基于三维数控弯板机的曲板智能检测技术研究_乐云韬.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言SKWB 船舶三维数控弯板机是我国自主研制的新一代大型船用曲板加工设备，该设备采用多点成型技术，可实现模具的自动调形，板材的自动弯压等工序，具有速度快，精度高的特点1。经过多年来的应用，发现设备自带的磁致接触式曲面测量系统由于长期磨损，其检测精度下降明显，已经大大影响了弯板效率及精度。为满足生产任务，对于曲板的检测仍为传统的样箱测量，且测量速度慢，无法实现曲板压弯的全环节自动化，严重延误了加工作业工期。因此急需开展曲板智能检测技术研究。借助先进的数字化无接触式在位测量技术来提高复杂曲率船板加工精度。同时利用软件系统通过数模配准和计算，可以自动生成指导下一次修正的调型文件，可大大提高曲板加工效率，为逐步取消船厂现行的样板、样箱测量方法和船舶曲板的在线加工提供技术支持。同时借助此系统能够实现船舶三维曲板的快速测量，提高船厂智能化制造的程度，简化船舶曲面测量的步骤，极大地提高船舶曲面板成型检测精度。1 曲面测量技术1.1 曲面测量方法曲面测量方法依据被测曲面是否和测量设备直接基于三维数控弯板机的曲板智能检测技术研究乐云韬，陈 勇，俞 峰（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）摘 要：目前，主流船企对于曲板成型后的检验主要采用传统的样板、样箱对样的测量方法，该方法存在样板、样箱制作工作量大，重复利用率低，人工操作效率低、误差大、智能化不足等问题。本文通过对现有的三维曲面测量技术及设备进行现状分析及对比，研制出一种用于三维数控弯板机的智能检测装置，其原理是采用无接触的双目视觉测量技术，可快速获取曲板的三维空间位置。采用专用算法可实现曲面的快速拟合、重构。通过与理论曲面的匹配可快速得到误差数据，并生成多点成型压模的二次修型数据。通过曲板智能检测装置的研发和应用，可逐步取消样板及样箱的传统对样方法，达到提高曲板加工的精度及效率的目的。关键词：曲面测量；智能检测；双目视觉；曲板成型智能检测系统中图分类号：U671.3 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.017引用格式乐云韬,陈勇,余峰.基于三维数控弯板机的曲板智能检测技术研究 J.船舶物资与市场,2023,31(3):53-56.收稿日期：2022-09-25 基本项目：国防基础科研重大项目（JCKY2018206A001）作者简介：乐云韬（1990-），男，本科，工程师，研究方向为船舶建造项目管理。接触，分为接触式测量和非接触式测量2。根据不同的测量原理测量方法主要有三坐标机法（CMM）、多目视觉法、深度测量法等，以及使用逐层扫描技术的工业CT 法和自动断层扫描法等3-5。此外，还有基于 GPS原理的室内 GPS（IGPS）测量方法，曲面测量方法分类如图 1 所示。曲面测量方法非接触式测量双目视觉法激光三角形法工业CT法室内IGPS（GPS）法其他的非接触式测量方法基于视觉技术的非接触式测量方法三坐标机法（CMM）接触式测量图 1 曲面测量方法1）三坐标测量机法。通过安装在三坐标测量机上的测头与被测曲面直接接触，从而测量被测曲面上各个测点的三维空间坐标。三坐标测量机法使用较为方便，可达到 0.5m 的测量精度，而且对于大多数材质的曲板以及光照条件都能测量，但三坐标测量机工作过程需要有一定经验的操作人员进行操作，测头操作不规范容易损船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 54 坏，并且设备尺寸较大，占用场地，测量速度较慢，不适合大尺度曲面测量。2）工业 CT 法。通过放射性核素或其他辐射源的 x 射线或 射线，使用计算机断层成像技术，获取被测物体内部结构等信息，从而实现无损检测。