CN114993204B - 大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法及系统，包括：转台、点云采集装置、三轴云台、十字激光器以及大尺寸构件；步骤S1：标定点云采集装置的坐标系、三轴云台坐标系和十字激光器坐标系之间的关系；步骤S2：标定大尺寸构件在多个预设位置的位姿变换矩阵；步骤S3：将根据前述坐标变换矩阵拼接好的全局轮廓进行边缘分割、噪点剔除在内的相关处理，获取大尺寸构件的无背景轮廓，获取虚实坐标变换矩阵；步骤S4：控制三轴云台，使十字激光器按照CAD模型中的待加工特征局部坐标系投射到对应的真实构件轮廓表面，实现自动化的辅助特征定位。本发明能够克服工件轮廓自遮挡问题，实现轮廓测量与辅助特征定位的集成。

Description

大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法及系统

技术领域

本发明涉及机械设计、机械电子、自动控制、视觉测量技术领域，具体地，涉及一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法及系统。

背景技术

大尺寸构件加工制造，尤其是在复杂构件型面上进行特征加工，需要实施两个预设步骤：第一步是构件轮廓测量，第二步是加工特征定位，本质上属于大尺寸型面测量和特征定位问题。

目前主要手段是大型三坐标测量划线机，占地面积大、投入成本高。而激光跟踪仪等非接触测量手段，往往需要多视角测量，以克服自身遮挡等问题，需要多次视觉标定，且测量过程和划线过程分离，需要多次辅助定位。

公开号为CN106338229B的发明专利，公开了一种测量工件轮廓的方法，先将工件放入检测辅助夹具上由工件的设计外轮廓线向外偏移得到的定位腔内，并通过相应的定位机构定位，工件上的各测量点在定位腔上形成对应的检测点，然后将测量装置中可前后移动的竖直的测量杆定位在检测辅助夹具的检测点处，接着向前移动测量杆，使其抵靠工件的测量点，读取检测辅助夹具的标尺显示的测量杆的实际移动距离和定位腔的检测点相对于工件对应测量点的理论偏移值之间的差值，即为工件在该测量点处的尺寸偏离值，进而判断工件在安装时与相邻工件之间的间隙是否符合设计要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法及系统。

根据本发明提供的一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法及系统，所述方案如下：

第一方面，提供了一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法，所述方法包括：转台、点云采集装置、三轴云台、十字激光器以及大尺寸构件；

其中，所述大尺寸构件固定于转台上，所述点云采集装置采集工件的局部轮廓，所述十字激光器固定于所述三轴云台末端；

步骤S1：标定点云采集装置的坐标系、三轴云台坐标系和十字激光器坐标系之间的关系；

步骤S2：标定大尺寸构件在多个预设位置的位姿变换矩阵；

步骤S3：将根据前述坐标变换矩阵拼接好的全局轮廓进行边缘分割、噪点剔除在内的相关处理，获取大尺寸构件的无背景轮廓，并通过与构件CAD模型生成的点云虚实配准，获取虚实坐标变换矩阵；

步骤S4：控制三轴云台，使十字激光器按照CAD模型中的待加工特征局部坐标系投射到对应的真实构件轮廓表面，实现自动化的辅助特征定位。

优选地，所述步骤S1包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

将十字激光器光斑在标定板上进行多次投影，通过控制三轴云台的俯仰、偏航、翻转角度，使得每次投影光轴对准标定板栅格交点、十字交叉线中的主线对齐栅格线；

对三轴云台和十字激光器组成的系统进行建模，根据模型与三轴云台转角对十字激光器的姿态进行描述，根据十字激光器投影到标定板上的光斑坐标建立约束，求解获得十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵。

优选地，所述步骤S1还包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

采用标定板进行标定，引入标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移：

标定板静止，转动三轴云台时，使得十字激光器十字交叉线经过标定板上的一条栅格线；其中，十字交叉线光轴对准栅格线交点，得到三个约束方程；

调整三轴云台，重复三次，三次栅格线交点均不重合，得到九个独立的自由度约束方程，求解得到标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移、十字激光器坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个平移量。

