CN116086322A - 针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法和系统，属于金属塑性成形工艺及检测领域。本发明采用非接触式激光测量原理，并在数据处理阶段设计顾及曲率变化的反距离权重插值算法，有效抑制了工件高反光材质所造成的测量数据缺失或失真情况，因此，测量时不受金属材质高反光特性的影响，在稳定测量有效实现测量精度提升的同时，加快了检测效率；本发明通过自动化在线分析得到待测量成形尺寸信息，有效解决了传统测量方法对多尺寸碗形冲压件难以采用定制化量具完成批量检测的工业生产问题。

Description

针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法和系统

技术领域

本发明属于金属塑性成形工艺及检测领域，更具体地，涉及一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法和系统。

背景技术

作为保证汽车零部件满足冷热加工工艺需求的密封件，碗形冲压件的成形尺寸可靠性通常要求较高，其形状简单、单次冲压成形精度较难控制。对其整体成形尺寸(壁厚、深度、锥度等)进行完自动化分析，可为产品质量保证、成形模具修复、降低整机故障率等方面提供基础测量数据。

目前企业针对碗形冲压件成形尺寸的检测主要依赖于人工采用传统机械量具(深度尺、游标卡尺等)或定制检具等实施。尽管这一类接触式检测方法能以高精度、高稳定性完成检测任务，但相对而言，这些方法只能对小批量或有限位置的关键尺寸进行抽样检测，而无法完成整体形面三维测量和精度分析。另一方面，这类由人工参与主导完成的检测结果受人为因素影响较大，存在一致性差、出错率高、效率低等问题。这些问题严重制约了碗形冲压件制造精度的提升，同时给汽车零部件平稳运行带来安全隐患。

面对现今交通领域对汽车结构件质量检测的高效性与精准性的自动化发展需求，一些科研机构以及企业尝试采用光学智能检测方法来保证工件加工误差的检测精度和效率。该类基于数字图像处理技术在实际检测工况下，往往需要对数据采集的高稳定性、数据拼接的高精度性以及数据处理的高效性等有所保证，才能满足企业大批量性检测需求。然而，受零件自身成形尺寸的多样性、金属材质的高反光性等因素限制，随即引发数据获取失真，最终造就检测精度无法满足实际工业生产需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法和系统，其目的在于实现碗形冲压件成形尺寸的自动化测量同时解决零件高反光材质引发测量失真的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法，包括：

S1.通过第一线激光传感器对被测工件固定姿态下的轮廓进行扫描；

S2.通过第二线激光传感器对被测工件另一姿态下的轮廓进行扫描；

S3.将局部测量点云转换拼合，得到被测工件完整轮廓初始点云；

S4.对完整轮廓初始点云进行预处理：剔除离群点和毛刺点，并对被测工件局部高反光测量失真点进行精度校正；

S5.对预处理过后的完整轮廓点云进行拟合重构，解析得到对应的成形尺寸信息。

进一步地，步骤S4具体为，

如果某点的Z坐标分量超出预设基准限制

则认定该点为离群点，将其剔除；若果相邻数据点间的深度变化Δz超过深度变化临界值ΔZ，则认定该点为毛刺点，并将其剔除

依工件CAD设计模型Z₀(x_i,y_i)，获取表面高反光处缺失点曲率信息ρ_{i_0}；

由缺失点在测量平面投影坐标信息构建最小邻域，计算邻域内缺失点到所有点的距离d_i，并得到其权重λ_i：

n为邻域点测量点数，w为调节系数，取值为0-1；

计算缺失点的深度信息：

由补偿点云信息计算提取补偿点处曲率值ρ_i，当满足ρ_i≤ρ_{i_0}时，则视作有效补偿点，否则重新调整w，直至满足上述判定准则。

进一步地，扫描时线激光传感器的测量光场覆盖工件完整轮廓。

本发明还提供了一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测系统，包括：数据采集模块、运动控制模块和数据处理模块；

