CN109773589B - 对工件表面进行在线测量和加工导引的方法及装置、设备 - Google Patents

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CN109773589B CN201811630658.5A CN201811630658A CN109773589B CN 109773589 B CN109773589 B CN 109773589B CN 201811630658 A CN201811630658 A CN 201811630658A CN 109773589 B CN109773589 B CN 109773589B
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Abstract

一种对工件表面进行在线测量和加工的方法，包括如下步骤：步骤一：利用测量设备扫描并采集工件的表面模型；步骤二：将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量；步骤三：将所述加工余量投射到工件表面。本发明的对工件表面进行在线测量和加工的方法，由于不但对工件表面进行在线测量，还将计算出的在线测量的结果和理论模型之间的加工余量直接投影到工件表面，能够为正在加工的工件提供在线加工引导，因此能够减少加工工序，提高生产效率，另外由于无需多次装夹，因此也能提高工件的加工精度。本发明还提供了执行该方法的装置、设备。

Description

对工件表面进行在线测量和加工导引的方法及装置、设备
技术领域
本发明涉及机加加工领域，尤其涉及一种对工件表面进行在线测量和加工的方法，另外，本发明还提供了可执行该方法的装置、设备。
背景技术
三维扫描仪(3D scanner)是一种科学仪器，用来测量并分析物体或者环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。收集到的数据常用来进行三维重建计算。在工业设计、逆向工程、机器人引导等领域得到了广泛的引用。
在涉及机加加工领域中，通常利用三维扫描仪对工件进行尺寸检测，一般来说，通常是在工件加工完成后，将工件从加工车间转移到检测车间，采用离线方式对工件进行几何检测，给出加工合格或者加工具有偏差的信息。其中，加工尺寸的偏差数据只能在控制器(如电脑)的工件模型上展示，当根据获得的加工尺寸的偏差数据判断加工件需要进一步加工时，必须将工件返回车间，重新装夹、重新加工，这过程，不仅工序繁琐、效率低，而且，再次装夹的误差，也会影响工件的加工精度。
发明内容
本发明针对上述技术问题，为了提高工件的加工效率、加工精度，提出了一种对工件表面进行在线测量和加工的方法，另外，本发明还提出了可执行该方法的装置、设备。
一种对工件表面进行在线测量和加工导引的方法，包括如下步骤：步骤一：利用测量设备扫描并采集工件的表面模型；步骤二：将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量；步骤三：将所述加工余量投射到工件表面。
优选地，在步骤一中，利用所述测量设备的投影仪投射结构光到工件表面，利用所述测量设备的相机同步采集投射了结构光的工件表面图像。
优选地，在步骤一之前，通过手眼标定将所述测量设备的测量坐标系与工件的定位并固定的坐标系对齐，其中，工件的定位并固定的坐标系与工件的理论模型坐标系定义相同；在步骤二中，包括如下过程：设定工件的理论模型为第一理论模型A,其中A＝{Si}i＝1...n，Si为单个表面，由n个表面组成；将在步骤一中采集到的工件的表面模型设定为点云模型B，其中B＝{Pi}i＝1...m，Pi＝[xi,yi,zi]为所述点云模型B中的第i个点，由m个点组成；定义所述点云模型B的点Pi到所述第一理论模型A的表面Sj的距离；定义所述点云模型B的点Pi到所述第一理论模型A的距离以得到所述加工余量。
优选地，所述定义所述点云模型B的点Pi到所述第一理论模型A的表面Sj的距离，包括如下过程：利用最小二乘法拟合得到Pi点的法线方向，Pi沿法线方向与表面Sj交于点
Figure GDA0003202168310000021
定义点Pi到所述表面Sj的距离
Figure GDA0003202168310000022
其中，
Figure GDA0003202168310000023
进一步优选地，每一点的所述加工余量为，定义的点Pi到第一理论模型A的距离Di，其中，
Figure GDA0003202168310000024
