機器人激光三維掃描技術在殼體自動測量中的應用

陶京新，劉大亮，胡文剛，劉 偉，黃紹宇

（首都航天機械公司，北京 100076）

機器人激光三維掃描技術在殼體自動測量中的應用

陶京新，劉大亮，胡文剛，劉 偉，黃紹宇

（首都航天機械公司，北京 100076）

介紹了一種基于機器人的三維自動掃描測量方法，及其在殼體產(chǎn)品自動測量中的應用。通過DELMIA/Robotics模塊對機器人運動軌跡的路徑規(guī)劃和離線編程，生成用于執(zhí)行光學三維掃描的自動測量程序。仿真環(huán)境真實模擬了生產(chǎn)現(xiàn)場中產(chǎn)品、工裝、掃描儀器的位置信息，并經(jīng)現(xiàn)場對機器人運動路徑調(diào)試后，與夾持在機器人末端的激光掃描儀一同完成殼體產(chǎn)品外形的自動掃描測量，經(jīng)逆向工程軟件Geomagic Quality完成對產(chǎn)品尺寸和形位特征的模型比對、測量分析和報告生成工作。結果表明通過機器人三維自動掃描測量方法可有效提高產(chǎn)品的測量效率和質(zhì)量可靠性。

機器人；三維掃描；自動測量；DELMIA；仿真；Geomagic

0 引言

在市場競爭日益激烈的趨勢下，對于生產(chǎn)企業(yè)的要求也越來越高，主要包括縮短新產(chǎn)品研發(fā)時間（T），提高產(chǎn)品質(zhì)量（Q），降低生產(chǎn)成本（C），提供全方位的售后服務（S），即所謂的TQCS要求[1]。因此，數(shù)字化工廠在這種大背景下應運而生，數(shù)字化工廠技術是通過綜合利用計算機輔助圖形技術和仿真技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)憑借手工和經(jīng)驗的工作方式，在這基礎上進行產(chǎn)品的建模、生產(chǎn)、測量和評價，從而縮短研究和生產(chǎn)的準備周期，降低人力成本和投資風險[2]。目前，檢驗檢測技術是質(zhì)量控制過程中的重要環(huán)節(jié)，常用的數(shù)字化檢測方式可按接觸式和非接觸式分為兩大類，接觸式包括以三坐標測量機（CMM）為代表的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方式，這是目前廣泛應用的一種測量設備；而非接觸式包括激光三角測量法、激光測距法、結構光法，工業(yè)CT等。相較于接觸式，非接觸式測量方式具有快速直觀獲取產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的優(yōu)點，已成為今后測量技術發(fā)展的趨勢[3]。

本文以殼體產(chǎn)品為研究對象，殼體產(chǎn)品半封閉結構模型如圖1所示，通常的檢驗測量方式是依靠三坐標測量機以及人工手動檢驗方式完成，耗時耗力且對人員經(jīng)驗有一定要求。本文針對殼體類產(chǎn)品尺寸的批量測量需求，設計了一套基于機器人的三維自動掃描測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在所建立的測量場下，可以自動快速獲取殼體需要測量部位的三維數(shù)據(jù)，并在軟件中對其進行分析計算，并生成測量報告，有效縮短了測量時間，提高了測量效率。

圖1 殼體產(chǎn)品半封閉結構模型

1 機器人激光三維掃描系統(tǒng)介紹

機器人激光三維掃描系統(tǒng)主要由六軸機器人、雙目光學跟蹤儀、激光掃描儀、變位機構和其他掃描輔助配件組成，如圖2所示。將激光掃描儀固定在機器人末端執(zhí)行自動掃描工作，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臺攝像機，通過三角測量的方法將激光掃描儀匹配點視差情況轉變?yōu)樯疃?，從而實時獲取其位置信息[5,6]。

圖2 機器人掃描測量系統(tǒng)

本文使用DELMIA仿真軟件對機器人進行路徑規(guī)劃和離線編程，之后現(xiàn)場控制機器人修正和執(zhí)行程序，通過激光掃描儀對產(chǎn)品外形進行快速自動掃描，實時獲取點云數(shù)據(jù)并傳入計算機。掃描結束后使用Geomagic Qualify軟件對點云數(shù)據(jù)處理和分析，包括2D/3D比較、特征比較、形位分析等，并按實際需求自動生成測量報告。

