一种塔筒法兰平面度检测装备的图像采集方法与流程

1.本发明涉及平面度检测技术领域，具体地，涉及一种塔筒法兰平面度检测装备的图像采集方法。


背景技术：

2.随着国民经济和先进制造技术的发展，风电、工程机械、能源、船舶、军工等行业对高精度大尺寸旋转轴系产品的需求越来越大，对大型精密止推零件的平面度要求越来越高。大尺寸平面度作为大型设备最基本的几何要素,在装备机械加工过程中被频繁评定,同时它也是其他几何要素的基准。风力发电作为一种清洁无污染、可持续利用的能源利用形式，对于调整能源结构、节约资源、保护生态环境、促进经济可持续发展有着重要意义。风力发电机组由塔筒和连接法兰组成风力发电塔架，每段塔架由塔筒和连接法兰焊接而成，由于焊接过程中产生内应力，导致法兰平面度变大，如不修复，会严重影响塔筒寿命。因此，塔筒法兰平面度值是塔架制造的关键工序，制约了风电装备的整体精度和使用寿命。
3.国内外在大工件表面平面度检测系统的研究中，可以分为接触式测量和非接触式测量两种类型。接触式主要包括间隙测量、平板测量、激光光轴测量、三坐标测量等。随着机器视觉技术与光纤激光器技术的不断发展，目前国内外在平面度检测中主要采用非接触式激光平面度测量系统。spreitzhofer g等采用基于非接触式测量原理的西门子开发的si-flat方法对冷轧带进行平面度检测，实验结果证明该方法降低了运营和维护成本，但系统对机械错位不敏感，仅在带材边缘提供最佳分辨率。h.s.park等针对油底壳安装面，基于svd技术在检测目标表面构建参考平面，提出一种简单有效的平面度检测方法，并将提出的方法与涉及配准的3d数据检测方法进行对比，对于油底壳安装面的检测，提出的平面度检测方法更加有效,但方法并不适合超大型塔筒法兰的检测。miao h等针对键盘键帽构建了一种基于多线结构光成像和机器视觉的平面度检测装置，利用透视投影变换矩阵标定方法扩展3d传感器的扫描范围，采用多步图像处理方法，提高装置的测量精度，但装置的检测对象为微中型元件。王冬等提出一种基于矩形点阵测量的机架平面度测量方法，并针对某大型玉米联合收获机架构建了平面度测量系统，能够满足大型收获机械机架上表面的平面度准确、快速测量要求，但系统并不适合超大型立式塔筒法兰检测。岑骥龙等设计了起重机械金属结构平面度测量装置,解决了在传统测量过程中由于目测而导致测量精度低的问题，不过装置使用的线性位移传感器不能满足超大型机械工件平面度的测量。黄桂平等运用工业摄影测量系统对抛光盘进行检测，可以成功获得抛光盘平面度各类偏差数据，但在测量过程中需要将工业摄影专用测量相机在抛光盘表面的多个位置和角度拍摄多张照片，无法实现系统全自动作业。谭文等基于3d激光测量方法建立了3d激光平面度测量系统，能快速、准确、有效的测量目标工件的平面度，其检测对象为微型工件。
4.上述平面度装备系统及检测方法多采用在待检测工件表面取点的方式进行平面的拟合，从而计算待检测工件的平面度，虽然计算过程简单，但也丢失了待检测表面的局部几何特征，测得的平面度与实际值有较大的偏差。另外，上述平面度检测系统主要针对卧式
工件的检测，对于立式超大型工件检测并未涉及，且大多需要借助人工将检测设备摆放至最佳检测位置，采用固定检测仪器的方法对目标工件进行检测。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种塔筒法兰平面度检测装备的图像采集方法，其用于解决上述技术问题。
6.塔筒法兰平面度检测装备的图像采集方法，包括垂直对中和图像采集两个阶段，垂直对中和图像采集均通过检测系统来完成，检测系统包括检测平台、升降轴、旋转轴、旋转臂、伸缩轴、3d工业相机、驱动组件和控制系统，升降轴设于检测平台上，用于被驱动组件驱动并上升或下降，旋转轴设于升降轴上，用于被驱动组件驱动并旋转，旋转臂的中心与旋转轴连接，并在旋转轴旋转时随旋转轴转动，伸缩轴设于旋转臂的一端，其长度方向的中线与旋转臂长度方向的中线重合，用于被驱动组件驱动并发生伸缩，3d工业相机设于伸缩轴上，控制系统与3d工业相机和驱动组件信号连接，其中，垂直对中阶段包括以下步骤：
7.s1：获取经过目标法兰圆心的竖直线；
8.s2：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的下端摆动，获取目标法兰面下端的一段与竖直线相交的下轮廓线：
9.s3：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的上端摆动，获取目标法兰面上端的一段与竖直线相交的上轮廓线；
10.s4：获取旋转臂上3d工业相机扫描的直径：
11.分别提取s2中的下轮廓线的中点和s3中上轮廓线的中点，两中点的距离即为旋转臂上3d工业相机扫描的直径；
12.s5：获取旋转臂旋转扫描时的旋转中心：
