CN113358351B - 一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法及装置，该方法包括：通过高速摄影机对准带有均匀分布的多个标靶的转轴轴端拍摄，获取每帧拍摄图像；拟合所述每帧拍摄图像中每个标靶对应的标靶轨迹圆，并基于所述标靶轨迹圆，确定转轴角位移量；根据所述转轴角位移量的绘制结果，确定扭振的扭振时域图。本发明解决现有技术中转轴扭振现场检测困难以及测量误差大的技术难题，降低了转轴径向振动对扭振测量结果的影响，实现了非接触式测量，检测过程中不影响设备正常使用，缩短了检测时间，提高了工作效率。

Description

一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法及装置

技术领域

本发明涉及扭转振动信号检测技术领域，尤其涉及一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法及装置。

背景技术

旋转轴类设备振动既包括沿着转轴轴向的振动和垂直于转轴的径向振动，也包括沿着转轴轴线的扭转振动。扭转振动是旋转机械轴系一种特殊的振动形式，它本质上是由于轴系存在弹性，当曲轴在以平均速度进行的旋转过程中，各弹性部件间会因各种原因而产生不同大小、不同相位的瞬时速度的起伏，形成沿旋转方向的来回扭动。扭振具有极大的破坏性，轻者使作用在轴上的扭应力发生变化，增加轴的疲劳损伤，降低使用寿命，严重扭振会导致机组轴系损坏或断裂，影响设备安全可靠运行。在许多旋转设备振动测量过程中扭转振动具有最短的振动传递路径，能够获得更加准确的设备状态信息。因此，扭振的监测和控制成为了旋转设备故障诊断的重要组成部分。已经受到了越来越多的学者的关注，同时针对扭振信息的检测提出了多种不同的方法。

目前的转轴扭振测量方法按信号拾取方式可分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。接触测量法是把在转轴上安装转动传感器，直接对转动情况进行测量。接触测量需要设备停机，并在设备上安装设备，布线等操作，操作不够简便。较长时间影响设备使用。非接触测量主要是在设备上安装码盘和测速齿轮等装置，通过非接触传感器获得转轴的扭转信息，与接触测量相比具有较好的便捷性，但在极端的场况下仍然无法使用。因此，如何在现场高效准确地检测扭转振动信号是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法及装置，用以解决现有技术中转轴扭振现场检测困难以及测量误差大的问题。