数据采集模块包括第一线激光传感器和第二线激光传感器；运动控制模块包括第一传送带和第二传送带；第一线激光传感器设置于第一传送带上方，第二线激光传感器设置于第二传送带上方；每个线激光传感器测量平面与对应传送带运动平面平行，且由线激光传感器发射的线激光光条与对应传送带运动方向垂直，保证线激光传感器的测量光场能够覆盖工件完整轮廓；

第一传送带、第二传送带，分别用于实现待测工件单个有序在不同姿态下的传送；

第一线激光传感器、第二线激光传感器，分别用于获取工件正反面轮廓数据；

数据处理模块，用于将第一线激光传感器和第二线激光传感器在各自局部坐标系下采集到的待测工件轮廓图像解析为三维数据，并对工件局部高反光测量失真点进行精度校正完成待测工件三维模型轮廓重构，进而实现检测尺寸的有效提取。

进一步地，所述检测系统全局坐标系标定具体过程为：

利用线激光传感器扫描指定位置处的标靶图像；

对采集的图像进行特征点几何信息提取，继而由特征点三维空间刚性变换一致性原则，通过构建点对间匹配关系，完成传感器相机标定；

利用相机标定结果，结合采集到的标靶图像中心点位置信息，由平面拟合完成线激光传感器激光平面、运动方向的标定，最终达成测量系统内各局部测量坐标系的全局统一。

进一步地，数据处理模块具体实施过程为：

解析各线激光传感器在局部坐标系下的测量点云；

由全局坐标系标定结果，通过将局部测量点云转换拼合，得到被测工件内外轮廓初始点云；

去除初始点云中的毛刺点和离群点：如果某点的Z坐标分量超出预设基准限制

则认定该点为离群点，将其剔除；若果相邻数据点间的深度变化Δz超过深度变化临界值ΔZ，则认定该点为毛刺点，并将其剔除；

依工件CAD设计模型Z₀(x_i,y_i)，获取表面高反光处缺失点曲率信息ρ_{i_0}；

由缺失点在测量平面投影坐标信息构建最小邻域，计算邻域内缺失点到所有点的距离d_i，并得到其权重λ_i：

n为邻域点测量点数，w为调节系数，取值为0-1；

计算缺失点的深度信息：

由补偿点云信息计算提取补偿点处曲率值ρ_i，当满足ρ_i≤ρ_{i_0}时，则视作有效补偿点，否则重新调整w，直至满足上述判定准则。

进一步地，所述检测系统还包括实时显示模块；所述实时显示模块与所述图像处理模块相连，用于显示所述碗形冲压件成形尺寸自动化检测结果。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明采用非接触式激光测量原理，并在数据处理阶段设计顾及曲率变化的反距离权重插值算法，有效抑制了工件高反光材质所造成的测量数据缺失或失真情况，因此，测量时不受金属材质高反光特性的影响，在稳定测量有效实现测量精度提升的同时，加快了检测效率。

(2)本发明利用设置扫描过程线激光传感器处于静止状态，依赖于传送带平动，有效降低了传感器多姿态视角测量下，由于多次局部坐标系统涉及的点云多次拼合，所造成的系统测量误差。

(3)本发明通过自动化在线分析得到待测量成形尺寸信息，有效解决了传统测量方法对多尺寸碗形冲压件难以采用定制化量具完成批量检测的工业生产问题。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量装置的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所要检测的碗形冲压件示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的待检测碗形冲压件成形尺寸求解示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为机架，2和5为传送机构，3和6为传感器支撑行架，4和7为辅助工件翻转机构，8和10为线激光传感器，11为工件成形质量合格删选器12为检测合格工件集装器，13为检测不合格工件集装器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参考图1，本发明提供了一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法，其特征在于，包括：

S1.通过第一线激光传感器对被测工件固定姿态下的轮廓进行扫描；

S2.通过第二线激光传感器对被测工件另一姿态下的轮廓进行扫描；

S3.将局部测量点云转换拼合，得到被测工件完整轮廓初始点云；

S4.对完整轮廓初始点云进行预处理：剔除离群点和毛刺点，并对被测工件局部高反光测量失真点进行精度校正；

S5.对预处理过后的完整轮廓点云进行拟合重构，解析得到对应的成形尺寸信息。

为了实现上述方法，本发明实施例还提供了图2所示针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测系统，包括运动控制模块、数据采集模块、数据处理模块，实时显示模块，其中：

