一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法，此方法包括：第一步，视觉系统自标定；第二步，工件模型与毛坯图像匹配；第三步，交互测量；第四步，加工余量分析。本发明专利技术仅需要一组普通光学成像设备来搭建视觉系统，通过安装在数控机床内部的相机组，采集不同相机视角下的毛坯图像，利用增强现实技术将虚拟三维模型动态叠加到毛坯不同角度视图上，从而实现毛坯与工件设计模型的空间配准，指导毛胚加工坐标系定位和加工余量分析。本发明专利技术能够克服复杂机械零件加工过程中人工画线摆位方法耗时长的缺陷，提高毛坯定位精度，并给出毛坯加工余量的定量分析，提高机械加工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法
本专利技术属于数控机床加工制造和计算机视觉测量领域，涉及一种高档数控机床机内毛坯加工定位以及余量分析方法，尤其涉及一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法。
技术介绍
在现代制造业中，随着数控技术的广泛应用，零件制造工艺得到了巨大提升。然而，仍然有一些零件的制造工艺相对落后，如汽车曲轴、船舶螺旋桨叶片等具有复杂曲面类的零件及复杂结构体。这些复杂零件的毛坯由铸造或锻造生成，同一零件的每件毛坯实际外形均有所差异，且毛坯余量较小，分布不均。这就导致这些零件在数控加工过程中，若加工前毛坯在机床上放置不当，加工定位困难，余量分配不均。如果毛坯的一部分余量过大，则会出现大面积的负余量，并且加工效率降低；而余量不足又易造成零件过切、毛坯报废，因刀具碰撞而损坏数控机床等威胁。当前，对于这些具有复杂几何形状的零件，仍然采用人工定位的毛坯余量分配方式。通过人工画线确定初步定位基准，然后使用离线测量(如人工测量和三坐标测量机)技术检查余量，并人工进行余量分配，对定位基准进行精确地修正加工。由于在加工过程中需多次检查余量，造成毛坯多次装夹和测量，因此这种人工定位方法工艺复杂、生产效率非常低，且由于人为因素，毛坯定位精度不高，极易产生零件报废。随着CAD/CAM技术的发展，将三维测量技术和曲面匹配技术相结合的计算机辅助定位方法逐渐成了研究热点。专利CN108917600A提供了一种基于三维反求的复杂结构毛坯加工定位方法，首先在毛坯上标记定位基准，通过三维测量系统对其进行测量，最后进行余量分配优化。此方法需要在毛坯装夹前标记定位基准，并获取毛坯点云数据，对设备要求较高。专利CN106023186B采用超像素分割技术，对视觉图像进行聚类分割，通过分割后的轮毂图像计算圆心和半径，以此为参考进行扫描获取边缘扫描数据，实现毛坯轮毂钻孔的精确定位。此方法只针对轮毂进行定位，精度和要求较低。专利CN109976261A利用三坐标测量机得到毛坯表面测量点集，并与CAD数模进行粗配准，综合考虑毛坯的最小余量和最大余量，建立两者同时优化的余量优化模型进行求解。此方法仅从三维点集上对毛坯余量进行计算。专利CN111145254A通过在正上方放置双目相机来采集门阀毛坯图像，通过双目相机的内部参数、外部参数以及视差，确定门阀毛坯的位姿。此方法仅从双目图像上对门阀毛坯进行定位计算。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法。本专利技术仅需要一组普通光学成像设备来搭建视觉系统，包括全局测量子系统和局部测量子系统，其中全局测量子系统由一台或多台搭配广角镜头的工业相机组成，局部测量子系统由一台或多台搭配远心镜头的工业相机组成。通过安装在数控机床内部的相机组，采集不同相机视角下的毛坯图像，并与待加工工件CAD设计模型在各视角下的投影进行比对测量及余量分析，从而调整毛坯的加工坐标系，确定毛坯的最优初始加工位置。本专利技术的技术方案为：一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法，包括如下步骤：第一步，视觉系统自标定。使用视觉系统进行定位分析的前提是建立相机标定系统，此步骤可支持500万像素、800万像素、1200万像素等常用分辨率的黑白或彩色相机，远心镜头支持与相机适配的2倍、1倍、0.5倍等常用倍率。在图像采集设备首次安装或重新安装时，需对相机镜头进行标定，获取每组相机镜头的内参数与外参数。