阅读说明：本技术 用于三维尺寸的动态测量装置及其测量方法 (Dynamic measuring device for three-dimensional size and measuring method thereof ) 是由 张�浩 曹亮 张晓非 周之琪 丁宵月 郑清志 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：一种用于三维尺寸的动态测量装置,包括用于自由锻锻件三维尺寸动态测量的平面相机组(100),平面相机组(100)包括至少四个图像传感器(101)和三维运算电路板(102),三维运算电路板(102)分别与多个图像传感器(101)电连接,三维运算电路板(102)配置成将多个图像数据计算为三维尺寸数据。通过采用非接触光学成像的方式,高速动态测量锻件的三维外轮廓尺寸,使锻造过程中能够测量出锻件的尺寸,进而能够决定每一步的锻造工艺参数,调整锻件锻造位置和压制深度,减轻工人的劳动强度,使每步工艺都能有工艺尺寸记录,通过得到三维尺寸数据结果,能够极大提高锻件的加工质量,提高了锻件加工尺寸的一致性。还涉及一种用于三维尺寸的测量方法。(A dynamic measurement device for three-dimensional dimensions comprises a planar camera set (100) for dynamically measuring the three-dimensional dimensions of a free forged piece, wherein the planar camera set (100) comprises at least four image sensors (101) and a three-dimensional operation circuit board (102), the three-dimensional operation circuit board (102) is respectively electrically connected with the image sensors (101), and the three-dimensional operation circuit board (102) is configured to calculate a plurality of image data into three-dimensional dimension data. By adopting a non-contact optical imaging mode, the three-dimensional outer contour dimension of the forge piece is dynamically measured at a high speed, so that the dimension of the forge piece can be measured in the forging process, further the forging process parameters of each step can be determined, the forging position and the pressing depth of the forge piece are adjusted, the labor intensity of workers is reduced, the process dimension can be recorded in each step, the processing quality of the forge piece can be greatly improved by obtaining a three-dimensional dimension data result, and the consistency of the processing dimension of the forge piece is improved. It also relates to a measuring method for three-dimensional dimensions.)

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-图5所示，本申请的实施例提供了一种用于三维尺寸的动态测量装置，包括：平面相机组100；平面相机组100包括至少四个图像传感器101和三维运算电路板102，多个图像传感器101位于同一平面内，且多个图像传感器101呈矩形结构，多个图像传感器101的光轴呈平行设置，配置成使多个图像传感器101的扫描线呈水平和垂直方向均对齐；三维运算电路板102分别与多个图像传感器101电连接，三维运算电路板102配置成将多个图像数据计算为三维尺寸数据。

可选地，多个图像传感器101设置于图像采集电路上，多个图像传感器101分别与图像采集电路电连接，其中，图像传感器101的数量可以是四个、六个或者八个等，优选地，图像传感器101采用2×2阵列、2×3阵列，2×4阵列等。

可选地，图像传感器101的分辨率范围为500万～4000万像素，优选地，为1000万像素，图像传感器101中心组成的矩形结构的最佳尺寸为280×60mm，另外根据测量精度的要求，长宽尺寸可以进行放大或缩小的调整。

由于本实施例提供的图像传感器101优选地的采用四个图像传感器101，因此下述均以四个图像传感器101为例，但采用六个、八个等多个图像传感器101仍然属于本申请实施例的保护范围。

可选地，三维运算电路板102的核心是一块FPGA(Field Programmable GateArray)芯片，三维运算电路板102通过高速数据通道采集图像采集电路板的四幅图像，通过FPGA内部软件计算，将四幅图像数据直接计算为三维点云数据，运算结果直接传输到下述的显示终端。

另外，三维运算电路板102也可以设置于显示终端处，当多个图像传感器101采集到多个图像数据后，通过图像采集电路将多个图像数据传输至显示终端处，三维运算电路板102在显示终端进行三维运算，但是当三维运算电路板102设置于显示终端处时，会带来运算速度的降低，单帧运算时间的加长。

