一种基于CAD模型的工件定位装置的工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于CAD模型的工件定位装置的工作方法，其特征在于包括如下的工作步骤：S1:对工件定位装置上需要加工的工件位姿状态进行分析，确定需要求解的状态集X＝[x，y，θ]

A working method of workpiece positioning device based on CAD model

【技术实现步骤摘要】
一种基于CAD模型的工件定位装置的工作方法
本专利技术属于自动化加工机床
，具体涉及一种基于CAD模型的工件定位装置的工作方法。
技术介绍
现有技术中，通常先对需要进行激光焊接、激光打标的CAD模型工件或传送带上进行移动的工件实施定位。对于部分要求高精度定位的处于静止状态的CAD模型工件，通常采用二维激光扫描得到工件点云，然后与CAD模型进行点云匹配定位，其优点是定位精度高，缺点是价格高、操作稍显复杂。对于传送带进行移动的工件定位，则采用摄像头拍摄两张不同视角的图像，根据特征明显的特征点进行三维重建，然后与CAD模型进行点云匹配定位，其特点是价格便宜，具有一定的定位精度，但是计算比较复杂。对于普通静止工件定位，可以采用双目摄像机直接进行三维重建，然后与CAD模型匹配来进行定位，其特点是价格稍贵，计算比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于CAD模型的工件定位装置的工作方法，以解决现有技术中所存在：1.高精度定位工件定位精度高，但是价格高、操作稍显复杂；2.移动工件定位价格便宜，具有一定的定位精度，但计算比较复杂；3.普通静止工件定位价格稍贵，但计算比较复杂的一系列技术问题。为了更好的解决上述问题，本专利技术涉及一种CAD模型的工件定位装置的工作方法，其特征在于，包括如下的工作步骤：步骤S1:对工件定位装置上需要加工的工件位姿状态进行分析，确定需要求解的状态集X＝[x，y，θ]T；步骤S2:退火粒子滤波算法初始化，单目摄像机获得实际工件图像的边缘特征信息和剪影特征信息；步骤S3:退火粒子滤波算法以第m层粒子集为基础进行重采样(总的退火层数为M)；步骤S4:按照每一个粒子所表示的位姿对CAD模型进行摄像机的虚拟投影图像；步骤S5:将虚拟投影头像与实际工件图像进行匹配，按照边缘特征和剪影特征计算似然概率权重值，并将似然概率权重值作为该粒子的权重值，形成第m-1层的新的粒子集步骤S6:重复S3至S5,直至得到粒子集用粒子集计算最优状态估计X。进一步，步骤S1:对工件定位装置上需要加工的工件位姿状态进行分析，确定需要求解的状态集X＝[x，y，θ]T，首先，分别建立CAD模型的工件定位装置视觉定位的CAD坐标系、机床坐标系和摄像机坐标系；其次，通过CAD文件(诸如STL文件)中标明需要加工的工件中各点相对于CAD坐标系的位置坐标，设定需要加工的工件中一定点在CAD坐标系中的坐标为(xoyozo)，该点在机床坐标系下的坐标为(xwywzw)，该点在在摄像机下的坐标为(xcyczc)，确定三个坐标系下两两之间坐标转化关系；对需要加工的工件，摆放在机床工作台面上，在z坐标方向上没有平移(z＝0)，只沿着工作台面有位置变化，在x，y坐标方向产生平移；同时需要加工的工件绕z轴旋转并具有旋转角度θ，沿x，y轴方向均不存在旋转，进而确定要求解的三个变量为(x，y，θ）。进一步，步骤S2:退火粒子滤波算法初始化，单目摄像机获得实际工件图像的边缘特征信息和剪影特征信息；退火粒子滤波算法初始化。设置退火层数M，退火方差参数PM，PM-1，…，P0。生成退火第M层带有似然概率权重的退火粒子集标定单目摄像机，得到其内外参数矩阵。进一步，步骤S3:退火粒子滤波算法以第m层粒子集为基础进行重采样(总的退火层数为M)；退火粒子滤波算法M步，算法从M层开始，m＝M；摄像机完成内外参数的标定,并获得每个粒子所表示位姿信息的加工工件图像的边缘特征信息和剪影特征信息，每一层的退火步都用带有似然概率权重的退火粒子作为初始化粒子从中以各个粒子的似然概率权重为概率，随机抽取N个粒子；在随机抽取的N个粒子中的第i个粒子被选中后，用以计算产生新的粒子根据正态分布进而按粒子权重进行重采样，并对粒子扩散得到产生新的粒子进一步，步骤S4:按照每一个粒子所表示的位姿对CAD模型进行摄像机的虚拟投影图像；利用OpenGL图像库对CAD模型进行虚拟投影，采用OpenGL图像库进行虚拟投影有效消隐CAD模型中被遮挡的部分，得到其虚拟投影图像；每个粒子代表需要加工的工件的一种空间位姿状态，按照该位姿对CAD模型的摄像机进行虚拟投影形成虚拟图像。进一步，步骤S5:将虚拟投影头像与实际工件图像进行匹配，按照边缘特征和剪影特征计算似然概率权重值，并将似然概率权重值作为该粒子的权重值，形成第m-1层的新的粒子集采用边缘特征信息和剪影特征信息对需要加工的工件图像和CAD模型的虚拟投影图像进行匹配，其特征在于包括如下步骤：步骤S51计算边缘特征的似然概率；步骤S52计算剪影特征的似然概率；步骤S53计算总的似然概率值。进一步，步骤S51计算边缘特征的似然概率；采用canny算子对图像的边缘轮廓特征信息进行提取。把CAD模型的虚拟投影图像边缘轮廓记为c，则实际图像边缘轮廓上的每个点i的似然概率为并根据状态值X，得出边缘轮廓特征的似然概率pe(Z|X)。进一步，步骤S52计算剪影特征的似然概率；通过全景图片减去背景图片得到剪影特征图片，剪影特征的似然概率pr(Z|X)。进一步，步骤S53计算总的似然概率值；结合边缘特征和剪影特征，用于计算总的似然概率w(Z，X)，通过CAD模型中每一个新粒子所得到的虚拟投影图像与需要加工的工件图像进行匹配，按照边缘特征和剪影特征计算一个似然概率权重值并对进行归一化处理，使得从而形成具有似然概率权重的粒子集作为第m-1层退火层的初始化值。进一步，步骤S6:采用退火粒子滤波算法重复步骤S3至步骤S5,直至得到粒子集用粒子集计算最优状态估计X；采用退火粒子滤波算法重复步骤S3至步骤S5,得到粒子集每次重复的退火粒子滤波算法从M层步骤基础上减少1，以此类推，直至计算用粒子集计算最优状态估计值X，实现对CAD模型的工件视觉定位。本专利技术的有益效果为：通过在机床上采用安装单目摄像机系统，对实际加工工件的边缘特性信息和剪影特征信息进行提取，可以实现将实际加工工件图像信息与在先建立的加工工件CAD模型在摄像机系统中的虚拟图像的边缘特性信息和剪影特征信息进行匹配，以实现对实际加工工件的精确定位，并通过采用退火粒子滤波算法，估算得到实际加工工件在机床加工平面的位置和姿态。该方法易实现、成本低、计算速度快、具较高的精度，可以满足实际工业应用的需求。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本专利技术的一些实施例，而非对本专利技术的限制。图1a是本专利技术的CAD模型的工件定位装置视觉定位的CAD坐标系示意图；图1b是本专利技术的CAD模型的工件定位装置视觉定位的机床坐标系示意图；图1c是本专利技术的CAD模型的工件定位装置视觉定位的摄像机坐标系示意图；图2是本专利技术的CAD模型的工件定位装置视觉定位的坐标变换关系示意图；图3是本专利技术的CAD模型的工件定位装置的边缘特征计算示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CAD模型的工件定位装置的工作方法，其特征在于包括如下的工作步骤：/n步骤S1:对工件定位装置上需要加工的工件位姿状态进行分析，确定需要求解的状态集X＝[x，y，θ]

