基于機器人的拋物面天線自動檢測技術(shù)研究

蔡子慧 楊 純 郭 慶 倪愛晶 趙 婕 于望竹

基于機器人的拋物面天線自動檢測技術(shù)研究

蔡子慧 楊 純 郭 慶 倪愛晶 趙 婕 于望竹

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

針對高精度拋物面天線快速測量的難題，提出了基于機器人的三維自動掃描測量方法。通過robotmaster軟件對機器人運動軌跡進行路徑規(guī)劃和離線編程，生成用于天線三維掃描的自動測量程序，并在現(xiàn)場經(jīng)過對機器人運動路徑調(diào)試后，驅(qū)動集成夾持在機器人末端的三維光學(xué)掃描儀完成天線表面的自動掃描測量。利用ATOS Professional測量軟件對實際掃描數(shù)據(jù)與理論三維模型比對，分析產(chǎn)品的尺寸和形狀偏差，并將測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量結(jié)果比對驗證。結(jié)果表明，通過這種基于機器人與三維掃描集成的新測量系統(tǒng)對天線自動測量，可有效提高天線產(chǎn)品的測量效率和質(zhì)量可靠性，可在一定程度上擴大天線面型測量范圍，具有較大應(yīng)用價值，為提高復(fù)合材料拋物面天線制造效率和精度奠定了基礎(chǔ)。

機器人；三維掃描；自動測量；天線

1 引言

天線系統(tǒng)是軍用衛(wèi)星信息交換的重要載荷，寬帶、高速數(shù)傳、強抗干擾和一星多幅是國內(nèi)軍用衛(wèi)星天線系統(tǒng)重要發(fā)展方向之一。拋物面天線是衛(wèi)星天線的重要結(jié)構(gòu)形式，為了保證其信息傳輸?shù)木珳?zhǔn)度，天線面型精度是影響其工作性能的重要指標(biāo)參數(shù)，目前此類天線主要是利用復(fù)合材料制造而成，因此在制造過程中需要嚴(yán)格地控制拋物面天線的面型精度。隨著通信容量或通信抗干擾能力使用要求的不斷提高，天線口徑也逐步增大，口徑從以往的700～900mm，提高到900～1500mm，相應(yīng)地增加了高精度天線的制造及檢測難度。

本文首先結(jié)合天線模型分析天線面型測量的需求，給出了針對天線自動化測量的必要性；然后對比分析了兩種天線的測量實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點，指出這兩種方法均無法適用于高效率自動化測量的要求；隨后提出一種新的自動化測量技術(shù)，目的在于在精度滿足測量要求的前提下提高測量效率，結(jié)合實際產(chǎn)品指標(biāo)給出了實測測量數(shù)據(jù)，測量結(jié)果表明利用該技術(shù)能夠達(dá)到理想的測量效果。

2 天線測量需求分析

天線型面精度的表達(dá)指標(biāo)形式通常有PV值和RMS值。PV值對應(yīng)的是表面波面峰值和谷值之間的差值，表征的是表面高低點的狀態(tài)。RMS值是表面各點偏差的平均統(tǒng)計量，表征的是平均誤差，能較為全面地反映天線表面制造精度的整體情況。型面精度PV值及RMS值計算的核心算法是非線性最優(yōu)化算法，非線性最優(yōu)化算法的作用是使實測點云與理論模型達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 天線測量數(shù)據(jù)處理流程

