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，并求解出工件的實際狀態(tài)，據(jù)此實現(xiàn)對工件的位姿自適應(yīng)加工。實際加工結(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)實快速完成加工任務(wù)，是因為人在加工過程中利用感管和理性分析主動找尋到了工件的實現(xiàn)位置與姿態(tài)，并根據(jù)工件的實際狀態(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行定位（簡稱“無定位”）便可主動尋位并順應(yīng)工件實際位置與姿態(tài)進行加工的智能化尋位加工技術(shù)。

為實現(xiàn)“智能尋位加工”，必須解決主動尋位和順應(yīng)現(xiàn)實加工兩個關(guān)鍵問題。“主動尋位”是一種智能行為，具體內(nèi)容包含兩個方面：一是采用現(xiàn)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(jù)所獲得的工件表面信息，利用計算機精確求解出工件的實際狀態(tài)?！绊槕?yīng)現(xiàn)實加工”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)實時生成刀具運行路徑和軌跡所實現(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。

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)先知道工件表面實測點與CAD模型表面的對應(yīng)關(guān)系，而在實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模型進行坐標變換，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加工區(qū)域的兩如CCD攝像機、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，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(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際狀態(tài)（工伯在雖工坐標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)光在參考坐標系（Xr,Yr,Zr）內(nèi)從0s點投射到工件表面，光平面的入射角為θ，并平行于Yr軸交Xr軸于Om點（沒有物體時）。投射點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，以其為原點建立像平面坐標系（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上各點的實際坐標Xg、Yg、Zg可通過（1）式求出：

式中，f——焦距

當以不同入射角產(chǎn)生的n個光平面與工件表面相交時，可得到n條曲線，曲線上各點的坐標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)鍵點的坐標值后，進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，將待求宏觀坐標轉(zhuǎn)換矩陣的六個參數(shù)進行染色體編碼：

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，采用最小距離準則，求取測量特征點集到經(jīng)過轉(zhuǎn)換矩陣變換（染色體編碼六個參數(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為特征點集中點到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行尋位加工，此時最終尋位信息T=T宏。

對于精加工，需進一步在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模型進行坐標變換，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)，并在其上進行了實際加工實驗。該系統(tǒng)由可多坐標運動的工作主體、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計算機及軟件系統(tǒng)等組成，用于處理視覺和觸覺信息并求解實際狀態(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。