一种基于图像处理的工件姿态快速测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111531407A(43)申请公布日2020.08.14(21)申请号202010381111.7(22)申请日2020.05.08(71)申请人太原理工大学地址030024山西省太原市万柏林区迎泽西大街79号(72)发明人董志国刘沛林雷鸿博朱徐辉(74)专利代理机构太原市科瑞达专利代理有限公司14101代理人赵禛(51)Int.Cl.B23Q17/22(2006.01)B23Q17/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称一种基于图像处理的工件姿态快速测量方法(57)摘要本发明涉及一种基于图像处理的工件姿态快速测量方法，属于图像测量技术领域，解决现有工件夹装过程中耗时、费力、效率低和难以达到高精度的技术问题，本发明采集一系列景深方向的图像，通过二维图像序列进行三维重建，在得到目标工件的三维重建轮廓后，通过计算加工坐标系中的前后向量得到旋转向量，进而得到旋转矩阵并求得欧拉角，由此可得知工件相对三坐标轴的旋转角度。本发明适合微小工件夹装时工件姿态的精准确定，安装拆卸方便，结构紧凑，效率高；采用非接触图像测量技术与计算机辅助分析获取待加工工件姿态信息，速度快精度高；适用于形态各异、复杂程度适中的各类工件，能在最大限度内重建工件的真实形态，并快速进行姿态识别。CN111531407ACN111531407A权利要求书1/2页1.一种基于图像处理的工件姿态快速测量方法，其特征在于包括如下步骤：S1、将数控机床加工中心中CCD图像采集发送装置(5)由自动换刀装置换装到加工中心主轴(6)上，使CCD图像采集发送装置(5)沿机床坐标系的z轴方向在工件高度范围内从上到下做小步长移动，每移动一个步长采集一幅工件的图像，组成工件表面在z轴方向上的序列图像；S2、由变焦建模法求出步骤S1获得的序列图像里每一幅图像中聚焦清晰的像素，并记录该幅图像中每一个聚焦清晰的像素在序列图像坐标系中的像素坐标in和jn、像素灰度值pn以及对应位置处的深度信息Zn；同时，在CCD图像采集发送装置(5)沿z轴方向不移动的前提下，使CCD图像采集发送装置(5)相对工件平移一定长度，对序列图像中聚焦清晰的像素拍摄第二幅图像，求出相对移动前后的像素平移量，便可知每一像素在机床坐标系中代表的尺寸长度，即像素当量L；S3、由于CCD图像采集发送装置(5)安装在加工中心主轴(6)上，所以序列图像中每幅图像的几何中心与加工中心主轴中心线的位置关系是唯一确定的，假设Xa和Ya为CCD图像采集发送装置(5)的安装偏差坐标，则图像几何中心在机床坐标系中X和Y向上的坐标值Xno和Yno满足关系：Xno＝Xso+Xa,Yno＝Yso+Ya，其中Xso、Yso是不考虑安装误差下序列图像几何中心在机床坐标系中X和Y向上的坐标值，Za为所述序列图像中第n幅图像聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点与主轴在机床坐标系中的坐标Zn之间的偏置距离，则序列图像中第n幅图像聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点在机床坐标系中的Z向坐标为Zp＝Zn+Za；S4、根据步骤S2中序列图像的像素当量L和步骤S3中第n幅图像中聚焦清晰像素的坐标灰度值(in，jn，Zn，pn)，确定第n幅图像聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点在机床坐标系中的坐标Xpn＝in·L+Xno，Ypn＝jn·L+Yno,Zpn＝Zn+Za，该点在机床坐标系中的坐标为(Xpn,Ypn,Zpn)，以此类推，获得所有图像组成的序列图像中聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点在机床坐标系中的坐标集合{(Xp,Yp,Zp)}；S5、由步骤S4获得的序列图像中聚焦清晰的像素的点，处理点云数据进而构造三维轮廓，实现工件在加工中心机床坐标系中三维轮廓图形的重构；S6、在步骤S5重构的三维轮廓图形中找一平行于物体坐标系z轴的向量Q，并将向量Q在机床坐标系表示出来，标记为Q(b1,b2,b3)；再将机床坐标系中的单位向量(0,0,1)作为旋转前向量P(a1,a2,a3)；由点积定义可推出向量P和向量Q之间的夹角，即旋转角度θ为：所以旋转角所在的平面为有向量P和向量Q所构成的平面，即旋转轴必垂直该平面，由叉乘定义得：P×Q＝a1b10+a1b2k+a1b3(-j)+a2b1(-k)+a2b20+a2b3i+a3b1j+a3b2(-i)+a3b30＝(a2b3-a3b2)i+(a3b1-a1b3)j+(a1b2-a2b1)k，故旋转轴c(c1，c2，c3)为：2CN111531407A权利要求书2/2页S7、由罗德里格斯变换知，单位旋转向量P＝(0，0，1)在旋转角度为θ时对应的旋转矩阵R为：其中，I是三阶单位矩阵；S8、选择X-Y-Z型公式由旋转矩阵推算欧拉角，即先围