本发明涉及铸造件的加工方法，一种基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，通过标定，建立标准三维扫描仪坐标系和数控机床坐标系之间的对应关系；扫描仪扫描铸造件的表面，获取三维点云数据在扫描仪坐标系下的坐标值，通过将铸造件表面点云数据与铸造件的理论数模的点云数据进行特征匹配，获取实际待加工铸造件和理论数模之间的位置和姿态偏差；数控机床调整实际铸造件的位置和姿态达到基准加工位置。本发明提出的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，通过测量系统对待加工铸造件进行扫描测量，并与理论待加工位置进行比对，校准数控机床的加工轨迹，实现大型铸造件的全程自动化智能化机加工。
1.一种基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、三维扫描仪标定：在安装三维扫描仪前对其进行标定，得到内参矩阵；
步骤2、三维扫描仪与数控机床标定：三维扫描仪与数控机床标定，获取扫描仪坐标系到数控机床坐标系的变换矩阵；
步骤3、三维扫描仪扫描铸造件：将铸造件固定在数控机床工作台的专用工装上，使待加工区域处于三维扫描仪的视场中；三维扫描仪对铸造件的待加工区域进行扫描，并形成原始三维点云数据；
步骤4、采用铸造件的理论3D模型确定基准加工位姿：将铸造件的理论3D模型摆放在数控机床工作台上的专用工装上，调整好位置和姿态，作为基准加工位姿；将理论3D模型转化成理论三维点云数据，同时获取理论三维点云数据在数控机床坐标系下的位姿信息；
步骤5、将实际待加工铸造件经过预处理后的点云数据与理论三维点云数据进行特征匹配；
步骤6、计算实际铸造件与理论3D模型的位姿偏差：完成铸造件实际点云与理论三维点云数据匹配后，通过对应特征点在数控机床坐标系下的坐标，进行旋转矩阵和平移向量的计算，即获取实际铸造件与基准加工位置之间的姿态偏差，并计算待加工余量的相对位置和余量超出基准平面的高度；
步骤7、数控机床调整铸造件位姿、确定进刀位置与加工遍数：根据步骤6得到的实际铸造件与基准加工位置之间的姿态偏差，对铸造件进行位姿变换，调整至与理论3D模型基准加工位姿重合的状态，数控机床根据步骤6得到的待加工余量的相对位置，确定进刀位置；
数控机床根据步骤6得到的余量超出基准平面的高度，确定加工遍数，从而实现加工参数的确定和加工轨迹的校准；
步骤51、模型分割：采用1～n个基准平面，将实际铸造件三维点云数据分割为2～n+1个包含足够多特征值的数据层，并且分割方式和分割结果对于理论数模和与其匹配的实际点云数据保持一致；
步骤52、特征检测：将包含足够多特征值的数据层根据可剪裁的特征项，依据铸造件实际情况进行裁剪；
步骤53、模型匹配、区域判断和模型定位：将铸造件的局部实际点云数据与理论数模点云数据进行特征匹配，确定被扫描的区域。
2.根据权利要求1所述的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：在步骤1前对三维扫描仪安装：三维扫描仪通过刚体与数控机床固定连接，没有相对位置移动；三维扫描仪基本与机床主轴平行，与机床工作台垂直，或者与主轴成微小角度，避免扫描视线的遮挡。
3.根据权利要求1所述的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：在步骤1中，采用双三维扫描仪同时对铸造件局部进行扫描，并进行点云拼接。
4.根据权利要求1所述的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：在步骤2中，三维扫描仪与数控机床标定流程如下：步骤21：将完成内参标定的扫描仪安装在数控机床上，确保扫描仪与数控机床之间为刚体连接，并确保两者之间无相对运动；
