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CN109978991A - 基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法 - Google Patents

基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，先将复杂构件装夹在专用夹具上，复杂构件和专用夹具组成构件结合体，复杂构件装夹位姿误差信息包含在构件结合体的点云模型中，使用三维扫描仪获取分片点云并自动拼接成完整结合体的点云模型；然后进行参考框架生成，得到参考坐标系；再进行点云坐标系变换和分割，得到实测位姿模型；最后将实测位姿模型和参考位姿模型对比进行装夹位姿误差求解；本发明无需提取特征点/线，测量过程自动化，测量时间短，满足无基准复杂构件装夹位姿误差在线测量的要求。

Description

基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法
技术领域
本发明属于装夹位姿误差的视觉在线测量技术领域，特别涉及一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法。
背景技术
无基准复杂构件(简称复杂构件)指无可靠测量基准面/线的复杂构件，常见于航空航天等领域，如航空发动机涡轮叶片、陶瓷型芯、机匣、涡轮外环等，无基准复杂构件多数通过铸造或热压注成型，成型后的构件表面粗糙，分型面处容易产生飞边，无可靠测量基准。成型后的复杂构件，需要修型来保证尺寸精度和表面光洁度。复杂构件修型不同于普通加工，需要精确测量复杂构件的装夹位姿误差，并且是首先需要解决的关键难题。例如涡轮叶片铸造用陶瓷型芯，目前国内无有效的测量方法和修型装备，航材制造单位只能采用手工修型的方式和人眼检测，修型精度差(0.2mm)，且成品率低(18％)，修改过程容易开裂。
现有的位姿测量方法，多数是基于特征点/线提取技术，建立位姿计算模型(江磊,丁国富,李勇,马术文,张剑,邹益胜.一种基于测量点几何特征迭代配准的工件位姿调整方法[P].四川：CN108253911A,2018-07-06.)，求解装夹位姿误差的信息，并且测量过程需要人工干预，测量时间长。
对于无基准复杂构件的位姿测量，接触式和非接触式位姿测量都无法准确提取特征线和特征点，对位姿计算带来极大误差，导致测量失败。同时，接触式测量几何特征耗时较长，且操作复杂，无法满足在线测量的时间要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，利用视觉获取点云模型，无需提取特征点/线，测量过程自动化，测量时间短，满足无基准复杂构件装夹位姿误差在线测量的要求。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，包括以下步骤：
1)复杂构件装夹：将复杂构件装夹在专用夹具上，专用夹具包括底座1，底座1将夹具体2固定装备转台上，夹具体2顶部连接有上盖板3，上盖板3上通过定位销5连接有定位块4，定位块4和夹紧块6配合夹紧复杂构件，夹紧块6通过调整螺母7实现手动调整夹紧力并自锁，夹具体2为圆柱体；
2)点云模型获取：装夹后复杂构件和专用夹具组成构件结合体，复杂构件装夹位姿误差信息包含在构件结合体的点云模型中，使用三维扫描仪(XTOM-ET-5M)从4个均布角度获取分片点云并自动拼接成完整结合体的点云模型，自动拼接采用的算法具有抗噪性和鲁棒性，点云模型允许噪点和局部缺失的存在，尽可能保证定位块竖直侧面a、上盖板水平面b、圆柱体侧面c的点云质量和完整性，点云模型所在的坐标系为视觉坐标系；
3)参考框架生成：定位块竖直侧面a、上盖板水平面b、圆柱体侧面c构成参考框架，通过参考框架获取参考坐标系；利用上盖板水平面b和圆柱体侧面c的拟合，得到定位块竖直侧面a的法向矢量，即Y轴的指向方向；上盖板水平面b的法向矢量即Z轴指向方向；圆柱体侧面c和上盖板水平面b的交线为圆形，圆心的坐标即参考坐标系的原点(x0,y0,z0)；参考坐标系满足右手系规则，进而能够确定X轴的指向方向，假设Z轴方向(iz,jz,kz)，Y轴方向(iy,jy,ky)，由向量叉乘得到X轴方向(ix,jx,kx)，计算如下公式所示；
4)点云坐标系变换和分割：利用参考坐标系，求解点云模型从视觉坐标系转换到参考坐标系的姿态变换矩阵D和平移向量T，点云模型变换到参考坐标系下，转换公式如下：P′＝P*D+T，将点云模型进行分割，分割后的模型为实测位姿模型；
5)装夹位姿误差求解：参考位姿模型是指在参考坐标系下按照夹具定位要求，无装夹位姿误差的复杂构件点云模型；将实测位姿模型和参考位姿模型对比进行装夹位姿误差求解。
所述的步骤1)中复杂构件安装在专用夹具上需满足要求：位移误差≤2mm，角度误差≤1°。