13.分别提取s2中的下轮廓线的中点和s3中上轮廓线的中点，获取两中点的中间位置，该中间位置即为目标法兰的圆心，也即旋转臂旋转扫描时的旋转中心；
14.s6：自动对中：
15.根据s4确定的扫描直径和s5确定的旋转中心，调整升降轴的升降高度和伸缩轴的伸缩距离，实现旋转臂的旋转中心与目标法兰圆心的自动对中。
16.根据本发明的一实施方式，s2的步骤包括：
17.先将检测平台上的升降轴的高度调到最低位置，该位置记为h，此时3d工业相机最低位置距离地面的距离为h1，采集轮廓时3d工业相机以h2的间隔位移进行采集，采集一帧图像的宽度为h3为h2
△
t，0＜
△
t＜0.5mm，
18.s21：第一帧采集
19.旋转臂带动3d工业相机转动，在目标法兰最底部采集第一帧图像，3d工业相机线程采集第一帧后，发送运动到第二个采集位置的信号给控制系统；
20.s22：第二帧采集
21.控制系统接收到运动到第二个采集位置的信号后，检测平台上的升降轴上升h2，到达第二帧采集位置，然后发送采集信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第二帧后，发送运动到第三个采集位置的信号给控制系统；
22.s23：第三帧采集
23.控制系统接收到运动到第三个采集位置的信号后，升降轴上升h4，伸缩轴上升h5，其中，h4 h5＝h2，到达第三个采集位置，然后发送采集第三帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第三帧后，发送运动到第四个采集位置的信号给控制系统；
24.s24：第四帧采集
25.控制系统接收到运动到第四个采集位置的信号后，伸缩轴上升h6，h6为伸缩轴能再伸展的最大距离，其小于h2，到达第四个采集位置，然后发送采集第四帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第四帧后，完成目标法兰面下端的一段与竖直线相交的下轮廓线的采集。
26.根据本发明的一实施方式，s3的步骤包括：
27.s31：第五帧采集
28.3d工业相机线程采集第四帧后，发送运动到第五个采集位置的信号给控制系统，控制系统接收到运动到第五个采集位置的信号后，旋转轴顺时针旋转180
°
，伸缩轴返回初始位置，升到顶点位置，到达第五个采集位置，然后发送采集第五帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第五帧后，发送运动到第六个采集位置的信号给控制系统；
29.s32：第六帧采集
30.控制系统接收到运动到第六个采集位置的信号后，升降轴下降h2，到达第六个采集位置，然后发送采集第六帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第六帧后，发送运动到第七个采集位置的信号给控制系统；
31.s33：第七帧采集
32.控制系统接收到运动到第七个采集位置的信号后，升降轴下降h4，伸缩轴下降h5，到达第七个采集位置，然后发送采集第七帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第七帧后，发送运动到第八个采集位置的信号给控制系统；
33.s34：第八帧采集
34.控制系统接收到运动到第八个采集位置的信号后，伸缩轴下降h6，到达第八个采集位置，然后发送采集第八帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第八帧后，发送旋转轴运动初始位置的信号给控制系统，同时开始对中函数，控制系统接收到旋转轴返回初始位置后启动返回。
35.根据本发明的一实施方式，图像采集阶段包括以下步骤：
36.s7：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的最低处先逆时针转动一小段弧度：
37.设定启动后3d工业相机的初始位置为原点位置，旋转臂带动3d工业相机转动一圈的时间为t(s)，转动一圈的脉冲数为n(p)，在原点位置，先逆时针转n/20(p)，即0.05圈；
38.s8：旋转臂带动3d工业相机顺时针转动开始采集图像：
39.设定旋转轴的检测速度为v，加速度为a；
40.加速到匀速时间所需的时间为t1，则t1＝v/a；
41.加速到匀速的距离为s1＝a*t
12
/2；
42.匀速后到达原点位置的距离为s2＝n/20-s1；
43.从匀速到达到原点位置的时间为t2＝s2/v；
44.则从启动到到达原点位置的时间t3＝t1 t2；
45.即，时间t3后开始采集数据，n/20(p)到达原点，用n(p)采集数据，再用n/20(p)减
速停止，则顺时针转动1.1n(p)，耗时t4＝t3 t t3，可以完成目标法兰一圈的图像采集；
46.s9：旋转臂带动3d工业相机逆时针转动返回原点：
47.旋转臂带动3d工业相机逆时针转动1.05n(p)回到原点。
