機器人激光三維掃（sǎo）描技（jì）術在殼（ké）體自動測量中的應用-機器人-數控機床市（shì）場網（wǎng）

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機器人激光三維掃描技術在殼體自動測量中的應用（yòng）

2017-3-27 來源：首都（dōu）航天機械公（gōng）司作者：陶京新，劉大亮，胡文剛，劉（liú）偉，黃紹宇

摘要（yào）：介紹了一種基於機器人的三維自動掃描測（cè）量方法，及其（qí）在殼體產品（pǐn）自動測量中的應用。通過DELMIA/Robotics模塊對機器人運動軌跡的路徑規劃和離線編程，生成用於執行光學三維掃描的（de）自動測量程序。仿真環境（jìng）真實模擬了生產現場中產品、工裝、掃（sǎo）描儀器的位置信息（xī），並經現場對機器人運動（dòng）路徑調試後，與夾持在機器人末端的激（jī）光掃描儀一同完（wán）成殼體產品外（wài）形的自動掃描測量（liàng），經逆向工（gōng）程軟件Geomagic Quality完成對產品尺（chǐ）寸和形位特征的模型（xíng）比對、測量分析（xī）和報告生成工作（zuò）。結果（guǒ）表明通過機器人三維自動掃描測量方法可有效提高（gāo）產品的測量效率和質量可靠（kào）性（xìng）。

關鍵（jiàn）詞：機器人；三維掃描；自動（dòng）測（cè）量；DELMIA；仿真（zhēn）；Geomagic

0.引言

在（zài）市場競爭日（rì）益激烈的趨勢下（xià），對於生產企業的要求也越來越高，主要（yào）包括縮短新產品研發時間（T），提高產品質量（Q），降（jiàng）低生產成本（C），提供全（quán）方位的售後服務（S），即（jí）所謂的（de）TQCS要求[1]。因此（cǐ），數字化工廠在這種大背（bèi）景下應運而生，數字化（huà）工（gōng）廠技術是通過綜合利用計算機輔助圖形技術和仿真技（jì）術代替傳統（tǒng）憑借手工和經（jīng）驗的工作方式（shì），在這基礎上進行產品的建模、生產、測量和評價，從而縮短研究和生（shēng）產的準備周期，降低人力（lì）成本和投資風險[2]。目前，檢（jiǎn）驗檢測（cè）技術是質量控製過（guò）程中的重要環節，常用（yòng）的數（shù）字化檢測方式可按接觸式和非接觸式分為兩大類，接觸式包（bāo）括以三坐標測量機（CMM）為代表的觸發式數據采集方式，這是目前廣泛應用的一（yī）種測量設備；而非接觸式包括激光三角測量法、激光測距法、結構（gòu）光法，工業CT等。相較於接觸式，非接觸式測量方式具有（yǒu）快（kuài）速直觀獲取產品三維數（shù）據的優點，已（yǐ）成為今後測量（liàng）技術（shù）發展的趨勢（shì）[3]。

本文以殼體產品為研究對象，殼體產品半封閉結構（gòu）模（mó）型（xíng）如圖1所示，通（tōng）常的檢驗測量方式（shì）是依靠三坐標測量機以及人工（gōng）手動檢驗方式完成，耗（hào）時耗力且對人員經驗有一定要求。本文針對殼體（tǐ）類產品尺寸的批（pī）量測量需求，設計了一套基於機器人的三維自動掃描測量（liàng）係統。該係統在所建立的測量場下，可以自動快速獲取殼（ké）體需要測量部位（wèi）的三維數據，並在（zài）軟件中對其進行分析計算，並生（shēng）成測量報告，有效縮短了測量時間（jiān），提高了測量效（xiào）率。

圖1 殼（ké）體產品半封閉結構模型

1.機器人激光（guāng）三維掃描係統介紹

機器人激光三維掃描係統主要由六軸機器人（rén）、雙目光學跟蹤儀、激光（guāng）掃描儀、變位機（jī）構和其他掃描輔助配件（jiàn）組成，如圖（tú）2所示（shì）。將（jiāng）激光掃描儀固定在機器人末端執行自動掃（sǎo）描工作（zuò），雙目光學跟蹤儀架設在機器人和變位機構前方，通過儀器上左右平行對齊的兩台攝像機，通過三角（jiǎo）測量的方法（fǎ）將激光掃描儀匹配點視差情況轉變為深度，從而實時獲取其位置信息[5,6]。