所述的步骤5)中装夹位姿误差求解的具体方法为：参考位姿模型中随机选择N个样本点得到点集S1，在实测位姿模型中搜索对应点，得到点集S2，所有的点对组成点对集；利用欧式距离自适应阈值法，剔除不可靠点对；由点对集计算位姿变换矩阵M；根据位姿变换矩阵M，点集S2位姿变换得到点集S2`，计算点集S2到点集S2`的所有点的距离平方和D1，以连续两次迭代距离平方和之差绝对值ΔD，作为是否收敛的依据；若ΔD小于阈值τ，就收敛，停止迭代，否则重复上述过程；位姿变换矩阵M是实测位姿模型相对于参考位姿模型的装夹位姿误差。
所述的基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法根据路径规划生成的刀轨文件，测量的实际装夹的位姿误差，修改刀轨文件，补偿装夹位姿误差带来的加工误差；结合型芯修型NC自动编程软件，自动生成新的NC程序，该过程完全自动化，自动生成NC代码。
本发明的有益效果：本发明特别适用于无基准复杂构件的装夹位姿误差的在线测量，测量时间短(小于30s)，远远小于通过接触式测量装夹位姿误差的时间花费，测量过程无需人为干涉，过程实现自动化，大大简化了使用接触式测量的复杂性。上述特点满足了无基准复杂构件的装备自动化修型的要求，解决了无基准复杂构件装备自动修型的核心问题。
附图说明
图1为实施例方法流程图。
图2为实施例专用夹具的主视图和俯视图。
图3为实施例构件结合体示意图。
图4为实施例构件结合体参考坐标系图。
图5为实施例装夹位姿误差计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1，一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，包括以下步骤：
1)复杂构件装夹：将陶瓷型芯装夹在专用夹具上，如图2所示，专用夹具包括底座1，底座1将夹具体2固定装备转台上，夹具体2顶部连接有上盖板3，上盖板3上通过定位销5连接有定位块4，定位块4和夹紧块6配合夹紧陶瓷型芯8并防止损伤陶瓷型芯8，如图3所示，夹紧块6通过调整螺母7实现手动调整夹紧力并自锁，夹具体2为圆柱体；
由于本发明可以计算陶瓷型芯8和专用夹具的装夹位姿误差，所以对装夹精度要求较低，同时考虑位姿计算速度，陶瓷型芯8安装在专用夹具上需满足要求：位移误差≤2mm，角度误差≤1°，上述精度可以通过专用夹具保证，陶瓷型芯8装夹后，要求稳固，测量和加工过程中不能出现晃动；
2)点云模型获取：装夹后陶瓷型芯8和专用夹具组成了构件结合体，陶瓷型芯8的装夹位姿误差信息包含在构件结合体的点云模型中，使用三维扫描仪(XTOM-ET-5M，测量幅面：400*300mm，双目)从4个均布角度获取分片点云并自动拼接成完整构件结合体的点云模型，自动拼接采用的算法具有抗噪性和鲁棒性，点云模型允许噪点和局部缺失的存在，尽可能保证定位块竖直侧面a、上盖板水平面b、圆柱体侧面c的点云质量和完整性，如图3所示，此时点云模型所在的坐标系为视觉坐标系；
3)参考框架生成：定位块竖直侧面a、上盖板水平面b、圆柱体侧面c构成参考框架，通过参考框架可以获取参考坐标系；利用上盖板水平面b和圆柱体侧面c的拟合，得到本实施例定位块竖直侧面a的法向矢量为(0.0580,0.3495,0.9351)，即Y轴的指向方向；本实施例上盖板水平面b的法向矢量为(-0.5016,0.8209,0.2729)，即Z轴指向方向；圆柱体侧面c和上盖板水平面b的交线为圆形，本实施例圆心的坐标为(20.1766,81.6553,120.1818)，即参考坐标系的原点；参考坐标系满足右手系规则，进而能够确定X轴的指向方向由如下公式计算为(0.6725，0.4850，-0.2227)，
参考坐标系如图4所示；
4)点云坐标系变换和分割：利用参考坐标系，求解点云模型从视觉坐标系转换到参考坐标系的姿态变换矩阵D和平移向量T，点云模型变换到参考坐标系下，转换公式如下：P′＝P*D+T，将点云模型进行分割，减少点云数量(点个数2214986减少至862846)；分割后的模型为实测位姿模型；
5)装夹位姿误差求解：参考位姿模型是指在参考坐标系下按照夹具定位要求，无装夹位姿误差的复杂构件点云模型；将实测位姿模型和参考位姿模型对比进行装夹位姿误差求解；过程如下：如图5所示，参考位姿模型中随机选择N(N＝5000)个样本点得到点集S1，在实测位姿模型中搜索对应点，得到点集S2，所有的点对组成点对集；利用欧式距离自适应阈值法，剔除不可靠点对；利用四元数法，计算点对集之间的位姿变换矩阵M；根据位姿变换矩阵M，点集S2位姿变换得到点集S2`，计算点集S2到点集S2`的所有点的距离平方和D1，以连续两次迭代距离平方和之差绝对值ΔD，作为是否收敛的依据；若ΔD小于阈值τ，就收敛，停止迭代，否则重复上述过程；位姿变换矩阵M是实测位姿模型相对于参考位姿模型的装夹位姿误差；
本发明方法根据路径规划生成的刀轨文件，测量的实际装夹的位姿误差，修改刀轨文件，补偿装夹位姿误差带来的加工误差；结合型芯修型NC自动编程软件，自动生成新的NC程序，该过程完全自动化，没有任何人干预，为陶瓷型芯装备修型解决了关键性问题，自动生成NC代码，经NC程序仿真验证，效果良好，满足陶瓷型芯在线测量和在线加工的要求。

