基于影像反求的視覺加工系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于機器視覺的反求加工技術(shù)是近十幾年來在快速成型加工領(lǐng)域涌現(xiàn)出來的一項新興技術(shù)。它在現(xiàn)代化制造、模具加工、自動化裝配等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求，是自動化制造設(shè)備中的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文從數(shù)據(jù)采集、點云處理、曲面重構(gòu)以及數(shù)控加工四個方面分析和討論了反求工程在各個階段的關(guān)鍵性技術(shù)。構(gòu)建了完整的采集處理加工系統(tǒng)。鑒于數(shù)控系統(tǒng)可以加工三維打印機無法處理的金屬對象，在實際工程場合應(yīng)用更加廣泛，因此本文著重討論了數(shù)控系統(tǒng)刀具規(guī)劃技術(shù)，并基于數(shù)控系統(tǒng)對算

2、法可行性進行了實驗和分析。本文的具體內(nèi)容如下：
　　1、分析了基于條紋編碼光的非接觸式三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要工作包括:1）研究了基于時空域的編碼光結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計了具有條紋邊界特征編碼組合。2）討論了基于射影——放射——度量三個層次的分層重構(gòu)技術(shù)，更好地適應(yīng)了攝像機參數(shù)標(biāo)定不精確或無標(biāo)定的測量環(huán)境，更加便于引入最優(yōu)化算法。另一方面，相對于三維重構(gòu)的目標(biāo)歐式坐標(biāo)系而言，仿射坐標(biāo)系和射影坐標(biāo)系有著更加廣泛的應(yīng)用。3）構(gòu)建了主動式雙目測量

3、系統(tǒng)，對三維目標(biāo)的空間信息進行采集，并以點云形式進行存儲。
　　2、對于散亂點云的處理技術(shù)進行了研究，主要工作包括:1）逆向運用最遠(yuǎn)點采樣技術(shù)，提出了基于最遠(yuǎn)點采樣快速行進點云精簡算法。利用快速行進算法來不斷擴展采樣區(qū)域，同時利用最遠(yuǎn)點采樣條件來篩選出符合條件的采樣點。2）根據(jù)點云噪聲特點，基于k-d樹模型和均值漂流技術(shù)設(shè)計了復(fù)合KMS點云去噪算法。首先基于k-d樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)點的法向量與相近點的法向量夾角選取初始鄰域，計算出

4、鄰域內(nèi)所有點的平均點距，當(dāng)某點到其余點的距離平均值大于平均點距的4倍時，將其作為奇異點噪聲剔除。然后利用概率密度函數(shù)作為聚類點，用均值漂移迭代算法將每一個采樣點“漂移”到核密度估計函數(shù)的局部最大值點。這樣通過多次迭代，使點云逼近原始曲面的真實值，從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的快速高效去噪。3)對經(jīng)典徑向基算法進行改進，完成了點云模型孔洞修補。首先提取出孔洞邊界特征點，隨后根據(jù)孔洞周邊點的信息利用徑向基函數(shù)擬合出孔洞上的曲面，隨后根據(jù)一定的步長，在曲

5、面上進行采樣，所得的點進行移動最小二乘法的對所得到的點進行調(diào)整，使得修補后的曲面能夠與周圍曲面光滑銜接。
　　3、提出了基于三角網(wǎng)格模型建立NURBS曲面的思路，主要工作包括:1）在經(jīng)典BPA三角剖分算法的基礎(chǔ)上增加了夾角約束，對滾球過程中生成的新三角形進行判別，以避免大量長條三角形的產(chǎn)生，在這種約束的作用下，生成的三角形會進一步向優(yōu)化過的Delaunay三角形靠攏，能夠更好的表現(xiàn)出三維物體的實際形態(tài)，優(yōu)化了三角剖分結(jié)果。同時，對

6、BPA算法的半徑選擇展開了進一步研究，闡述了半徑ρ大小對重構(gòu)表面的重要性，并針對實際的點云數(shù)據(jù)給出了較好的ρ的經(jīng)驗值，對采樣密度不均勻的點云數(shù)據(jù)用BPA算法處理時遇到的問題進行了討論。2）分析了邊折疊網(wǎng)格簡化技術(shù)，設(shè)計了球形約束，減小了簡化造成的變形。3）基于Laplacian光順?biāo)惴ㄌ岢隽俗兂叨燃s束，將尺度因子作為參變量引入光順中，用變尺度曲面光順?biāo)惴▽δＰ瓦M行處理，以改善單尺度光順下的不足，減少了算法迭代次數(shù)，減輕了過光順現(xiàn)象。4）

7、采用有向權(quán)切片方法，首先對相鄰的三角面片建立有向加權(quán)排序，然后對于每個三角形面片記錄三條邊的權(quán)值，每條邊的權(quán)值定義為共用此條邊的三角形面片中與當(dāng)前三角形相鄰的兩個角的編號之和。按照此方式記錄每個三角面片的每條邊，將三角面片信息存放在鏈表結(jié)構(gòu)中，對建立的三角網(wǎng)格模型進行切片分層，構(gòu)造了有序數(shù)據(jù)點集，并基于此點集進行了NURBS曲線和曲面的插值。
　　4、研究了NURBS曲線插補的實現(xiàn)方法，主要工作包括:1）基于數(shù)控加工設(shè)備設(shè)計了刀具

8、切削路徑。根據(jù)NURBS曲線特征，首先采用行切進行粗加工，然后采用有向權(quán)切片所得環(huán)形路徑進行精加工。2）針對不同應(yīng)用需求，設(shè)計了基于分?jǐn)?shù)次冪和Sigmoid函數(shù)的兩種速度控制策略?；诜?jǐn)?shù)次冪的模型將加速-勻速-減速過程分為15段，在保證加加速度、加速度以及速度連續(xù)的同時有效提高了速度變化率，適用于速度、精度要求高且計算能力強的加工場合?；赟igmoid函數(shù)的模型在基本保證加加速度、加速度以及速度連續(xù)的基礎(chǔ)上將加速-勻速-減速過程簡化

9、為三段，適用于對精度要求不高且計算能力有限的加工場合。3）基于路徑曲率變化，設(shè)計了刀具加減速起始點前瞻算法。隨著加工路徑曲率的變化，實時預(yù)測刀具的加減速階段以及開始減速的位置點。4）將用于求解常微分方程的Admas算法和Runge-Kutta算法引入到數(shù)控加工領(lǐng)域，并且采用差商替代微商，對原算法進行了修正，設(shè)計了適用于NURBS曲線插補的位置參數(shù)計算方法，解決了Taylor展開算法需要計算高階導(dǎo)數(shù)的問題。5）分析各階B樣條基函數(shù)的關(guān)系，