本实施例的有益效果例如包括：通过平面相机组100用于自由锻锻件三维尺寸动态测量，平面相机组100包括至少四个图像传感器101和三维运算电路板102，多个图像传感器101位于同一平面内，且多个图像传感器101呈矩形结构，多个图像传感器101的光轴呈平行设置，配置成使多个图像传感器101的扫描线呈水平和垂直方向均对齐；三维运算电路板102分别与多个图像传感器101电连接，三维运算电路板102配置成将多个图像数据计算为三维尺寸数据；通过采用非接触光学成像的方式，高速动态测量锻件的三维外轮廓尺寸，使锻造过程中能够测量出锻件的尺寸，进而能够决定每一步的锻造工艺参数，调整锻件锻造位置和压制深度，减轻工人的劳动强度，使每步工艺都能有工艺尺寸记录，通过得到三维尺寸数据结果，能够极大提高锻件的加工质量，提高了锻件加工尺寸的一致性。

另外，由于锻件质量的保证，可以将原来锻件设计的尺寸预留加工量减少，可以极大减少工件的材料成本。由于数据测量反馈及时，同时，减少人工测量的时间和次数，极大节约了锻造工艺时间，减少回炉次数，节约工时；可选地，在本实施例提供的用于三维尺寸的动态测量装置的基础上，可以与锻造设备结合，未来可实现自由锻锻造的全自动化生产。

可选地，还包括镜头200；镜头200的数量与图像传感器101的数量相同，且镜头200以一一对应的方式与图像传感器101连接。

优选地，镜头200采用工业镜头，而且镜头200的参数选择需要和对应的图像传感器101的参数相同，针对测量视场的大小，当测量大型工件需要大的测量范围时，可以采用减少镜头200焦距值、增大图像传感器101靶面尺寸、提高图像传感器101分辨率、增加安装距离的方式。

可选地，还包括远红外滤光镜300；镜头200远离图像传感器101的一端与远红外滤光镜300连接。

其中，远红外滤光镜300采用窄带通的方式，只容许远红外光通过，窄带通的最佳中心波长选择为850nm，使用该远红外滤光镜300后，能够有效去除背景干扰，且能够将高温红热锻件在图像中清晰的显示出来。

可选地，还包括相机安装座400和相机减震器500；平面相机组100的底部与相机安装座400连接，相机安装座400背离平面相机组100的一侧与相机减震器500连接。

可选地，相机减震器500设置有多个，多个相机减震器500沿着相机安装座400均匀设置。

为了保证平面相机组100拍摄过程中的稳定性，在平面相机组100的底部设置有相机安装座400，利用相机安装座400的底部安装相机减震器500，其中，相机减震器500的数量可以采用四个或六个均匀分布的方式；可选地，相机减震器500可以采用钢丝非线性相机专用减震器。

可选地，还包括保温机壳600；平面相机组100、相机安装座400和相机减震器500均设置于保温机壳600内，且相机减震器500远离相机安装座400的一端与保温机壳600的内壁连接；保温机壳600对应图像传感器101的一侧设置有第一通孔601，第一通孔601的数量与图像传感器101的数量相同。

可选地，保温机壳600采用无温度变形的铝合金制造，保温机壳600与图像传感器101对应的位置设置四个配置成镜头接口的第一通孔601，优选地，在保温机壳600的背部可以再单独安装铝合金散热器，设计出电源和数据两个外接接口。

可选地，每个第一通孔601上均设置有耐高温钢化玻璃，能够用于镜头200以及平面相机组100的图像采集透光和耐高温。

可选地，还包括散热机构700；保温机壳600远离具有第一通孔601的一侧设置有第二通孔，散热机构700设置于第二通孔处，且散热机构700与保温机壳600的侧壁连接，配置成降低保温机壳600内的温度。

其中，保温机壳600相对于镜头200的后部开有配置成安装散热机构700的第二通孔，优选地，散热机构700采用排风扇；在保温机壳600的底部可以开一个圆孔配置成通过传输电缆以及和电缆防护套的连接。

