專利名稱：一種基于機器視覺找正的制孔方法
技術領域：
本發明屬于先進數字化裝配制造與自動化領域，具體涉及ー種基于機器視覺找正技術的數字化制孔方法。
背景技術：
為了實現零部件之間準確可靠連接，飛機壁板裝配一般采用螺接或鉚接，在飛機壁板上制孔是實現其連接的關鍵エ藝環節，而制孔質量將直接影響飛機的強度和疲勞壽命。而目前飛機壁板的制孔方式主要有人工鉆孔和半自動化制孔，人工手動鉆孔精度和效率低、勞動強度大，半自動化制孔仍需要部分人工干預，如定位、找正、數據輸入以及數控編程，不能很好的與CAD系統交互，未能真正實現自動化制孔。
エ業機器人自動制孔技術是ー種先進的自動化、數字化制造技術，對飛機裝配以及其他需要大量制孔的エ業領域有著重大意義。エ業機器人自動制孔技術是飛機柔性裝配技術的重要應用和研究方向，其能夠顯著提高制孔精度與效率。為了實現エ業機器人自動制孔系統的數字化、柔性化和智能化，需要為エ業機器人加裝視覺檢測系統。視覺系統可以為エ業機器人自動制孔過程提供導航和定位信息。機器視覺檢測技術是實現エ業機器人二次定位的關鍵，在現有技術中，機器視覺主要有激光視覺和攝像機視覺兩種視覺傳感方式。激光視覺主要利用激光跟蹤儀等設備獲取目標點的位置信息，特點是精度高，但是設備價格昂貴，而且所得信息較為單一。攝像機視覺在自動化系統中應用較為廣泛，其特點是信息量大、速度快、精度高且成本較低，因此基于攝像機的視覺找正技術可以適用于エ業機器人自動制孔系統。專利CN101630409B是北京航空航天大學發明的一種用于機器人制孔系統的ニ維手眼視覺標定方法，該方法忽略了手眼關系中攝像機的深度信息，將標定過程轉化為幾何關系，標定過程簡便，精度高且不需要昂貴的三坐標測量設備。該專利主要提供了一種手眼標定方法，而對于孔位的視覺找正與插值計算過程較少涉及。文獻《用于飛機部件自動制孔的機器人制孔系統》針對飛機部件自動化制孔問題而開發了一套飛機部件級機器人制孔系統，系統涉及到機器人技術、先進制造技術以及手眼視覺技術等先進技術，其中的視覺檢測系統提供制孔和焊縫位置信息，而并未涉及與CAD數模的交互，影響用戶可視化水平和編程的效率。

發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于機器視覺找正技術的數字化制孔方法，能夠實現快速地制備高精度連接孔，可顯著降低成本，改善工作環境，極大地提高制孔效率和裝配精度。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是通過視覺攝像機的視覺測量技術來實現的，視覺攝像機對壁板表面的定位釘進行拍照，然后圖像處理系統對所拍攝的圖像進行像素處理，計算出定位釘的幾何中心，進而計算出視覺攝像機中心與定位釘幾何中心的偏差值，并將其傳送到運動機構控制器中，驅動運動機構運動，形成測量反饋與誤差補償閉環系統，直到偏差值達到制孔位置精度要求。即可保證制孔主軸的在壁板面上的投影點與定位釘的幾何中心一致，從而保證制孔的位置精度。本發明包括以下步驟(I)視覺攝像機與主軸位置的標定調試。針對試驗件，執行以下步驟①視覺測量利用視覺攝像機對定位釘進行拍照，對所拍圖像進行畸變修正和像素計算處理；然后將處理后的圖像與系統模型庫中的標準圖像進行比對識別，通過像素計算確定標準圖像，若模型庫中無該標準圖像，將該圖像作為自定義圖像添加到系統模型庫；進而通過像素計算出視覺攝像機中心與定位釘幾何中心的偏差值a。②誤差判定判斷偏差值a是否達到制孔位置精度要求。若偏差值a <制孔誤差要求，則記錄該位置坐標b，進行下一歩；否則，依據偏差值a移動視覺攝像機，并返回步驟①。③位置標定保證視覺攝像機位置和姿態不變，在試驗件上制孔；然后移動視覺攝像機，按照步驟①、②的方法，以所制孔位替代定位釘找正該孔位，并記錄其位置坐標c ;最后根據定位釘與所制孔的位置，計算出兩者位置偏差山即視覺攝像機與制孔主軸之間的偏移量d，最后將該偏移量輸入到控制系統中，完成主軸的偏置。(2)針對待加工零件，驅動視覺攝像機運動到定位釘的理論位置；然后，按照步驟