本专利技术采用的镜头方案为一个或多个远心镜头搭配一个或多个广角镜头，其中远心镜头在景深范围内可认为是平行投影，而广角镜头一般具有较大的畸变量，需要进行额外的内参与畸变标定。另外，两种镜头相机都需要进行外参标定。针对此类相机系统，本专利技术设计了基于标准加工几何件的自标定方案。本专利技术采用的多尺寸圆柱标准几何件形状由多个圆柱体呈阶梯状堆叠构成，圆柱体底面半径由上到下依次增大，整体呈金字塔状。如图3所示。视觉系统的具体标定流程如下：(1)广角镜头相机内参与畸变标定。广角镜头由于畸变系数较大，需要预先进行内参与畸变系数标定。使用棋盘格标定板角点特征，通过“张氏标定法”，利用角点检测算法进行检测，并在角点附近区域计算其亚像素精度坐标；根据标定板参数和得到的角点亚像素坐标，求解得到单相机参数，计算出单相机的畸变系数。此步骤可标定多台相机的内部参数，包括相机焦距f，图像物理坐标系(x,y)，原点在图像坐标系(u,v)中的坐标(u0,v0)，非线性畸变系数等参数。(2)远心镜头相机标定。由于远心镜头具有极低的畸变率，在景深范围内可认为是平行投影，因此只需要标定其像素精度。预先设计定制带有加工精度的多尺寸圆柱标准几何件，已知几何件标准尺寸信息，用作标定先验。标准几何件各圆柱底面圆周，在远心镜头相机视角中呈现为多个同心圆，在广角镜头视角中呈现为多个椭圆。远心镜头相机基于标准几何件的标定流程如下：a.将标准几何件安装于机床旋转台正中心，调整相机所在轴坐标，使镜头对焦于标准几何件某一圆柱边缘；b.获取圆柱边缘轮廓图像，使用边缘检测算法提取图像中圆弧特征，得到一段圆弧；相机所在轴固定不动，每次沿固定方向使标准几何件旋转角度Δθ，拍摄图像获取圆弧，直至旋转完成一个圆周，此时共得到段圆弧，其中为向上取整；c.将段圆弧按旋转步长Δθ拼接形成完整圆周；d.对拼接好的圆周做拟合，得到完整圆并计算得到像素半径r，再用圆柱体的实际底面半径尺寸R除以像素半径，即可得到相机的像素精度结果(微米/像素)。(3)相机坐标系与机床坐标系对应标定。相机镜头标定好内参与畸变参数后，一般不需要再次进行标定。本专利技术对工件CAD模型与毛坯图像进行匹配，需要将CAD模型按照实际相机外参投影到图像上，因此还需要精确标定所有相机外参。相机设备每次安装使用时，都需要进行外参标定，以确定相机坐标系。本专利技术使用特定尺寸且带有精度的立方体标准件，结合机床位置探测设备(如接触式探针或非接触式激光等设备)进行相机外参标定，具体步骤如下：a.确定立方体标准件的一个角点，使其位于相机视域内，并获取图像；b.利用机床位置探测设备分别在角点三个相邻面上探测N个点,其中N≥3；c.根据三个面上的探测点分别进行平面拟合，计算交线，即可获得角点机床坐标以及相邻三条边的方向向量，进而计算出所有角点的机床坐标；d.对图像进行边缘检测，提取角点及相邻边线，由立方体标准件的角点坐标和相邻边方向向量，以及标定好的内参与畸变参数，即可求解相机外参矩阵。由于立方体标准件选取了机床坐标系坐标值，因此建立了由机床坐标系到相机坐标系的转换，进而计算得到相机组间的变换矩阵，完成相机组标定，并得到相机坐标系与机床坐标系的对应关系。第二步，工件模型与毛坯图像匹配。读取工件的三维设计模型CAD数据，根据相机组与机床坐标系的标定信息，将CAD模型同步叠加显示到毛坯图像上，系统界面实时显示毛坯的不同相机视图与虚拟三维模型在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n第一步，视觉系统自标定；视觉系统包括全局测量子系统和局部测量子系统，其中全局测量子系统由搭配广角镜头的工业相机组成，局部测量子系统由搭配远心镜头的工业相机组成；具体标定流程如下：/n1)广角镜头相机内参与畸变标定；使用棋盘格标定板的角点特征，通过“张氏标定法”，利用角点检测算法进行检测，并在角点附近区域计算其亚像素精度坐标；根据标定板参数和检测得到的角点亚像素坐标，求解得到单个广角相机参数，计算出单相机的畸变系数；/n2)远心镜头相机标定；定制带有加工精度的圆柱标准几何件，利用标准几何件的尺寸信息作为先验，标定远心镜头相机的像素精度；/n3)相机坐标系与机床坐标系对应标定；通过定制立方体标准几何件，结合机床位置探测设备进行相机外参标定，确定相机坐标系与机床坐标系之间的转换矩阵；/n第二步，工件模型与毛坯图像匹配；读取工件的三维设计模型CAD数据，根据相机组与机床坐