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(jié)構(gòu)光法的視覺(jué)尋位技術(shù)。其核心是利用先進(jìn)的數(shù)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位姿信息，由此引導(dǎo)微觀測(cè)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(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)化

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　　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(kāi)辟了新的途徑^[1～4]。本文將介紹利用三維結(jié)構(gòu)光方法解決大范圍工件尋位問(wèn)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^(guò)程中利用感官和理性分析主動(dòng)找尋到了工件的實(shí)際位置與姿態(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(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(jī)床賦予一種仿人的智能尋位加工能力，無(wú)疑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(wú)需對(duì)被加工零件進(jìn)行定位(簡(jiǎn)稱“無(wú)定位”)便可主動(dòng)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(dòng)尋位和順應(yīng)現(xiàn)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(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(wú)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)動(dòng)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(zhǎng)、切換速度慢、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(guò)程對(duì)市場(chǎng)動(dòng)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(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(xiàn)有方法一般都要求預(yù)先知道工件表面實(shí)測(cè)點(diǎn)與CAD模型表面的對(duì)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(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(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(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)匹配算法求出工件宏觀位置與姿態(tài)，并構(gòu)成宏觀變換矩陣對(duì)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(wèn)題轉(zhuǎn)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(jié)果與宏觀變換矩陣集成，從而得到大范圍工件尋位問(wèn)題的解。

2.2 系統(tǒng)組成

　　三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)由安裝于加工設(shè)備主體上的以一定角度對(duì)準(zhǔn)加工區(qū)域的兩臺(tái)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)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　該系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：

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

　　(2)啟動(dòng)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(jué)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(guò)匹配算法求解出工件的實(shí)際狀態(tài)(工件在加工坐標(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Os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(biāo)為(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。

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　　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(guò)(1)式求出：

　　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(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(biāo)值后，進(jìn)一步通過(guò)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：

　　式中，(X_T|Y_T|Z_T)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(cè)量特征點(diǎn)集到經(jīng)過(guò)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，則匹配程度越好。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，D_err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(yīng)度取得處的染色體則代表了最佳匹配結(jié)果，其符號(hào)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(duì)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(duì)于精加工，需進(jìn)一步在T_宏基礎(chǔ)上求出微觀精變換矩陣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)程如下：

　　首先利用以上求出的宏觀變換矩陣T_宏對(duì)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(wèn)題轉(zhuǎn)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。

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(dòng)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(dòng)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(jué)系統(tǒng)和觸覺(jué)系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，其作用是以宏微觀相結(jié)合、無(wú)接觸與有接觸并舉的方式獲取被加工工件的有關(guān)信息。信息處理系統(tǒng)由一臺(tái)Pentium III 計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)等組成，用于處理視覺(jué)和觸覺(jué)信息并求解工件實(shí)際狀態(tài)(工件在工作臺(tái)上的位置與姿態(tài))?？刂乞?qū)動(dòng)系統(tǒng)由工控PC機(jī)平臺(tái)、控制軟件、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、接口及驅(qū)動(dòng)裝置等組成，用于完成整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)。經(jīng)測(cè)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。

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