本發明涉及數控加工與工業測量，尤其涉及一種模具配件數控加工智能定位系統及方法。
背景技術：
1、隨著模具制造向高精度、高一致性和自動化方向發展，數控機床在模具配件加工過程中普遍需要經歷多次裝夾與多工序切換，以完成復雜曲面、精密孔位及裝配基準的加工要求。為保證加工精度，通常需要在每次裝夾后重新建立機床坐標系與工件坐標系之間的空間關系，現有技術多依賴人工找正、單次測量定位或基于固定基準的坐標設定方式，并結合探針或測量程序完成工件定位與坐標修正。
2、現有的數控加工定位技術在多次裝夾和重復定位場景下仍存在明顯不足。一方面，傳統定位方法通常將每次裝夾視為相互獨立的過程，缺乏對同一工件在不同裝夾狀態下空間關系的一致性建模，容易因測量噪聲、裝夾誤差或點位選取差異導致坐標漂移累積，影響整體加工精度。另一方面，現有技術多在歐式空間中對位姿結果進行簡單平均或直接選取單次測量結果，未能充分考慮剛體位姿在空間群結構下的幾何約束特性，導致定位結果對異常測量敏感、穩定性不足，難以實現連續加工過程中的自動校正與可靠更新。上述缺陷在高精度模具配件的多次裝夾加工中尤為突出，制約了數控加工過程的智能化與一致性控制。
3、因此，如何提供一種模具配件數控加工智能定位系統及方法是本領域技術人員亟需解決的問題。
技術實現思路
1、本發明提出了一種模具配件數控加工智能定位系統及方法，通過對同一模具配件在不同裝夾狀態下采集的三維特征點進行一致化處理，構建跨裝夾的統一形狀空間，并在此基礎上將裝夾間的空間關系映射為位姿樣本，采用群流形上的一致位姿求解機制獲得穩定的共識位姿，具備定位穩定性高、抗測量誤差能力強以及適應多次裝夾加工的優點。
2、根據本發明實施例的一種模具配件數控加工智能定位系統及方法，包括如下步驟：
3、多裝夾特征點獲取模塊，在不同裝夾狀態下采集同一模具配件的三維特征點集，并為每組三維特征點集建立對應的裝夾實例標識和采集時序標識；
4、點集一致化處理模塊，接收具有裝夾實例標識的三維特征點集，對三維特征點集執行點序統一和剛體約束預處理，生成標準特征點集；
5、形狀空間統一建模模塊，接收標準特征點集，基于廣義procrustes對齊構建跨裝夾實例的統一形狀空間，并輸出各裝夾實例相對于統一形狀空間的剛體變換結果；
6、位姿樣本映射模塊，將剛體變換結果映射為定義于se(3)李群上的位姿樣本，并基于采集時序標識將位姿樣本組織為滑動窗口位姿集合；
7、群一致位姿求解模塊，在se(3)群流形上以測地距離為度量對滑動窗口位姿集合執行karcher均值計算，生成對應的共識位姿；
8、坐標映射更新模塊，基于共識位姿更新機床坐標系與工件坐標系之間的映射關系，并將更新后的定位參數輸出至數控系統。
9、可選的，模塊之間通過如下方法實現：
10、在不同裝夾狀態下，對同一模具配件進行多次測量，采集多組三維特征點集，并為每組三維特征點集建立與裝夾狀態對應的裝夾實例標識和采集時序標識；
11、對具有裝夾實例標識的三維特征點集執行點序統一和剛體約束預處理，生成用于跨裝夾比對的標準特征點集；
12、基于廣義procrustes對齊對標準特征點集進行迭代處理，構建跨裝夾實例的統一形狀空間，并獲得各裝夾實例相對于統一形狀空間的剛體變換結果；
13、將剛體變換結果映射為定義于se(3)李群上的位姿樣本，并依據采集時序標識將位姿樣本組織為滑動窗口位姿集合；
14、在se(3)群流形上以位姿樣本之間的測地距離為度量，對滑動窗口位姿集合執行karcher均值計算，獲得對應于當前窗口的共識位姿；
15、基于共識位姿更新機床坐標系與工件坐標系之間的映射關系，并將更新后的定位參數輸出。
16、可選的，建立與裝夾狀態對應的裝夾實例標識和采集時序標識包括：
17、在模具配件完成一次裝夾后，讀取當前參與裝夾的夾具編號、夾具安裝位姿參數、參與定位的定位元件編號及其在機床坐標系下的位置參數，并獲取當前裝夾輪次計數值；
18、將夾具編號、夾具安裝位姿參數、定位元件編號及其位置參數與裝夾輪次計數值組合形成裝夾構型數據組，并對裝夾構型數據組執行一致性排序與標準化處理；
19、基于標準化后的裝夾構型數據組生成唯一對應當前裝夾構型的裝夾實例標識，并將裝夾實例標識與當前裝夾構型建立綁定關系；
20、在每次觸發三維特征點采集操作時，讀取采集觸發時刻對應的系統時間戳，并同步讀取數控系統中當前執行的程序段編號及測量指令編號；
