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CN110363801B - 工件实物与工件三维cad模型的对应点匹配方法 - Google Patents

工件实物与工件三维cad模型的对应点匹配方法 Download PDF

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CN110363801B
CN110363801B CN201910600519.6A CN201910600519A CN110363801B CN 110363801 B CN110363801 B CN 110363801B CN 201910600519 A CN201910600519 A CN 201910600519A CN 110363801 B CN110363801 B CN 110363801B
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Abstract

提供一种工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法，本发明通过计算各个视图中工件照片轮廓，采用三维扩充的方式得到空间坐标点，取各个坐标的极值点为关键点，在三维CAD模型中同样选取各个坐标轴上的极值点，利用余弦定理分别计算工件三维CAD模型中的关键点的两两夹角,作为结构化依据，并对工件实物上的关键点做相同处理，遍历集合，得到两者误差最小的匹配方式，从而计算出两者转化矩阵，三维CAD模型点与转化矩阵相乘，得到实物中的关键点坐标，实现了工件三维CAD模型和工件实物上任意点映射关系的直观匹配。本发明对加工位置的计算不受工件实物摆放位置、旋转角度的影响，提高了工件实物与三维CAD模型对应点匹配速度和匹配精度。

Description

工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法
技术领域
本发明属于零件数字化技术领域，具体涉及一种工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法。
背景技术
计算机辅助设计CAD已经广泛应用在各个领域，尤其是在工业设计中，CAD的发展使得工业产品设计流程更加标准、更加高效。在目前的产品生产流程中，产品设计方通过工程制图的方式，得到产品的三维CAD模型，再交给工厂加工生产。在工件实物进行加工时，一般现在主要依赖技术操作人员对CAD图纸模型的理解，进行加工生产，没有有效的工具来反映工件实物与CAD模型间的逐点对应关系，使工件实物上的加工位置和三维CAD模型上的加工位置不能达到准确高效的匹配对应。其中，申请号为“201610303972.7”，名称为“基于检测特征的点云模型与CAD模型的配准方法”的专利文件公开了一种配准方法，此专利是通过计算CAD模型上与工件实物上匹配点的重心，建立坐标系，通过矩阵数据运算得到旋转矩阵，从高斯曲率突变点选取点，通过ICP算法计算CAD模型上与选取点对应的匹配点，将点云坐标按照旋转矩阵旋转，将点云中的点构成候选点集，通过逐点遍历的方式进行匹配。但是此专利中需要对CAD模型进行分割，计算速度慢，主要针对点云模型，对拍摄要求较高。因此有必要提出改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法，本发明通过计算各个视图中工件照片轮廓，采用三维扩充的方式得到空间坐标点，取各个坐标的极值点为关键点，在工件三维CAD模型中同样选取各个坐标轴上的极值点，利用余弦定理分别计算工件三维CAD模型中的关键点的两两夹角,作为结构化依据，并对工件实物上的关键点做相同处理，遍历集合，得到两者误差最小的匹配方式，从而计算出两者转化矩阵，工件三维CAD模型点与转化矩阵相乘，得到工件实物中的关键点坐标，实现了工件三维CAD模型和工件实物上任意点映射关系的直观匹配，使加工位置的计算不受工件摆放位置、旋转角度的影响，提高了两者对应点匹配速度和匹配精度。
本发明采用的技术方案：工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法，将工件三维CAD模型上的任意点通过坐标映射关系直观匹配到工件实物上，反之，将工件实物上的任意点通过坐标映射关系直观的匹配到工件三维CAD模型上，具体包括以下步骤；
1)在工位上架设相机，建立工位正交坐标系，以工位上的一点为原点，计算相机的坐标；
2)通过相机拍摄工位的实际背景，形成背景视图；将工件实物放置在工位上，通过相机拍摄工件实物的实际照片，形成工件视图；
3)采用计算机系统打开步骤2)中拍摄的视图照片，使用工件视图与背景视图的深度矩阵差值，得到工件实物在对应背景视图上的轮廓；
4)使用矩阵拼接的方式，计算工件实物在工位坐标中的各个坐标位置；
5)对工件实物坐标位置在工位坐标的X,Y,Z三轴上分别取max与min，得到工件实物最外侧轮廓的角点坐标；
6)在工件实物上任选一个角点为基准点，按顺时针或者逆时针的顺序计算其他各个角点到该角点的距离，并对距离进行单位化；
7)通过余玄定理计算工件实物上基准点与其余任意两个角点的夹角；