运动控制模块优先完成待测工件的单一传动导流，使之能够以等间隔顺序，并且保持工件开口向上/下的状态实现平稳运动。

数据采集模块由2个线激光传感器组成，其级联于传送带上方，测量时工件处于传感器测量光场中心，具体实施测量时，传感器处于静止状态，工件在逻辑运动控制模块驱动下，由传送带牵引至旋转台上完成扫描，由此批量化实现工件整体轮廓数据的获取。

数据处理模块主要是对线激光传感器采集的待测工件轮廓图像进行解析成三维数据并加以分析，得到检测结果。数据处理模块的实现步骤如下：

1)首先在完成线激光传感器标定工作的基础上，将传感器单元在各自局部坐标系下采集到的轮廓图像解析成三维数据；

2)而后根据全局坐标系标定结果，完成局部扫描三维数据点的坐标统一，由此获得工件完整三维轮廓初始点云；

3)利用测量点云在深度方向(Z轴方向)上的分布特点，优先完成离群点和毛刺点的去除。在此基础上，由工件CAD设计模型获取轮廓表面曲率变化信息，以此设计出顾及曲率变化的反距离权重插值算法，对工件局部高反光测量失真点进行精度校正；

4)结合工件待检测尺寸(壁厚、深度、锥度等)的具体定义，借助于数据拟合算法，在完成待测工件三维模型轮廓重构的基础之上，实现检测尺寸的有效提取。

本发明利用设置扫描过程线激光传感器处于静止状态，依赖于传送带平动，有效降低了传感器多姿态视角测量下，由于多次局部坐标系统一涉及的点云多次拼合，所造成的系统测量误差。并在数据处理阶段，设计顾及曲率变化的反距离权重插值算法，有效抑制工件高反光材质所造成的测量数据缺失或失真情况。

待测工件如图3所示，检测系统工作过程为：当装载工件的机构7通过机械式振动，引导单个工件逐一沿X轴下滑至传送机构5时，此时利用线激光传感器8，动态完成工件单面轮廓图像扫描采样工作。如此再由机构4完成工件翻转，此时线激光传感器10在传送机构2的辅助下，对工件另一面轮廓进行采样。采样完成后，进入工件成形质量合格删选器11，此时，如若合格，则进检测不合格工件集装器13中，否则，则进检测合格工件集装器12。重复上述步骤，有效实现碗形冲压件成形尺寸自动化批量检测。

对上述步骤中由线激光传感器8、10得到的工件整体轮廓图像扫描采样工作后，此时，上位机PC端完成图像解析，整合转化为相应的空间三维点云。这一过程中，由测量系统中各线激光传感器获取工件完整点云，具体实现步骤如下：

(1)首先由线激光传感器扫描标定用的平面标靶，并对系统中各传感器采集的图像进行圆心提取与排序，以此建立相机标定板圆心坐标的对应点，此处用的标定靶是受温度变化影响较小的陶瓷或大理石材料制成。

(2)然后根据传感器内部参数，计算标定板圆心在各线激光传感器局部坐标系下的三维坐标。其次根据标定板圆心在全局坐标系下的三维坐标，完成传感器激光平面的标定，并由此实现局部坐标系与全局坐标系的统一。

(3)利用坐标系标定结果，对系统内线激光传感器分别提取到的待测工件内、外轮廓点云配准融合，得到工件完整轮廓初始点云。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的碗形冲压件成形尺寸求解示意图，该过程的具体实现步骤如下：

