李 東，蔣 狀，梁家睿

（金發(fā)科技股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

螺桿式擠出機(jī)是高分子材料加工的核心裝備，其塑化系統(tǒng)關(guān)鍵部件螺桿和螺筒及其之間的間隙決定了高分子材料的混合質(zhì)量，進(jìn)而影響最終的產(chǎn)品質(zhì)量。高分子材料中通常加入玻纖、礦物粉體、助劑等使其滿足功能性需求，采用擠出加工具有連續(xù)生產(chǎn)的顯著優(yōu)勢(shì)；但是，擠出機(jī)的螺桿和螺筒在高溫下受到物料的物理和化學(xué)作用，逐漸產(chǎn)生磨損、凹坑、點(diǎn)蝕等，特別是在增強(qiáng)、阻燃的高分子體系中更為明顯，這導(dǎo)致了螺桿和機(jī)筒的間隙變化。擠出機(jī)的螺桿和機(jī)筒間隙是擠出產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)[1]，其決定著物料熱加工歷程的停留時(shí)間分布，停留時(shí)間分布越小說明原料混煉時(shí)間越接近一致，產(chǎn)品品質(zhì)越穩(wěn)定。相比機(jī)筒，螺桿更容易發(fā)生磨損、腐蝕，生產(chǎn)中通常對(duì)螺桿（螺紋元件）進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，但是其復(fù)雜曲面的外形導(dǎo)致難以進(jìn)行全面的精準(zhǔn)測(cè)量。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)螺紋元件的檢測(cè)常使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行，但僅能做特征區(qū)域點(diǎn)與點(diǎn)的尺寸，測(cè)量范圍和精度有限；使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x可以比較精確測(cè)量任意點(diǎn)，但在實(shí)際使用過程中，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)環(huán)境溫度、濕度、氣源氣壓有一定要求[2－3]，且測(cè)量效率較低；對(duì)于螺紋元件表面的點(diǎn)蝕，三坐標(biāo)接觸式測(cè)頭自身半徑的問題也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果[4]。另外，三坐標(biāo)儀可精確得到特征位置點(diǎn)、線的尺寸，但是難以表達(dá)出螺紋元件的曲面結(jié)構(gòu)，不能對(duì)螺紋元件的表面區(qū)域進(jìn)行全輪廓檢測(cè)和評(píng)估。

本研究開發(fā)一種基于3D視覺技術(shù)的擠出機(jī)螺紋元件復(fù)雜表面自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。通過分別搭載有3D相機(jī)和夾取裝置的雙協(xié)作機(jī)械臂末端相互姿態(tài)變換配合，完成對(duì)螺紋元件不同角度的深度圖像采集，使用三維重建技術(shù)，經(jīng)系統(tǒng)軟件處理，成功得到了擠出機(jī)螺紋元件的三維測(cè)量模型，進(jìn)一步對(duì)具體區(qū)域或平面進(jìn)行提取，使用點(diǎn)、線、面等特征計(jì)算評(píng)估螺紋元件的狀態(tài)，進(jìn)而監(jiān)測(cè)和管控螺桿與螺筒的間距，從而管控?cái)D出加工的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 3D視覺測(cè)量原理

系統(tǒng)使用雙目結(jié)構(gòu)光3D相機(jī)采集深度圖像，該相機(jī)將雙目立體視覺測(cè)量和結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)煞N方法相結(jié)合，在完成雙相機(jī)的空間位置獲取后，對(duì)獲得的編碼圖案進(jìn)行解碼，從而獲得物體上各點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)[5]。同時(shí)該相機(jī)回避了傳統(tǒng)立體視覺中稠密匹配和編碼結(jié)構(gòu)光中投影儀標(biāo)定這2個(gè)難點(diǎn)，簡(jiǎn)化了對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配算法的復(fù)雜度，提高了三維測(cè)量的精度[6]。3D 視覺測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 3D相機(jī)測(cè)量

2 3D視覺技術(shù)的螺紋元件自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3D視覺技術(shù)的雙螺桿擠出機(jī)螺紋元件復(fù)雜表面自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)用于基于3D視覺的螺紋元件的三維非接觸式測(cè)量。該系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 3D視覺技術(shù)的螺紋元件自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件系統(tǒng)

3D視覺技術(shù)的自動(dòng)測(cè)量硬件系統(tǒng)主要由3D相機(jī)、雙協(xié)作機(jī)械臂、工控機(jī)以及夾取裝置等組成，如圖3所示。本研究采用的3D相機(jī)是LMI公司自帶結(jié)構(gòu)光發(fā)射器的雙目結(jié)構(gòu)光相機(jī)3210，其X 與Y 方向上的分辨率為0.06～0.09 mm，Z 方向上的分辨率為4.7 μm。協(xié)作機(jī)械臂是AUBO 公司的i5 系列六自由度機(jī)械臂，與電動(dòng)夾爪配合使用，從內(nèi)花鍵孔夾取螺紋元件進(jìn)行其表面測(cè)量。

