三維結(jié)構(gòu)光法在智能尋位加工中的應(yīng)用

摘要：為解決智能尋位加工中的大范圍工件尋位問題，提出了一種基于三維結(jié)構(gòu)光法的視覺尋位技術(shù)。其核心是利用先進(jìn)的數(shù)字化視覺傳感技術(shù)，以無接觸方式快速獲取工件宏觀位姿信息，由此引導(dǎo)微觀測量過程獲取工件關(guān)鍵特征的精確信息，并求解出工件的實(shí)際狀態(tài)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對工件的位姿自適應(yīng)加工。實(shí)際加工結(jié)果表明，所提出的方法具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：三維結(jié)構(gòu)光 工件尋位 制造自動化

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

1 智能尋位加工的基本原理

研究發(fā)現(xiàn)。人類操作者能順應(yīng)現(xiàn)實(shí)快速完成加工任務(wù)，是因?yàn)槿嗽诩庸み^程中利用感管和理性分析主動找尋到了工件的實(shí)現(xiàn)位置與姿態(tài)，并根據(jù)工件的實(shí)際狀態(tài)不斷調(diào)整自己的操作動作。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。如果給自動化加工機(jī)床賦予一種仿人的智能尋位加工能力，無穎將大幅度提高制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力和快速響應(yīng)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，并研究出一種無需對被加工零件進(jìn)行定位（簡稱“無定位”）便可主動尋位并順應(yīng)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(xiàn)“智能尋位加工”，必須解決主動尋位和順應(yīng)現(xiàn)實(shí)加工兩個(gè)關(guān)鍵問題?！爸鲃訉の弧笔且环N智能行為，具體內(nèi)容包含兩個(gè)方面：一是采用現(xiàn)代智能化傳感技術(shù)快速準(zhǔn)確獲取工件表面信息；二是根據(jù)所獲得的工件表面信息，利用計(jì)算機(jī)精確求解出工件的實(shí)際狀態(tài)?！绊槕?yīng)現(xiàn)實(shí)加工”亦不是普通意義下的數(shù)字程序控制（NC）加工，而是一種無預(yù)定程序的、以工件尋位的反饋信息為基礎(chǔ)實(shí)時(shí)生成刀具運(yùn)行路徑和軌跡所實(shí)現(xiàn)的位姿自適應(yīng)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(tǒng)制造技術(shù)的準(zhǔn)備周期長、切換速率慢、靈活性與快速響應(yīng)性差等眾多弊端，從而為提高企業(yè)底層制造過程對市場動態(tài)變化的快速響應(yīng)能力作出貢獻(xiàn)。

2 基于三維結(jié)構(gòu)光法的工件尋位技術(shù)

工件尋位是實(shí)現(xiàn)智能尋位加工必須解決的關(guān)鍵問題之一。雖然此問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(xiàn)有方法一般都要求預(yù)先知道工件表面實(shí)測點(diǎn)與CAD模型表面的對應(yīng)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(jié)構(gòu)光的視覺尋位技術(shù)。

2.1 基本思路

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

2.2 系統(tǒng)組成

三維結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)由安裝于加工設(shè)備主體上的以一定角度對準(zhǔn)加工區(qū)域的兩如CCD攝像機(jī)、結(jié)構(gòu)光投射器、信息傳輸和處理裝置等組成。系統(tǒng)的總休結(jié)構(gòu)銣圖1所示。

該系統(tǒng)的工作過程如下：

（1）啟動結(jié)構(gòu)光投射器，將編碼光柵結(jié)構(gòu)江投向工件表面；

（2）啟動攝像機(jī)，從不同視角拍攝被結(jié)構(gòu)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信息送入尋位計(jì)算機(jī)，由信息處理軟件求解出工件表面輪廓特征的坐標(biāo)值；

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

2.3 工件表面信息獲取

結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。結(jié)構(gòu)光在參考坐標(biāo)系（Xr,Yr,Zr）內(nèi)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)（沒有物體時(shí)）。投射點(diǎn)Os的坐標(biāo)為（0，0，OSzr）（角標(biāo)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(biāo)系（Xi,Yi,Zi），其Zi軸與Zr軸成β。

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

式中，f——焦距

當(dāng)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，曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值亦可按同樣方法求出。

2.4 宏觀變換矩陣求取

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

首先，將待求宏觀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的六個(gè)參數(shù)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(shù)，（α‖β‖γ）為旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)。

然后，采用最小距離準(zhǔn)則，求取測量特征點(diǎn)集到經(jīng)過轉(zhuǎn)換矩陣變換（染色體編碼六個(gè)參數(shù)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(chǔ)上，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)

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)過特定約束下的搜索，最大適應(yīng)度取得處的染色體則代表了最佳匹配結(jié)果，其符號化的參數(shù)就是宏觀坐標(biāo)變換矩陣T宏的參數(shù)。

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(chǔ)上求出微觀精變換短陣T微，然后通過集成求出以總變換矩陣T表示的最終尋位信息。其求解過程如一：

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

T=T微·T宏

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述原理和方法研制了智能尋位加工系統(tǒng)，并在其上進(jìn)行了實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)由可多坐標(biāo)運(yùn)動的工作主體、擬人化信息感知系統(tǒng)、智能化分析決策和信息處理系統(tǒng)、全數(shù)字化控制與驅(qū)動系統(tǒng)等組成。其中信息感知系統(tǒng)包括三維結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)和觸覺系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，其作用是以宏微觀相結(jié)合、無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(tǒng)由一臺Pentium Ⅱ計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)等組成，用于處理視覺和觸覺信息并求解實(shí)際狀態(tài)（工件在工作臺上的位置與姿態(tài)）?？刂乞?qū)動系統(tǒng)的工控PC機(jī)平臺、控制軟件、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、接口及驅(qū)動裝置等組成，用于完成整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)。經(jīng)測量 ，該系統(tǒng)加工出的零件各尺寸精度、形位精度均滿足設(shè)計(jì)要求，零件的總加工周期比常規(guī)定位加工方法縮短50%以上。