优选地，无法通过标定手段获取所述测量设备的测量坐标系与工件的理论模型坐标系的几何关系时，需在计算加工余量之前完成两组坐标系的对齐，包括如下过程：设定工件的理论模型为第一理论模型A,其中A＝{Si}i＝1...n，Si为单个表面，由n个表面组成；将在步骤一中采集到的工件的表面模型设定为点云模型B，其中B＝{Pi}i＝1...m，Pi＝[xi,yi,zi]为所述点云模型B中的第i个点，由m个点组成；对齐所述点云模型B与工件的理论模型；定义所述点云模型B的点Pi到工件的理论模型的表面Sj的距离
Figure GDA0003202168310000025
其中：
Figure GDA0003202168310000026
每一点的所述加工余量为，定义的点Pi到第一理论模型A的距离Di，其中，
Figure GDA0003202168310000027
优选地，通过求取存在于所述点云模型B和工件的理论模型之间的刚性变换(R|T)对齐所述点云模型B与工件的理论模型，其中，包括以下过程：将所述刚性变换作用到所述第一理论模型A，得到第二理论模型C，用算子运算符°记为
Figure GDA0003202168310000028
定义所述点云模型B到所述第二理论模型C的距离为：
Figure GDA0003202168310000029
求解所述刚性变换(R|T)，其中：
Figure GDA00032021683100000210
将所述刚性变换(R|T)作用到所述第一理论模型A，得到第二理论模型C。
优选地，所述测量设备包括一台投影仪和一台相机，在步骤三中，包括如下过程：根据步骤一和步骤二，由每一个图像像素在时间序列上的灰度值，计算所述图像像素对应的相位值，所述相位值对应于所述投影仪所投影的图像的像素位置；根据步骤二，由物理点空间坐标计算物理点对应的加工余量，由此得到所述加工余量所对应的相位值，即投影仪所投影的图像的像素位置；将所述加工余量通过所述投影仪投影出去，其投射的加工余量与实际物理点一致。
优选地，所述测量设备包括一台投影仪和第一相机、第二相机，在步骤三中，包括如下过程：标定所述第一相机和所述第二相机的几何关系；利用所述投影仪投射多幅条纹结构光图像到工件表面，利用所述第一相机、所述第二相机同步采集所述图像；根据每一个图像像素在时间序列上的灰度值，计算所述第一相机上的每一个所述图像像素对应的相位值，以及计算所述第二相机上的每一个所述图像像素对应的相位值；将所述第一相机所得到的相位值与所述第二相机所得到的相位值进行匹配，计算对应的物理点坐标，同步得到物理点坐标与相位值对应关系；根据步骤二，由物理点空间坐标计算物理点对应的加工余量，由此得到加工余量所对应的相位值，即投影仪所投影的图像的像素位置；将所述加工余量通过所述投影仪投影出去，其投射的加工余量与实际物理点一致。
优选地根据所述加工余量，判断工件加工合格或者加工不合格，并投射不同图像展示。
一种对工件表面进行在线测量和加工导引的装置，包括：表面模型采集模块，用于扫描并采集工件的表面模型；加工余量计算模块，用于将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量；投射模块，用于将所述加工余量投射到工件表面，所述投射模块的硬件共用所述表面模型采集模块中的硬件。
一种对工件表面进行在线测量和加工导引的设备，包括：至少一个投影仪，所述投影仪根据控制系统控制指令投射结构光和/或加工余量到工件；至少一个相机，所述相机采集投射了结构光的工件的图像；控制系统，所述控制系统接收所述相机采集到的工件的图像，并构建表面模型，并将工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量，并控制所述投影仪将所述加工余量投射到工件表面。
本发明的对工件表面进行在线测量和加工的方法，由于不但对工件表面进行在线测量，还将计算出的在线测量的结果和理论模型之间的加工余量直接投影到工件表面，能够为正在加工的工件提供在线引导，因此能够减少加工工序，提高生产效率，另外由于无需多次装夹，因此也能提高工件的加工精度。
附图说明
图1是本发明的对工件表面进行在线测量和加工导引的设备的一种实施例的示意图；
图2是本发明的一种对工件表面进行在线测量和加工的方法的流程示意图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明详细说明。需要指出的是，本发明可以以许多不同的方式实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例目的是为了使本领域的技术人员对本发明所公开的内容理解更加透彻全面。
