包括所述的适配器结构、多相机测量系统和处理器，所述处理器经配置以实现：

对多相机测量系统进行标定的标定处理；

对已标定的多相机测量系统采集的带有标志点的适配器的图像，经解算建立适配器坐标系，并确定所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置；

对所述已标定的多相机测量系统采集的所述适配器的图像，识别所述标志点并确定所述标志点在世界坐标系下的坐标值；根据所述标志点在所述适配器坐标系下的坐标值和所述世界坐标系下的坐标值确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系；根据所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置，基于所述转换关系确定所述法兰孔的端面及轴线在所述世界坐标系下的位置；

对所述多相机测量系统采集的所述法兰管路的图像，获取所述法兰管路中心轴线的位置，并结合所述法兰孔的端面及轴线的位置，确定所述法兰孔相对于所述法兰管路中心轴线的位置关系。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种法兰管路端头的测量方法，该方法将带有标志点的适配器装配在法兰管路端头的法兰孔上，通过图像采集、提取适配器上的标志点图像，进行标志点识别、坐标系转换等过程，可以得到法兰孔准确的轴线和端面位置，再结合管路测量中得到的管路中心轴线位置，即可准确确定出法兰孔位相对于法兰管路端头的位置关系，此位置关系参数对于生产工艺检验十分重要。法兰孔位相对于法兰管路的位置关系包含法兰孔的轴线与管路中心轴线的位置关系以及法兰孔端面与法兰管路端头之间的位置关系，这两对位置关系对于实际管路生产检验有很重要的参考意义。本发明还针对端头有法兰孔的管路，为准确测量法兰孔与法兰端头的空间位置设计了适配器结构。利用适配器结构解决了图像中管路端头边界模糊、不易提取的问题。

附图说明

图1为本发明一种实施例的法兰管路端头测量方法流程图。

图2为本发明一种实施例的四相机测量系统标定示意图。

图3为本发明一种实施例的设备标定中的标定板摆放位置图。

图4为本发明一种实施例的适配器结构的组成部分图。

图5为本发明一种实施例的适配器标定示意图。

图6为本发明一种实施例的适配器与法兰管路的定位方式和内部结构图。

图7为本发明一种实施例的适配器装配在法兰孔中进行测量的示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为本发明一种实施例的法兰管路端头测量方法流程图。本发明实施例提供一种法兰管路端头测量方法，包括如下步骤：

步骤S1、对多相机测量系统进行标定(参阅图2和图3)；

步骤S2、通过所述多相机测量系统采集带有标志点6的适配器3的图像(参阅图4和图5)，经解算建立适配器坐标系，并确定所述适配器3的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置；

步骤S3、将所述适配器3以端面对接且同轴的方式插装在法兰管路10端头的法兰孔中(参阅图6)；通过所述已标定的多相机测量系统采集所述适配器3的图像(参阅图7)，识别所述标志点6并确定所述标志点6在世界坐标系下的坐标值；根据所述标志点6在所述适配器坐标系下的坐标值和所述世界坐标系下的坐标值确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系；根据所述适配器3的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置，基于所述转换关系确定所述法兰孔的端面9及轴线8在所述世界坐标系下的位置；

步骤S4、通过所述多相机测量系统采集法兰管路10的图像(参阅图7)，经处理得到管路中心轴线11的位置，结合步骤S3得到的法兰孔的端面9和轴线8的位置，确定法兰孔位相对于管路中心轴线11的位置关系。

本发明实施例的法兰管路端头的测量方法，基于近景摄影测量原理，用标定好的多相机测量系统采集带有标志点的适配器上的标志点图像，完成适配器的标定。再将标定好的适配器装配在法兰管路端头的法兰孔上，通过图像采集、提取适配器上的标志点图像，进行标志点识别、坐标系转换等过程，可以得到法兰孔准确的轴线8和端面9位置，再结合管路测量中得到的管路中心轴线11位置，即可准确确定出法兰孔位相对于法兰管路端头的位置关系，完成带有法兰孔的管路端头测量。此位置关系参数对于生产工艺检验十分重要。具体来说，法兰孔位相对于法兰管路的位置关系包含法兰孔的轴线8与管路中心轴线11的位置关系以及法兰孔的端面9与法兰管路端头之间的位置关系，这两对位置关系对于实际管路生产检验有很重要的参考意义。针对端头有法兰孔的管路，为准确测量法兰孔与法兰端头的空间位置，本发明使用与法兰孔配合的适配器进行辅助测量，利用适配器解决了图像中管路端头边界模糊、不易提取的问题。