(1)首先如图4中(a)所示，考虑目标点云在深度方向(Z轴方向)上的分布特点，设定上、下基准限制值

以及深度变化临界值ΔZ。如果某点的Z坐标分量超出预设基准限制

则认定该点为离群点，并实施去除；进一步考虑相邻数据点间的深度变化Δz，当满足ΔZ<Δz时，则认定该点为毛刺点，且予以剔除。

(2)其次，依工件CAD设计模型Z₀(x_i,y_i)，获取表面高反光处缺失点曲率信息ρ_{i_0}。进一步由缺失点在测量平面(如XOY平面)投影坐标信息构建最小邻域，计算邻域内缺失点到所有点的距离d_i，并得到其权重λ_i，见图4中(b)：

n为邻域点测量点数。w为调节系数，其取值为0～1。

由此得到缺失点的深度信息：

最后由补偿点云信息计算提取补偿点处曲率值ρ_i。当满足ρ_i≤ρ_{i_0}时，则视作有效补偿点，否则重新调整公式(1)中w，直至满足上述判定准则。

(3)在上述基础上，如图4中(c)所示，基于最小二乘拟合，利用提取到的轮廓外圈数据点云，完成工件外圆轮廓方程拟合构建，以此求解得到外轮廓直径D。

(4)同样的，如图4中(d)所示，选取工件中间截面作为求解其他参数的参考截面，并根据扫描得到的点云数据Z分量信息，完成中间截面点云数据提取。

(5)在步骤(3)的基础上，基于最小二乘法，分别对中间截面上、下轮廓截面曲线方程f₁(x)、f₂(x)进行拟合；以此由该截面上、下轮廓曲线最高点的差值信息得到成形壁厚△h。

(6)进一步由截面上轮廓曲线f₁(x)与Y轴的交点信息，可求解得到工件成形高度h。

(7)继而，则可通过优先求解截面上轮廓曲线f₁(x)在与Y轴交点处的切线方程F(x)，以此由切线斜率求解得到工件的锥度λ。

(8)最后，在上述基础上，将计算结果同标准设计值作比较，当所有待检测成形尺寸信息均处于偏差范围内时，则该工件成形质量合格；反之，则判定为不合格。

本发明中结合线激光传感器自动化扫描来实施智能检测，其检测过程主要分为以下几步：通过多个线激光传感器对碗形冲压件内外完整轮廓实施扫描，并设计顾及测量曲面曲率变化的权重插值算法，在抑制工件高反光材质金属表面引发测量失真的同时，获取得到待测工件完整轮廓三维点云信息；然后基于截面轮廓拟合，由此完成高反光碗形冲压件成形尺寸自动化提取。本发明不仅对工件成形尺寸(壁厚、锥度、深度、直径等)实现了自动化提取，而且利用提取结果，进一步得到了工件具体成形质量信息，最终提升了工件整体的使用性能。总之，本发明实现了对碗形冲压件成形尺寸的快速检测，具备效率高、适应性强、检测结果精度高等优点，本发明尤其适用于圆环形零件轮廓尺寸的智能化提取。

现有的无损检测技术从碗形冲压件整体轮廓形貌特征检测环境、精度、检测设备以及生产批量等角度考虑均不适合用，诸如：三坐标测量仪(采用接触式测头，则在测量过程中，存在扫描路径难以规划及测量速度慢等缺陷，这直接某些位置无法进行测量及无法实现相应的密集采样检测)、超声波法(易受现场环境噪声影响，因而精度无法得到保证)、射线检测法(如X射线，则存在射线光斑过大，因而采样精度无法满足测量要求)、机器视觉法(对扫描设备要求较高，直接导致检测成本的上涨，此外也受工件表面金属材质高反光特性的影响，难以获得高精度的检测结果)等。本实例中采用线激光传感器通过发生斑点条纹，实现碗形冲压件完整轮廓形貌数据点自动化提取，基于激光光学的非接触式特性，可以实现非破坏性测量采样，并利用自主设计的数据补偿校正算法，能有效解决工件高反光材质引发测量失真等问题。最终，借助于数据拟合重构算法在线辅助分析，实时得到工件整体成形尺寸分布情况，而后同标准的设计值对比，得到其成形质量检测结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法，其特征在于，包括：