(I)中的①、②找正該定位釘。(3)重復步驟(2)，直到待加工零件中所有定位釘找正完畢。(4)將定位釘位置坐標b返回到CAD系統，修正數模定位釘位置信息，以及更新離線程序中的定位釘位置坐標。(5)執行離線程序，根據定位釘位置坐標插值計算所有孔位坐標，并開始制孔。本發明的有益效果是(I)視覺測量、運動機構及其控制系統形成測量反饋與誤差補償的閉環系統，能夠實時監測孔位誤差，保證制孔位置誤差滿足精度要求。(2)采用CAA對CATIA進行二次開發，使視覺攝像機上傳的定位釘位置信息與CAD數模交互，修正理論制孔位置坐標，更新離線程序中的孔位信息。(3)實現了孔位自動找正、定位和程序修正，能夠顯著降低勞動強度，提高了工作效率。


圖I機器人自動制孔系統示意圖；圖2視覺標定與試刀示意圖；圖3視覺攝像機與主軸主軸位置標定示意圖；圖4機器人自動制孔流程圖；圖5視覺找正流程圖；圖6視覺攝像機工作過程示意圖。
具體實施方式
、
本發明用于在エ業機器人自動制孔時，精確找準飛機壁板上定位釘的位置坐標；更新數模與離線程序中的理論定位釘位置信息，進而為上位機和エ業機器人控制器提供所需制孔位置信息，能夠顯著提高制孔位置精度。本發明提供了一種基于機器視覺的孔位找正方法，用于飛機壁板的機器人自動制孔，標定視覺攝像機與制孔主軸的位置，更新數模與離線程序中的理論定位釘與實際定位釘的位置偏移誤差，保證エ業機器人制孔的位置精度。視覺攝像機、上位機以及エ業機器人集成所形成的閉環系統，可以實時測量反饋鉆孔主軸在壁板面上的投影點與實際制孔點的位置偏移誤差，并通過閉環系統予以修正，保證エ業機器人制孔的位置精度。通過飛機壁板定位、定位釘搜尋、エ業機器人運動、定位釘找正、修正理論數模、制孔主軸偏置等步驟，實現飛機壁板連接孔的精確、快速制備，保證飛機壁板的高裝配精度要求，提高制孔效率，降低勞動強度。下面結合附圖和實施實例，進ー步對本發明進行詳細描述。
針對長X寬X厚=5000mmX 1400mmX 2mm帶曲度的鋁合金飛機壁板進行精確制孔，孔位置精度控制在±0. 2mm以內，孔徑的要求為￠4+0. 08mm。直角坐標系原點為飛機壁板制孔エ裝上的對刀點，X方向為飛機壁板航向,Y方向為豎直向上方向,Z方向為飛機壁板的外法線方向。具體實施步驟如下(I)視覺攝像機與主軸位置的標定調試。針對試驗件，①視覺測量利用視覺攝像機對定位釘進行拍照，對所拍圖像進行畸變修正和像素計算；然后將處理后的圖像與系統模型庫中的標準圖像進行比對識別，通過像素計算確定標準圖像為六角螺釘；②進而通過像素計算出視覺攝像機中心與定位釘幾何中心的偏差值(AXi, AYi)誤差判定。判斷偏差值是否達到制孔位置精度要求，若(AXi, AYi) < S，則記錄該位置坐標(Xi, Yi)，并進行下一歩；否則，依據偏差值(A Xi, A Yi)移動視覺攝像機，并返回①，i=i+l (i 從 I 開始)。③位置標定保證視覺攝像機位置和姿態不變，在試驗件上制孔；然后移動視覺攝像機，按照①、②的方法找正該孔位，并記錄其位置坐標(m，n);最后根據定位釘與所制孔