如图2和图3所示，在优选的实施例中，所述多相机测量系统为四相机测量系统，步骤S1中，四个相机在测量系统空间中从不同方位采集带有标志点1的标定板2在多个不同位置下的图像，根据采集到的图像进行解算，标定四个相机的内、外参数。

如图4所示，在优选的实施例中，所述适配器3包括可拆卸地安装在底座5上且可转动的标记板，其中所述底座5的上表面和所述标记板上均带有标志点6。参阅图5，步骤S2中，四个相机采集适配器3图像时，所述标记板安装在所述底座5上，每转动标记板3-5°拍摄一次，整个拍摄过程中，左右两个相机同步拍摄且相对位置不变，标记板的转动角度变化范围在45°以内。进一步地，通过识别四个相机采集的适配器3图像中的所述标志点的二维坐标，结合四个相机的内、外参数，使用立体视觉中的三维重建理论解算所述标志点在世界坐标系下的坐标值。

本发明实施例还提供一种用于所述的法兰管路端头测量方法的适配器结构，如图4所示，该适配器结构包括适配器3和底座5，所述适配器3具有可拆卸地安装在所述底座5上且可转动的标记板，其中所述底座5的上表面和所述标记板上均带有标志点6，所述适配器3还具有与法兰孔适配的下端。

针对端头有法兰孔的管路10，为测量法兰端头的空间位置，利用该适配器可以解决图像中管路端头边界模糊、不易提取的问题。该适配器在保证标识点能够被识别的情况下仅具有较小的尺寸，能够避免适配器尺寸较大造成使用不便，且安装在较细的管路两端时可能压弯管路造成测量失败的问题。

如图4所示，在优选地的实施例中，所述底座5上具有带有标志点的固定卡槽4，所述适配器3的下端可拆卸地插装在所述固定卡槽4中。

在优选地的实施例中，所述适配器3的所述下端具有用于与所述法兰孔螺纹连接的螺纹。

参阅图1至图7，本发明实施例还提供一种法兰管路端头测量装置，包括所述的适配器结构、多相机测量系统和处理器(未图示)，所述处理器经配置以实现：

对多相机测量系统进行标定的标定处理；

对所述多相机测量系统采集的带有标志点6的适配器3的图像，经解算建立适配器坐标系，并确定所述适配器3的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置；

对所述多相机测量系统采集的插装在法兰管路10端头的法兰孔中的适配器3的图像，识别所述标志点6并确定所述标志点6在世界坐标系下的坐标值；根据所述标志点6在所述适配器坐标系下的坐标值和所述世界坐标系下的坐标值确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系；根据所述适配器3的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置，基于所述转换关系确定所述法兰孔的端面9及轴线8在所述世界坐标系下的位置；

对所述多相机测量系统采集的法兰管路10的图像，经处理得到管路中心轴线11的位置，结合法兰孔的端面9和轴线8的位置，确定法兰孔位相对于管路中心轴线11的位置关系。

以下结合附图进一步描述本发明的具体实施例。

测量系统标定

具体实施例所用到的是四相机测量系统，实际标定环境如图2所示，测量系统空间的四个相机从不同方位拍摄印有圆形标志点的标定板，改变标定板的位置，相机采集不同位置下的标定板图像，每个摆放位置拍摄1-2张图像。标定板的摆放位置如图3所示。根据采集到的图像，进行图像解算，准确标定四测量相机C₁、C₂、C₃、C₄的内外参数