48.与现有技术相比，本发明的塔筒法兰平面度检测装备的图像采集方法，包括垂直对中和图像采集两个阶段，通过自动对中阶段使检测系统自动将旋转臂轴心和法兰圆心对齐，以达到3d工业相机的最佳视野和工作距离，在图像采集阶段，旋转臂带动3d工业相机旋转，对目标法兰进行全覆盖式激光线扫描以得到海量点云数据，旋转一周，即可获得激光线扫描区域的点云数据。
附图说明
49.图1为本发明的塔筒目标法兰平面度检测装备的图像采集方法的s2和s3获得的下轮廓线和上轮廓线的示意图；
50.图2为本发明的塔筒目标法兰平面度检测装备的图像采集方法的s2和s3的位置采集示意图；
51.本发明功能的实现及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
52.以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
53.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
54.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
55.为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
56.实施例一：
57.请参阅图1及图2，如图1及图2所示，本实施例的塔筒法兰平面度检测装备的图像采集方法，包括垂直对中和图像采集两个阶段，垂直对中和图像采集均通过检测系统来完成的，检测系统包括检测平台、升降轴、旋转轴、旋转臂、伸缩轴、3d工业相机、驱动组件和控制系统，升降轴设于检测平台上，用于被驱动组件驱动并上升或下降，旋转轴设于升降轴上，用于被驱动组件驱动并旋转，旋转臂的中心与旋转轴连接，并在旋转轴旋转时随旋转轴
转动，伸缩轴设于旋转臂的一端，其长度方向的中线与旋转臂长度方向的中线重合，用于被驱动组件驱动并发生伸缩，3d工业相机设于伸缩轴上，控制系统与3d工业相机和驱动组件信号连接，其中，垂直对中阶段包括以下步骤：
58.s1：获取经过目标法兰圆心的竖直线；
59.s2：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的下端摆动，获取目标法兰面下端的一段与竖直线相交的下轮廓线：
60.s3：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的上端摆动，获取目标法兰面上端的一段与竖直线相交的上轮廓线；
61.s4：获取旋转臂上3d工业相机扫描的直径：
62.分别提取s2中的下轮廓线的中点和s3中上轮廓线的中点，两中点的距离即为旋转臂上3d工业相机扫描的直径；
63.s5：获取旋转臂旋转扫描时的旋转中心：
64.分别提取s2中的下轮廓线的中点和s3中上轮廓线的中点，获取两中点的中间位置，该中间位置即为目标法兰的圆心，也即旋转臂旋转扫描时的旋转中心；
65.s6：自动对中：
66.根据s4确定的扫描直径和s5确定的旋转中心，调整升降轴的升降高度和伸缩轴的伸缩距离，实现旋转臂的旋转中心与目标法兰圆心的自动对中。
67.在本实施例中，s2的步骤包括：
68.先将检测平台上的升降轴的高度调到最低位置，该位置记为h，此时3d工业相机最低位置距离地面的距离为h1，采集轮廓时3d工业相机以h2的间隔位移进行采集，采集一帧图像的宽度为h3为h2
△
t，0＜
△
t＜0.5mm，
69.s21：第一帧采集
70.旋转臂带动3d工业相机转动，在目标法兰最底部采集第一帧图像，3d工业相机线程采集第一帧后，发送运动到第二个采集位置的信号给控制系统；
71.s22：第二帧采集
72.控制系统接收到运动到第二个采集位置的信号后，检测平台上的升降轴上升h2，到达第二帧采集位置，然后发送采集信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第二帧后，发送运动到第三个采集位置的信号给控制系统；
73.s23：第三帧采集
74.控制系统接收到运动到第三个采集位置的信号后，升降轴上升h4，伸缩轴上升h5，其中，h4 h5＝h2，到达第三个采集位置，然后发送采集第三帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第三帧后，发送运动到第四个采集位置的信号给控制系统；
75.s24：第四帧采集
76.控制系统接收到运动到第四个采集位置的信号后，伸缩轴上升h6，h6为伸缩轴能再伸展的最大距离，其小于h2，到达第四个采集位置，然后发送采集第四帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第四帧后，完成目标法兰面下端的一段与竖直线相交的下轮廓线的采集。
77.在本实施例中，s3的步骤包括：