21、在首次采集時初始化采集序號，在后續每次采集完成后對采集序號執行遞增更新，形成與采集順序一致的采集序號序列；
22、將系統時間戳、程序段編號、測量指令編號及采集序號組合生成采集時序標識。
23、可選的，生成標準特征點集包括：
24、接收攜帶裝夾實例標識和采集時序標識的三維特征點集，讀取每個特征點的三維坐標與特征點類型標識，并按特征點類型標識統計各類型點數，將統計結果與配置文件中對應模具配件的目標點數表逐項比對，未通過比對的數據批次不進入點序統一流程；
25、在通過比對的數據批次中，按特征點類型標識的優先級選取基準類型點集，在基準類型點集中選取第一基準點為字典序最小坐標點；
26、以為起點選取第二基準點為與歐氏距離最大的點；在剩余點中選取第三基準點為使模長最大的點；
27、基于建立剛體參考坐標系，計算單位基向量；
28、對三維特征點集內每個特征點執行剛體約束預處理，計算標準化坐標；
29、在剛體參考坐標系下執行點序統一，對全部特征點按“特征點類型標識升序—的分量升序—平面極角升序—平面半徑升序”的規則排序并依序賦予點序編號；
30、將點序編號、對應的標準化坐標、裝夾實例標識與采集時序標識組合，生成標準特征點集。
31、可選的，構建剛體變換結果包括：
32、接收標準特征點集，按裝夾實例標識將同一模具配件在不同裝夾實例下形成的標準特征點集構成點集序列，并保持點序編號在點集序列內一致；
33、將點集序列輸入廣義procrustes對齊處理過程，設定統一形狀點集的初始模板為點集序列中任一標準特征點集或由點集序列求得的初始均值點集，調用廣義procrustes對齊處理過程輸出統一形狀點集以及與點集序列內每個裝夾實例標識一一對應的剛體變換結果；
34、針對點集序列內每個裝夾實例標識，按剛體變換結果對所述裝夾實例對應的標準特征點集進行旋轉與平移變換得到對齊點集，并在對齊點集中保留點序編號，使對齊點集與統一形狀點集在點序編號維度形成一一對應；
35、將統一形狀點集定義為跨裝夾實例的統一形狀空間表示，將剛體變換結果定義為裝夾實例到統一形狀空間的位姿映射參數。
36、可選的，廣義procrustes對齊處理過程包括：
37、設點集序列中點集數量為，每個點集內特征點數量為，第個點集記為，其中為裝夾實例序號，為點序編號，為點序編號為的三維坐標向量；
38、對點集序列中的每一個候選點集計算離散度評分并選取離散度評分最小的候選點集作為初始模板點集，離散度評分按下式計算：
39、；
40、其中，為以作為候選模板時的離散度評分，為被對齊點集序號，為將通過一次剛體對齊變換映射到后的第個對齊點坐標，為歐氏范數；
41、在一次剛體對齊變換計算中，以點序編號為依據對與逐點配對，分別計算兩點集的幾何中心與，將兩點集分別做中心化處理；
42、基于中心化后的逐點配對結果計算相關矩陣，并對相關矩陣執行奇異值分解得到正交矩陣；
43、計算旋轉矩陣為，當的行列式小于0時，將的第三列取相反數后重新計算旋轉矩陣；
44、計算平移向量為；
45、以初始模板點集進入迭代對齊流程，設第輪迭代的模板點集為=，其中為迭代輪次序號，為模板點集中點序編號為(i)的三維坐標向量；
46、對每一輪迭代，針對每個裝夾實例點集重復執行剛體對齊變換計算，得到相對于的旋轉矩陣與平移向量，并對點集內全部點執行旋轉與平移得到對齊點集；
47、計算每個裝夾實例點集在當前輪次的對齊殘差，記錄殘差值與裝夾實例標識的對應關系；
48、按裝夾實例標識的排序結果將全部對齊點集劃分為預設數量個不重疊分組，每個分組包含相同數量的對齊點集；
49、對每個分組以及每個點序編號，計算分組均值點；
50、對同一點序編號的全部分組均值點計算坐標分量中位值，分別對、、三個坐標分量取中位值并組成新的模板點坐標；
51、將全部點序編號對應的組合得到更新模板點集；
52、計算相鄰兩輪模板點集的變化量，并取其中最大值作為；
53、當不大于預設閾值或迭代輪數達到預設上限時終止迭代；
54、在迭代終止時，輸出最終模板點集作為跨裝夾實例的統一形狀空間表示；輸出每個裝夾實例標識對應的剛體變換結果，剛體變換結果包含各輪迭代中最后一次對齊得到的旋轉矩陣與平移向量。
55、可選的，生成滑動窗口位姿集合包括：
56、接收各裝夾實例標識一一對應的剛體變換結果；