可选地，散热机构700可以设置有多个，多个散热机构700均匀设置于保温机壳600的一侧，第二通孔的数量与散热机构700的数量一一对应。

为了防止高温辐射造成保温机壳600温度的升高，可选地，保温机壳600的外部包覆有隔热层，其中，隔热层采用石棉隔热垫，石棉隔热垫的外部全部覆盖胶木板用于固定石棉隔热垫，同时也可以起到隔热的作用。

可选地，还包括支架800；保温机壳600的一侧侧壁的外部与支架800连接，且保温外壳600的该侧侧壁的内部与相机减震器500连接。

需要说明的是，由于保温机壳600与支架800连接的一侧需要进行晃动，因此在保温机壳600该侧的外侧壁与支架800进行连接的同时，该侧的内侧壁与上述的相机减震器500进行连接。

为了保证平面相机组100可以更好的对自由锻的锻件进行拍摄测量，通过将具有平面相机组100的保温机壳600与支架800进行连接，可选地，支架800距离锻造设备的中心距为2m～12m，优选地，最佳位置为5m，在5m时，如果选择16mm的镜头200，1吋靶面相机，测量范围(宽×高)为3×2m。

可选地，支架800包括立柱801和托架802；托架802与立柱801之间滑动连接，保温机壳600与托架802连接。

其中，立柱801可以通过地脚螺丝与地面固定连接，进而能够保证支架800的整体稳定性，托架802和立柱801的滑动方式可以为多种，例如：通过滑块与凹槽的滑动方式，托架802与立柱801的连接的一侧设置有滑块，立柱801上设置有凹槽，使得托架802能够相对于立柱801进行滑动，并且在托架802通过定滑轮和钢丝绳与电机进行传动连接，通过电机的带动作用能够是托架802能够沿着立柱801进行往复运动，而且电机通过钢丝绳能够保证托架802的稳定性；可选地，托架802和立柱801之间设置有阻尼层，能够更好保证托架802的稳定性。

又如：托架802和立柱801之间通过齿轮和齿条的方向进行滚动连接，或者托架802和立柱801之间通过多个齿轮的啮合进行连接等，由于托架802均能够通过电机或者卷扬机带动钢丝绳进行驱动连接，此处将不再赘述。

可选地，还包括机箱减震器900；机箱减震器900设置于保温机壳600和托架802之间，且机箱减震器900分别与保温机壳600和托架802连接。

可选地，机箱减震器900设置有多个，多个机箱减震器900沿着托架802均匀设置。为了保证平面相机组100拍摄过程中的稳定性，利用保温机壳600的底部安装机箱减震器，其中，机箱减震器900的数量可以采用四个或六个均匀分布的方式；可选地，机箱减震器900可以采用相机专用减震器。

另外，当锻件尺寸超出了测量区域，无法测出锻件的整体全貌时，可以采用将支架800放置距离锻件更远，此时采用的镜头200焦距减小，同时图像传感器101的分辨率增大；或者，在锻件的平行方向增加多个支架800和平面相机组100，通过采用标定的方式，将多个平面相机组100的三维测量数据进行拼合形成整体锻件的三维数据。

可选地，还包括显示终端；显示终端与三维运算电路板102电信号连接。

其中，显示终端可以包括PC(personal computer)机和显示器，通过电缆接口和电脑终端与三维运算电路板102进行电信号连接，其中，PC机根据计算速度要求以及数据存储的可靠性要求，可选用普通PC机，也可采用工业计算机，当对数据存储要求高时，还可以采用或另加一套数据服务器。如果需要数据实时上传控制和管理中心，可以采用网络通讯将终端数据实时上传到控制和管理中心；显示屏安装在操作工或工艺指挥员方便观察和操作的位置，也可以采用分屏显示的方式，将数据同时展示在两个或多个显示屏上。

另外，还可以包括外部供电设备、图像采集外触发控制、排风扇电源、温度传感器测量和控制电路、锻压机运行参数自动采集电气控制系列装置，其中电气控制箱与PC机之间通过I/O接口接收和发送控制信号，通过串口的方式采集外部温度和其它辅助传感器的数据。