8)在工件三维CAD模型上以一角点为基准，按照与步骤6)中相同的顺序，计算三维CAD模型基准点与其余两点间的夹角，依次跟换基准点；
9)计算工件实物和工件三维CAD模型相对应夹角误差均值MAE，选取夹角误差均值MAE中最小的基准点作为工件实物中的基准点；
10)以步骤9)中得到的工件实物中的基准点，计算出工件三维CAD模型与工件实物的转化矩阵，通过工件三维CAD模型上的点与转化矩阵相乘，得到工件实物上的真实位置。
上述步骤1)中，当所述相机采用普通相机时，分别在工位上方、工位正前侧和工位左侧方安装相机，对应的上述步骤2)中，形成的背景视图包含背景主视图、背景俯视图、背景左视图，形成的工件视图包含工件主视图、工件俯视图、工件左视图；上述步骤1)中，当所述相机采用激光点云相机时，只在工位上方安装相机，对应的上述步骤2)中，即形成一张激光点云背景视图，一张激光点云工件视图。
上述步骤5)和6)中，当工件实物为立方体时共8个角点，其余形状工件实物的角点个数都少于8；上述步骤7)中，8个角点对应的夹角为C2 8-1＝21个。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本方案中通过计算各个视图中工件照片轮廓，采用三维扩充的方式得到空间坐标点，取各个坐标的极值点为关键点，在工件三维CAD模型中同样选取各个坐标轴上的极值点，利用余弦定理分别计算工件三维CAD模型中的关键点的两两夹角,作为结构化依据，并对工件实物上的关键点做相同处理，遍历集合，得到两者误差最小的匹配方式，从而计算出两者转化矩阵，工件三维CAD模型点与转化矩阵相乘，得到实物中的关键点坐标，实现了工件三维CAD模型和工件实物上任意点映射关系的直观匹配，使加工位置的计算不受工件摆放位置、旋转角度的影响，提高了两者对应点匹配速度和匹配精度，使匹配速度控制在0.5秒之内，相比于现有技术，使匹配效率大大提高；
2、本方案中利用了图像恢复技术，对图像精度要求不高，适用于二维和三维模型与工件实物的对应点匹配，扩大了使用范围。
具体实施方式
下面结合描述本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法，包含点与点，线与线，面与面的对应关系，将工件三维CAD模型上的任意点通过坐标映射关系直观匹配到工件实物上，反之，将工件实物上的任意点通过坐标映射关系直观的匹配到工件三维CAD模型上。其目的是：任意在工件三维CAD模型上标注待加工点、待加工线或待加工面，可以通过拍照的方式计算工件实物上的加工位置，转化为工件实物上的对应坐标。具体包括以下步骤；
1)在工位上架设相机，此处的相机可以根据要求选取，并且不同的相机在工位上的安装位置要求不同，具体如下：当所述相机采用普通相机时，分别在工位上方、工位正前侧和工位左侧方安装相机，当所述相机采用激光点云相机时，只在工位上方安装相机。接着建立工位正交坐标系，以工位上的一点为原点，计算相机的坐标；
2)通过相机拍摄工位的实际背景，形成背景视图；将工件实物放置在工位上，通过相机拍摄工件实物的实际照片，形成工件视图。当所述相机采用普通相机时，由于工位三方位安装相机，背景视图包含背景主视图、背景俯视图、背景左视图，工件视图包含工件主视图、工件俯视图、工件左视图；当所述相机采用激光点云相机时，只在工位上方安装相机，即形成一张激光点云背景视图，一张激光点云工件视图；
3)采用计算机系统打开步骤2)中拍摄的视图照片，使用工件视图与背景视图的深度矩阵差值，得到工件在对应背景视图上的轮廓；
4)使用矩阵拼接的方式，计算工件实物在工位坐标中的各个坐标位置；
5)对工件实物坐标位置在工位坐标的X,Y,Z三轴上分别取max与min，得到工件实物最外侧轮廓的角点坐标；当工件实物为立方体时共8个角点，其余形状工件实物的角点个数都少于8；
6)在工件实物上任选一个角点为基准点，按顺时针或者逆时针的顺序计算其他各个角点到该角点的距离，并对距离进行单位化；
7)通过余玄定理计算工件实物上基准点与其余任意两个角点的夹角；其中立方体的工件实物8个角点对应的夹角为C2 8-1＝21个，其余形状的工件实物的夹角个数都少于21；
8)在工件三维CAD模型上以一角点为基准，按照与步骤6)中相同的顺序，计算三维CAD模型基准点与其余两点间的夹角，依次跟换基准点；
9)计算工件实物和工件三维CAD模型相对应夹角误差均值MAE，选取夹角误差均值MAE中最小的基准点作为工件实物中的基准点；
10)以步骤9)中得到的工件实物中的基准点，计算出工件三维CAD模型与工件实物的转化矩阵，通过工件三维CAD模型上的点与转化矩阵相乘，得到工件实物上的真实位置。
本发明通过计算各个视图中工件照片轮廓，采用三维扩充的方式得到空间坐标点，取各个坐标的极值点为关键点，在工件三维CAD模型中同样选取各个坐标轴上的极值点，利用余弦定理分别计算工件三维CAD模型中的关键点的两两夹角,作为结构化依据，并对工件实物上的关键点做相同处理，遍历集合，得到两者误差最小的匹配方式，从而计算出两者转化矩阵，三维CAD模型与转化矩阵相乘，得到实物中的关键点坐标，实现了工件三维CAD模型和工件实物上任意点映射关系的直观匹配，使加工位置的计算不受工件摆放位置、旋转角度的影响，提高了两者对应点匹配速度和匹配精度。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (2)