57、對旋轉矩陣進行奇異值分解，提取分解結果中的兩個正交矩陣并相乘生成新的旋轉矩陣；
58、當生成的旋轉矩陣的行列式為負值時，對奇異值分解結果中的一個正交矩陣的第三列取相反數后重新相乘，得到行列式為正的旋轉矩陣；
59、構建位姿矩陣，具體為：創建一個四乘四矩陣，將經正交化處理后的旋轉矩陣寫入所述四乘四矩陣的左上三乘三區域，將所述三維平移向量寫入所述四乘四矩陣的右上三乘一區域，并將所述四乘四矩陣的最后一行四個元素依次寫入為“0、0、0、1”；
60、對構建完成的四乘四矩陣執行se(3)結構校驗；
61、將通過se(3)結構校驗的位姿樣本與對應的裝夾實例標識和采集時序標識寫入位姿樣本庫，形成位姿記錄條目；
62、依據采集時序標識中的采集序號對位姿記錄條目進行排序，生成按采集順序排列的位姿樣本序列；
63、當存在相同采集序號的多條位姿記錄條目時，僅保留系統時間戳較新的位姿記錄條目；
64、設定滑動窗口長度為固定值，從位姿樣本序列中按順序選取連續的位姿記錄條目構成滑動窗口位姿集合；
65、在新的位姿記錄條目寫入位姿樣本序列后，將所述新的位姿記錄條目加入滑動窗口位姿集合末端，并從滑動窗口位姿集合中移除最早寫入的位姿記錄條目，得到更新后的滑動窗口位姿集合。
66、可選的，karcher均值計算包括：
67、接收滑動窗口位姿集合，讀取窗口內按采集序號排序的個位姿樣本，每個位姿樣本為四乘四齊次變換矩陣，提取其中左上三乘三為旋轉子矩陣、右上三乘一為平移子向量；
68、以滑動窗口中采集序號居中的位姿樣本作為參考樣本，分別對窗口內其余位姿樣本計算相對位姿；
69、對每個相對位姿執行一次對數映射得到六維增量向量，將窗口內全部六維增量向量按分量分別取中位值形成初始增量向量；
70、對初始增量向量執行一次指數映射生成增量位姿，并與參考樣本左乘得到共識位姿初值；
71、以共識位姿初值作為迭代起點，進入karcher均值迭代，設置最大迭代輪數與停止閾值；
72、在每一輪迭代中，對窗口內每個位姿樣本執行測地增量計算流程：
73、以當前輪共識位姿為參考，對共識位姿求逆并與所述位姿樣本相乘得到相對位姿矩陣；
74、從相對位姿矩陣提取旋轉子矩陣與平移子向量，并對旋轉子矩陣計算旋轉對數：
75、計算旋轉角度，角度由旋轉子矩陣的跡確定；
76、當角度接近零時，將旋轉增量置為零向量；
77、當角度不接近零時，根據旋轉子矩陣的反對稱部分計算單位旋轉軸，并將旋轉軸乘以角度得到三維旋轉增量向量；
78、基于三維旋轉增量向量生成對應的反對稱矩陣；
79、計算平移對數所需的三乘三矩陣，所述由旋轉增量的反對稱矩陣通過三項展開生成；
80、對求逆后左乘相對位姿的平移子向量，得到三維平移增量向量；
81、將三維旋轉增量向量與三維平移增量向量按固定順序拼接得到所述位姿樣本的六維測地增量向量；
82、依據采集序號將滑動窗口內位姿樣本按時間順序劃分為連續分段，其中，且每個分段包含相同數量的位姿樣本；
83、在每個分段內，對所述分段全部六維測地增量向量作算術平均，得到分段平均增量向量；
84、對全部分段平均增量向量再作算術平均，得到當前輪全局更新增量向量；
85、對全局更新增量向量執行指數映射生成增量位姿，并與當前輪共識位姿左乘得到下一輪共識位姿；
86、計算停止條件，當全局更新增量向量的模長不大于停止閾值或達到最大迭代輪數時終止迭代；
87、在滿足停止條件時，輸出當前輪共識位姿作為對應于當前滑動窗口的karcher均值共識位姿，并將所述共識位姿與滑動窗口起止采集序號建立關聯后存儲。
88、本發明的有益效果是：
89、本發明通過在多次裝夾條件下采集同一模具配件的三維特征點，并采用一致化處理與廣義procrustes對齊方法構建跨裝夾的統一形狀空間，使不同裝夾狀態下的工件幾何信息能夠在統一空間中進行嚴格對齊與比較，從而有效削弱裝夾誤差、測量噪聲及點位選取差異對定位結果的影響，顯著提升多次裝夾加工過程中的整體定位一致性與穩定性。
90、本發明將裝夾實例對應的空間關系映射為定義于剛體位姿群上的位姿樣本，并在滑動窗口內基于測地距離采用karcher均值計算共識位姿，避免了傳統歐式平均方法對剛體幾何約束的破壞，使位姿融合結果對異常測量具有更強的魯棒性，從而實現加工過程中機床坐標系與工件坐標系關系的可靠、自適應更新。