fAXn =X1 -m
的位置，計算出兩者位置偏差jAY v ，即視覺攝像機與制孔王軸之間的偏移量，最后將該偏移量A X。、A Y0輸入到控制系統中，完成王軸的偏置。(2)針對該待加工壁板，按照離線程序視覺攝像機運動到定位釘的理論位置Ca^b1);然后，按照步驟(I)中的①、②找正該定位釘。(3)更新數模與離線程序。將②中定位釘位置坐標(XiJi)返回到CAD系統，基于CAA對CATIA進行二次開發，修正數模定位釘位置信息，以及更新離線程序中的定位釘坐標。CATIA是法國達索公司開發的新一代三維CAD/CAM產品，主要用于3D設計和模擬。Component Application Architecture (CAA)組件應用框架，是 Dassault Systemes 產品擴展和客戶進行二次開發的強有力的工具。本發明中針對CATIA的的二次開發主要是在CATIA軟件中增加點位信息修改模塊，以實現定位釘位置坐標的手動和自動修改。(4)按照(2)和(3)，對下ー個定位釘(a2，b2)找正；然后，進行下一歩。
(5)制孔。執行離線程序，根據定位釘位置坐標插值計算所有孔位坐標，并開始制孔。其中孔位坐標為
權利要求
1.一種基于機器視覺找正的制孔方法，其特征在于包括下述步驟 (1)針對試驗件，執行以下步驟 ①利用視覺攝像機對定位釘進行拍照，對所拍圖像進行畸變修正和像素計算處理；然后將處理后的圖像與系統模型庫中的標準圖像進行比對識別，通過像素計算確定標準圖像，若模型庫中無該標準圖像，將該圖像作為自定義圖像添加到系統模型庫；進而通過像素計算出視覺攝像機中心與定位釘幾何中心的偏差值a ； ②判斷偏差值a是否達到制孔位置精度要求；若偏差值a<制孔誤差要求，則記錄該位置坐標b，進行下一歩；否則，依據偏差值a移動視覺攝像機，并返回步驟①； ③保證視覺攝像機位置和姿態不變，在試驗件上制孔；然后移動視覺攝像機，按照步驟①、②的方法，以所制孔位替代定位釘找正該孔位，并記錄其位置坐標c ;最后根據定位釘與所制孔的位置，計算出兩者位置偏差d，即視覺攝像機與制孔主軸之間的偏移量d，最后將該偏移量輸入到控制系統中，完成主軸的偏置； (2)針對待加工零件，驅動視覺攝像機運動到定位釘的理論位置；然后，按照步驟(I)中的①、②找正該定位釘； (3)重復步驟(2)，直到待加工零件中所有定位釘找正完畢； (4)將定位釘位置坐標b返回到CAD系統，修正數模定位釘位置信息，以及更新離線程序中的定位釘位置坐標； (5)執行離線程序，根據定位釘位置坐標插值計算所有孔位坐標，并開始制孔。
全文摘要
本發明提供了一種基于機器視覺找正的制孔方法，通過視覺攝像機的視覺測量技術來實現的，視覺攝像機對壁板表面的定位釘進行拍照，然后圖像處理系統對所拍攝的圖像進行像素處理，計算出定位釘的幾何中心，進而計算出視覺攝像機中心與定位釘幾何中心的偏差值，并將其傳送到運動機構控制器中，驅動運動機構運動，形成測量反饋與誤差補償閉環系統，直到偏差值達到制孔位置精度要求。即可保證制孔主軸的在壁板面上的投影點與定位釘的幾何中心一致，從而保證制孔的位置精度。本發明能夠實現快速地制備高精度連接孔，可顯著降低成本，改善工作環境，極大地提高制孔效率和裝配精度。
文檔編號B23B49/00GK102773524SQ20121026941
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月1日 優先權日2012年8月1日
發明者宋丹龍, 張開富, 段元欣, 程暉, 駱彬 申請人:西北工業大學