2 機器人運動路徑規(guī)劃仿真

機器人的運動軌跡程序通過DELMIA軟件的Robotics模塊離線生成。在離線編程之前，需要在“Device Building”工作臺之下建立2個坐標系，分別是Base坐標系和Tool坐標系。Base坐標系用于確定機器人的位姿關系，Tool坐標系用于測量時確定激光掃描儀位置坐標。

將機器人、產(chǎn)品、轉位機構、工作平臺以及工裝的CAD模型導入DELMIA的“Device Task Definition”模塊下，使用“Position Toolbar”完成模擬裝配的功能，模裝位置與測量系統(tǒng)儀器擺放位置實際情況應相同，確認無誤后保存初始位置并點擊“new tag at TCP”功能，根據(jù)殼體產(chǎn)品的外形特征，重點關注其孔類、槽類及空間狹窄等位置特征，控制機器人末端的激光掃描儀行走位置，生成路徑結點tag，DELMIA軟件會自動存儲tag點并生成列表。在建立tag點時需要考慮機器人的可達域，視覺傳感器的視場范圍等因素。在此過程中，可以通過Jog對話框實時地查看機器人各個關節(jié)的運動情況，并可以查看各關節(jié)的運動是否超出工作范圍，還可以隨時調(diào)整各個關節(jié)的轉角，DELMIA中機器人路徑控制如圖3所示[4]。

圖3 DELMIA中機器人路徑控制

利用“New Tag at TCP”方式，將所有路徑結點添加到點群之后，單擊“New Task”新建一個任務，然后將之前建立的點群添加到任務中。單擊“Teach a device”，將任務與機器人關聯(lián)起來?？梢岳谩癛each”命令來檢測視覺傳感器是否到達預期的測量區(qū)域，根據(jù)檢測情況調(diào)整對應的路徑結點，通過“Tag Transformation”調(diào)整結點位置和“Modify Tags Orientation”調(diào)整結點姿態(tài)。用“MT Jog a device”查看各個路徑結點對應的各關節(jié)的運動情況，檢測各關節(jié)是否超出工作范圍。如果超出，要進一步調(diào)整，直到其在工作范圍之內(nèi)。

最后，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)測量的整個過程。確認機器人運動路徑可行無誤后，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法測量原理，其原理示意圖如圖4所示，由掃描儀中半導體激光器經(jīng)聚光透鏡將一條激光光束照射在被測工件表面上，形成一個光斑，并通過成像透鏡反射成像在光電檢測器上。測量平面處于不同位置時，光電檢測器上的成像位置隨反射光斑的位置變化而變化。測量平面反射光斑位移位置變化可根據(jù)相似三角形關系確定，計算方法如式(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'，則測量平面上反射光斑位移x：

式中，a是反射光斑到成像透鏡的距離；b是成像透鏡到光電檢測器成像面之間的距離；θ為激光光束與成像透鏡光軸之間的夾角。

V5激光掃描儀采用線光源入射光測量方式，被夾持在機器人末端對殼體產(chǎn)品內(nèi)外形進行掃描。殼體三維掃描工作需要根據(jù)實際產(chǎn)品情況、外形特征特點以及機器人限位限制，利用轉位機構進行配合，此時需在轉位機構平臺上放置多目標裝置（Multi-Target Device）和動態(tài)過程標示點（DPR Target），以建立坐標系并自動拼接掃描點云數(shù)據(jù)。

4 殼體產(chǎn)品自動測量應用

通過工裝定位待測殼體產(chǎn)品，利用調(diào)用編譯的自動測量測序實現(xiàn)殼體產(chǎn)品內(nèi)外形的快速自動掃描測量，并實時存儲掃描數(shù)據(jù)。掃描數(shù)據(jù)初期是以點云形式存在，經(jīng)封裝處理后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)從點對象轉化為三角形對象，即STL格式文件，如圖5所示。

