三維結構光法在智能尋位加工中的應用

摘要：為解決智能尋位加工中的大范圍工件尋位問(wèn)題，提出了一種基于三維結構光法的視覺(jué)尋位技術(shù)。其核心是利用先進(jìn)的數字化視覺(jué)傳感技術(shù)，以無(wú)接觸方式快速獲取工件宏觀(guān)位姿信息，由此引導微觀(guān)測量過(guò)程獲取工件關(guān)鍵特征的精確信息，并求解出工件的實(shí)際狀態(tài)，據此實(shí)現對工件的位姿自適應加工。實(shí)際加工結果表明，所提出的方法具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：三維結構光 工件尋位 制造自動(dòng)化

智能尋位加工技術(shù)為實(shí)現多品種小批量產(chǎn)品的快速化生產(chǎn)開(kāi)辟了新的途徑[1～4]。本文交將介紹利用三維結構光方法解決大范圍工件尋位問(wèn)題所取得的部分研究結果。

1 智能尋位加工的基本原理

研究發(fā)現。人類(lèi)操作者能順應現實(shí)快速完成加工任務(wù)，是因為人在加工過(guò)程中利用感管和理性分析主動(dòng)找尋到了工件的實(shí)現位置與姿態(tài)，并根據工件的實(shí)際狀態(tài)不斷調整自己的操作動(dòng)作。這樣，即使工件（毛坯）位姿不正，也可從不正的毛坯中加工出正確的零件。這正是人所具有的智能尋位加工能力。如果給自動(dòng)化加工機床賦予一種仿人的智能尋位加工能力，無(wú)穎將大幅度提高制造系統的適應能力和快速響應能力。為此，我們提出“智能尋位加工”這一新的制造概念和制造操作模式，并研究出一種無(wú)需對被加工零件進(jìn)行定位（簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)定位”）便可主動(dòng)尋位并順應工件實(shí)際位置與姿態(tài)進(jìn)行加工的智能化尋位加工技術(shù)。

為實(shí)現“智能尋位加工”，必須解決主動(dòng)尋位和順應現實(shí)加工兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?！爸鲃?dòng)尋位”是一種智能行為，具體內容包含兩個(gè)方面：一是采用現代智能化傳感技術(shù)快速準確獲取工件表面信息；二是根據所獲得的工件表面信息，利用計算機精確求解出工件的實(shí)際狀態(tài)?！绊槕F實(shí)加工”亦不是普通意義下的數字程序控制（NC）加工，而是一種無(wú)預定程序的、以工件尋位的反饋信息為基礎實(shí)時(shí)生成刀具運行路徑和軌跡所實(shí)現的位姿自適應加工。

從智能尋位加工的特征可以看到，這一新的技術(shù)可以有效克服基于“定位-加工”模式的傳統制造技術(shù)的準備周期長(cháng)、切換速率慢、靈活性與快速響應性差等眾多弊端，從而為提高企業(yè)底層制造過(guò)程對市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的快速響應能力作出貢獻。

2 基于三維結構光法的工件尋位技術(shù)

工件尋位是實(shí)現智能尋位加工必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。雖然此問(wèn)題的研究取得了不少理論成果，但離實(shí)用還有較大差距。主要困難是現有方法一般都要求預先知道工件表面實(shí)測點(diǎn)與CAD模型表面的對應關(guān)系，而在實(shí)際加工中這是很難做到的。為解決此困難，本文提出一種基于三維結構光的視覺(jué)尋位技術(shù)。

2.1 基本思路

首先通過(guò)具有空間編碼功能的結構光發(fā)生器向工件表面投射三維結構光，并采用多視角信息獲取方法以無(wú)接觸方式快速獲取工件表面關(guān)鍵特征信息；然后通過(guò)匹配算法求出工宏觀(guān)位置與姿態(tài)，并構成宏觀(guān)變換矩陣對工件CAD模型進(jìn)行坐標變換，使其向實(shí)際工件靠攏，將大范圍尋位問(wèn)題轉化為小范圍尋位問(wèn)題；最后，用迭代算法精確求解小范圍尋位問(wèn)題，并將其結果與宏觀(guān)換矩陣集成，從而得到大范圍工件尋位問(wèn)題的解。

2.2 系統組成

三維結構光視覺(jué)系統由安裝于加工設備主體上的以一定角度對準加工區域的兩如CCD攝像機、結構光投射器、信息傳輸和處理裝置等組成。系統的總休結構銣圖1所示。

該系統的工作過(guò)程如下：

（1）啟動(dòng)結構光投射器，將編碼光柵結構江投向工件表面；

（2）啟動(dòng)攝像機，從不同視角拍攝被結構光照射的工件表面輪廓，取得工件表面多視角信息；

（3）將所獲得的多路視覺(jué)信息送入尋位計算機，由信息處理軟件求解出工件表面輪廓特征的坐標值；

（4）根據以上獲得的工件表面輪廓信息，通過(guò)匹配算法求解出工件的實(shí)際狀態(tài)（工伯在雖工坐標系中的宏觀(guān)位置和姿態(tài)）。