1.工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法，其特征在于：将工件三维CAD模型上的任意点通过坐标映射关系直观匹配到工件实物上，反之，将工件实物上的任意点通过坐标映射关系直观的匹配到工件三维CAD模型上，具体包括以下步骤；
1)在工位上架设相机，建立工位正交坐标系，以工位上的一点为原点，计算相机的坐标；
2)通过相机拍摄工位的实际背景，形成背景视图；将工件实物放置在工位上，通过相机拍摄工件实物的实际照片，形成工件视图；
3)采用计算机系统打开步骤2)中拍摄的视图照片，使用工件视图与背景视图的深度矩阵差值，得到工件实物在对应背景视图上的轮廓；
4)使用矩阵拼接的方式，计算工件实物在工位坐标中的各个坐标位置；
5)对工件实物坐标位置在工位坐标的X,Y,Z三轴上分别取max与min，得到工件实物最外侧轮廓的角点坐标；
6)在工件实物上任选一个角点为基准点，按顺时针或者逆时针的顺序计算其他各个角点到该角点的距离，并对距离进行单位化；
7)通过余玄定理计算工件实物上基准点与其余任意两个角点的夹角；
8)在工件三维CAD模型上以一角点为基准，按照与步骤6)中相同的顺序，计算三维CAD模型基准点与其余两点间的夹角，依次跟换基准点；
9)计算工件实物和工件三维CAD模型相对应夹角误差均值MAE，选取夹角误差均值MAE中最小的基准点作为工件实物中的基准点；
10)以步骤9)中得到的工件实物中的基准点，计算出工件三维CAD模型与工件实物的转化矩阵，通过工件三维CAD模型上的点与转化矩阵相乘，得到工件实物上的真实位置；
上述步骤1)中，当所述相机采用普通相机时，分别在工位上方、工位正前侧和工位左侧方安装相机，对应的上述步骤2)中，形成的背景视图包含背景主视图、背景俯视图、背景左视图，形成的工件视图包含工件主视图、工件俯视图、工件左视图；上述步骤1)中，当所述相机采用激光点云相机时，只在工位上方安装相机，对应的上述步骤2)中，即形成一张激光点云背景视图，一张激光点云工件视图。
2.根据权利要求1所述的工件实物与工件三维CAD模型的对应点匹配方法，其特征在于：上述步骤5)和6)中，当工件实物为立方体时共8个角点，其余形状工件实物的角点个数都少于8；上述步骤7)中，8个角点对应的夹角为C2 8-1＝21个。
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