CN117934602A - 基于点特征的机加工-slm复合制造结合面位姿测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合制造结合面位姿测量技术领域，解决了现有测量方法只能满足特定尺寸和形状的零件匹配成形，不具有通用性的问题。提供了一种基于点特征的机加工‑SLM复合制造结合面位姿测量方法：在基板处布设中间mark点和四周mark点；采集图像，进行中间mark点和四周mark点的边缘提取和质心像素坐标的计算，用位姿解算的PNP方法求解相机外参和四周mark点世界坐标；将待测零件放置在更换后的基板上，采集图像，进行四周mark点和结合面的边缘提取，标定此时相机外参；计算结合面的质心像素坐标，结合相机外参使用位姿解算的PNP方法求解待测零件结合面的位姿。本发明对于基板上任意放置的机加工零件底座，通过机器视觉求解其位姿。
Description
技术领域
本发明属于复合制造结合面位姿测量技术领域，具体涉及一种基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法。
背景技术
激光选区熔化成形技术(SLM)是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进激光增材制造技术，常用于成形复杂薄壁、内部流道、有序多孔等精细结构，目前已经越来越多地用于制造航空、汽车等领域金属零件。
对于涡轮叶片零件，上部的叶片结构无法通过常规机加工制造实现，对于零件底部无复杂结构的底座而言，增材制造的高成本，使零件整体打印成本更高。SLM成形之前，需要在软件中输入成形件的三维模型，三维模型的坐标也在基板上随之确定，然而当复合成形工艺开展时，所放置在基板上的机加工零件的位姿是未知的，这就需要对机加工零件的位姿进行测量，这种平面上的位姿测量通常可简化为物体的平移坐标(X,Y)和绕Z轴的旋转角度γ。
目前关于复合成形结合面的位姿测量方法市面上绝大多数采用的是设计特定的定位基板和夹具系统来实现对零件位置的固定，但这种方法对零件的尺寸和形状有很多的要求和限制，只能满足特定尺寸和形状的零件匹配成形，不具有通用性；当此特定零件的需求量较少时，特定的定位基板和夹具系统会使得成本增加；同时该定位方法也会由于基板的安装误差导致整体成形精度不高。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法。
本发明采用如下的技术方案实现：一种基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，包括以下步骤：S1：在SLM基板上布设若干中间mark点，在基板周围布设若干四周mark点；S2：对单目相机进行标定，获得单目相机的内参，采集布设好中间mark点和四周mark点的基板图像；S3：进行中间mark点的边缘提取和质心像素坐标的计算，并进行四周mark点的边缘提取和质心像素坐标的计算；S4：通过已知的中间mark点的世界坐标、像素坐标、相机内参，求得此时的相机外参；根据相机内参、此时的相机外参、四周mark点的像素坐标求取四周mark点的世界坐标，完成机器工作坐标系的定位；S5：更换无中间mark点的基板，将待测零件放置在基板上，加工前采集待测结合面和四周mark点的图片，进行四周mark点和结合面的边缘提取，并计算四周mark点的质心像素坐标，再结合已知的四周mark点的世界坐标和相机内参标定此时的相机外参；S6：计算结合面的质心像素坐标，再结合相机内参、步骤S5中的相机外参求解出待测零件结合面的位姿。
优选地，步骤S1中，中间mark点通过激光束在基板上烧结形成的凹槽，在基板外周铣出若干用于容置四周mark点的凹槽，四周mark点为薄片结构且内嵌于凹槽中并与基板的端面在同一平面内。
优选地，中间mark点的数量为9个且成3*3矩阵形式布置，形状为标准圆形，其中需要有一个半径不同的圆用于确定方向；四周mark点的数量为4-9个且分布在基板的四周，四周mark点的材质为氧化铝。
优选地，将步骤S2采集到的图像进行平滑滤波处理；步骤S3中，通过Canny算法进行中间mark点的边缘粗定位得到亚像素边缘，对粗定位的圆弧边缘设定一定的曲率阈值进行筛选，过中间mark点的圆心作射线与所筛选的圆弧边缘相交，得到多个亚像素边缘点，使用最小二乘法拟合圆得到每个中间mark点的质心像素坐标；四周mark点使用Canny算法直接提取其完整边缘。