参照图1、图2，一种对工件表面进行在线测量和加工的方法，包括：步骤110(即步骤一)：利用测量设备扫描并采集工件的表面模型；步骤120(即步骤二)：将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量；步骤130(即步骤三)：将加工余量投射到工件表面。
在这里，测量设备2包括一台投影仪、一台相机或者两台相机或者多台相机、控制系统等。投影仪、相机分别通过电缆与控制系统相连，其中，相机通过数据线与控制系统相连，通过触发线与投影仪连接。投影仪根据控制系统的控制指令，将多幅结构光投影到待测量的工件3的表面，并同时产生与投影速率相同的触发信号，触发信号通过触发线传送给相机，相机扫描并采集工件的图像，即相机在触发信号的驱动下，对工件3表面的条纹图进行同步拍摄，并将拍摄到的图像传输到控制系统，控制系统接收相机采集到的工件的图像，构建表面模型，将工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量，并控制投影仪将加工余量投射到工件表面。在本发明中，工件3可以是规则形状的机加件，也可以是不规则形状的机加件，如具有各种曲面形状的加工件。测量设备2在测量的过程中，可以通过机械臂1去驱动，如三轴机械手、六轴机械手等。
在步骤110中，利用投影仪投射多幅结构光到工件表面，利用相机采集投射了结构光的工件的表面图像。控制系统根据投影仪投射的多幅结构光、相机采集到的工件的表面模型(即相机拍摄到的图像)，恢复工件表面的形状，如工件的基本三维形貌图。在此过程中，可以使用一台相机或者两台相机。在步骤一中，可以调整投影仪和相机的相对位置及光轴夹角，确保工件在投影仪的投射范围内。
由于待测工件表面的一点的三维几何关系于其对应在图像坐标系中该点的相互关系，是由相机在空间所处的位置以及相机的参数决定的，因此，需要标定出相机参数。相机的标定的标定物可以选用三维标定物或者2D平面型标定物，三维标定物可由单幅图像进行标定，标定精度较高，但是，高精度三维标定物的加工和维护较为困难。2D平面型标定物比三维标定物制作简单，精度也易保证，因此，步骤一可以采用2D平面型标定物对相机参数进行标定，采用标准平面平移法，得到相机的相位-高度映射关系，实现相位-高度标定。
在步骤120中，需要将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出采集到的工件的表面模型所需的加工余量。以下，对该过程进行详细的说明。
该过程包括：设定工件的理论模型，在这里，也称为第一理论模型，在这里，第一理论模型指的是需要测量的工件所期待的加工后的形状(工件理论模型)，将第一理论模型用A表示，其中：
A＝{Si}i＝1...n，(1)
其中，Si为单个表面(即工件的单个表面模型，如工件为曲面时，Si为曲面模型)，由n个表面组成。
将在步骤一中采集到的工件的表面模型(即由相机拍摄到的工件的三维模型)设定为点云模型B，
B＝{Pi}i＝1...m，(2)
其中，Pi＝[xi,yi,zi]表示点云模型B中的第i个点，共有m个点组合。然后，利用最小二乘法拟合得到Pi点的法线方向，并记为(nx,ny,nz)，Pi沿法线方向与表面Sj交于点
Figure GDA0003202168310000051
定义点Pi到表面Sj的距离
Figure GDA0003202168310000052
Figure GDA0003202168310000053
需要说明的是，在步骤一之前，可以通过手眼标定将测量设备的测量坐标系与工件的定位并固定的坐标系对齐。在此，可以通过放置工件的标准件(即其坐标系与理论模型坐标系定义相同的工件)在工件的定位并固定的坐标系上，定位并固定，此时测量设备的相机所拍摄到的工件的定位并固定的坐标系，即为理论模型坐标系。从而，当实际加工的工件在同样的位置定位并固定时，则可以用测量坐标系测量的结果与工件的理论模型进行比对。这种事先对齐方式，特别适合用于测量需要批量加工的工件的加工余量。在这种情况下，定义点Pi到第一理论模型A的距离
Figure GDA0003202168310000054
其中，
Figure GDA0003202168310000055
通过公式(4)，即得到每个点的加工余量，即得到对应关系[xi,yi,ziDi]。
如果在测量设备的测量坐标系与工件的理论模型坐标系尚未对齐，或者无法通过标定手段获取测量坐标系与工件的理论模型坐标系的几何关系时，则需在计算加工余量之前完成两组坐标系的对齐，即需要将实际测量得到的三维点云模型(即点云模型B)与工件的理论模型对齐。点云模型B与工件理论模型之间存在一个刚性变换，在这里，表示为(R|T)，对齐的过程即为求取(R|T)的过程。将此刚性变换作用到第一理论模型A,则得到第二理论模型C。第二理论模型C用算子运算符°记为：