需要对内部结构进行测量时通常使用工业 CT 法测量，实现无损检测，但目前工业 CT 法测量设备昂贵，且测量精度较低，一般不用于表面测量。3）室内（IGPS）GPS 法。IGPS 法是利用三边测量原理进行空间定位与测量尺寸大的物体。在航天航空设备建造、船体分段对接时，利用该方法对大分段进行定位和辅助装配，其测量精度相对较低，难以满足小构件建造精度要求。4）激光三角形法。通过激光发射装置发射出激光束，测量曲面上的聚焦光斑的漫反射成像点位置，利用三角测量原理计算出主主激光的角度，从而定位曲面上的点。激光三角形法具有测量精度高，可达到 510m，测量速度快等优点，但对被测物体表面的物理特性有一定要求，而且对测量环境有要求，船厂的现场作业环境难以满足，因此该方法不太适用。5）无接触式的双目视觉法。双目立体视觉测量设备主要包括 2 台或多台工业像机、计算机处理模块、采集模块等硬件，利用 2 台工业相机同时拍摄被测物体，由于工业相机拍摄角度和位置不一样，因此同一物体在不同相机拍摄图像中位置不同，利用“视差”得到场景的深度信息，从而计算出被测曲面的空间点的三维坐标。双目视觉法具有测量速度快，不受被测曲面的表面纹理、粗糙度以及环境的光线、温度等影响，而且设备简单易于操作，测量精度较高。通过对于以上测量方法在检测效率、检测精度、检测成本、适用性等方面的考量，最终认为双目视觉法是其中现阶段与船舶实际建造需要最为符合的曲面板测量方法。1.2 数据获取技术在曲面检测中，通常是测量曲面上的点，将点云构造成特征曲线，通过特征曲线进行构面，通过测量点集来实现曲面的检测工作。对于被测曲面已知数学模型表达，采用特征点采样法，分析被测曲面的数学模型找出特征点，采集特征点的坐标，根据特征点和数学模型对曲面进行重构，从而获取曲面形状。针对没有已知数学模型的复杂双曲度曲面，可采用等弦高法、等间距法和等弧长法分布采样点。1.3 曲面重构技术曲面重构即根据测量点集数据进行曲面建模。曲面重构分为：有理论方程的规则曲面，根据理论方程，进行拟合、重构；对于无理论方程的船舶曲面板，则可引入自由曲面，进行建模、重构。自由曲面建模常用的方法有 Coons 法、Bezier 法、B 样条法和 NURBS 法等6。1.4 误差评定技术随着新测量技术的应用，通过曲面重构，可以测量出实际重构曲面与理论曲面对应点的距离误差7。通过对于以上测量方法在检测效率、检测精度、检测成本、适用性等方面的考虑，认为双目视觉法是现阶段与船舶实际建造需要最为符合的曲面板测量方法；采用等间距法获取采样点数据，B 样条曲线进行曲面重构；通过理论点数据和测量点数据比对从而评定和反映该曲面质量。2 曲板冷弯成形精度视觉检测方案由于三维数控弯板机中原有曲板成形精度检测误差大，因此基于视觉测量技术，数字图像处理，曲面重构技术、数模偏差计算，搭建一套高精、高效的视觉检测系统。目前三维数控弯板机的现场工位如图 2 所示。图 2 三维数控弯板机的现场工位大尺寸双目立体视觉测量系统主要由 4 个 CMOS 相机、线激光发射器、伺服电机、直线导轨滑块、交换机及曲板成型智能检测软件系统等部分组成。1）具体实施方式。在弯板机进料方向的两侧内部横梁上，安装 4 台大视场相机，两两构成双目立体视觉测量系统；在原有的测量机构方向的横梁上安装一组简易导轨和一个线激光器发射器，线激光器可以沿着进料方向行走，覆盖整个下模压头区域；通过 4 台相机抓取线激光器移动过程中的成形船板的图像，结合软件算法，得到被测船板型面的三维离散点云和船板成形偏差。通过坐标转换和插值运算，得到压头中心的三维坐标，以求出曲板成形的回弹量，指导下一步的加工作业。2）测量空间说明。根据上述测量系统，每套双目设备的覆盖范围第 3 期 55 为 1.375 m2.75 m，高度方向覆盖范围为0.5 m，整个系统的覆盖范围为2.75 m2.75 m，如图3所示。（a）（b）图 3 双目视觉测量系统3）理论测量精度分析。