2.3 工件表面信息獲取

結構光系統的工作原理如圖2所示。結構光在參考坐標系（Xr,Yr,Zr）內從0s點(diǎn)投射到工件表面，光平面的入射角為θ，并平行于Yr軸交Xr軸于Om點(diǎn)（沒(méi)有物體時(shí)）。投射點(diǎn)Os的坐標為（0，0，OSzr）（角標Zr表示在Zr軸的投影，以下同）。成像平面中心為Oi，以其為原點(diǎn)建立像平面坐標系（Xi,Yi,Zi），其Zi軸與Zr軸成β。

根據上述模型，光平面與工件表面相交所得曲線(xiàn)AB上各點(diǎn)的實(shí)際坐標Xg、Yg、Zg可通過(guò)（1）式求出：

式中，f——焦距

當以不同入射角產(chǎn)生的n個(gè)光平面與工件表面相交時(shí)，可得到n條曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上各點(diǎn)的坐標值亦可按同樣方法求出。

2.4 宏觀(guān)變換矩陣求取

通過(guò)上述過(guò)程得到工件表面上足夠多的關(guān)鍵點(diǎn)的坐標值后，進(jìn)一步通過(guò)遺傳算法即可求出工件位姿的宏觀(guān)變換矩陣。

首先，將待求宏觀(guān)坐標轉換矩陣的六個(gè)參數進(jìn)行染色體編碼：

Chrom={XT‖YT‖ZT‖α‖β‖γ} (2)

式中，（XT‖YT‖ZT）為平移矩陣參數，（α‖β‖γ）為旋轉矩陣參數。

然后，采用最小距離準則，求取測量特征點(diǎn)集到經(jīng)過(guò)轉換矩陣變換（染色體編碼六個(gè)參數決定）的物體CAD模型的距離和，距離和越小，則匹配程序越好。理想情況下，最小距離和為零。

在此基礎上，構造適應度函數

式中，Derr為特征點(diǎn)集中點(diǎn)到CAD模型的最小距離。

最后，經(jīng)過(guò)特定約束下的搜索，最大適應度取得處的染色體則代表了最佳匹配結果，其符號化的參數就是宏觀(guān)坐標變換矩陣T宏的參數。

2.5 最終尋位信息的求取

對于粗加工，利用T宏提供的信息即可進(jìn)行尋位加工，此時(shí)最終尋位信息T=T宏。

對于精加工，需進(jìn)一步在T宏基礎上求出微觀(guān)精變換短陣T微，然后通過(guò)集成求出以總變換矩陣T表示的最終尋位信息。其求解過(guò)程如一：

首先利用以上示離的宏觀(guān)變換矩陣T宏對工作CAD模型進(jìn)行坐標變換，使其向實(shí)際工件靠攏，將大范圍尋位問(wèn)題轉化為小范圍尋位問(wèn)題。然后用文[5]介紹的迭代算法精確求解小范圍尋位問(wèn)題，得到微觀(guān)精變換矩陣T微。最后通過(guò)式（4）集成宏微兩方面信息得到大范圍尋位問(wèn)題的解。

T=T微·T宏

3 應用實(shí)例

根據上述原理和方法研制了智能尋位加工系統，并在其上進(jìn)行了實(shí)際加工實(shí)驗。該系統由可多坐標運動(dòng)的工作主體、擬人化信息感知系統、智能化分析決策和信息處理系統、全數字化控制與驅動(dòng)系統等組成。其中信息感知系統包括三維結構光視覺(jué)系統和觸覺(jué)系統兩個(gè)子系統，其作用是以宏微觀(guān)相結合、無(wú)接解與有接蟹并舉的方式獲取被如工工件的有關(guān)信息。信息處理系統由一臺Pentium Ⅱ計算機及軟件系統等組成，用于處理視覺(jué)和觸覺(jué)信息并求解實(shí)際狀態(tài)（工件在工作臺上的位置與姿態(tài)）?？刂乞寗?dòng)系統的工控PC機平臺、控制軟件、現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統、接口及驅動(dòng)裝置等組成，用于完成整個(gè)系統的控制任務(wù)。經(jīng)測量 ，該系統加工出的零件各尺寸精度、形位精度均滿(mǎn)足設計要求，零件的總加工周期比常規定位加工方法縮短50%以上。