【摘 要】
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数控刀具的测量精度和效率是制约中国制造业高精度、高效率发展的关键因素,现有的二维刀具测量仪器无法获取被测刀具的完整三维模型,因此具有一定的局限性。若将三维测量与二维测量相结合,便能弥补二维测量的缺陷,提高数控刀具参数检测的完整性,而目前市场上尚未有国产的刀具三维测量系统,因此基于二维测量系统的数控刀具三维测量系统研究迫在眉睫。本文通过相位测量轮廓术实现对被测刀具的三维重建,具体的研究内容和成果如下
【基金项目】
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河北工业大学校企合作项目、天津市企业特派员项目“基于视觉的刀具预调测量系统关键技术研究”；
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数控刀具的测量精度和效率是制约中国制造业高精度、高效率发展的关键因素,现有的二维刀具测量仪器无法获取被测刀具的完整三维模型,因此具有一定的局限性。若将三维测量与二维测量相结合,便能弥补二维测量的缺陷,提高数控刀具参数检测的完整性,而目前市场上尚未有国产的刀具三维测量系统,因此基于二维测量系统的数控刀具三维测量系统研究迫在眉睫。本文通过相位测量轮廓术实现对被测刀具的三维重建,具体的研究内容和成果如下:阐述了任意摆放位置的三维测量系统数学模型,得出该模型的“相位-点云”关系式,并基于该数学模型与自主研发的二维视觉式对刀仪设计了补充的三维测量系统,系统包括三维测量部分、主轴旋转部分、视觉定位部分和伺服平移部分等,并基于上述分系统提出了大批量、自动化的三维测量系统解决方案。分析了单相机单投影仪三维测量系统的标定方法,推导出线性相机模型的共线方程和相机畸变模型,并采用张正友标定法进行相机标定。将投影仪看作逆向的相机,其投影模型仍符合针孔成像模型,因此对比了显式标定法和隐式标定法,并结合RANSAC和Levenberg-Marquardt迭代法实现了隐式标定法的精确求解。实验表明,隐式标定法的标定精度优于显式标定法。说明了常用的光栅编码方法,并基于两步验证的多频外差相位展开法,提出了三频外差法的一级展开算法,具有精度高、计算量小的优点,随后结合系统标定结果实现了单位置空间点云的获取,且单位置空间点云重建精度可达到0.041mm。提出了用于刀具测量的散乱点云配准算法,该方法基于高精度的旋转主轴实现点云拼接,并需要使用棋盘格标定板实现主轴标定。为提高标定精度,将空间圆曲线拟合转化为广义平面拟合和二维椭圆拟合,结果表明该算法点云配准精度可达到0.072mm。最后进行了阶梯类物体、标准圆柱体、立铣刀和车刀等物体的三维重建实验,系统对阶梯类物体可以实现较大深度的三维重建且不忽略表面三维形貌,对直径为31mm的标准圆柱体的重建精度可以达到0.192mm,对立铣刀的最大回转半径的测量结果表明其重建精度为±0.133mm,对车刀的刀面测量结果表明系统和二维测量结合能够完整的测得刀面信息,对刀刃生产和刃磨具有重大意义。
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