标系的标定信息，将CAD模型同步叠加显示到毛坯图像上，系统界面显示毛坯不同相机视图与虚拟三维模型在对应相机视图下的动态叠加效果；通过交互输入设备对虚拟三维模型进行平移旋转操作，使工件虚拟三维模型与毛坯图像在投影位置上进行匹配；通过广角镜头相机视图对模型位置进行粗略匹配，通过远心镜头相机视图实现工件模型与毛坯图像精细匹配；/n第三步，交互测量；对工件模型与毛坯图像建立精确匹配之后，从不同位置对两者的尺寸及偏差进行测量，通过屏幕交互的测量方法，对毛坯图像进行二维测量，对工件模型进行三维测量，以及对机床探测位置进行三维测量；/n第四步，加工余量分析；通过对工件CAD模型与毛坯图像以及毛坯实物的测量，得到最优余量值分布，进而指导加工坐标系的设置；通过调整加工坐标系，计算得到毛坯最优加工初始姿态；根据工件设计模型中的特征点集与毛坯表面对应的标记探测点集，通过求解优化模型得到加工坐标系的旋转与平移矩阵，利用增强现实叠加结果进行验证与调整，得到最优加工姿态。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，视觉系统自标定；视觉系统包括全局测量子系统和局部测量子系统，其中全局测量子系统由搭配广角镜头的工业相机组成，局部测量子系统由搭配远心镜头的工业相机组成；具体标定流程如下：
1)广角镜头相机内参与畸变标定；使用棋盘格标定板的角点特征，通过“张氏标定法”，利用角点检测算法进行检测，并在角点附近区域计算其亚像素精度坐标；根据标定板参数和检测得到的角点亚像素坐标，求解得到单个广角相机参数，计算出单相机的畸变系数；
2)远心镜头相机标定；定制带有加工精度的圆柱标准几何件，利用标准几何件的尺寸信息作为先验，标定远心镜头相机的像素精度；
3)相机坐标系与机床坐标系对应标定；通过定制立方体标准几何件，结合机床位置探测设备进行相机外参标定，确定相机坐标系与机床坐标系之间的转换矩阵；
第二步，工件模型与毛坯图像匹配；读取工件的三维设计模型CAD数据，根据相机组与机床坐标系的标定信息，将CAD模型同步叠加显示到毛坯图像上，系统界面显示毛坯不同相机视图与虚拟三维模型在对应相机视图下的动态叠加效果；通过交互输入设备对虚拟三维模型进行平移旋转操作，使工件虚拟三维模型与毛坯图像在投影位置上进行匹配；通过广角镜头相机视图对模型位置进行粗略匹配，通过远心镜头相机视图实现工件模型与毛坯图像精细匹配；
第三步，交互测量；对工件模型与毛坯图像建立精确匹配之后，从不同位置对两者的尺寸及偏差进行测量，通过屏幕交互的测量方法，对毛坯图像进行二维测量，对工件模型进行三维测量，以及对机床探测位置进行三维测量；
第四步，加工余量分析；通过对工件CAD模型与毛坯图像以及毛坯实物的测量，得到最优余量值分布，进而指导加工坐标系的设置；通过调整加工坐标系，计算得到毛坯最优加工初始姿态；根据工件设计模型中的特征点集与毛坯表面对应的标记探测点集，通过求解优化模型得到加工坐标系的旋转与平移矩阵，利用增强现实叠加结果进行验证与调整，得到最优加工姿态。


2.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的毛坯定位与加工余量分析方法，其特征在于，第一步，视觉系统自标定；
采用的圆柱标准几何件形状由不同圆柱体呈阶梯状堆叠构成，圆柱体的底面半径由上到下依次增大，整体呈金字塔状；
远心镜头相机基于圆柱标准几何件的标定流程如下：
a.将标准几何件安装于机床旋转台正中心，调整相机所在轴坐标，使镜头对焦于标准几何件圆柱边缘；
b.获取圆柱边缘轮廓图像，使用边缘检测算法提取图像中圆弧特征，得到一段圆弧；相机所在轴固定不动，每次沿固定方向使标准几何件旋转角度Δθ，拍摄图像获取圆弧，直至旋转完成一个圆周，此时共得到段圆弧，其中为向上取整；
c.将段圆弧按旋转步长Δθ拼接形成完整圆周；
d.对拼接好的圆周做拟合，得到完整圆并计算得到像素半径r，再用圆柱体的实际底面半径尺寸R除以像素半径，即可得到相机的像素精度结果单位：微米/像素；
相机通过立方体标准几何件，结合机床位置探测设备进行相机外参的标定，建...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏志勋，王岩，徐少帅，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21