优选地，步骤S5中，调整基板确保待测零件和四周mark点处于同一平面，使用Canny算法提取四周Mark点和待测平面的亚像素边缘，并使用最小二乘法质心提取算法提取出四周mark点的像素坐标。
优选地，步骤S6中，结合面的形状为单连通域的规则图案，采用基于最小二乘的轮廓的质心提取算法提取结合面质心的像素坐标。
优选地，步骤S6中，结合面的形状为单连通域的不规则图案，采用基于特征点检测与描述符匹配或基于边缘检测与形状逼近的质心提取算法提取结合面质心的像素坐标。
优选地，步骤S6中，结合面的形状为多通域结合面，根据实际加工情况判定需要计算零件结合面多个连通域作为一个整体的质心或计算每个单独连通域上的质心坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，对于基板上任意放置的机加工零件底座，通过机器视觉中的点特征PNP方法求解其位姿，然后将求解到的相关参数输入至SLM设备进行复合成型加工。本发明在基板大小允许的条件下对成形零件的尺寸和形状无要求和限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明的基板、中间mark点和四周mark点的位置关系图；
图3是本发明的中间mark点边缘提取示意图。
图4是本发明的基板、待测零件和四周mark点的位置关系图；
图5是本发明的坐标系定位误差评定流程图；
图6是本发明的待测结合面形状图(单连通域的规则图案)；
图7是本发明的待测结合面形状图(单连通域的不规则图案)；
图8是本发明的待测结合面形状图(多通域结合面)；
图9是本发明的测量系统图。
图中：1-基板；2-中间mark点；3-四周mark点；4-待测零件；5-单连通域规则图案；6-单连通域不规则图案；7-多连通域；8-相机三角支架；9-笔记本托盘；10-光源支架；11-相机；12-四面条形光源。
具体实施方式
结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。
本发明提供了一种实施例：
如图1至图8所示，一种基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，包括以下步骤：
S1：在SLM基板上布设若干中间mark点，在基板周围布设若干四周mark点；
S2：通过张正友标定法对单目相机进行标定，获得单目相机的内参和畸变参数，采集布设好中间mark点和四周mark点的图像；
S3：进行中间mark点的边缘提取和质心像素坐标的计算，并进行四周mark点的边缘提取和质心像素坐标的计算；
S4：通过已知的中间mark点的世界坐标(仪器的输入)、像素坐标、相机内参，求得此时的相机外参；根据相机内参、此时的相机外参、四周mark点的像素坐标求取四周mark点的世界坐标，完成机器工作坐标系的定位；
S5：更换无中间mark点的基板，将待测零件放置在基板上，加工前采集待测结合面和四周mark点的图片，进行四周mark点和结合面的边缘提取，并计算四周mark点的质心像素坐标，再结合已知的四周mark点的世界坐标和相机内参标定此时的相机外参；
S6：计算结合面的质心像素坐标，再结合相机内参、步骤S5中的相机外参求解出待测零件结合面的位姿，包含平移坐标(X,Y)和绕Z轴的旋转角度γ。
本实施例中，成像系统包括相机三脚架、CCD相机、四面条形光源。四面条形光源固定在特制的光源悬架上，调整单独每条光源的角度达到最后的照明条件，CCD相机拍照完成图像采集过程，相机接口与计算机相连，可在计算机上显示采集到的图像信息并做相关的处理。由于SLM设备成型仓内部空间有限，以易加三维EP-150设备为例，相机的工作空间为垂直方向距离基板200mm左右，基板大小D＝150mm，加上四周mark点相机视野也需控制在200mm×200mm左右。另外，SLM设备多自带光源，但其光源只是起到简单的照明观察效果，对于这种mark点精确定位工作并不适用，四面条形光源由4根条形光自由组合成，可自由调节每根条形光的角度，实现不同的效果，可根据被测物体要求调整所需照明角度通用性极强，对于这种mark点定位工作具有比较好的效果。基于此研究了一套广角成像原理和专业照明的图像采集方案，为基于机器视觉的复合制造结合面精确提取提供有效的原始图像数据。