本发明提供一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，包括：

通过高速摄影机对准带有均匀分布的多个标靶的转轴轴端拍摄，获取转轴旋转至少一周的每帧拍摄图像；

拟合所述每帧拍摄图像中每个标靶对应的标靶轨迹圆，并基于所述标靶轨迹圆，确定转轴角位移量；

根据所述转轴角位移量的绘制结果，确定扭振的扭振时域图。

进一步地，所述多个标靶包括圆形标靶，多个所述圆形标靶均匀分布在所述转轴轴端的圆面上，每两个相邻所述圆形标靶之间的夹角为相同的预设夹角。

进一步地，所述拟合所述每帧拍摄图像中每个标靶对应的标靶轨迹圆包括：

截取所述每帧拍摄图像的关键区域，并进行二值化处理；

对二值化处理后的帧图像进行边缘检测，确定每个标靶对应的圆心坐标；

针对每个标靶对应的所述圆心坐标进行拟合，确定对应的所述标靶轨迹圆。

进一步地，所述针对每个标靶对应的所述圆心坐标进行拟合，确定对应的所述标靶轨迹圆包括：

针对每个标靶对应的所述圆心坐标，基于所述每帧拍摄图像形成的标靶的轨迹，生成对应的所述标靶轨迹圆。

进一步地，所述并基于所述标靶轨迹圆，确定转轴角位移量包括：

根据每个标靶对应的所述标靶轨迹圆的圆心坐标，计算所有所述圆心坐标对应的费马点，并根据所述费马点，确定基准圆；

根据所述基准圆在所述每帧拍摄图像中的轨迹，确定对应的所述转轴角位移量。

进一步地，所述根据所述费马点，确定基准圆包括：

以所述费马点为基准圆心，以轴端最外沿的标靶的坐标为半径，形成所述基准圆。

进一步地，所述根据所述基准圆在所述每帧拍摄图像中的轨迹，确定对应的所述转轴角位移量包括：

根据所述基准圆在所述每帧拍摄图像中的轨迹，确定所述每帧拍摄图像的像坐标角位移；

根据时间顺序，确定所述每帧拍摄图像中的首个帧图像和第二个图像之间的像坐标角位移为基准角位移；

将所述每帧拍摄图像中的其他相邻帧图像形成的像坐标角位移与所述基准角位移的对比差值，作为对应的所述转轴角位移量。

进一步地，所述像坐标角位移根据所述每帧拍摄图像对应的像距与物距的关系计算确定。

进一步地，所述根据所述转轴角位移量的绘制结果，确定扭振的扭振时域图包括：

建立所述转轴角位移量与时间的二维坐标轴；

以所述基准角位移为基准横轴，绘制所述每帧拍摄图像对应的所述转轴角位移量的波形图，确定扭振的所述扭振时域图。

本发明还提供了一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取装置，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，使摄像机镜头对准扭转轴，利用多个标靶进行标记，读取多个带有标靶信息的帧图像；然后，在多个帧图像中，通过标靶的轨迹拟合出对应的标靶轨迹圆，并根据标靶轨迹圆在帧图像中的变化，确定转轴角位移量；最后，将转轴角位移量进行绘制，确定扭振的扭振时域图，以转轴角位移量的图形反映该转轴的扭振角位移变化。综上，本发明解决现有技术中转轴扭振现场检测困难以及测量误差大的技术难题，降低了转轴径向振动对扭振测量结果的影响，实现了非接触式测量，检测过程中不影响设备正常使用，缩短了检测时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明提供的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的圆形标靶的形状示意图；

图3为本发明提供的拍摄设备一实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的图1中步骤S2中确定标靶轨迹圆一实施例的流程示意图；

图5为本发明提供的设置多个圆形标靶的分布示意图；

图6为本发明提供的图1中步骤S2中确定转轴角位移量一实施例的流程示意图；

图7为本发明提供的图6中步骤S25一实施例的流程示意图；

图8为本发明提供的转轴角位移量的示意图；

图9为本发明提供的图1中步骤S3一实施例的流程示意图；

图10为本发明提供的扭振时域图一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，结合图1来看，图1为本发明提供的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法一实施例的流程示意图，包括步骤S1至步骤S3，其中：

在步骤S1中，通过高速摄影机对准带有均匀分布的多个标靶的转轴轴端拍摄，获取转轴旋转至少一周的每帧拍摄图像；

在步骤S2中，拟合所述每帧拍摄图像中每个标靶对应的标靶轨迹圆，并基于所述标靶轨迹圆，确定转轴角位移量；

在步骤S3中，根据所述转轴角位移量的绘制结果，确定扭振的扭振时域图。

在本发明实施例中，首先，使摄像机镜头对准扭转轴，利用多个标靶进行标记，读取多个带有标靶信息的帧图像；然后，在多个帧图像中，通过标靶的轨迹拟合出对应的标靶轨迹圆，并根据标靶轨迹圆在帧图像中的变化，确定转轴角位移量；最后，将转轴角位移量进行绘制，确定扭振的扭振时域图，以转轴角位移量的图形反映该转轴的扭振角位移变化。

需要说明的是，本发明的主要原理为通过摄影测量技术计算转轴轴端的多个圆形标靶贴纸每一帧圆心坐标，拟合出多个圆，为减少转轴径向振动误差，计算多个圆心的费马点，以该费马点为基准圆心。再通过基准圆心与标靶大径圆形轨迹坐标计算出每帧角位移与基准距离的差值，在二维坐标上绘制出该插值的时域图形。此图形就是转轴的扭振时域图。其中，圆形标靶贴纸的数目优选为3个。

作为优选的实施例，所述多个标靶包括圆形标靶，多个所述圆形标靶均匀分布在所述转轴轴端的圆面上，每两个相邻所述圆形标靶之间的夹角为相同的预设夹角。作为具体实施例，本发明实施例均匀设置圆形标靶，以便后续确定基准圆，准确计算转轴角位移量。

需要说明的是，圆形标靶优选为中间带有圆形发光膜荧光纸的标靶贴纸，其中，发光标靶不局限于荧光贴纸，其它发光标靶亦可。而该帖纸可以在夜间或者没有光线时自己发光，不影响检测效果。

在本发明一个具体的实施例中，结合图2、图3来看，图2为本发明提供的圆形标靶的形状示意图，图3为本发明提供的拍摄设备一实施例的结构示意图，其中，在转轴轴端粘贴多个带有银光纸的圆形标靶贴纸，圆形标靶要均匀分布在圆面上，并要求每个圆形标靶的圆心不在轴端面的同一圆周上。测量时，在带测量的转轴轴端前面架设一台高速摄像机，要求摄像机镜头对准带有贴纸的轴端，启动设备，对运转的转轴进行视频采集，获取多个帧图像。通过齿轮1、轴承座2、电机3、摄像机4、转轴5、负载6、主机7、标靶贴纸8，对运转的转轴进行高速拍摄，形成多张连续的帧图像。