(A₁,R₁,T₁)、(A₂,R₂,T₂)、(A₃,R3,T3)、(A₄,R₄,T₄)。具体标定方法可采用现有的常规方法。

适配器标定

使用已标定的测量系统，采集适配器的图像，通过一系列图像解算过程，建立适配器的自身坐标系。

1、适配器设计：

为了提高针对管路的测量效率，工程上多采用基于多目视觉的测量方法，但传统方法很难直接解算确定管路端头的空间位置。要完成与其他设备的装配对接，对位置精度要求较高。如图4所示，针对端头有法兰孔的管路，本发明引入适配器3实现端头的空间位置的精确测量，利用适配器3解决了图像中管路端头边界模糊、不易提取的问题，且该适配器3在保证标识点能够被识别的情况下，尺寸较小。

具体地，为了适配器3的标定，适配器结构可包括适配器3、底座以及固定卡槽，其中适配器3包括粘有若干标志点的标记板。将适配器结构整体放在空间中一处，旋转不同角度采集拍摄适配器3图像，完成适配器3的标定工作。而在进行法兰测量时去除底座，利用螺纹连接适配器3和法兰孔。

图6示出了适配器3与法兰的定位方式和内部结构。适配器3和法兰结构通过螺纹连接，定位点7为定位基准，测量时定位点7也是法兰孔的轴线8与端面9的交点。后续测量时，法兰孔通过端面9和法兰孔的轴线8完成轴向和径向定位，通过解算图中适配器3的图像，可找到适配器坐标系和世界坐标系的转换关系。利用该转换关系，可拟合找出法兰孔的轴线8，从而确定定位点7和端面9，测量确定管路中心轴线11的位置，即可知法兰孔位与管路中心轴线11之间的位置关系。

2、适配器标定

1)图像采集：

用标定完成的四相机系统拍摄不同方位的适配器3，同时控制两相机同步拍摄以获取适配器3在不同位置的图像序列。以适配器3正对相机1、2位置为0°，保持底座位置不变，缓缓转动标记板。靠近相机3为正向，靠近相机4为负向，转动范围在±22.5°，每转动3-5°拍摄一次，共计拍摄10-15张图像。进行图像采集时，左右相机同步拍摄，整个拍摄过程中左右相机相对位置不变。采集到的图像中标志点边缘清晰，和周围环境对比度明显。

2)图像解算：

检测识别相机C₁、C₂、C₃、C₄采集图像上的所有标志点的二维坐标，结合已知的相机内、外参数，使用立体视觉中的三维重建理论解算适配器3上所有标志点在世界坐标系下的准确坐标值P。利用最小二乘法原理，结合解算出的标定板上各点的坐标，拟合出适配器3的轴线；解算底座面上各点坐标，可找到定位点7，根据适配器3的轴线和定位点7可确定适配器3的端面。在确定上述的点、线及面之间的位置关系后，根据标定板上各点的坐标，可建立出适配器3自身的坐标系，并可确定出适配器3的轴线和端面在适配器坐标系的位置。

适配器测量

通过前边两步，已完成了测量系统、适配器3的标定工作。如图6和图7所示，将适配器3安装在法兰孔位，适配器3的端面与法兰孔端面对接，适配器3的轴线与法兰孔的轴线8同轴，使用四相机同时采集法兰端头图像。端头图像采集过程中始终保持获得了适配器3上各标志点在世界坐标系下的准确坐标值P₁。使用快速配准的方法对各点坐标进行配准，然后，可采用奇异值分解法，求解出适配器坐标系与世界坐标系的转换关系，根据适配器3的端面和轴线在适配器坐标系的位置，基于所述转换关系也就可以确定出定位点7、法兰孔的端面9以及轴线8在世界坐标系下的位置。

法兰测量

基于近景摄影测量原理，采用已标定的多相机测量系统采集管路图像。通过管路匹配、对准，三维重建，轴线拟合，得到管径的中心轴线位置。结合STEP3中测量得到的法兰孔位各项参数，可解算得到法兰孔位与管路中心轴线之间的相对位置关系，包含法兰孔的轴线8与管路中心轴线的位置关系以及端面9与管路的端头之间的位置关系。这两对位置关系对于实际管路生产检验有很大的参考意义。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种法兰管路端头测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对多相机测量系统进行标定；