78.s31：第五帧采集
79.3d工业相机线程采集第四帧后，发送运动到第五个采集位置的信号给控制系统，控制系统接收到运动到第五个采集位置的信号后，旋转轴顺时针旋转180
°
，伸缩轴返回初始位置，升到顶点位置，到达第五个采集位置，然后发送采集第五帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第五帧后，发送运动到第六个采集位置的信号给控制系统；
80.s32：第六帧采集
81.控制系统接收到运动到第六个采集位置的信号后，升降轴下降h2，到达第六个采集位置，然后发送采集第六帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第六帧后，发送运动到第七个采集位置的信号给控制系统；
82.s33：第七帧采集
83.控制系统接收到运动到第七个采集位置的信号后，升降轴下降h4，伸缩轴下降h5，到达第七个采集位置，然后发送采集第七帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第七帧后，发送运动到第八个采集位置的信号给控制系统；
84.s34：第八帧采集
85.控制系统接收到运动到第八个采集位置的信号后，伸缩轴下降h6，到达第八个采集位置，然后发送采集第八帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第八帧后，发送旋转轴运动初始位置的信号给控制系统，同时开始对中函数，控制系统接收到旋转轴返回初始位置后启动返回。
86.在本实施例中，完成垂直对中后，图像采集阶段包括以下步骤：
87.s7：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的最低处先逆时针转动一小段弧度：
88.设定启动后3d工业相机的初始位置为原点位置，旋转臂带动3d工业相机转动一圈的时间为t，转动一圈的脉冲数为n(p)，在原点位置，先逆时针转n/20(p)，即0.05圈；
89.s8：旋转臂带动3d工业相机顺时针转动开始采集图像：
90.设定旋转轴的检测速度为v，加速度为a；
91.加速到匀速时间所需的时间为t1，则t1＝v/a；
92.加速到匀速的距离为s1＝a*t
12
/2；
93.匀速后到达原点位置的距离为s2＝n/20-s1；
94.从匀速到达到原点位置的时间为t2＝s2/v；
95.则从启动到到达原点位置的时间t3＝t1 t2；
96.即，时间t3后开始采集数据，n/20(p)到达原点，用n(p)采集数据，再用n/20(p)减速停止，则顺时针转动1.1n(p)，耗时t4＝t3 t t3，可以完成目标法兰一圈的图像采集；
97.s9：旋转臂带动3d工业相机逆时针转动返回原点：
98.旋转臂带动3d工业相机逆时针转动1.05n(p)回到原点。
99.实施例二：
100.请参阅图1及图2，如图1及图2所示，本实施例的塔筒法兰平面度检测装备的图像采集方法，包括垂直对中和图像采集两个阶段，垂直对中和图像采集都是通过检测系统来完成的，检测系统包括检测平台、升降轴、旋转轴、旋转臂、伸缩轴、3d工业相机、驱动组件和控制系统，升降轴设于检测平台上，用于被驱动组件驱动并上升或下降，旋转轴设于升降轴上，用于被驱动组件驱动并旋转，旋转臂的中心与旋转轴连接，并在旋转轴旋转时随旋转轴转动，伸缩轴设于旋转臂的一端，其长度方向的中线与旋转臂长度方向的中线重合，用于被
驱动组件驱动并发生伸缩，3d工业相机设于伸缩轴上，控制系统与3d工业相机和驱动组件信号连接，其特征在于，垂直对中阶段包括以下步骤：
101.s1：获取经过目标法兰圆心的竖直线；
102.s2：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的下端摆动，获取目标法兰面下端的一段与竖直线相交的下轮廓线：
103.请参阅图2，如图2所示，先将检测平台上的升降轴的高度调到最低位置，该位置记为h，h＝2347mm，此时3d工业相机最低位置距离地面的距离为h1，h1＝299mm，采集轮廓时3d工业相机以h2的间隔位移进行采集，h2＝280mm，采集一帧图像的宽度为h3为h2
△
t，0＜
△
t＜0.5mm，此处h3＝280.32mm；
104.s21：第一帧采集
105.旋转臂带动3d工业相机转动，在目标法兰最底部采集第一帧图像，3d工业相机线程采集第一帧后，发送运动到第二个采集位置的信号给控制系统；
106.s22：第二帧采集
107.控制系统接收到运动到第二个采集位置的信号后，检测平台上的升降轴上升h2＝280mm，到达第二帧采集位置，然后发送采集信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第二帧后，发送运动到第三个采集位置的信号给控制系统；