【技术特征摘要】
1.一种基于CAD模型的工件定位装置的工作方法，其特征在于包括如下的工作步骤：
步骤S1:对工件定位装置上需要加工的工件位姿状态进行分析，确定需要求解的状态集X＝[x，y，θ]T；
步骤S2:退火粒子滤波算法初始化，单目摄像机获得实际工件图像的边缘特征信息和剪影特征信息；
步骤S3:退火粒子滤波算法以第m层粒子集为基础进行重采样(总的退火层数为M)；
步骤S4:按照每一个粒子所表示的位姿对CAD模型进行摄像机的虚拟投影图像；
步骤S5:将虚拟投影头像与实际工件图像进行匹配，按照边缘特征和剪影特征计算似然概率权重值，并将似然概率权重值作为该粒子的权重值，形成第m-1层的新的粒子集
步骤S6:重复步骤S3至步骤S5,直至得到粒子集用粒子集计算最优状态估计X。


2.根据权利要求1所述的基于CAD模型的工件定位装置的工作方法，其特征在于：
步骤S1:对工件定位装置上需要加工的工件位姿状态进行分析，确定需要求解的状态集X＝[x，y，θ]T，
首先，分别建立CAD模型的工件定位装置视觉定位的CAD坐标系、机床坐标系和摄像机坐标系；
其次，通过CAD文件(诸如STL文件)中标明需要加工的工件中各点相对于CAD坐标系的位置坐标，设定需要加工的工件中一定点在CAD坐标系中的坐标为(xoyozo)，该点在机床坐标系下的坐标为(xwywzw)，该点在在摄像机下的坐标为(xcyczc)，确定三个坐标系下两两之间坐标转化关系；
对需要加工的工件，摆放在机床工作台面上，其z坐标方向上没有平移(z＝0)，只沿着工作台面有位置变化，在x，y坐标方向产生平移；同时需要加工的工件绕z轴旋转并具有旋转角度θ，沿x，y轴方向均不存在旋转，进而确定要求解三个位姿变量为(x，y，θ)。


3.根据权利要求1所述的基于CAD模型的工件定位装置的工作方法，其特征在于：
步骤S2:退火粒子滤波算法初始化，单目摄像机获得实际工件图像的边缘特征信息和剪影特征信息；
退火粒子滤波算法初始化。设置退火层数M，退火方差参数PM，PM-1，…，P0。生成退火第M层带有似然概率权重的退火粒子集标定单目摄像机，得到其内外参数矩阵。


4.根据权利要求1所述的基于CAD模型的工件定位装置的工作方法，其特征在于：
步骤S3:退火粒子滤波算法以第m层粒子集为基础进行重采样(总的退火层数为M)；退火粒子滤波算法M步，算法从M层开始，m＝M；摄像机完成内外参数的标定,并获得每个粒子所表示位姿信息的加工工件图像的边缘特征信息和剪影特征信息，每一层的退火步都用带有似然概率权重的退火粒子作为初始化粒子从中以各个粒子的似然概率权重为概率，随机抽取N个粒子；在随机抽取的N个粒子中的第i个粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳红强，
申请(专利权)人：江苏跃格智能装备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32