S2、通过已标定的多相机测量系统采集带有标志点的适配器的图像，经解算建立适配器坐标系，并确定所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置；

S3、将所述适配器以端面对接且同轴的方式插装在法兰管路端头的法兰孔中；通过所述已标定的多相机测量系统采集所述适配器的图像，识别所述标志点并确定所述标志点在世界坐标系下的坐标值；根据所述标志点在所述适配器坐标系下的坐标值和所述世界坐标系下的坐标值确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系；根据所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置，基于所述转换关系确定所述法兰孔的端面及轴线在所述世界坐标系下的位置；

S4、通过所述多相机测量系统采集所述法兰管路的图像，获取所述法兰管路中心轴线的位置，并结合步骤S3得到的法兰孔的端面及轴线的位置，确定所述法兰孔相对于所述法兰管路中心轴线的位置关系。

2.如权利要求1所述的法兰管路端头测量方法，其特征在于，所述多相机测量系统为四相机测量系统，步骤S1中，四个相机在测量系统空间中从不同方位采集带有标志点的标定板在多个不同位置下的图像，根据采集到的图像进行解算，标定四个相机的内、外参数。

3.如权利要求2所述的法兰管路端头测量方法，其特征在于，所述适配器包括可拆卸地安装在底座上且可转动的标记板，其中所述底座的上表面和所述标记板上均带有标志点，步骤S2中，所述四个相机采集适配器图像时，所述标记板安装在所述底座上，所述四个相机对称分布所述标记板周围同步进行拍摄且保持相对位置不变，每转动所述标记板3-5°拍摄一次，整个拍摄过程中所述标记板的转动角度变化范围在45°以内。

4.如权利要求3所述的法兰管路端头测量方法，其特征在于，所述底座上具有带有标志点的固定卡槽，所述适配器的下端可拆卸地插装在所述固定卡槽中，且所述适配器的所述下端与所述法兰孔适配。

5.如权利要求1至4任一项所述的法兰管路端头测量方法，其特征在于，步骤S2中，利用最小二乘法原理，根据所述标志点在世界坐标系中的坐标拟合出所述适配器的轴线。

6.如权利要求1至4任一项所述的法兰管路端头测量方法，其特征在于，步骤S3中，通过奇异值分解法确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系。

7.一种用于如权利要求1至6任一项所述的法兰管路端头测量方法的适配器结构，其特征在于，包括适配器和底座，所述适配器具有可拆卸地安装在所述底座上且可转动的标记板，其中所述底座的上表面和所述标记板上均带有标志点，所述适配器还具有与法兰孔适配的下端。

8.如权利要求7所述的适配器结构，其特征在于，所述底座上具有带有标志点的固定卡槽，所述适配器的所述下端可拆卸地插装在所述固定卡槽中。

9.如权利要求7所述的法兰管路端头测量方法，其特征在于，所述适配器的所述下端具有用于与所述法兰孔螺纹连接的螺纹。

10.一种法兰管路端头测量装置，其特征在于，包括如权利要求7至9任一项所述的适配器结构、多相机测量系统和处理器，所述处理器经配置以实现：

对多相机测量系统进行标定的标定处理；

对已标定的多相机测量系统采集的带有标志点的适配器的图像，经解算建立适配器坐标系，并确定所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置；

对所述已标定的多相机测量系统采集的所述适配器的图像，识别所述标志点并确定所述标志点在世界坐标系下的坐标值；根据所述标志点在所述适配器坐标系下的坐标值和所述世界坐标系下的坐标值确定所述适配器坐标系与所述世界坐标系的转换关系；根据所述适配器的端面和轴线在所述适配器坐标系的位置，基于所述转换关系确定所述法兰孔的端面及轴线在所述世界坐标系下的位置；

对所述多相机测量系统采集的所述法兰管路的图像，获取所述法兰管路中心轴线的位置，并结合所述法兰孔的端面及轴线的位置，确定所述法兰孔相对于所述法兰管路中心轴线的位置关系。

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