108.s23：第三帧采集
109.控制系统接收到运动到第三个采集位置的信号后，升降轴上升h4＝70mm，伸缩轴上升h5＝210mm，其中，h4 h5＝h2，到达第三个采集位置，然后发送采集第三帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第三帧后，发送运动到第四个采集位置的信号给控制系统；
110.s24：第四帧采集
111.控制系统接收到运动到第四个采集位置的信号后，伸缩轴上升h6＝65mm(已经到达伸缩轴的极限位置)，到达第四个采集位置，然后发送采集第四帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第四帧后，完成目标法兰面下端的一段与竖直线相交的下轮廓线的采集；
112.s3：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的上端摆动，获取目标法兰面上端的一段与竖直线相交的上廓线；
113.s31：第五帧采集
114.3d工业相机线程采集第四帧后，发送运动到第五个采集位置的信号给控制系统，控制系统接收到运动到第五个采集位置的信号后，旋转轴顺时针旋转180
°
，伸缩轴返回初始位置，升到顶点位置，到达第五个采集位置，然后发送采集第五帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第五帧后，发送运动到第六个采集位置的信号给控制系统；
115.s32：第六帧采集
116.请参阅图2，如图2所示，控制系统接收到运动到第六个采集位置的信号后，升降轴下降h2＝280mm，到达第六个采集位置，然后发送采集第六帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第六帧后，发送运动到第七个采集位置的信号给控制系统；
117.s33：第七帧采集
118.控制系统接收到运动到第七个采集位置的信号后，升降轴下降h4＝70mm，伸缩轴下降h5＝210mm，到达第七个采集位置，然后发送采集第七帧信号给3d工业相机线程，3d工
业相机线程采集第七帧后，发送运动到第八个采集位置的信号给控制系统；
119.s34：第八帧采集
120.控制系统接收到运动到第八个采集位置的信号后，伸缩轴下降h6＝65mm，到达第八个采集位置，然后发送采集第八帧信号给3d工业相机线程，3d工业相机线程采集第八帧后，发送旋转轴运动初始位置的信号给控制系统，同时开始对中函数，控制系统接收到旋转轴返回初始位置后启动返回；
121.s4-s5：获取旋转臂上3d工业相机扫描的直径和旋转臂旋转扫描时的旋转中心：
122.分别提取s2中的下轮廓线的中点和s3中上轮廓线的中点，两中点的距离即为旋转臂上3d工业相机扫描的直径；获取两中点的中间位置，该中间位置即为目标法兰的圆心，也即旋转臂旋转扫描时的旋转中心；
123.s6：自动对中：
124.根据s4确定的扫描直径和s5确定的旋转中心，调整升降轴的升降高度和伸缩轴的伸缩距离，实现旋转臂的旋转中心高度与目标法兰圆心的自动对中；
125.s7：旋转臂带动3d工业相机在目标法兰的最低处先逆时针转动一小段弧度：
126.设定启动后3d工业相机的位置为原点位置，旋转臂带动3d工业相机转动一圈的时间为t＝50s，转动一圈的脉冲数为700000p(p表示脉冲数)，在原点位置，先逆时针转35000p，即0.05圈；
127.s8：旋转臂带动3d工业相机顺时针转动开始采集图像：
128.设定旋转轴的检测速度为v＝14p/ms，加速度为a＝0.005p/ms，
129.加速到匀速时间所需的时间为t1，则t1＝v/a＝14
÷
0.005＝2800(ms)，
130.加速到匀速的距离为s1＝a*t
12
/2＝0.005
×
28002÷
2＝19600(p)，
131.匀速后到达原点位置的距离为s2＝35000-19600＝15400(p)，
132.从匀速到达到原点位置的时间为t2＝s2/v＝15400/14＝1100(ms)，
133.则从启动到到达原点位置的时间t3＝t1 t2＝2800 1100＝3900(ms)，
134.即，3.9s后开始采集数据，35000p到达原点，用700000p采集数据，再用35000p减速停止，则顺时针转动770000p，耗时t4＝t3 t t3＝3.9 50 3.9＝57.8(s)，可以完成目标法兰一圈的图像采集；
135.s9：旋转臂带动3d工业相机逆时针转动返回原点：
136.旋转臂带动3d工业相机逆时针转动735000p回到原点。
137.以上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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。