凱 毛德柱 劉 郁 陶 真

     來(lái)源：《電子技術(shù)應(yīng)用》

     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

     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]。本文交將介紹利用三維結(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)程中利用感管和理性分析主動(dòng)找尋到了工件的實(shí)現(xiàn)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)穎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)行路徑和軌跡所實(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)、切換速率慢、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)。

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     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)域的兩如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)的總休結(jié)構(gòu)銣圖1所示。

     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)江投向工件表面；

     （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；