回轉(zhuǎn)類零件三維測量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、回轉(zhuǎn)類零件三維測量是制造加工業(yè)領(lǐng)域的一個重要課題，而傳統(tǒng)接觸式測量存在測量時間長和工作量大等缺點，從而限制了其在特定場合的有效應(yīng)用。線結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)集光、機、電和計算機技術(shù)于一體，且具有高速度和高效率等優(yōu)勢而備受關(guān)注。本文依托國家自然科學(xué)基金項目“大尺寸機械零件的高精度在線測量方法研究”(50805023)，以制造加工業(yè)中的回轉(zhuǎn)類零件作為研究對象，以幾何尺寸和形位誤差測量作為研究目標，依賴線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)掃描方式實現(xiàn)三維測量，所從事的主

2、要研究工作如下:
　　1、線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)綜合參數(shù)標定算法
　　線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)參數(shù)標定是實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)掃描測量的前提條件，為此建立起一種集攝像機、激光面、旋轉(zhuǎn)軸標定于一體的綜合標定算法，使得僅需拍攝一次圖像序列即可確定該三者的空間位置關(guān)系。為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸空間方程的全局優(yōu)化擬合，提出一種基于交比不變性約束的旋轉(zhuǎn)軸標定算法，采集置于旋轉(zhuǎn)臺上的標定棋盤動態(tài)圖像序列，利用棋盤角點間的交比不變性約束簡化旋轉(zhuǎn)軸方程，依賴具有360°

3、視角的棋盤角點旋轉(zhuǎn)軌跡圓，用以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸方程的全局優(yōu)化擬合。
　　2、點線特征提取跟蹤及其重建技術(shù)
　　點線特征提取跟蹤過程貫穿線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)標定和旋轉(zhuǎn)測量的始終，需要提取編碼角點坐標確定旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角，及提取光條中心坐標確定零件輪廓線，用以重建采集圖像序列中回轉(zhuǎn)類零件的三維輪廓點云。為了快速準確地提取跟蹤線結(jié)構(gòu)光光條中心坐標，提出一種基于時空跟蹤的光條中心提取跟蹤算法，利用灰度重心法和Hessian矩陣法提取像素級和亞像素級光條

4、中心，依賴時間連續(xù)性結(jié)合時間序列預(yù)測下一時刻光心坐標，依據(jù)空間連續(xù)性利用谷脊跟蹤確定下一位置光心坐標。
　　3、特征線引導(dǎo)的三維點云分割算法
　　線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)測量所得三維輪廓點云難于直接獲取零件的尺寸信息，利用其鄰域微分幾何屬性提取曲率突變的特征點，依賴曲率變化方向連接特征點構(gòu)成特征線，用以引導(dǎo)點云分割成多個獨立的面片。為了增強點云特征區(qū)域以提高面片分割準確程度，提出一種基于曲率密度均值偏移的特征點增強算法，促使特征點隨其鄰

5、域數(shù)據(jù)的曲率加權(quán)均值發(fā)生偏移，逐步迭代運算直至特征點偏移至曲率密度中心，用以實現(xiàn)特征點向尖銳邊界區(qū)域進行增強處理。
　　4、回轉(zhuǎn)零件特征曲面識別重建技術(shù)
　　點云數(shù)據(jù)區(qū)域分割所得多個獨立面片需要逐個進行識別和重建處理，利用其曲率特性將獨立面片分類為八種特征曲面，并針對不同的特征曲面采用不同的曲面擬合方法實現(xiàn)擬合重建。為了實現(xiàn)同轉(zhuǎn)類零件沿其回轉(zhuǎn)軸線方向的映射重建，給出一種基于回轉(zhuǎn)軸方向映射的B樣條母曲線擬合算法，利用RANSA

6、C算法結(jié)合Plucker坐標優(yōu)化擬合同轉(zhuǎn)軸空間方程，依賴同轉(zhuǎn)軸線方向?qū)⑷S輪廓點云映射至二維平而，并依據(jù)平方距離最小化法作為度量擬合B樣條母曲線。
　　5、同轉(zhuǎn)零件幾何尺寸形位誤差測量
　　線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)測量的本質(zhì)目的在于實現(xiàn)幾何尺寸以及形位誤差測量，依賴特征曲面擬合重建獲取回轉(zhuǎn)軸線的空間方程，利用回轉(zhuǎn)面片數(shù)據(jù)向回轉(zhuǎn)軸線之上進行投影測量其長度，依據(jù)回轉(zhuǎn)面片數(shù)據(jù)沿回轉(zhuǎn)軸線方向進行投影測量其外徑;依據(jù)特征曲面切片重建獲取截面圓弧的

7、空間方程，采用截面圓弧的最小外接圓與最大內(nèi)接圓間的差值測量圓度誤差，根據(jù)截面網(wǎng)弧的圓心所連接構(gòu)成軸線存在的差異測量直線度誤差。
　　依據(jù)上述理論研制開發(fā)了線結(jié)構(gòu)光三維旋轉(zhuǎn)掃描測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)進行回轉(zhuǎn)類零件幾何尺寸和形位誤差測量實驗，其實驗研究表明:在距離攝像機200mm深度左右的公共視場范圍內(nèi)，所測量的臺階軸幾何尺寸的絕對和相對誤差分別位于0.16mm和3.00‰以內(nèi)，所測量的臺階軸形位誤差的圓度和直線度誤差分別位于0.28