圖3 系統(tǒng)裝置

本系統(tǒng)以3D相機(jī)采集的深度圖像中螺紋元件的位置坐標(biāo)為引導(dǎo)，調(diào)用機(jī)械臂控制庫控制搭載夾取裝置的機(jī)械臂1到指定位置夾取螺紋元件，然后將被夾取的螺紋元件移動(dòng)到3D相機(jī)鏡頭內(nèi)，接著控制相機(jī)和螺紋元件間的相對(duì)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋元件多方位、無死角的深度圖像采集，再使用三維重建技術(shù)得到螺紋元件的整體三維模型，最后通過系統(tǒng)軟件處理測(cè)量數(shù)據(jù)并存檔、顯示。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程

2.2 軟件系統(tǒng)

本文采用Qt Creator 平臺(tái)進(jìn)行3D 視覺技術(shù)的擠出機(jī)螺紋元件復(fù)雜表面自動(dòng)測(cè)量軟件系統(tǒng)開發(fā)，軟件功能主要分為通信模塊、機(jī)械臂控制模塊、圖像處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。通過軟件控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋元件的復(fù)雜表面進(jìn)行自動(dòng)的非接觸式的測(cè)量，并得到該螺紋元件的平面面積、兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)。軟件通信模塊通過TCP 通信傳遞數(shù)據(jù)，分別向機(jī)械臂、3D相機(jī)發(fā)送控制命令以及獲得圖像數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理和數(shù)據(jù)輸出模塊，最終得到測(cè)量數(shù)據(jù)并存檔、顯示。軟件效果如圖5所示。

圖5 軟件效果

3 3D視覺檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像預(yù)處理

由于3D相機(jī)直接得到的圖片包含噪聲（椒鹽噪聲、高斯噪聲），以及圖像包含背景等額外的信息，故從相機(jī)直接得到的點(diǎn)云圖片不能直接用于后續(xù)的拼接和重建。本文通過高斯濾波算法進(jìn)行過濾，能有效去除圖像的高斯噪聲。針對(duì)圖片背景等干擾信息的影響，由于直接從3D相機(jī)采集到的是深度圖，即背景跟檢測(cè)物的高度信息不一致，通過常規(guī)的閾值分割算法加上圖像中螺紋元件的形狀特征作為篩選條件，可以有效去除背景干擾。圖像預(yù)處理如圖6所示。

圖6 圖像預(yù)處理

3.2 形成3D點(diǎn)云圖

通過Halcon 中的gen_image_surface_first_order算子，可以分別構(gòu)造X 以及Y 方向上的平面圖，平面圖的參數(shù)Xoffset、Yoffset、Xresolution、Yresolution 在相機(jī)內(nèi)參表中獲得，確定點(diǎn)云圖的X－Y 方向的坐標(biāo)范圍；再通過scale_image 算子以及Zoffset、Zresolution 參數(shù)可以得到螺紋元件Z 方向上的實(shí)際高度圖，最后通過xyz_to_object_model_3d 算子對(duì)3 個(gè)方向上的高度圖進(jìn)行融合，可以得到從3D 相機(jī)采集到的螺紋元件3D點(diǎn)云圖。流程如圖7所示。

圖7 螺紋元件點(diǎn)云融合流程

3.3 螺紋元件三維重建

螺紋元件的3D重建難度主要體現(xiàn)在：螺紋元件在點(diǎn)云融合的過程中，會(huì)因其對(duì)稱性造成誤匹配；螺紋元件表面存在凹坑與復(fù)雜曲面，對(duì)于深度方向的檢測(cè)精度較高，測(cè)量難度大。

為了解決上述兩個(gè)問題，本文通過增加點(diǎn)云采集的頻率來保證螺紋元件點(diǎn)云融合的準(zhǔn)確性以及增加對(duì)于凹坑及復(fù)雜曲面測(cè)量的精度，一共通過20張點(diǎn)云圖來重構(gòu)螺紋元件。重建的流程如圖8所示。

圖8 螺紋元件三維重建流程

3.4 螺紋元件特征測(cè)量

通過構(gòu)建剖面去截取螺紋元件的三維圖，可以得到螺紋元件的2D 截面圖。對(duì)于2D 截面圖的面積以及兩點(diǎn)之間的距離測(cè)量，可以表征出螺紋元件每個(gè)模塊的磨損情況。具體流程如圖9所示。