优选地，所述步骤S1还包括标定点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵：

按前述步骤求解三轴云台基坐标系到标定板坐标系的变换矩阵，采用迭代最近点算法求解标定板坐标系到点云采集装置坐标系的变换矩阵，两个矩阵相乘得到点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵。

优选地，所述步骤S4包括：

步骤S4.1：通过步骤S3求得的虚实坐标变换矩阵，将构件坐标系上的待投射定位的特征局部坐标转换到点云采集坐标系下；

步骤S4.2：通过点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的坐标变换矩阵，将待投射的控制点坐标变换到三轴云台基坐标系下；

步骤S4.3：根据三轴云台末端坐标系到十字激光器坐标系的坐标变换矩阵，和三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角，对十字激光器姿态进行描述，与待投射的控制点坐标形成约束，建立方程组求解得到三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角；

控制三轴云台-十字激光器系统，使得十字激光器投射到对应的真实大尺寸构件轮廓表面，完成特征定位。

第二方面，提供了一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位系统，所述系统包括：转台、点云采集装置、三轴云台、十字激光器以及大尺寸构件；

其中，所述大尺寸构件固定于转台上，所述点云采集装置采集工件的局部轮廓，所述十字激光器固定于所述三轴云台末端；

模块M1：标定点云采集装置的坐标系、三轴云台坐标系和十字激光器坐标系之间的关系；

模块M2：标定大尺寸构件在多个预设位置的位姿变换矩阵；

模块M3：将根据前述坐标变换矩阵拼接好的全局轮廓进行边缘分割、噪点剔除在内的相关处理，获取大尺寸构件的无背景轮廓，并通过与构件CAD模型生成的点云虚实配准，获取虚实坐标变换矩阵；

模块M4：控制三轴云台，使十字激光器按照CAD模型中的待加工特征局部坐标系投射到对应的真实构件轮廓表面，实现自动化的辅助特征定位。

优选地，所述模块M1包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

将十字激光器光斑在标定板上进行多次投影，通过控制三轴云台的俯仰、偏航、翻转角度，使得每次投影光轴对准标定板栅格交点、十字交叉线中的主线对齐栅格线；

对三轴云台和十字激光器组成的系统进行建模，根据模型与三轴云台转角对十字激光器的姿态进行描述，根据十字激光器投影到标定板上的光斑坐标建立约束，求解获得十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵。

优选地，所述模块M1还包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

采用标定板进行标定，引入标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移：

标定板静止，转动三轴云台时，使得十字激光器十字交叉线经过标定板上的一条栅格线；其中，十字交叉线光轴对准栅格线交点，得到三个约束方程；

调整三轴云台，重复三次，三次栅格线交点均不重合，得到九个独立的自由度约束方程，求解得到标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移、十字激光器坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个平移量。

优选地，所述模块M1还包括标定点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵：

按前述步骤求解三轴云台基坐标系到标定板坐标系的变换矩阵，采用迭代最近点算法求解标定板坐标系到点云采集装置坐标系的变换矩阵，两个矩阵相乘得到点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵。

优选地，所述模块M4包括：

模块M4.1：通过模块M3求得的虚实坐标变换矩阵，将构件坐标系上的待投射定位的特征局部坐标转换到点云采集坐标系下；

模块M4.2：通过点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的坐标变换矩阵，将待投射的控制点坐标变换到三轴云台基坐标系下；

模块M4.3：根据三轴云台末端坐标系到十字激光器坐标系的坐标变换矩阵，和三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角，对十字激光器姿态进行描述，与待投射的控制点坐标形成约束，建立方程组求解得到三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角；