基于点特征的SLM机器工作坐标系精确获取方法涉及预设标记点的设计和布局。在SLM设备中输入mark点阵的模型，设定相关的工艺参数，在基板上使用SLM设备的高能激光束直接烧蚀形成中间mark点阵,中间mark点形状为标准圆形，其中需要有一个半径不同的圆用于确定方向，确保输入的中间mark点世界坐标和像素坐标一一对应，为后续相机外参标定和四周mark点世界坐标求解提供可靠依据。在基板的周围铣出4—9个凹槽，选用大小合适的氧化铝陶瓷薄片嵌入凹槽中作为四周mark点阵完成标记点布局工作。四周mark点为薄片结构且内嵌于凹槽中并与基板的端面在同一平面内。每台SLM设备只需用中间mark点一次标定四周mark点的世界坐标即可。四周标记点在布设时需确保与基板平面共面，与设备连接可靠、无干涉。选用氧化铝陶瓷材料是由于其材质耐磨、对照明变化不敏感且具有较好的对比度。
采集图像时确保机器停机，将步骤S2采集到的图像通过高斯滤波器进行平滑滤波处理；步骤S3中，由于中间mark点的边缘成形质量较差，通过Canny算法进行中间mark点的边缘粗定位得到亚像素边缘，对粗定位的圆弧边缘设定一定的曲率阈值进行筛选，过中间mark点的圆心作射线与所筛选的圆弧边缘相交，得到多个亚像素边缘点，使用最小二乘法拟合圆得到每个中间mark点的质心像素坐标；四周mark点的边缘质量较好，使用Canny算法直接提取其完整边缘。
基于点特征的位姿估计方法实质就是位姿测量的PNP问题，该问题是指在已知物体模型的3D点坐标和相机拍摄的2D点坐标的情况下，计算出相机的位姿(即相机在3D空间中的位置和朝向)，从而实现物体位姿的测量，一般来说需要3个以上的点才能确保相关算法位姿求解的精确性。
本专利中依据中间mark点的像素坐标pi＝[ui,vi,]T(i＝1,2,…,,n)，和与之对应的世界坐标(即机器工作坐标)Pi＝[Xi,Yi,Zi,]T(i＝1,2,…,,n)进行位姿求解，首先对每个世界坐标点进行归一化处理，以消除尺度因素更好的进行位姿估计。
对于每个归一化的世界坐标点P′i和对应的图像坐标点pi，建立投影方程
其中f是相机的焦距，cx和cy是图像平面的主点坐标，相机旋转矩阵将投影方程整理为矩阵形式，得到以下方程：
将其简化为p＝AP′其中p是包含所有图像坐标的向量，A是包含所有投影矩阵的矩阵，P′是包含所有归一化世界坐标的向量。对矩阵A进行奇异值分解得到解向量p′，
根据相机内参矩阵和解向量p′可以提取出相机的旋转矩阵R和平移向量t，这样就得到了相机的位姿(外参)。
此外为了进一步提高位姿估计的准确性，引入最小化重投影误差来优化位姿估计，将已知世界坐标的点Pi根据当前的位姿估计投影到图像平面上，得到重投影坐标点计算重投影坐标点/>与实际观测到的图像坐标点pi之间的误差εi。
使用数值优化方法最小二乘优化来最小化目标函数，以更新位姿估计；重复进行重投影计算、误差计算和优化过程，直到误差最小。
将基板上的中间mark点记为第一标记点，四周mark点记为第二标记点，使用第一标记点的世界坐标A和像素坐标计算出相机外参A，利用相机外参A和第二标记点的像素坐标求解出第二标记点的世界坐标，完成坐标系的定位；
为保证定位的精确性，使用第二标记点的像素坐标与世界坐标重新标定相机，得到相机的外参B，结合第一标记点的像素坐标，解算出第一标记点的世界坐标B，计算世界坐标A和世界坐标B的差值即可得出位姿解算的误差。
步骤S5中，调整基板确保待测零件和四周mark点处于同一平面，使用Canny算法提取四周Mark点和待测平面的亚像素边缘，并使用最小二乘法质心提取算法提取出四周mark点的像素坐标。
针对结合面形状可能具备不同的连通特性，可能由单连通区域组成或由多连通区域组成，且构成其轮廓平面几何特征存在多样性，可能由规则图形组成或由不规则图形组成的现象，设计与之对应求解方案。
结合面的形状为单连通域的规则图案，采用基于最小二乘的轮廓的质心提取算法提取结合面质心的像素坐标。
结合面的形状为单连通域的不规则图案，采用基于特征点检测与描述符匹配或基于边缘检测与形状逼近的质心提取算法。
结合面的形状为多通域结合面，根据实际加工情况判定需要计算零件结合面多个连通域作为一个整体的质心或计算每个单独连通域上的质心坐标。
以上所列举的不同情况，根据实际加工零件结合面的特性选定不同的质心提取方法，为其位姿求解提供依据，完成这些工作之后即可开展复合成形加工。
本发明在基板大小允许的条件下对成形零件尺寸和形状无要求和限制，具有广泛的通用性。本方法以三脚架为平台的成像系统实现，实施时只需将成像系统探入SLM成形仓中，完成位姿测量之后移走即可。对于所放置在同一基板上不同形状的机加工零件，使用本方法可快速完成结合面位姿测量工作。