其中，现场作业过程中只需要对转轴轴端进行拍摄视频图像，不拆卸设备箱体，不影响设备正常运转，实际使用过程中更加便捷。

作为优选的实施例，结合图4来看，图4为本发明提供的图1中步骤S2中确定标靶轨迹圆一实施例的流程示意图，步骤S2中标靶轨迹圆的确定包括步骤S21至步骤S23，其中：

在步骤S21中，截取所述每帧拍摄图像的关键区域，并进行二值化处理；

在步骤S22中，对二值化处理后的帧图像进行边缘检测，确定每个标靶对应的圆心坐标；

在步骤S23中，针对每个标靶对应的所述圆心坐标进行拟合，确定对应的所述标靶轨迹圆。

作为具体实施例，本发明实施例利用帧图像的连续性，在连续的帧图像中，圆形标靶是移动的，形成标靶轨迹圆，反馈其随运转的转轴的变化特征。

作为优选的实施例，所述针对每个标靶对应的所述圆心坐标进行拟合，确定对应的所述标靶轨迹圆包括：针对每个标靶对应的所述圆心坐标，基于所述每帧拍摄图像形成的标靶的轨迹，生成对应的所述标靶轨迹圆。作为具体实施例，本发明实施例利用圆心坐标的移动变化，有效确定不同标靶在连续帧图像中的轨迹变化。

在本发明一个具体的实施例中，结合图5来看，图5为本发明提供的设置多个圆形标靶的分布示意图，以3个圆形标靶为例，在转轴轴端粘贴3个带有荧光纸的圆形标靶，3个标靶圆心均匀的分布在轴端面，夹角为120度，在转轴轴端前面架设一台高速摄像机，要求摄像机镜头对准带有贴纸的轴端(如图3所示)，启动设备，对运转的转轴进行视频采集；采集来的视频按帧分割成图片，并按顺序保存，形成连续的帧图像；对每一帧图片进行处理，提取标靶圆心坐标；在像坐标中截图每张图片的关键区域；对每一帧图像进行二值化处理，用以减少计算量；然后对二值化后的图像进行边缘检测获得标靶圆心坐标；拟合3个标靶的轨迹形成3个圆。其中，圆形标靶8在连续的帧图像中的轨迹形成对应的标靶轨迹圆9。

作为优选的实施例，结合图6来看，图6为本发明提供的图1中步骤S2中确定转轴角位移量一实施例的流程示意图，步骤S3中确定转轴角位移量包括步骤S24至步骤S25，其中：

在步骤S24中，根据每个标靶对应的所述标靶轨迹圆的圆心坐标，计算所有所述圆心坐标对应的费马点，并根据所述费马点，确定基准圆；

在步骤S25中，根据所述基准圆在所述每帧拍摄图像中的轨迹，确定对应的所述转轴角位移量。

作为具体实施例，本发明实施例以该费马点为基准圆心，以最轴端最外沿的标靶坐标为半径，根据标靶轨迹圆在帧图像中的变化，确定转轴角位移量，反馈信号变化特征。

作为优选的实施例，所述根据所述费马点，确定基准圆包括：以所述费马点为基准圆心，以轴端最外沿的标靶的坐标为半径，形成所述基准圆。作为具体实施例，本发明实施例利用多个圆心坐标，形成费马点，减少转轴径向振动误差，利用费马点形成的基准圆提高准确度。

作为优选的实施例，结合图7来看，图7为本发明提供的图6中步骤S25一实施例的流程示意图，包括步骤S251至步骤S253，其中：

在步骤S251中，根据所述基准圆在所述每帧拍摄图像中的轨迹，确定所述每帧拍摄图像的像坐标角位移；

在步骤S252中，根据时间顺序，确定所述每帧拍摄图像中的首个帧图像和第二个图像之间的像坐标角位移为基准角位移；

在步骤S253中，将所述每帧拍摄图像中的其他相邻帧图像形成的像坐标角位移与所述基准角位移的对比差值，作为对应的所述转轴角位移量。

作为具体实施例，本发明实施例通过基准圆与标靶大径圆形轨迹坐标计算出每帧角位移与基准距离的差值，有效确定转轴角位移量。

作为优选的实施例，所述像坐标角位移根据所述每帧拍摄图像对应的像距与物距的关系计算确定。作为具体实施例，本发明实施例保证像坐标角位移的准确计算，反映相邻两帧图像之间的轨迹变化。其中，以外沿标靶圆心坐标为半径，通过标靶坐标的线位移计算出标靶的像坐标角位移。

在本发明一个具体的实施例中，结合图8来看，图8为本发明提供的转轴角位移量的示意图，以上述费马点为基准圆心，以最轴端最外沿的标靶坐标为半径，计算出相邻图像的像坐标角位移；以第一张和第二张照片标靶圆心之间的角位移作为基准角位移，其余每两个相邻圆心坐标点之间的角位移与基准角位移进行对比，获得相对角位移的时域波形图，即以第一个角位移距离作为基准角位移，那么其余角位移与基准角位移对比获得相对角位移量。