圖9 螺紋元件特征測(cè)量流程

4 雙機(jī)械臂協(xié)作路徑規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)

4.1 位姿變換

4.1.1 三維空間位姿描述

空間中存在某點(diǎn)，描述該點(diǎn)的位置和方向，分別可用位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣來表示，因此空間中剛體的位姿，即可用數(shù)學(xué)矩陣的形式進(jìn)行完整地描述[7]。首先讓物體B與某一坐標(biāo)系{B}連接在一起，使{B}的坐標(biāo)原點(diǎn)重合于物體B 的特征點(diǎn)，如質(zhì)心等，然后選擇參考系{A}為參照，則坐標(biāo)系{B}原點(diǎn)的位置和方向，可分別用AP 和來表示[8]，即：

式中：A為坐標(biāo)系{A}；B為坐標(biāo)系{B}。

因此剛體B在三維空間的位姿F可表示為：

4.1.2 坐標(biāo)系變換

在雙臂協(xié)作的過程中，被測(cè)物和相機(jī)分別處于不同的三維坐標(biāo)系中，當(dāng)處在不同的坐標(biāo)系當(dāng)中時(shí)，對(duì)某點(diǎn)進(jìn)行具體的描述也是不同的，需要用數(shù)學(xué)公式來表示兩個(gè)坐標(biāo)系之間的相互關(guān)系[9]。機(jī)械臂2以經(jīng)典的D－H法建模，再經(jīng)過一系列的坐標(biāo)變換，即可得到機(jī)械臂2末端相對(duì)于其基座標(biāo)系的位姿變換由于兩個(gè)機(jī)械臂基座中心安裝在一條直線上且距離已知，可得機(jī)械臂2基坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)械臂1基坐標(biāo)系的變換從而機(jī)械臂2末端坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)械臂1基坐標(biāo)系的變換為：

式中：R1為機(jī)械臂1基坐標(biāo)系；R2為機(jī)械臂2基坐標(biāo)系；H2為機(jī)械臂2末端坐標(biāo)系。

4.2 路徑規(guī)劃

本文設(shè)計(jì)的3D視覺技術(shù)的擠出機(jī)螺紋元件復(fù)雜表面自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過兩個(gè)協(xié)作機(jī)械臂相互協(xié)作來實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋元件不同角度的深度圖像采集。雙臂協(xié)作采用主從協(xié)調(diào)控制方式，首先指定搭載相機(jī)的機(jī)械臂1為主機(jī)械臂，另一機(jī)械臂2為從機(jī)械臂，然后依據(jù)操作對(duì)象的位置和姿態(tài)信息對(duì)主機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上制定從機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡[9]。路徑規(guī)劃流程如圖10所示。

圖10 雙臂協(xié)作路徑規(guī)劃流程

圖11 雙臂協(xié)作過程

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

首先選取1 個(gè)完好的剪切式螺紋元件，如圖12 所示，分別使用本系統(tǒng)和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)其各個(gè)平面的長(zhǎng)軸進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量結(jié)果如表1所示。然后再選取1個(gè)磨損的螺紋元件，使用本系統(tǒng)分別對(duì)2 個(gè)螺紋元件的每個(gè)平面面積進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量結(jié)果如表2 所示。由表1～2 可知，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地測(cè)量螺紋元件，并可從線、面等特征計(jì)算評(píng)估其磨損程度，且誤差不超過±0.5%。

圖12 剪切式螺紋元件

表1 完好螺紋元件長(zhǎng)軸距離測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 完好的與磨損的螺紋元件平面面積測(cè)量數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文搭建了一種基于三維重建技術(shù)的螺紋元件自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，提出以雙機(jī)械臂協(xié)作來采集深度圖像的方法，通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)了被測(cè)螺紋元件的三維模型，實(shí)現(xiàn)了螺紋元件全輪廓、任意區(qū)域的準(zhǔn)確測(cè)量。通過重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，并與理論值以及三坐標(biāo)儀的測(cè)量相對(duì)比，本系統(tǒng)測(cè)量螺紋元件操作簡(jiǎn)便、用時(shí)較短，且測(cè)量誤差在±0.5%以內(nèi)，解決了生產(chǎn)過程中的難題，快速、高效地評(píng)估和管控螺紋元件，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生積極作用。本文針對(duì)現(xiàn)有圖像采集的問題提出了一些創(chuàng)新的思路和方法，對(duì)其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)曲面外形的結(jié)構(gòu)件的三維測(cè)量提供了參考，具有一定的研究意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。