基于三維視覺系統(tǒng)的毛坯件數(shù)控加工定位方法（征求意見稿）

3T/CSOE0011—2025基于三維視覺測(cè)量系統(tǒng)的毛坯件數(shù)控加工定位方法本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于三維視覺測(cè)量系統(tǒng)的毛坯件數(shù)控加工定位方法的定位原理、定位設(shè)備、工作條件和定位步驟。本標(biāo)準(zhǔn)適用于采用數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行毛坯件件機(jī)械加工時(shí)，基于三維視覺測(cè)量系統(tǒng)的快速輔助定位的方法和步驟。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2148~T2259－91機(jī)床夾具標(biāo)準(zhǔn)GB/T6477-2008《金屬切削機(jī)床術(shù)語》GB/T43531-2023多目拼接全景成像設(shè)備光學(xué)性能測(cè)試方法JJF1001-2011通用計(jì)量術(shù)語及定義JJF1951-2021基于結(jié)構(gòu)光掃描的光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1三維視覺測(cè)量系統(tǒng)Three-dimensionalVisualMeasurementSystem基于光學(xué)成像和計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)，重建被測(cè)對(duì)象表面三維點(diǎn)云的非接觸精確測(cè)量系統(tǒng)。3.2視覺測(cè)量坐標(biāo)系VisualMeasurementCoordinateSystem建立在三維視覺測(cè)量系統(tǒng)上的坐標(biāo)系，視覺測(cè)量結(jié)果點(diǎn)云在此坐標(biāo)系表達(dá)時(shí)。3.3機(jī)床坐標(biāo)系MachineCoordinateSystem機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的方向、原點(diǎn)位置都是固定的，由機(jī)床生產(chǎn)廠家設(shè)定。3.4零件模型坐標(biāo)系PartModelCoordinateSystem建立三維模型時(shí)定義的用于描述零件尺寸的坐標(biāo)系。3.5轉(zhuǎn)換矩陣TransformationMatrix描述從一個(gè)坐標(biāo)系到另一個(gè)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的4×4矩陣，包含了平移、旋轉(zhuǎn)變換。4定位原理毛坯件通過數(shù)控加工去除多余材料以獲取最終成品，而數(shù)控加工的首要前提是在加工前精準(zhǔn)定位毛坯件在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。針對(duì)毛坯件數(shù)控加工中的定位問題，傳統(tǒng)劃線方法存在效率低、準(zhǔn)確性差的缺陷。為此，本文提出了一種面向數(shù)控加工的三維視覺測(cè)量法，用于毛坯件定位。該方法采用三維視覺測(cè)量系統(tǒng)獲取毛坯件表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合標(biāo)定出的視覺測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將毛坯件三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至機(jī)床坐標(biāo)系，為數(shù)控加工提供高精度的輔助定位數(shù)據(jù)。本方法具有定位精度高、定位時(shí)間短、無需劃線等顯著優(yōu)勢(shì)，有效服務(wù)于毛坯件的數(shù)控加工流程。T/CSOE0011—20254在測(cè)量毛坯件三維點(diǎn)云并完成加工余量?jī)?yōu)化后，通過三維視覺測(cè)量系統(tǒng)對(duì)毛坯件安放在數(shù)控機(jī)床上的位置和姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量與定位，指導(dǎo)后續(xù)毛坯件數(shù)控加工。毛坯件加工余量?jī)?yōu)化是指利用三維視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到毛坯件點(diǎn)云，并與零件模型進(jìn)行配準(zhǔn)，優(yōu)化加工余量，滿足可加工性要求，確定零件模型坐標(biāo)系下毛坯件點(diǎn)云COFF。如圖1所示，通過運(yùn)動(dòng)標(biāo)定得到視覺測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣H2；將毛坯件裝夾到數(shù)控機(jī)床，使用三維視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到毛坯件點(diǎn)云CON，并與COFF進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，得到零件模型坐標(biāo)系與視覺測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣H1；根據(jù)H1與H2，計(jì)算得到零件模型坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣H3，實(shí)現(xiàn)零件定位孔、定位面等特征在機(jī)床坐標(biāo)系下位姿表達(dá)，指導(dǎo)毛坯件定位特征的數(shù)控加工。圖1數(shù)控毛坯件加工三維視覺測(cè)量輔助定位方法原理圖5定位設(shè)備所需測(cè)量設(shè)備及材料應(yīng)滿足下列要求。a)三維視覺測(cè)量系統(tǒng)：由相機(jī)、結(jié)構(gòu)光投射器等組成，能夠重建被測(cè)對(duì)象表面三維點(diǎn)云。