圖5 殼體數(shù)據(jù)三角形對象

之后便可以進行創(chuàng)建特征、對齊、二維（2D）和三維（3D）數(shù)模對比對和尺寸評估工作。創(chuàng)建特征可以在參考對象和測試對象上建立點、直線、圓、槽、平面、球、圓柱體等特征，為后續(xù)操作提供參考。對齊是將點云數(shù)據(jù)與CAD模型統(tǒng)一到同一個坐標系下。對齊后，將實際產(chǎn)品掃描多邊化數(shù)據(jù)與理論CAD模型進行2D和3D比較。3D比較可以實現(xiàn)產(chǎn)品的3D分析和幾何公差（GD&T）分析，最終以三維彩色偏差圖模型的形式反映出產(chǎn)品各部分的超差情況，如圖6所示。幾何公差（GD&T）分析可以對包括平面度、圓柱度以及垂直度在內(nèi)的9種形位進行創(chuàng)建并評估。2D分析是通過截取產(chǎn)品截面從二維平面來進一步分析截面某一處的超差情況。以上的所有步驟結果都在自動生成的報告中呈現(xiàn)。當產(chǎn)品需要批量化檢測時，可使用Geomagic Qualify“批處理”功能，快速執(zhí)行之前已經(jīng)固化的自動測量程序。

圖6 殼體數(shù)據(jù)3D比較

利用殼體的掃描測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》中的要求，對機器人掃描檢測系統(tǒng)的測量不確定度進行了評定。機器人掃描檢測系統(tǒng)測量不確定度的主要來源：1）測量的重復性；2）便攜式三維掃描儀測量系統(tǒng)的不準確。經(jīng)計算，機器人掃描檢測系統(tǒng)在1.5m～4.5m測量距離范圍內(nèi)擴展不確定度為U≤0.10mm。

5 結論

本文通過對機器人三維自動掃描測量方法的研究，實現(xiàn)了殼體產(chǎn)品的自動掃描測量應用。研究表明，機器人自動掃描檢測系統(tǒng)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，提升檢測效率，而且易于實現(xiàn)規(guī)范化檢測，避免了檢測結果因人而異、重復性差等負面影響，提升了產(chǎn)品的檢測質(zhì)量。

[1] 肖田元,鄭會永,等.虛擬制造體系結構研究[J].計算機集成制造系-CIMS,1992(2):34-38.

[2] 馬增輝.轎車后輪罩總成焊接機器人工作站規(guī)劃及仿真[D].吉林大學,2012.

[3] 金濤,童永光,等.逆向工程技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.8.

[4] 龐旭旻.基于GA及DELMIA的白車身焊接機器人三維路徑規(guī)劃的研究[D].同濟大學.2009.

[5] CHEN C L,TAI C L,LIO Y F. Visual binocular vision systems to solid model reconstruction[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,35(3-4):379-84.

[6] 佟帥,徐曉剛,等.基于視覺的三維重建技術綜述[J].計算機應用研究.2011(7).

圖9 內(nèi)圈外表面接觸壓力隨路徑變化曲線

如圖10所示為基座內(nèi)表面從上至下的應力變化曲線，從圖中可以看出基座內(nèi)表面應力從上至下先呈拋物線狀，在下端急劇增加然后減小，而變化規(guī)律隨過盈量的增加基本呈線性增長。

4 結論

本文應用有限元軟件ABAQUS對三種過盈量0.05mm、0.07mm及0.1mm的裝配過程進行了模擬，得出配合面之間的應力及接觸壓力云圖和變化曲線與過盈量的關系，從分析結果可知，配合面之間的應力及接觸壓力隨過盈量的增加基本呈線性增加。

圖10 基座內(nèi)表面應力隨路徑變化曲線

參考文獻：

[1] 魏延剛,等.過盈配合接觸邊緣效應與應力集中[J].大連鐵道學院學報,2003,24,(3):20-23.

[2] 趙華,尹輝.各種柱筒與軸的過盈配合分析[J].石油機械,1998,26 (2):7-10.

[3] 陳立德.機械設計基礎課程設計指導書[M].北京:高等教育出版社,2000.

[4] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].1版.北京:機械工業(yè)出版社,2007:150-159.

[5] 材料力學[M].北京:高等教育出版社,1995.

Application of robot laser 3D scanning technology in automatic measurement of shell

TAO Jing-xin, LIU Da-liang, HU Wen-gang, LIU Wei, HUANG Shao-yu

TP242

：B

1009-0134(2017)01-0076-03

2016-08-24

陶京新（1989 -），男，助理工程師，碩士，主要從事三維掃描測量工作。