步骤22：将材料为工业PVC的标定板固定在数控机床的工作台上，确保待加工上表面与数控机床刀头垂直；
步骤23：数控机床对标定板进行加工，在标定板的指定位置加工5-8mm深，底面直径为
步骤24：记录标定孔孔底平面中心的坐标值作为数控机床在该标定孔位置的坐标点；
步骤25：通过三维扫描仪扫描标定板上的孔洞，孔洞底面平面圆心为对应三维扫描仪坐标系下的坐标点；
步骤26：通过N个孔洞圆心在数控机床坐标系和三维扫描仪坐标系中对应的坐标值，进行旋转矩阵和平移向量的计算，即获取扫描仪坐标系到数控机床坐标系的变换矩阵，建立三维扫描仪坐标系和数控机床坐标系之间的对应关系。
5.根据权利要求1所述的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：在步骤3和步骤4之间，对原始点云数据的预处理：降采样处理：对原始点云数据进行降采样处理，可以有效去除绝大部分的冗余数据，并保留几乎所有的模型特征；
去除干扰数据：本测量方法采用多种平滑算法对降采样后的点云数据进行处理；
坐标转换：根据三维扫描仪与数控机床的标定结果，将预处理后的点云数据在扫描仪坐标系下的坐标转换为数控机床坐标系下的位置和姿态信息。
6.根据权利要求1所述的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：在步骤53中，包括步骤531：通过分割基准平面的方法，将铸件的理论数模和实际点云数据分割为子模型数据；
步骤532：将理论数模的所有子模型按照一定的顺序排序，形成基准序列；
步骤533：将实际点云数据的子模型按照相同的方法排序，形成待匹配的序列；
步骤534：分别解算两个序列中所有子模型的全部和部分特征值；
步骤535：判断被匹配的点云是否为铸造件的一部分，并确定其属于铸造件的位置。
7.根据权利要求6所述的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：在步骤52中，可剪裁的特征项为几何特征，所述几何特征为外包围盒，计算模型体积、重心和集合中心点；
或者轮廓点，计算模型在三个平面xoy，xoz，yoz上投影的轮廓点，并计算其二维集合特征值；
8.根据权利要求1所述的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，其特征在于：在步骤52中，可剪裁的特征项为空间点与平面，所述空间点与平面为顶点，法向量；
或者全局SIFT三维特征点、全部NARF三维特征点或全局Harris三维特征点。
一种基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法
技术领域
[0001] 本发明涉及铸造件的加工方法，特别是铸造件表面加工方法。
背景技术
[0002] 当前，大型铸造件余量去除和表面处理多采用人工加工的方式，此加工工艺流程相对复杂繁琐，加工和处理效率低下，限制产能的提高。因此，考虑采用数控机床对大型铸造件进行表面加工处理，提高生产效率。由于铸造件生产的特殊性，每个铸造件待加工区域的精确位置和待加工量不尽相同，加工轨迹也不完全一样，无法采用现有数控机床实现全程自动化机加工。
[0003] 当前的数控机床的操作，是将铸造件通过工装固定在机床的工作台上。数控机床的操作人员通过编写固定的程序命令对相同的铸造件，在相同的待加工位置进行机加工，相同位置的加工量也是相同的，具有高度的一致性和固定性。如果铸造件的待加工区域的精确位置和待加工量发生变化时，则需要对程序命令和相应的参数进行修改，才能保证加工的准确性。由于某些待加工工件的待加工区域的精确位置和待加工零件因铸造件而异，所以采用数控机床进行机加工时需要针对每个零件进行程序命令的重新编写，不能实现完全的自动化操作。
发明内容