b)軸向標(biāo)定靶標(biāo)：粘貼有若干個(gè)非共線標(biāo)志點(diǎn)的平面靶標(biāo)，數(shù)量一個(gè)；c)原點(diǎn)標(biāo)定靶球：材質(zhì)為白色漫反射表面啞光陶瓷，數(shù)量1個(gè)；d)固定架：穩(wěn)固固定三維視覺測(cè)量系統(tǒng)的固定架；e)接觸式探頭：安裝到機(jī)床主軸上的標(biāo)準(zhǔn)接觸式探針；f)顯示器:刷新率優(yōu)于120Hz；g)主機(jī):支持與數(shù)控機(jī)床和三維視覺測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口互連、支持圖像顯示；h)數(shù)據(jù)處理軟件，應(yīng)至少滿足以下功能：1)具有圖像采集、三維重建等；2)具備視覺測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的標(biāo)定功能；3)具備三維點(diǎn)云和零件模型的讀取和保存等功能；4)可選具備加工余量分析功能。6工作條件數(shù)控加工車間環(huán)境條件：a)環(huán)境溫度：20℃~25℃;b)相對(duì)濕度：40%~70%。T/CSOE0011—202557定位步驟7.1定位步驟準(zhǔn)備測(cè)量毛坯件點(diǎn)云COFF，分析可加工性；將三維視覺測(cè)量系統(tǒng)安裝在機(jī)床旁邊，調(diào)整其工作距離及視場(chǎng)大小，并將毛坯件放置到視場(chǎng)中心附近。7.2視覺測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換標(biāo)定如圖2所示，將軸向標(biāo)定靶標(biāo)安裝在機(jī)床上，調(diào)整機(jī)床使軸向標(biāo)定靶標(biāo)位于三維視覺測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)中?？刂茩C(jī)床分別沿機(jī)床坐標(biāo)系的X、Y軸平移靶標(biāo)，三維視覺測(cè)量系統(tǒng)分別重建每個(gè)軸運(yùn)動(dòng)前、后的位置，分別計(jì)算得到兩個(gè)軸的平移向量nx和ny，叉乘兩個(gè)向量得到機(jī)床Z軸方向：nz=nx×ny 視覺測(cè)量坐標(biāo)系下機(jī)床坐標(biāo)軸的方向向量，構(gòu)成了機(jī)床坐標(biāo)系到視覺測(cè)量坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R： 圖2坐標(biāo)軸方向標(biāo)定測(cè)量圖如圖3所示，將原點(diǎn)標(biāo)定靶標(biāo)固定在機(jī)床上，使用安裝于機(jī)床主軸上的接觸測(cè)頭對(duì)原點(diǎn)標(biāo)定靶球進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，擬合出球心在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)x1。圖3坐標(biāo)軸平移向量標(biāo)定測(cè)量圖用三維視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得原點(diǎn)標(biāo)定靶球表面點(diǎn)云并擬合得到原點(diǎn)標(biāo)定靶標(biāo)球心坐標(biāo)x2，機(jī)床坐標(biāo)系與視覺測(cè)量坐標(biāo)系之間的平移向量為t：T/CSOE0011—20256式中：H2——視覺測(cè)量坐標(biāo)系到機(jī)床坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。7.3零件模型定位如圖4所示，三維視覺測(cè)量系統(tǒng)毛坯件，得到三維點(diǎn)云CON，與CAD三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)，觀察余量大小，判斷毛坯件是否符合加工條件。對(duì)于符合加工條件的毛坯件，固定零件模型與毛坯件的相對(duì)位置，通過點(diǎn)云COFF與在線點(diǎn)云CON配準(zhǔn)，計(jì)算得到零件模型坐標(biāo)系到視覺測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣H2。圖4毛坯件模擬定位圖7.4視覺輔助裝夾與定位如圖5所示，將符合加工條件的毛坯件裝夾在機(jī)床上，三維視覺測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量得到的點(diǎn)云CON與點(diǎn)云COFF進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)算得到轉(zhuǎn)換矩陣H1，通過視覺測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系H2，零件模型坐標(biāo)系到機(jī)床坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣H3:H3=H1.H2 通過齊次坐標(biāo)計(jì)算公式：式中：y——零件模型的特征在機(jī)床坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；x——表示零件模型的特征在零件模型坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)。得到零件模型的特征在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置，完成定位過程，根據(jù)公式6的計(jì)算結(jié)果調(diào)整數(shù)控加工程序，進(jìn)行數(shù)控技術(shù)加工。T/CSOE0011—20257圖5視覺系統(tǒng)輔助裝夾與定位圖8測(cè)量報(bào)告測(cè)量報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容。a)測(cè)量基本信息，包括但不限于：1)測(cè)量時(shí)間：2)測(cè)量地點(diǎn)：3)環(huán)境溫度：4)相對(duì)濕度：b)測(cè)量結(jié)果，記錄格式見附錄A與附錄B。T/CSOE0011—2