Figure GDA0003202168310000056
然后，定义点云模型B到第二理论模型C的距离为：
Figure GDA0003202168310000061
其中，Di为根据公式(3)、(4)计算的点云模型B中的每一点到第二工件理论模型C的距离。求解刚性变换(R|T)的数字意义实际为最小化
Figure GDA0003202168310000062
时的参数估算问题，可通过如下公式得到：
Figure GDA0003202168310000063
通过最优化方法得到刚性变换(R|T)，并作用到工件的理论模型(即第一理论模型A)从而得到第二理论模型C。从而使当前测量得到的点云模型B的坐标系与工件的第二理论模型C的坐标统一，并进而计算得到点云模型B中的每一点Di到第二理论模型C的距离，该距离即对应于加工余量，因此，相当于得到了对应关系[xi,yi,ziDi]。
在步骤130中，可以通过两种方式，将计算得到的加工余量参数利用投影仪投影到工件表面，且几何位置对齐。下面说明将点云模型的加工余量反算到二维投影图像的过程。
第一种方式是，通过一台投影仪(与步骤一的投影仪为同一台)和一台相机(与步骤一的相机为同一台)实现将计算得到的加工余量参数投射到工件表面。其过程如下：
根据步骤110和步骤120，由每一个图像像素(x,y)在时间序列上的多个灰度值
Figure GDA0003202168310000064
计算得到该像素对应的相位值(αi,βi),相位值(αi,βi)即对应于投影仪所投图像的像素位置。
根据步骤120，由物理点空间坐标计算物理点对应的加工余量，由此得到加工余量所对应的相位值，即投影仪所投影的图像的像素位置。
然后将加工余量通过投影仪投影出去，其投射的加工余量与实际物理点一致。
第二种方式是通过一台投影仪和第一相机、第二相机两台相机实现将计算得到的加工余量参数投射到工件表面。包括如下步骤：
标定第一相机和第二相机的几何关系。
利用投影仪投射多幅条纹结构光图像到工件表面，利用第一相机、第二相机同步采集图像。
根据每一个图像像素在时间序列上的灰度值
Figure GDA0003202168310000065
计算第一相机上的每一个图像像素对应的相位值(αi,βi),同样地，也计算第二相机上的每一个图像像素对应的相位值(αi,βi)。
将第一相机所得到的相位值与第二相机所得到的相位值进行匹配，计算对应的物理点坐标，同步得到物理点坐标与相位值对应关系。
由物理点空间坐标计算物理点对应的加工余量，由此得到加工余量所对应的相位值，即投影仪所投影的图像的像素位置。
将加工余量通过所述投影仪投影出去，其投射的加工余量与实际物理点一致。
另外，还可以根据加工余量Di信息，得到加工合格或者加工不合格信息，并投射不同图像以展示。
需要说明的是，本发明所使用的标定方法可以是任意本领域技术人员所公知的通用方法。
另外，还提供了对工件表面进行在线测量和加工导引的装置，该装置对应上述的对工件表面进行在线测量和加工导引的方法，即该装置包括：表面模型采集模块，用于扫描并采集工件的表面模型；加工余量计算模块，用于将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量；投射模块，用于将加工余量投射到工件表面，并且，投射模块的硬件(即测量设备的投影仪、相机和控制系统等)共用表面模型采集模块中的硬件(即测量设备的投影仪、相机和控制系统等)。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体的技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何方式进行组合，为了不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不另行说明。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明范围的任何修改或者等同替换，均应当涵括在本发明的技术方案内。

Claims (10)

1.一种对工件表面进行在线测量和加工导引的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：利用具有投影仪和相机的测量设备扫描并采集工件的表面模型；