[0004] 为解决上述问题，本发明提出的基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，为数控机床引入基于三维扫描仪的测量系统。通过测量系统对待加工铸造件进行扫描测量，并与理论待加工位置进行比对，校准数控机床的加工轨迹，从而实现大型铸造件的全程自动化智能化机加工。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1、三维扫描仪标定：在安装三维扫描仪前对其进行标定，得到内参矩阵；
[0008] 步骤2、三维扫描仪与数控机床标定：三维扫描仪与数控机床标定，获取扫描仪坐标系到数控机床坐标系的变换矩阵；
[0009] 步骤3、三维扫描仪扫描铸造件：将铸造件固定在数控机床工作台的专用工装上，使待加工区域处于三维扫描仪的视场中；三维扫描仪对铸造件的待加工区域进行扫描，并形成原始三维点云数据；
[0010] 步骤4、采用铸造件的理论3D模型确定基准加工位姿：将铸造件的理论3D模型摆放在数控机床工作台上的专用工装上，调整好位置和姿态，作为基准加工位姿；将理论3D模型转化成理论三维点云数据，同时获取理论三维点云数据在数控机床坐标系下的位姿信息；
[0011] 步骤5、将实际待加工铸造件经过预处理后的点云数据与理论三维点云数据进行特征匹配；
[0012] 步骤6、计算实际铸造件与理论3D模型的位姿偏差：完成铸造件实际点云与理论三维点云数据匹配后，通过对应特征点在数控机床坐标系下的坐标，进行旋转矩阵和平移向量的计算，即获取实际铸造件与基准加工位置之间的姿态偏差，并计算待加工余量的相对位置和余量超出基准平面的高度；
[0013] 步骤7、数控机床调整铸造件位姿、确定进刀位置与加工遍数：根据步骤6得到的实际铸造件与基准加工位置之间的姿态偏差，对铸造件进行位姿变换，调整至与理论3D模型基准加工位姿重合的状态，数控机床根据步骤6得到的待加工余量的相对位置，确定进刀位置；数控机床根据步骤6得到的余量超出基准平面的高度，确定加工遍数，从而实现加工参数的确定和加工轨迹的校准。
[0014] 作为优选的，在步骤1前对三维扫描仪安装：三维扫描仪通过刚体与数控机床固定连接，没有相对位置移动；三维扫描仪基本与机床主轴平行，与机床工作台垂直，或者与主轴成微小角度，避免扫描视线的遮挡。
[0015] 作为优选的，在步骤1中，采用双三维扫描仪同时对铸造件局部进行扫描，并进行点云拼接。
[0016] 作为优选的，在步骤2中，三维扫描仪与数控机床标定流程如下：
[0017] 步骤21：将完成内参标定的扫描仪安装在数控机床上，确保扫描仪与数控机床之间为刚体连接，并确保两者之间无相对运动；
[0018] 步骤22：将材料为工业PVC的标定板固定在数控机床的工作台上，确保待加工上表面与数控机床刀头垂直；
[0019] 步骤23：数控机床对标定板进行加工，在标定板的指定位置加工5-8mm深，底面直径为30mm或以上的非穿透性斜坡孔洞；
[0020] 步骤24：记录标定孔孔底平面中心的坐标值作为数控机床在该标定孔位置的坐标点；
[0021] 步骤25：通过三维扫描仪扫描标定板上的孔洞，孔洞底面平面圆心为对应三维扫描仪坐标系下的坐标点；
[0022] 步骤26：通过N个孔洞圆心在数控机床坐标系和三维扫描仪坐标系中对应的点，进行旋转矩阵和平移向量的计算，即获取扫描仪坐标系到数控机床坐标系的变换矩阵，建立三维扫描仪坐标系和数控机床坐标系之间的对应关系。
[0023] 作为优选的，在步骤3和步骤4之间，对原始点云数据的预处理：
[0024] 降采样处理：对原始点云数据进行降采样处理，可以有效去除绝大部分的冗余数据，并保留几乎所有的模型特征；
[0025] 去除干扰数据：本测量方法采用多种平滑算法对降采样后的点云数据进行处理；
[0026] 坐标转换：根据三维扫描仪与数控机床的标定结果，将预处理后的点云数据在扫描仪坐标系下的坐标转换为数控机床坐标系下的位置和姿态信息。
[0027] 作为优选的，在步骤5中，包括以下步骤：