如图6-图7所示，本申请实施例提供的一种基于所述的用于三维尺寸的动态测量装置的测量方法，包括以下步骤：对多个二维图像进行两两的卷积匹配运算，得到物体的边缘和图像特征点的三维空间坐标位置。

另外，对于图像采集过程中，可以根据锻件温度的变化造成图像亮度的变化，进行自动曝光参数调整，使图像的清晰度保持不变，同时，其它图像采集参数也需要进行自动设置和调整，例如：白平衡、高动态参数等

可选地，还包括以下步骤：建立多个图像传感器101的空间直角坐标系；多个图像传感器101的空间直角坐标系的原点设置于多个图像传感器101光轴焦点所对应的平面上，且位于多个图像传感器101组成矩形结构的中心点；使得在多个图像传感器101内有一组像素点与空间中任意物体上的一点之间形成唯一的对应关系；根据在多个图像传感器101上的空间几何约束条件和图像相似性匹配函数，得出空间中的任意物体上的一点的空间位置坐标。

可选地，在多个图像传感器101内有一组像素点与该点形成唯一的对应关系的步骤还包括：获得在多个图像传感器101的水平方向上的与空间中任意物体上的一点所对应的对应点，水平方向的对应点位于同一条水平扫描线上，而垂直方向的对应点位于同一条垂直扫描线上，对角位置的对应点位于同一条对角线上，且多个像素点同时组成与多个图像传感器101所组成的矩形相似的矩形，以使组成的矩形形成匹配的空间几何约束条件。

针对上述四个图像传感器101的的图像像素匹配条件是图像本身的涉及灰度、纹理、色彩、与周围像素关系的图像相似性匹配函数。

可选地，图像相似性匹配函数包括：对于空间中任意物体上的一点P(X,Y,Z)的空间位置坐标，计算公式如下：

PN(PNx，PNy，PNz)，其中N＝1,2,3,4,5,……＝

其中，m，n分别是平面相机组100光心组成的矩阵的相邻的两个边长，f是镜头200的焦距，a，b，c，d分别代表当具有四个图像传感器101的所在的平面。

本实施例中，当采用平面相机组100进行空间三维运算时，可以采用FPGA(FieldProgrammable Gate Array)芯片实现三维运算；采用三维运算电路板102时，由于采用FPGA芯片，使原来在CPU上64位串行运算，变为FPGA总线带宽的并行运算，可以提高运算速度，且提高了系统的可靠性；可选地，三维运算软件可以在PC终端上完成运算，也可以在三维运算电路板102上采用FPGA芯片进行运算，还有一种可选方式是在PC终端上加一块FPGA芯片完成三维运算。

当采用三维运算电路板102是通过采用三维图像处理软件，是在三维运算软件得到像素点的空间三维位置坐标后，自动计算各类锻件的各类需要测量的尺寸，此类算法涉及到一般图像处理算法以及基于神经网络的物体自动识别，锻件边缘三维尺寸提取，锻件自动追踪，背景分离，锻件关键尺寸自动提取，锻件关键尺寸和几何特性包括：中心线、对称轴、最大或最小外径、垂直度、偏移、弯曲度等。

可选地，当完成采集和计算后，可以通过数据管理软件配置成将采集图像、三维数据和测量数据进行分类保存，统计计算，数据上传等。对于重要的工艺参数和工作过程进行数据记录，形成产品工艺数据档案，便于事后对产品品质和质量进行分析。

本申请实施例提供的用于三维尺寸的动态测量方法，通过采用非接触光学成像的方式，高速动态测量锻件的三维外轮廓尺寸，使锻造过程中能够测量出锻件的尺寸，进而能够决定每一步的锻造工艺参数，调整锻件锻造位置和压制深度，减轻工人的劳动强度，使每步工艺都能有工艺尺寸记录，通过得到三维尺寸数据结果，能够极大提高锻件的加工质量，提高了锻件加工尺寸的一致性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不配置成限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

工业实用性

本申请实施例提供的一种三维尺寸的动态测量装置及其测量方法，通过平面相机组用于自由锻锻件三维尺寸动态测量，能够提高锻件的加工质量，提高锻件加工尺寸的一致性。