步骤二：将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量；
步骤三：将所述加工余量映射到所述投影仪的坐标系，并将所述加工余量的图像投射并叠加到工件表面；
其中，所述测量设备包括一台所述投影仪和一台所述相机，在步骤三中，包括如下过程：
根据步骤一和步骤二，由每一个图像像素在时间序列上的灰度值，计算所述图像像素对应的相位值，所述相位值对应于所述投影仪所投影的图像的像素位置，
根据步骤二，由物理点空间坐标计算物理点对应的加工余量，由此得到加工余量所对应的相位值，即投影仪所投影的图像的像素位置，
将所述加工余量通过所述投影仪投影出去，其投射的加工余量与实际物理点一致；
或者，
所述测量设备包括一台所述投影仪和第一相机、第二相机，在步骤三中，包括如下过程：
标定所述第一相机和所述第二相机的几何关系，
利用所述投影仪投射多幅条纹结构光图像到工件表面，利用所述第一相机、所述第二相机同步采集所述图像，
根据每一个图像像素在时间序列上的灰度值，计算所述第一相机上的每一个所述图像像素对应的相位值，以及计算所述第二相机上的每一个所述图像像素对应的相位值，
将所述第一相机所得到的相位值与所述第二相机所得到的相位值进行匹配，计算对应的物理点坐标,同步得到物理点坐标与相位值对应关系，
根据步骤二，由物理点空间坐标计算物理点对应的加工余量，由此得到加工余量所对应的相位值，即投影仪所投影的图像的像素位置，
将所述加工余量通过所述投影仪投影出去，其投射的加工余量与实际物理点一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤一中，利用所述投影仪投射结构光到工件表面，利用所述相机同步采集投射了结构光的工件表面图像。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤一之前，通过手眼标定将所述测量设备的测量坐标系与工件的定位并固定的坐标系对齐，其中，工件的定位并固定的坐标系与工件的理论模型坐标系定义相同；在步骤二中，包括如下过程：
设定工件的理论模型为第一理论模型A,其中
Figure 193151DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 545635DEST_PATH_IMAGE002
为单个表面，由n个表面 组成；
将在步骤一中采集到的工件的表面模型设定为点云模型B，其中
Figure 488183DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 988435DEST_PATH_IMAGE004
为所述点云模型B中的第i个点，由m个点组成；
定义所述点云模型B的点
Figure 409052DEST_PATH_IMAGE005
到所述第一理论模型A的表面
Figure 881621DEST_PATH_IMAGE006
的距离；
定义所述点云模型B的点
Figure 57388DEST_PATH_IMAGE007
到所述第一理论模型A的距离以得到所述加工余量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述定义所述点云模型B的点
Figure 982618DEST_PATH_IMAGE005
到所述第 一理论模型A的表面
Figure 206926DEST_PATH_IMAGE008
的距离，包括如下过程：
利用最小二乘法拟合得到
Figure 268423DEST_PATH_IMAGE009
点的法线方向，
Figure 116556DEST_PATH_IMAGE010
沿法线方向与表面
Figure 529083DEST_PATH_IMAGE011
交于点
Figure 557081DEST_PATH_IMAGE012
， 定义点
Figure 800981DEST_PATH_IMAGE013
到所述表面
Figure 990654DEST_PATH_IMAGE008
的距离
Figure 890477DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure 518904DEST_PATH_IMAGE015
。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，每一点的所述加工余量为，定义的点
Figure 820573DEST_PATH_IMAGE013
到 第一理论模型A的距离