[0028] 步骤51、模型分割：采用1～n个基准平面，将实际铸造件三维点云数据分割为2～n+1个包含足够多特征值的数据层，并且分割方式和分割结果对于理论数模和与其匹配的实际点云数据保持一致；
[0029] 步骤52、特征检测：将包含足够多特征值的数据层根据可剪裁的特征项，依据铸造件实际情况进行裁剪；
[0030] 步骤53、模型匹配、区域判断和模型定位：将铸造件的局部实际点云数据与理论数模点云数据进行特征匹配，确定被扫描的区域。
[0031] 作为优选的，在步骤53中，包括
[0032] 步骤531：通过分割基准平面的方法，将铸件的理论数模和实际点云数据分割为子模型数据；
[0033] 步骤532：将理论数模的所有子模型按照一定的顺序排序，形成基准序列；
[0034] 步骤533：将实际点云数据的子模型按照相同的方法排序，形成待匹配的序列；
[0035] 步骤534：分别解算两个序列中所有子模型的全部和部分特征值；
[0036] 步骤535：判断被匹配的点云是否为铸造件的一部分，并确定其属于铸造件的位置。
[0037] 作为优选的，在步骤52中，可剪裁的特征项为几何特征，所述几何特征为[0038] 外包围盒，计算模型体积、重心和集合中心点；
[0039] 或者轮廓点，计算模型在三个平面xoy，xoz，yoz上投影的轮廓点，并计算其二维集合特征值；
[0040] 或者三维轮廓线，计算模型空间矩。
[0041] 作为优选的，在步骤52中，可剪裁的特征项为空间点与平面，所述空间点与平面为[0042] 顶点，法向量；
[0043] 或者铸件内外表面或者指定关键点构成平面的法向量；
[0044] 或者全局SIFT三维特征点、全部NARF三维特征点或全局Harris三维特征点。
[0045] 使用本发明的有益效果是：
[0046] 本发明是为数控机床引入基于三维扫描仪的视觉测量系统。测量系统的作用是通过三维扫描仪对铸造件进行扫描，得到铸造件的三维点云数据，明确铸造件的空间位置和姿态，与摆放在基准加工位置的理论3D模型的点云数据进行特征匹配，计算得出(1)铸造件的空间位置和姿态较之基准加工位置的偏差，输出旋转矩阵和平移向量；(2)实际铸造件超出理论数据模型的余量(定义为待加工量)，输出余量超出基准平面的高度。数控机床根据位置和姿态偏差信息将铸造件调整到基准加工位置；根据待加工余量的相对位置调整进刀位置；根据待加工量调整加工遍数，从而实现对铸造件的自动化机加工。
附图说明
[0047] 图1为基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法的流程图。
[0048] 图2为基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法使用装置的结构示意图。
[0049] 图3为基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法中标定基准物的结构示意图。
[0050] 图4为基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法中标定孔的结构示意图。
[0051] 图5为进行平滑处理后的实验工件三维点云示意图。
[0052] 图6为实验工件三维点云分离示意图一。
[0053] 图7为实验工件三维点云分离示意图二。
[0054] 图8为实验工件三维点云分离示意图三。
[0055] 附图标记包括：
[0056] 100-数控机床，200-加工刀头，300-标定板，310-标定孔，400-三维扫描仪，500-铸造件，600-工作台。
具体实施方式
[0057] 为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
[0058] 实施例1