由于测量场景较大，设定系统测量的近平面为z=1.7 m，远平面为 z=4.0 m，设备的基线距离 b=3.4 m，焦距为 f=8 mm，视差计算精度为 0.2 pixel，像素尺寸为 5.5 m10 m6 m。通过公式计算可以得到设备的理论测量精度 0.5 mm。3 曲板成型智能检测系统3.1 曲板成型智能检测系统组成曲板成型智能检测装备包括曲板成型智能检测装备的硬件系统和软件系统，具体为：1）硬件部分包括检测设备支架、直线导轨、控制系统和检测单元，检测单元为 2 套双目视觉检测单元，测量系统主要完成船板点云数据的获取，并将数据传送给软件系统。2）软件系统主要完成理论船板重构、型面匹配、偏差计算及智能输出设备调型文件等功能。3.2 智能检测工艺流程曲板成型智能检测的工艺流程：步骤 1 将设计曲板数据转换成点云数据，打开曲板成形智能检测系统，将点云数据文件导入。步骤 2 选择合适的参数，包括线数、点数、交点计算参数、曲线构造方式，进行理论曲面重构。步骤 3 控制激光器的移动和相机的图像采集，重建出被测量板的空间三维坐标；选择合适的扫描速度，开始对曲板进行扫描。步骤 4 扫描结束，得到测量点云，将测量点云和理论点云进行拟合计算。步骤 5 计算完成后，系统生成偏差计算报表和点云偏差色斑图，并将生成的偏差计算报表进行保存。3.3 曲板测量实验结果及误差分析1）曲面测量数据获取。通过曲板成型智能检测设备测量得到的数据点云如图 4 所示。通过对原始测量点云进行重采样操作，通过一定的算法，在符合测量精度要求内，对点云进行稀疏操作，以便于提高后面的计算速度。处理后的测量点云如图 5 所示。图 4 测量点云图 5 重采样点云2）曲面重构。读取理论点云数据，通过拟合构造 B样条曲线进行曲面重构，得到拟合测量点云及曲面和理论曲面如图 6 所示。乐云韬，等：基于三维数控弯板机的曲板智能检测技术研究船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 56 60402002000 1500 1000 5002000 1500 1000 500 xyzuntitled fit 1z vs.x,y（a）拟合测量点云及曲面 60402002000 1500 1000 5002000 1000 0 xyzuntitled fit 1z vs.x,y（b）理论点云及曲面图 6 点云曲面3）误差分析。通过偏差数据分析，即可生成点云偏差文件和压头偏差文件和下次调型文件，点云偏差色斑图和偏差表格如图 7 所示，软件生成偏差报表如图 8 所示。通过将传统的样板与实物对比，可以直观地看出下压模处的第 36 排的偏差比较大，其值介于 10 20 mm 之间，和色斑图对应。图 8 偏差报表4 结语通过对现有的三维测量方法的及优缺点对比，最终采用基于双目视觉的三维曲面板测量技术，解决了生产过程中的技术难题。采用双目视觉测量无论是测量速度、测量精度以及对于测量环境的适应性都显示出与传统的人工样箱对样的优越性。通过大量的现场实际测试，本技术具有使用成本低、测量速度快、精度高、人工参与少等技术特点，满足船厂实际生产需要，可显著提高曲面检测效率和精度。参考文献：1袁萍,王呈方,胡勇,等.大型船舶三维数控弯板机的研制 J.中国造船 2014,55(2):122-131.2 饶文治.船体曲形外板成形加工的无模检验方法研究 D.武汉:武汉理工大学,2019.3张强.基于双目视觉的三维测量及可视化技术研究 D.长春:长春工业大学,2018.4 孙宇臣,葛宝臻,张以谟.物体三维信息测量技术综述 J.光电子,激光,2004(2):248-254.5 褚馨泽.大尺寸双目立体视觉测量技术 D.吉林:吉林大学,2017.6 刘玉君,朱秀莉,纪卓尚,等.船体外板曲面形状误差评定方法分析 J.哈尔滨工程大学学报.2006(5):635-638.7 周科杰.双目视觉三维测量技术研究与应用 D.成都:中国科学院大学,2019.（a）点云偏差色斑图（b）偏差表格图 7 偏差视图