本文使（shǐ）用DELMIA仿真軟（ruǎn）件對（duì）機器人進行路（lù）徑規劃（huá）和離線（xiàn）編程，之後現場控製機器人修正和執行程序，通過激光掃描儀對產品外形進行快速自動掃（sǎo）描，實時獲取點雲數據並傳（chuán）入計算機。掃描結束後使用Geomagic Qualify軟件對點雲數據處理和分析，包括2D/3D比較、特征比較、形位（wèi）分析等，並按實際需求自動生（shēng）成測量報（bào）告。

2.機器人運動路（lù）徑規劃仿真

機器人（rén）的（de）運動軌（guǐ）跡程序通過 DELMIA 軟（ruǎn）件的（de）Robotics 模塊離線（xiàn）生成。在離（lí）線編程之前，需要（yào）在“Device Building”工作台之下建立2個坐標係（xì），分別是Base坐標係和Tool坐標係。Base坐標係用於（yú）確定機器人的位姿關係，Tool坐標（biāo）係用於測量時確定激光掃描儀位置坐標。將機器人、產品、轉位機構、工作平台以及工裝的CAD模型導入DELMIA的“Device Task Definition”模（mó）塊下，使用“Position Toolbar”完成模擬裝配的功能，模裝（zhuāng）位置與測量（liàng）係統儀器擺（bǎi）放位置實際情況應相同。

圖2 機器人掃描測量係統

確認無誤後（hòu）保存（cún）初始位置並點擊“new tag at TCP”功能，根據殼體產品的外形特（tè）征，重點關注其孔類、槽類及空間狹窄等位（wèi）置特征，控製機器人末端的激光掃描儀行走位（wèi）置，生成路徑結點tag，DELMIA軟件會自動存儲tag點並生成列表。在建立tag點時需要考慮機器人的可達域，視覺傳感器（qì）的（de）視場範圍（wéi）等因素。在此過程中，可以通過Jog對（duì）話框實時地查看機器人各（gè）個關節的運（yùn）動情況，並可以查看各關節的運動是否超出工作範圍，還可以隨時調整各個關節的轉角，DELMIA中機器人路徑控製如圖3所示[4]。

圖3 DELMIA中機器人（rén）路徑（jìng）控製

利（lì）用“New Tag at TCP”方式，將所有路徑結點添加（jiā）到（dào）點群之後，單擊“New Task”新建一個任務，然後將（jiāng）之前建立的點群添加到任（rèn）務中。單擊“Teach a d e v i c e ” ，將（jiāng）任務與機器人關聯（lián）起來。可以利用“Reach”命（mìng）令來檢測視覺傳感器是否到達（dá）預期的測量區域，根據檢測情況調整對應的路徑結點，通過“Tag Transformation”調整（zhěng）結點位置和“Modify Tags Orientation”調整結點（diǎn）姿態。用“MT Jog a device”查看各個路徑結點對應的各關節的運動情況，檢測各關節是否超出工作範圍。如果超出，要（yào）進一步調整，直到其在工作範圍之內。最後，利用“Robot Task Simulation”進行仿真，可以直觀地看到測量機器人對工件進行動態（tài）測（cè）量的整（zhěng）個過程。確認機器人運動路徑可行無誤後（hòu），點擊“create robot program”生成離線編程語言。

3.三維掃描測量原理

NDI公司V5激光三維掃描儀采用三角（jiǎo）法測量原理，其原理示（shì）意圖（tú）如圖4所（suǒ）示，由掃描儀（yí）中半導體激光器經聚光透鏡將一條激光光束照射在被測工件表麵上，形成一個（gè）光（guāng）斑，並通過成像透鏡反射成像在光電檢測器上。測量平麵處於不同位置時，光電檢測器上（shàng）的成像位（wèi）置（zhì）隨反射光斑的位置變化而變化。測量平（píng）麵反（fǎn）射光斑位移位（wèi）置變（biàn）化可根據相似三角形關係確定，計算方（fāng）法如式(1)[3]所示。