[0059] 如图1所示，本发明是为数控机床100引入基于三维扫描仪400的视觉测量系统。测量系统的作用是通过三维扫描仪400对铸造件500进行扫描，得到铸造件500的三维点云数据，明确铸造件500的空间位置和姿态，与摆放在基准加工位置的理论3D模型的点云数据进行特征匹配，计算得出(1)铸造件500的空间位置和姿态较之基准加工位姿的偏差，输出旋转矩阵和平移向量；(2)实际铸造件500超出理论数据模型的余量(定义为待加工量)，输出余量超出基准平面的高度。数控机床100根据位置和姿态偏差将铸造件500调整到基准加工位置；根据待加工余量的相对位置调整进刀位置；根据待加工量调整加工遍数，从而实现对铸造件500的自动化机加工。
[0060] 本发明的测量方法具体包括以下步骤：
[0061] 1.三维扫描仪标定。
[0062] 在安装三维扫描仪400前对其进行标定，得到内参矩阵。
[0063] 2.三维扫描仪安装。
[0064] 三维扫描仪400通过刚体与数控机床100固定连接，没有相对位置移动。如图2所示，三维扫描仪400通过刚体与数控机床100固定连接，没有相对位置移动。三维扫描仪400的扫描方向基本与机床主轴，即加工刀头200的主要延伸方向平行，三维扫描仪400的扫描方向与机床工作台600垂直，或者三维扫描仪400的扫描方向与加工刀头200的主要延伸方向成微小角度，避免扫描视线被遮挡。
[0065] 为了提高匹配精度，也可采用双扫描仪同时对铸造件500局部进行扫描，并进行点云拼接的方案。此布局方案可获得铸造件500更详细的局部特征。
[0066] 3.三维扫描仪与数控机床标定。
[0067] 如图2-图4所示，通过三维扫描仪400与数控机床100标定，获取扫描仪坐标系到数控机床100坐标系的变换矩阵。具体标定流程为：
[0068] (1)将完成内参标定的扫描仪安装在数控机床100上，确保扫描仪与数控机床100之间为刚体连接，并确保两者之间无相对运动；
[0069] (2)将材料为工业PVC的标定板固定在数控机床100的工作台600上，确保待加工上表面与加工刀头200垂直；
[0070] (3)数控机床100对标定板进行加工，在标定板300的指定位置加工5-8mm深，底面直径为30mm或以上的非穿透性斜坡孔洞；
[0071] (4)记录标定孔310孔底平面中心的坐标值作为数控机床100在该孔位置的坐标点(即记录每个孔洞圆心在机床坐标系下的坐标值)；
[0072] (5)通过三维扫描仪400扫描标定板300上的孔洞，孔洞底面平面圆心为对应三维扫描仪400坐标系下的坐标点；
[0073] (6)通过N个孔洞圆心在数控机床100坐标系和三维扫描仪400坐标系中对应的坐标值，进行旋转矩阵和平移向量的计算，即获取扫描仪坐标系到数控机床100坐标系的变换矩阵，建立三维扫描仪400坐标系和数控机床100坐标系之间的对应关系。
[0074] 4.三维扫描仪扫描铸造件。
[0075] 将铸造件500固定在数控机床100工作台600的专用工装上，使待加工区域处于三维扫描仪400的视场中。三维扫描仪400对铸造件500的待加工区域进行扫描，并形成原始三维点云数据。
[0076] 5.原始点云数据的预处理。
[0077] 三维扫描仪400设备扫描待加工工件后获得铸造件表面形状原始数据，该原始数据中，通常存在与测量任务无关的大量冗余数据，这类数据不但大量增加后续处理的工作量，也包含大部分的干扰数据项，因此通过对原始点云数据的降采样处理，可有效去除绝大部分的冗余数据，并保留几乎所有的模型特征。
[0078] 在生产环境中，实际加工或待测量的工件，与理论数模相比，除尺寸存在误差外，表面毛刺和点云采集设备自身的误差，也会对测量、匹配和定位的工作带来比较大的影响，为解决上述问题，本方法采用多种平滑算法对降采样后的点云数据进行处理，可将铸造件表面形状原始数据中对应表面毛刺等铸造件自身缺陷，以及数据采集时产生的误差最大程度上消除，并保留绝大部分的有效数据，如图5所示。