控制三轴云台-十字激光器系统，使得十字激光器投射到对应的真实大尺寸构件轮廓表面，完成特征定位。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用多视角动态轮廓测量，克服了工件轮廓自遮挡问题，并通过带反馈的预设位置测量提高了测量精度，同时采用三轴云台-十字激光器系统实现了轮廓测量与辅助特征定位的集成。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为系统示意图；

图2为“十”字交叉激光线示意图；

图3为“十”字交叉激光线与栅格对齐坐标标定。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法，参照图1所示，包括转台、点云采集装置、三轴云台、十字激光器以及大尺寸构件等，大尺寸构件即图1中所示工件。三轴云台，由高精度伺服电机、控制驱动器等组成，末端固定十字激光发射器。

大尺寸构件固定于转台上，并随转台按照预设位置同步回转，转台通过机械或电子位置反馈实现预设位置的精准定位。

点云采集装置采集大尺寸构件的局部轮廓，并通过转台多个回转预设位置实现多视野动态全局轮廓采集。

参照图2和图3所示，十字激光器的投射光斑为“十”字形的横线和竖线交叉线，“十”字形的横线和竖线存在长短不相等、交叉点不在中心点等不对称特性，以区分横线和竖线，并将其中一条作为主线。

十字激光器固定于所述三轴云台末端，三轴云台通过控制俯仰角、偏航角、翻滚角将“十”字形交叉线投射到所述大尺寸构件轮廓表面，形成待加工特征局部坐标系标识。

局部坐标标识将所述“十”字形交叉线的交叉点作为坐标原点，将交叉线中的主线作为待加工特征局部坐标系坐标轴。

本发明具体步骤如下：

步骤S1：标定点云采集装置的坐标系、三轴云台坐标系和十字激光器坐标系之间的关系。

具体地，该步骤包括：

1)标定激光坐标系到云台末端坐标系的变换矩阵：将十字激光器光斑在标定板上进行多次投影，通过控制三轴云台的俯仰、偏航、翻转角度，使得每次投影光轴对准标定板栅格交点、“十”字交叉线中的主线对齐栅格线；对云台和激光组成的系统进行建模，根据模型与云台转角对十字激光的姿态进行描述，根据十字激光投影到标定板上的光斑坐标建立约束，求解获得激光坐标系到云台末端坐标系的变换矩阵。

2)标定激光坐标系到云台末端坐标系的变换矩阵的具体步骤如下：

由于激光坐标系和云台末端坐标系同步运动，激光坐标系和云台末端坐标系之间没有相对旋转，只存在平移量，而云台末端坐标系与云台基坐标系(世界坐标系)之间的旋转变换是已知的，激光坐标系和云台基坐标系(世界坐标系)之间的变换只有三个平移量未知，采用标定板进行标定，则引入标定板坐标系和云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移。

标定板静止，转动云台时，使得激光“十”字交叉线经过标定板上的一条栅格线，其中十字交叉线光轴对准栅格线交点，可得三个约束方程。调整云台，重复三次(三次栅格线交点不重合)，可得到九个独立的自由度约束方程，求解可得到标定板坐标系和云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移、激光坐标系和云台基坐标系(世界坐标系)之间的三个平移量。

3)标定点云采集装置坐标系到云台基坐标系的变换矩阵：按前述步骤求解云台基坐标系到标定板坐标系的变换矩阵，采用ICP法(迭代最近点算法)求解标定板坐标系到点云采集装置坐标系的变换矩阵，俩矩阵相乘得到点云采集装置坐标系到云台基坐标系的变换矩阵。

步骤S2：标定大尺寸构件在多个预设位置的位姿变换矩阵：

将视觉标定板固定于回转工作台上，转台在多个预设位置进行定位和点云采集，点云采集装置获得点云A1、A2、…、An，且邻近的预设位置间点云存在交集，如A1和A2，A2和A3。

