摘要
智能制造水平对国家综合实力具有重要意义。实现智能化制造离不开高精度测量仪器和设备的支持。特别是国产化设备对于实现我国由制造大国向制造强国的转变至关重要。而以钻头为代表的刀具在智能制造技术中扮演关键角色。钻头的几何形状和参数直接影响性能表现，合理的几何形状和参数不仅可提升钻头寿命，也有助于保证数控机床的加工效率和精度。传统接触式测量可能损伤钻头表面，测量的参数也有局限性。二维非接触式测量难以全面反映钻头的复杂几何形状且测量效率相对较低。因此，针对钻头复杂形貌，研究精确高效的三维测量技术具有重要意义。 本文以钻头作为研究对象，设计了包含三爪卡盘与转台装置的双目结构光测量系统，并对结构光系统中高动态范围、盲区、多视角点云配准以及钻头参数测量等方面进行了深入研究，主要研究内容如下。 （1）钻头三维测量系统方案设计。首先，根据钻头的形貌特点与测量要求，分析三维测量的技术指标与难点。针对钻头完整三维形貌重建与测量要求，设计了包含转台与三爪卡盘的双目结构光系统。其次根据系统方案设计，完成硬件选型和系统搭建。最后设计了整体软件处理结构以及具体的算法流程，采用多线程技术实现多流程并发处理。 （2）基于自适应多次曝光的结构光三维重建方法。由于钻头反射率变化较大，相机采集图像出现过曝和欠曝光现象，针对过曝和欠曝光导致的相位误差问题，提出自适应预测多次曝光的方法。首先针对投影仪的非线性响应问题，提出预校正方法，完成投影仪非线性修正。其次基于相机响应函数，提出迭代预测多个曝光时间的算法。最后将多个曝光图像融合，计算得到更准确的相位信息。试验表明，所提方法能准确预测多个曝光时间，完整重建钻头过曝区域同时提高欠曝光区域的点云质量。 （3）基于统一坐标系的双目结构光混合标定与重建方法。针对钻头曲率变化大以及双目交叉光轴结构导致的盲区问题，提出立体视觉与相位坐标映射相结合的双目结构光标定与重建方法。首先，为了充分利用相位信息，预先进行单相机相位坐标映射系数标定，解决双相机立体匹配失败而单相机相位信息未有效利用问题。其次针对左右相机单独标定坐标系不一致问题，提出在标定阶段根据右视差值找到左相机对应同名点方法，利用同名点具有相同三维坐标原理实现左右相机坐标系的统一。最后基于混合标定方法，提出左右相机融合决策图生成方法以及双目结构光多系统点云重建与融合方法，使得单次扫描得到的点云更加完整。试验结果表明，相较于传统单双目结构光相结合方法，所提方法能有效解决盲区问题且生成的点云精度更高。 （4）基于多视角点云拼接的钻头精密测量方法。针对钻头单次扫描无法获取完整钻头形貌问题，提出粗精配准方法，实现多视角点云拼接。针对传统粗配准标定方法相对复杂的问题，提出利用转台与标定板仅通过一次基准角的标定实现钻头多视角点云粗拼接，简化标定流程。针对多视角多点云精配准顺序问题，提出全局多视角点云精配准分步策略，基于ICP算法逐步配准相邻点云，最终实现所有点云精配准统一到全局坐标系下。基于钻头三维点云数据建立基准面和测量平面，在测量平面上即可方便得到各项参数，无需求解空间轮廓方程，有效提高了测量效率。最后通过试验验证提出的粗精配准方法有效性以及钻头三维测量的精度。 本文主要研究面向钻头的双目结构光三维重建算法，并开发了包含系统采集与标定、三维扫描重建、点云处理与测量等功能模块的三维形貌测量软件。为验证提出算法的有效性，对标准球以及麻花钻进行三维重建与精度验证。试验结果证明本文双目结构光三维重建与测量系统具有较高的精度与鲁棒性，三维重建的绝对精度达到了0.03mm，单视角重复精度小于0.01mm，多视角重复精度小于0.02mm；钻头测量的角度偏差小于0.45，横刃长度与直径测量误差小于0.035mm，基本满足课题要求。
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