[0079] (1)降采样处理：对原始点云数据进行降采样处理，可以有效去除绝大部分的冗余数据，并保留几乎所有的模型特征；
[0080] (2)去除干扰数据：本测量方法采用多种平滑算法对降采样后的点云数据进行处理；
[0081] (3)坐标转换：根据三维扫描仪400与数控机床100的标定结果，将预处理后的点云数据在三维扫描仪400坐标系下的坐标转换为数控机床100坐标系下的位置和姿态信息。
[0082] 6.采用铸造件的理论3D模型确定基准加工位姿。
[0083] 将铸造件500的理论3D模型摆放在数控机床100工作台600上的专用工装上，调整好位置和姿态，作为基准加工位姿；将理论3D模型转化成理论三维点云数据，同时获取理论三维点云数据在数控机床100坐标系下的位姿信息。
[0084] 7.实际铸造件点云与理论三维点云进行特征匹配。
[0085] (1)模型分割。
[0086] 针对于尺寸较大的目标铸造件500，单次测量仅包含铸造件500的某个局部，常用的针对中小铸造件500的整体处理和匹配的方法失效，在点云中分离包含局部特征的数据是必需解决的问题之一。本测量系统采用基准平面的方法解决上述问题：采用1～n个基准平面，将点云分割为2～n+1个包含足够多特征值的数据层，并且分割方式和分割结果对于理论三维点云和与其匹配的实际点云数据保持一致。如图5所示，为进行平滑处理后的实验工件的三维点云示意图。模型分割后的点云数据，如图6-图8所示。
[0087] (2)特征检测。
[0088] 针对于尺寸较大，结构复杂的待加铸造件500，仅通过传统的集合特征方法，容易引起误匹配、定位失败等错误，本测量方法增加了数个可剪裁的特征项，在确保匹配成功率的前提下，也可以保障其运行性能。特征内容如下内容，可以依据铸造件500实际情况进行裁剪：
[0089] 几何特征(外包围盒，计算模型体积、重心和集合中心店；轮廓点，计算模型在三个平面xoy，xoz，yoz上投影的轮廓点，并计算其二维集合特征值；三维轮廓线，计算模型空间矩)
[0090] 空间点与平面(顶点，法向量；铸造件500内外表面或者指定关键点构成平面的法向量；全局SIFT三维特征点，全部NARF三维特征点；全局Harris三维特征点等)[0091] (3)模型匹配、区域判断和模型定位。
[0092] 由于单次采集的数据为铸造件500的某个局部，常见的整体匹配的方法失效，因此采用某个未知局部数据的匹配。匹配的方式和步骤如下：
[0093] 通过分割基准平面的方法，将铸造件500的理论数模和实际点云数据分割为子模型数据；
[0094] 将理论数模的所有子模型按照一定的顺序排序，例如沿基准平面的法线方向，形成基准序列；
[0095] 将实际点云数据的子模型按照相同的方法排序，形成待匹配的序列；
[0096] 分别解算两个序列中所有子模型的全部和部分特征值；
[0097] 判断点云是否为铸造件500的一部分，并确定其属于铸造件500的哪一个部分。
[0098] 8.计算实际铸造件与理论3D模型的位姿偏差。
[0099] 完成铸造件实际点云数据与理论三维点云数据匹配后，通过N个对应特征点在数控机床100坐标系下的坐标，进行旋转矩阵和平移向量的计算，即获取实际铸造件500与基准加工位置之间的姿态偏差；并计算待加工余量的相对位置和余量超出基准平面的高度。
[0100] 9.数控机床调整铸造件位姿、确定进刀位置与加工遍数。
[0101] 根据实际铸造件500与基准加工位置之间的姿态偏差(旋转矩阵和平移向量)，数控机床100的专用工装带动铸造件500进行位姿变换，调整至与理论3D模型基准加工位姿重合的状态；数控机床100根据得到的待加工余量的相对位置，确定进刀位置；数控机床100根据得到的余量超出基准平面的高度，确定加工遍数，从而实现加工参数的确定和加工轨迹的校准。
[0102] 以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