本专利只需一套成像系统，成像系统的结构无需太过复杂，只要能起到支撑相机及成像系统的作用即可。相机的视野根据基板的大小确定，一固定大小的基板只需一个合适的相机即可完成在该基板上成形的所有复合零件的位姿测量工作，成本较低。
本专利位姿测量方法实质上就是视觉测量，视觉测量具有测量系统结构简单、便于移动、数据采集快速、便捷、操作方便、测量成本较低、且具有在线、实时三维测量的潜力，同时机器视觉系统可以同时对多个尺寸一起测量，实现了测量工作的快速完成，适用于在线测量且效率更高；微小尺寸的测量也是机器视觉系统的长处，它可以利用高倍镜头放大被测对象，使得测量精度达到微米以上。本测量方法在相机和镜头选型合理的情况下测量精度可达0.1mm以下。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在SLM基板上布设若干中间mark点，在基板周围布设若干四周mark点；
S2：对单目相机进行标定，获得单目相机的内参，采集布设好中间mark点和四周mark点的基板图像；
S3：进行中间mark点的边缘提取和质心像素坐标的计算，并进行四周mark点的边缘提取和质心像素坐标的计算；
S4：通过已知的中间mark点的世界坐标、像素坐标、相机内参，求得此时的相机外参；根据相机内参、此时的相机外参、四周mark点的像素坐标求取四周mark点的世界坐标，完成机器工作坐标系的定位；
S5：更换无中间mark点的基板，将待测零件放置在基板上，加工前采集待测结合面和四周mark点的图片，进行四周mark点和结合面的边缘提取，并计算四周mark点的质心像素坐标，再结合已知的四周mark点的世界坐标和相机内参标定此时的相机外参；
S6：计算结合面的质心像素坐标，再结合相机内参、步骤S5中的相机外参求解出待测零件结合面的位姿。
2.根据权利要求1所述的基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于：步骤S1中，中间mark点通过激光束在基板上烧结形成的凹槽，在基板外周铣出若干用于容置四周mark点的凹槽，四周mark点为薄片结构且内嵌于凹槽中并与基板的端面在同一平面内。
3.根据权利要求2所述的基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于：中间mark点的数量为9个且成3*3矩阵形式布置，形状为标准圆形，其中有一个半径不同的圆用于确定方向；四周mark点的数量为4-9个且分布在基板的四周，四周mark点的材质为氧化铝。
4.根据权利要求3所述的基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于：将步骤S2采集到的图像进行平滑滤波处理；步骤S3中，通过Canny算法进行中间mark点的边缘粗定位得到亚像素边缘，对粗定位的圆弧边缘设定一定的曲率阈值进行筛选，过中间mark点的圆心作射线与所筛选的圆弧边缘相交，得到多个亚像素边缘点，使用最小二乘法拟合圆得到每个中间mark点的质心像素坐标；四周mark点使用Canny算法直接提取其完整边缘。
5.根据权利要求4所述的基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于：步骤S5中，调整基板确保待测零件和四周mark点处于同一平面，使用Canny算法提取四周Mark点和待测平面的亚像素边缘，并使用最小二乘法质心提取算法提取出四周mark点的像素坐标。
6.根据权利要求5所述的基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于：步骤S6中，结合面的形状为单连通域的规则图案，采用基于最小二乘的轮廓的质心提取算法提取结合面质心的像素坐标。
7.根据权利要求5所述的基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于：步骤S6中，结合面的形状为单连通域的不规则图案，采用基于特征点检测与描述符匹配或基于边缘检测与形状逼近的质心提取算法提取结合面质心的像素坐标。
8.根据权利要求5所述的基于点特征的机加工-SLM复合制造结合面位姿测量方法，其特征在于：步骤S6中，结合面的形状为多通域结合面，根据实际加工情况判定需要计算零件结合面多个连通域作为一个整体的质心或计算每个单独连通域上的质心坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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