Figure 181147DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 568266DEST_PATH_IMAGE017
。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，无法通过标定手段获取所述测量设备的测量坐标系与工件的理论模型坐标系的几何关系时，需在计算加工余量之前完成两组坐标系的对齐，包括如下过程：
设定工件的理论模型为第一理论模型A,其中
Figure 384DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 890980DEST_PATH_IMAGE019
为单个表面，由n个表面组 成；
将在步骤一中采集到的工件的表面模型设定为点云模型B，其中
Figure 688034DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 860652DEST_PATH_IMAGE021
为所述点云模型B中的第i个点，由m个点组成；
对齐所述点云模型B与工件的理论模型；
定义所述点云模型B的点
Figure 34144DEST_PATH_IMAGE007
到工件的理论模型的表面
Figure 44826DEST_PATH_IMAGE022
的距离
Figure 75099DEST_PATH_IMAGE023
，其中：
Figure 171231DEST_PATH_IMAGE024
；
每一点的所述加工余量为，定义的点
Figure 882835DEST_PATH_IMAGE025
到第一理论模型A的距离
Figure 748022DEST_PATH_IMAGE026
，
其中，
Figure 949197DEST_PATH_IMAGE027
。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：通过求取存在于所述点云模型B和工件的 理论模型之间的刚性变换
Figure 532625DEST_PATH_IMAGE028
对齐所述点云模型B与工件的理论模型，其中，包括以下过 程：
将所述刚性变换作用到所述第一理论模型A，得到第二理论模型C，用算子运算符
Figure 782341DEST_PATH_IMAGE029
记为
Figure 829931DEST_PATH_IMAGE030
；
定义所述点云模型B到所述第二理论模型C的距离为：
Figure 139690DEST_PATH_IMAGE031
；
求解所述刚性变换
Figure 210414DEST_PATH_IMAGE032
，其中：
Figure 827602DEST_PATH_IMAGE033
；
将所述刚性变换
Figure 667382DEST_PATH_IMAGE034
作用到所述第一理论模型A，得到第二理论模型C。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述加工余量，判断工件加工合格或者加工不合格，并投射不同图像展示。
9.一种对工件表面进行在线测量和加工导引的装置，其特征在于，包括：
表面模型采集模块，用于扫描并采集工件的表面模型；
加工余量计算模块，用于将采集到的工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，并计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量；
投射模块，所述投射模块的硬件共用所述表面模型采集模块中的硬件，所述投射模块用于将所述加工余量映射到所述硬件的坐标系，并将所述加工余量的图像投射并叠加到工件表面；
所述装置采用权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.一种对工件表面进行在线测量和加工导引的设备，其特征在于，包括：测量设备，所述测量设备具有：
至少一个投影仪，所述投影仪根据控制系统的控制指令投射结构光和/或加工余量到工件；
至少一个相机，所述相机采集投射了结构光的工件图像；
控制系统，所述控制系统接收所述相机采集到的工件的图像，并构建表面模型，并将工件的表面模型与工件的理论模型进行对比，计算出表面模型相对于理论模型所需的加工余量，将所述加工余量映射到所述投影仪的坐标系，并控制所述投影仪将所述加工余量的图像投射并叠加到工件表面；
其中，所述对工件表面进行在线测量和加工导引的设备采用权利要求1至8中任一项所述的方法。
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