作为优选的实施例，结合图9来看，图9为本发明提供的图1中步骤S3一实施例的流程示意图，包括步骤S31至步骤S32，其中：

在步骤S31中，建立所述转轴角位移量与时间的二维坐标轴；

在步骤S32中，以所述基准角位移为基准横轴，绘制所述每帧拍摄图像对应的所述转轴角位移量的波形图，确定扭振的所述扭振时域图。

作为具体实施例，本发明实施例有效根据转轴角位移量随运转的转轴的变化，以此反馈信号变化，有利于实时显示、直观反馈。

在本发明一个具体的实施例中，结合图10来看，图10为本发明提供的扭振时域图一实施例的流程示意图，其中，以基准角位移θ1为基准横轴，获得标靶的相对角位移的波形图，方便相关人员观看转轴角位移量与时间的二维波形图。

本发明公开了一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法及装置，首先，使摄像机镜头对准扭转轴，利用多个标靶进行标记，读取多个带有标靶信息的帧图像；然后，在多个帧图像中，通过标靶的轨迹拟合出对应的标靶轨迹圆，并根据标靶轨迹圆在帧图像中的变化，确定转轴角位移量；最后，将转轴角位移量进行绘制，确定扭振的扭振时域图，以转轴角位移量的图形反映该转轴的扭振角位移变化。

本发明技术方案，解决现有技术中转轴扭振现场检测困难以及测量误差大的技术难题，降低了转轴径向振动对扭振测量结果的影响，实现了非接触式测量，检测过程中不影响设备正常使用，缩短了检测时间，提高了工作效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，包括：

通过高速摄影机对准带有均匀分布的多个标靶的转轴轴端拍摄，获取转轴旋转至少一周的每帧拍摄图像；

拟合所述每帧拍摄图像中每个标靶对应的标靶轨迹圆，并基于所述标靶轨迹圆，确定转轴角位移量；

根据所述转轴角位移量的绘制结果，确定扭振的扭振时域图；

其中，所述转轴角位移量的确定具体包括：根据基准圆在所述每帧拍摄图像中的轨迹，确定所述每帧拍摄图像的像坐标角位移；

根据时间顺序，确定所述每帧拍摄图像中的首个帧图像和第二个图像之间的像坐标角位移为基准角位移；

将所述每帧拍摄图像中的其他相邻帧图像形成的像坐标角位移与所述基准角位移的对比差值，作为对应的所述转轴角位移量；

其中，根据每个标靶对应的所述标靶轨迹圆的圆心坐标，计算所有所述圆心坐标对应的费马点，并根据所述费马点，确定基准圆。

2.根据权利要求1所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，所述多个标靶包括圆形标靶，多个所述圆形标靶均匀分布在所述转轴轴端的圆面上，每两个相邻所述圆形标靶之间的夹角为相同的预设夹角。

3.根据权利要求1所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，所述拟合所述每帧拍摄图像中每个标靶对应的标靶轨迹圆包括：

截取所述每帧拍摄图像的关键区域，并进行二值化处理；

对二值化处理后的帧图像进行边缘检测，确定每个标靶对应的圆心坐标；

针对每个标靶对应的所述圆心坐标进行拟合，确定对应的所述标靶轨迹圆。

4.根据权利要求3所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，所述针对每个标靶对应的所述圆心坐标进行拟合，确定对应的所述标靶轨迹圆包括：

针对每个标靶对应的所述圆心坐标，基于所述每帧拍摄图像形成的标靶的轨迹，生成对应的所述标靶轨迹圆。

5.根据权利要求1所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，所述并基于所述标靶轨迹圆，确定转轴角位移量包括：

根据所述基准圆在所述每帧拍摄图像中的轨迹，确定对应的所述转轴角位移量。

6.根据权利要求5所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，所述根据所述费马点，确定基准圆包括：

以所述费马点为基准圆心，以轴端最外沿的标靶的坐标为半径，形成所述基准圆。

7.根据权利要求5所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，所述像坐标角位移根据所述每帧拍摄图像对应的像距与物距的关系计算确定。

8.根据权利要求1所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法，其特征在于，所述根据所述转轴角位移量的绘制结果，确定扭振的扭振时域图包括：

建立所述转轴角位移量与时间的二维坐标轴；

以所述基准角位移为基准横轴，绘制所述每帧拍摄图像对应的所述转轴角位移量的波形图，确定扭振的所述扭振时域图。

9.一种基于摄影测量的转轴端面扭振提取装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1-8任一项所述的基于摄影测量的转轴端面扭振提取方法。

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