圖4 激光三角法測量原理

若光電檢測器上成像位移為x'，則測量平麵上反射光斑位移 x ：

式中，a是反射光斑到成像透鏡的距離；b是成像透鏡到光電（diàn）檢（jiǎn）測器成像麵之間的距離（lí）；θ為激光光束與成像透鏡光軸之間的夾角（jiǎo）。V5激光掃描儀采用線光源入射光測量方式，被夾持在機器人（rén）末（mò）端對殼體產品內外形進行掃描。殼體三維掃描工作需（xū）要根據實際產品（pǐn）情況、外形特征特點以及機器人限位（wèi）限製，利用（yòng）轉位機構進行配合，此時需在轉位機構平台上放置多目標裝置（Multi-Target Device）和動態過（guò）程標示點（DPR Target），以建（jiàn）立坐標係並自動拚接掃描點雲（yún）數據。

4.殼（ké）體產品自動測量應用（yòng）

通過工裝（zhuāng）定位待測殼體產品，利用調用編譯的自動（dòng）測量測序實現殼體產品內外形的（de）快速自（zì）動掃描測（cè）量，並實時存儲掃（sǎo）描數（shù）據。掃描數據初期是以（yǐ）點雲形式存在，經封裝處理後，產品數據從（cóng）點對象轉化為三角形對象，即STL格式文件，如圖5所示。

圖（tú）5 殼體數據三角（jiǎo）形（xíng）對象（xiàng）

之後便（biàn）可以進行創（chuàng）建（jiàn）特征、對齊、二維（2D）和三維（3D）數模對比對和尺寸評估工作。創建特征可以在參考對象和測試對（duì）象上建立點、直線、圓、槽（cáo）、平麵、球、圓柱體等特（tè）征，為後續操作（zuò）提供參考。對齊是將點雲數據與CAD模型統一到同一個坐標係下。對齊後，將實際（jì）產品掃描多邊化數據與理論CAD模型進（jìn）行2D和3D比較（jiào）。3D比較可以實（shí）現產品的3D分（fèn）析和幾何公差（GD&T）分析，最終以三維彩（cǎi）色偏差圖模（mó）型的形式反映出（chū）產品各部分的超差情況，如圖6所示。幾何公差（chà）（GD&T）分析可以（yǐ）對（duì）包括平麵度、圓柱度（dù）以及垂直度在內的9種形位進行創建並評估。2D分析是通過截取產品截麵從二維平麵來進一步分析截麵某一處的超差情況。以上的所（suǒ）有步驟結果都在（zài）自動生成的報告中（zhōng）呈現。當產（chǎn）品需（xū）要批量化檢測時，可使用Geomagic Qualify“批處理”功能，快速執行之前已經固化（huà）的自動測量程序。

圖6 殼體數據3D比較（jiào）

利用殼體的掃描測量數據，並根據JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》中的要求，對機器人掃描檢測係統的測（cè）量不確定度進（jìn）行了（le）評（píng）定。機器人掃描檢測係統測量不確定度的主要來源：1）測（cè）量（liàng）的重複性；2）便攜式三維掃描儀測量係統的不（bú）準（zhǔn）確。經（jīng）計算，機器人掃描檢測係統在1.5m～4.5m測量距離範圍內擴展不確定（dìng）度為U≤0.10mm。

5.結論

本文通過對機器人三維自動掃描測量方（fāng）法的研（yán）究，實現了殼體產品的自動掃描測量應用。研究表明，機器人自動掃（sǎo）描檢測係統的測量不確定度≤0.10mm。此外，利用機器人代替手工檢測，不但可以降低勞動強度，提升檢測效（xiào）率，而且易於實現規範化檢（jiǎn）測，避（bì）免了檢測結果因人而異、重（chóng）複（fù）性差等負麵影（yǐng）響，提升了產品的檢（jiǎn）測質量。

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