S1.通过第一线激光传感器对被测工件固定姿态下的轮廓进行扫描；

S2.通过第二线激光传感器对被测工件另一姿态下的轮廓进行扫描；

S3.将局部测量点云转换拼合，得到被测工件完整轮廓初始点云；

S4.对完整轮廓初始点云进行预处理：剔除离群点和毛刺点，并对被测工件局部高反光测量失真点进行精度校正；

S5.对预处理过后的完整轮廓点云进行拟合重构，解析得到对应的成形尺寸信息。

2.根据权利要求1所述的一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法，其特征在于，步骤S4具体为，

如果某点的Z坐标分量超出预设基准限制

则认定该点为离群点，将其剔除；若果相邻数据点间的深度变化Δz超过深度变化临界值ΔZ，则认定该点为毛刺点，并将其剔除

依工件CAD设计模型Z₀(x_i,y_i)，获取表面高反光处缺失点曲率信息ρ_{i_0}；

由缺失点在测量平面投影坐标信息构建最小邻域，计算邻域内缺失点到所有点的距离d_i，并得到其权重λ_i：

n为邻域点测量点数，w为调节系数，取值为0-1；

计算缺失点的深度信息：

由补偿点云信息计算提取补偿点处曲率值ρ_i，当满足ρ_i≤ρ_{i_0}时，则视作有效补偿点，否则重新调整w，直至满足上述判定准则。

3.根据权利要求1所述的一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测方法，其特征在于，扫描时线激光传感器的测量光场覆盖工件完整轮廓。

4.一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、运动控制模块和数据处理模块；

数据采集模块包括第一线激光传感器和第二线激光传感器；运动控制模块包括第一传送带和第二传送带；第一线激光传感器设置于第一传送带上方，第二线激光传感器设置于第二传送带上方；每个线激光传感器测量平面与对应传送带运动平面平行，且由线激光传感器发射的线激光光条与对应传送带运动方向垂直，保证线激光传感器的测量光场能够覆盖工件完整轮廓；

第一传送带、第二传送带，分别用于实现待测工件单个有序在不同姿态下的传送；

第一线激光传感器、第二线激光传感器，分别用于获取工件正反面轮廓数据；

数据处理模块，用于将第一线激光传感器和第二线激光传感器在各自局部坐标系下采集到的待测工件轮廓图像解析为三维数据，并对工件局部高反光测量失真点进行精度校正完成待测工件三维模型轮廓重构，进而实现检测尺寸的有效提取。

5.根据权利要求4所述的一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测系统，其特征在于，所述检测系统全局坐标系标定具体过程为：

利用线激光传感器扫描指定位置处的标靶图像；

对采集的图像进行特征点几何信息提取，继而由特征点三维空间刚性变换一致性原则，通过构建点对间匹配关系，完成传感器相机标定；

利用相机标定结果，结合采集到的标靶图像中心点位置信息，由平面拟合完成线激光传感器激光平面、运动方向的标定，最终达成测量系统内各局部测量坐标系的全局统一。

6.根据权利要求4所述的一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测系统，其特征在于，数据处理模块具体实施过程为：

解析各线激光传感器在局部坐标系下的测量点云；

由全局坐标系标定结果，通过将局部测量点云转换拼合，得到被测工件内外轮廓初始点云；

去除初始点云中的毛刺点和离群点：如果某点的Z坐标分量超出预设基准限制

则认定该点为离群点，将其剔除；若果相邻数据点间的深度变化Δz超过深度变化临界值ΔZ，则认定该点为毛刺点，并将其剔除；

依工件CAD设计模型Z₀(x_i,y_i)，获取表面高反光处缺失点曲率信息ρ_{i_0}；

由缺失点在测量平面投影坐标信息构建最小邻域，计算邻域内缺失点到所有点的距离d_i，并得到其权重λ_i：

n为邻域点测量点数，w为调节系数，取值为0-1；

计算缺失点的深度信息：

由补偿点云信息计算提取补偿点处曲率值ρ_i，当满足ρ_i≤ρ_{i_0}时，则视作有效补偿点，否则重新调整w，直至满足上述判定准则。

7.根据权利要求4-6任一项所述的一种针对高反光碗形冲压件成形尺寸自动化检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括实时显示模块；所述实时显示模块与所述图像处理模块相连，用于显示所述碗形冲压件成形尺寸自动化检测结果。

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