优选的，预设位置可以是回转分度位置，如4分度(90°相等间隔)，6分度(60°相等间隔)等，其目的是为了保证相邻预设位置存在视场交集。

通过关键点特征对齐、点云匹配，通过奇异值分解等方法获取A1-A2，A2-A3，…，An-1-An，An-A1间的坐标变换矩阵。

步骤S3：将根据前述坐标变换矩阵拼接好的全局轮廓进行边缘分割、噪点剔除在内的相关处理，获取大尺寸构件的无背景轮廓，并通过与构件CAD模型生成的点云虚实配准，获取虚实坐标变换矩阵。

步骤S4：控制三轴云台，使十字激光器按照CAD模型中的待加工特征局部坐标系投射到对应的真实构件轮廓表面，实现自动化的辅助特征定位。激光投射定位的具体步骤如下：

步骤S4.1：通过步骤S3求得的虚实坐标变换矩阵，将构件坐标系上的待投射定位的特征局部坐标转换到点云采集坐标系下。通过控制“十”字激光交叉线通过代加工特征局部坐标系原点，“十”字激光交叉线主轴与局部坐标系坐标轴重合，得到三个约束方程，目标是求解云台的俯仰角、偏航角、翻滚角。

步骤S4.2：通过点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的坐标变换矩阵，将待投射的控制点坐标变换到三轴云台基坐标系下。

步骤S4.3：根据云台末端坐标系到激光坐标系的坐标变换矩阵，和云台的俯仰角、偏航角、翻滚角，可对十字激光姿态进行描述，与待投射的控制点坐标形成约束，建立方程组求解得到三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角。控制云台-激光系统，可使得十字激光投射到对应的真实构件轮廓表面，完成特征定位。

本发明实施例提供了一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法及系统，采用多视角动态轮廓测量，克服了工件轮廓自遮挡问题，并通过带反馈的预设位置测量提高了测量精度，同时采用云台-十字激光器系统实现了轮廓测量与辅助特征定位的集成。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法，其特征在于，包括：转台、点云采集装置、三轴云台、十字激光器以及大尺寸构件；

其中，所述大尺寸构件固定于转台上，所述点云采集装置采集工件的局部轮廓，所述十字激光器固定于所述三轴云台末端；

步骤S1：标定点云采集装置的坐标系、三轴云台坐标系和十字激光器坐标系之间的关系；

步骤S2：标定大尺寸构件在多个预设位置的位姿变换矩阵；

步骤S3：将根据前述坐标变换矩阵拼接好的全局轮廓进行边缘分割、噪点剔除在内的相关处理，获取大尺寸构件的无背景轮廓，并通过与构件CAD模型生成的点云虚实配准，获取虚实坐标变换矩阵；

步骤S4：控制三轴云台，使十字激光器按照CAD模型中的待加工特征局部坐标系投射到对应的真实构件轮廓表面，实现自动化的辅助特征定位。

2.根据权利要求1所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法，其特征在于，所述步骤S1包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

将十字激光器光斑在标定板上进行多次投影，通过控制三轴云台的俯仰、偏航、翻转角度，使得每次投影光轴对准标定板栅格交点、十字交叉线中的主线对齐栅格线；

对三轴云台和十字激光器组成的系统进行建模，根据模型与三轴云台转角对十字激光器的姿态进行描述，根据十字激光器投影到标定板上的光斑坐标建立约束，求解获得十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵。

3.根据权利要求2所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法，其特征在于，所述步骤S1还包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

采用标定板进行标定，引入标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移：

标定板静止，转动三轴云台时，使得十字激光器十字交叉线经过标定板上的一条栅格线；其中，十字交叉线光轴对准栅格线交点，得到三个约束方程；

调整三轴云台，重复三次，三次栅格线交点均不重合，得到九个独立的自由度约束方程，求解得到标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移、十字激光器坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个平移量。

4.根据权利要求3所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法，其特征在于，所述步骤S1还包括标定点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵：

按前述步骤求解三轴云台基坐标系到标定板坐标系的变换矩阵，采用迭代最近点算法求解标定板坐标系到点云采集装置坐标系的变换矩阵，两个矩阵相乘得到点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵。