Claims (4)

1.一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)复杂构件装夹：将复杂构件装夹在专用夹具上，专用夹具包括底座(1)，底座(1)将夹具体(2)固定装备转台上，夹具体(2)顶部连接有上盖板(3)，上盖板(3)上通过定位销(5)连接有定位块(4)，定位块(4)和夹紧块(6)配合夹紧复杂构件，夹紧块(6)通过调整螺母(7)实现手动调整夹紧力并自锁，夹具体(2)为圆柱体；
2)点云模型获取：装夹后复杂构件和专用夹具组成构件结合体，复杂构件装夹位姿误差信息包含在构件结合体的点云模型中，使用三维扫描仪(XTOM-ET-5M)从4个均布角度获取分片点云并自动拼接成完整结合体的点云模型，自动拼接采用的算法具有抗噪性和鲁棒性，点云模型允许噪点和局部缺失的存在，尽可能保证定位块竖直侧面a、上盖板水平面b、圆柱体侧面c的点云质量和完整性，点云模型所在的坐标系为视觉坐标系；
3)参考框架生成：定位块竖直侧面a、上盖板水平面b、圆柱体侧面c构成参考框架，通过参考框架获取参考坐标系；利用上盖板水平面b和圆柱体侧面c的拟合，得到定位块竖直侧面a的法向矢量，即Y轴的指向方向；上盖板水平面b的法向矢量即Z轴指向方向；圆柱体侧面c和上盖板水平面b的交线为圆形，圆心的坐标即参考坐标系的原点(x0,y0,z0)；参考坐标系满足右手系规则，进而能够确定X轴的指向方向，假设Z轴方向(iz,jz,kz)，Y轴方向(iy,jy,ky)，由向量叉乘得到X轴方向(ix,jx,kx)，计算如下公式所示；
4)点云坐标系变换和分割：利用参考坐标系，求解点云模型从视觉坐标系转换到参考坐标系的姿态变换矩阵D和平移向量T，点云模型变换到参考坐标系下，转换公式如下：P′＝P*D+T，将点云模型进行分割，分割后的模型为实测位姿模型；
5)装夹位姿误差求解：参考位姿模型是指在参考坐标系下按照夹具定位要求，无装夹位姿误差的复杂构件点云模型；将实测位姿模型和参考位姿模型对比进行装夹位姿误差求解。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，其特征在于：所述的步骤1)中复杂构件安装在专用夹具上需满足要求：位移误差≤2mm，角度误差≤1°。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，其特征在于：所述的步骤5)中装夹位姿误差求解的具体方法为：参考位姿模型中随机选择N个样本点得到点集S1，在实测位姿模型中搜索对应点，得到点集S2，所有的点对组成点对集；利用欧式距离自适应阈值法，剔除不可靠点对；由点对集计算位姿变换矩阵M；根据位姿变换矩阵M，点集S2位姿变换得到点集S2`，计算点集S2到点集S2`的所有点的距离平方和D1，以连续两次迭代距离平方和之差绝对值ΔD，作为是否收敛的依据；若ΔD小于阈值τ，就收敛，停止迭代，否则重复上述过程；位姿变换矩阵M是实测位姿模型相对于参考位姿模型的装夹位姿误差。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，其特征在于：所述的基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法根据路径规划生成的刀轨文件，测量的实际装夹的位姿误差，修改刀轨文件，补偿装夹位姿误差带来的加工误差；结合型芯修型NC自动编程软件，自动生成新的NC程序，该过程完全自动化，自动生成NC代码。
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