5.根据权利要求1所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S4.1：通过步骤S3求得的虚实坐标变换矩阵，将构件坐标系上的待投射定位的特征局部坐标转换到点云采集坐标系下；

步骤S4.2：通过点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的坐标变换矩阵，将待投射的控制点坐标变换到三轴云台基坐标系下；

步骤S4.3：根据三轴云台末端坐标系到十字激光器坐标系的坐标变换矩阵，和三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角，对十字激光器姿态进行描述，与待投射的控制点坐标形成约束，建立方程组求解得到三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角；

控制三轴云台-十字激光器系统，使得十字激光器投射到对应的真实大尺寸构件轮廓表面，完成特征定位。

6.一种大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位系统，其特征在于，包括：转台、点云采集装置、三轴云台、十字激光器以及大尺寸构件；

其中，所述大尺寸构件固定于转台上，所述点云采集装置采集工件的局部轮廓，所述十字激光器固定于所述三轴云台末端；

模块M1：标定点云采集装置的坐标系、三轴云台坐标系和十字激光器坐标系之间的关系；

模块M2：标定大尺寸构件在多个预设位置的位姿变换矩阵；

模块M3：将根据前述坐标变换矩阵拼接好的全局轮廓进行边缘分割、噪点剔除在内的相关处理，获取大尺寸构件的无背景轮廓，并通过与构件CAD模型生成的点云虚实配准，获取虚实坐标变换矩阵；

模块M4：控制三轴云台，使十字激光器按照CAD模型中的待加工特征局部坐标系投射到对应的真实构件轮廓表面，实现自动化的辅助特征定位。

7.根据权利要求6所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位系统，其特征在于，所述模块M1包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

将十字激光器光斑在标定板上进行多次投影，通过控制三轴云台的俯仰、偏航、翻转角度，使得每次投影光轴对准标定板栅格交点、十字交叉线中的主线对齐栅格线；

对三轴云台和十字激光器组成的系统进行建模，根据模型与三轴云台转角对十字激光器的姿态进行描述，根据十字激光器投影到标定板上的光斑坐标建立约束，求解获得十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵。

8.根据权利要求7所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位系统，其特征在于，所述模块M1还包括标定十字激光器坐标系到三轴云台末端坐标系的变换矩阵：

采用标定板进行标定，引入标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移：

标定板静止，转动三轴云台时，使得十字激光器十字交叉线经过标定板上的一条栅格线；其中，十字交叉线光轴对准栅格线交点，得到三个约束方程；

调整三轴云台，重复三次，三次栅格线交点均不重合，得到九个独立的自由度约束方程，求解得到标定板坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个旋转量和三个平移、十字激光器坐标系和三轴云台基坐标系之间的三个平移量。

9.根据权利要求8所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位系统，其特征在于，所述模块M1还包括标定点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵：

按前述步骤求解三轴云台基坐标系到标定板坐标系的变换矩阵，采用迭代最近点算法求解标定板坐标系到点云采集装置坐标系的变换矩阵，两个矩阵相乘得到点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的变换矩阵。

10.根据权利要求6所述的大尺寸构件轮廓动态测量与辅助特征定位系统，其特征在于，所述模块M4包括：

模块M4.1：通过模块M3求得的虚实坐标变换矩阵，将构件坐标系上的待投射定位的特征局部坐标转换到点云采集坐标系下；

模块M4.2：通过点云采集装置坐标系到三轴云台基坐标系的坐标变换矩阵，将待投射的控制点坐标变换到三轴云台基坐标系下；

模块M4.3：根据三轴云台末端坐标系到十字激光器坐标系的坐标变换矩阵，和三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角，对十字激光器姿态进行描述，与待投射的控制点坐标形成约束，建立方程组求解得到三轴云台的俯仰角、偏航角、翻滚角；

控制三轴云台-十字激光器系统，使得十字激光器投射到对应的真实大尺寸构件轮廓表面，完成特征定位。

Images