實際測量過程中，拋物面面型精度檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性一般會受檢測環(huán)境、儀器精度、檢測方法等三大因素的影響。環(huán)境一般可以控制在檢測要求的條件下，儀器精度一般按照1/3～1/10的原則選擇，對于拋物面型面的檢測方法，檢測點的數(shù)量和分布尤為重要，檢測點的數(shù)量是反映表面特征全面性的指標(biāo)，避免表面漏檢的點，檢測點的分布形式是保證在制造各個檢測環(huán)節(jié)過程中都按照統(tǒng)一的分布檢測，是檢測重復(fù)性的重要保證。檢測點數(shù)量的設(shè)置與分布也需同時兼顧檢測精度和效率，所以需建立測點布局與型面精度關(guān)系的優(yōu)化模型。通常以型面精度的測量不確定度為目標(biāo)建立優(yōu)化模型，以測量不確定度最小為優(yōu)化目標(biāo)進行優(yōu)化計算，獲得最優(yōu)測點布局，但是這種分析方法需要設(shè)定大量的實驗以驗證測點數(shù)量、測點分布、均勻性等條件改變時，樣件型面精度RMS值及PV值的變化，因此需要采用自動化的全點云數(shù)據(jù)獲取的測量方式，既能避免測點布局又能滿足產(chǎn)品尺寸不斷變大的測量需求。

3 常規(guī)天線測量方法分析

3.1 三坐標(biāo)測量技術(shù)

根據(jù)天線外形及其面型的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)置合理的裝夾方法，將天線放置在三座標(biāo)的有效測量空間內(nèi)，測量前在軟件中導(dǎo)入天線的CAD模型，按照優(yōu)化后的測量數(shù)量和分布在模型上進行測點和路徑規(guī)劃，自動生成測量點和測量路徑程序，運用接觸掃描的方式自動高速測量采集數(shù)據(jù)，可以獲取天線表面點的三維坐標(biāo)。數(shù)據(jù)采集后將采集的表面點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以IGS的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入到專用的分析軟件中，通過數(shù)學(xué)運算，能將測量數(shù)據(jù)方便地與CAD模型上的理論點匹配對比、計算RMS 值。這種基于三維模型的三坐標(biāo)測量技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于中小型曲面精度的測量中。

此方法存在以下的不足：

a. 測量效率低

采用編程后自動采點測量模式測量500mm口徑拋物面天線，在采樣點間距5mm情況下，測量時間約為4h，1000mm口徑拋物面天線，在采樣點間距5mm情況下，測量時間約為10h，其測量時間隨著產(chǎn)品尺寸的變大成正比地增加。

b. 測量量程固定

圖2 天線固定在三坐標(biāo)測量機中測量

三坐標(biāo)測量范圍固定，圖2為軸1200mm、軸1500mm、軸 1000mm的三坐標(biāo)測量機，則最大測量口徑為1200mm的天線，如若天線產(chǎn)品尺寸變大則無法測量，增大測量范圍則需購置大型龍門式三坐標(biāo)測量機，成本較高。

綜上，三坐標(biāo)測量技術(shù)不適用于口徑大于1200mm的天線產(chǎn)品測量。

3.2 攝影測量技術(shù)

攝影測量技術(shù)是基于圖像處理原理，采用一臺或多臺高精度的數(shù)字相機對待測物體拍照后對圖像進行處理[1]。攝影測量屬于合作目標(biāo)測量，因此需按圖3所示，測量前需要在工件的表面按照檢測點的數(shù)量和分布要求粘貼攝影測量標(biāo)志點，測量時需要按照攝影測量約為2h的最佳拍攝距離，并按照最佳入射角約為45°的要求從不同的方位拍攝。拍攝后的圖片可基于圖像特征的自動提取與標(biāo)志中心的自動定位對像點進行自動匹配、自動拼接和光束法平差計算，解算相機位置、姿態(tài)以及標(biāo)志點的三維坐標(biāo)；最后利用特征標(biāo)志點的三維坐標(biāo)進行一系列幾何分析與計算[2]。

圖3 在天線反射面上粘貼的標(biāo)志點

該方案存在的不足之處在于：

a. 標(biāo)志點粘貼消耗大

從上述方案可以看出，粘貼測量標(biāo)志點是采用攝影測量方式的首要步驟。以口徑為1000mm的天線為例，測量點間隔要求為10mm，則大約需要7850個點，標(biāo)志點單價昂貴測量費用高，并且粘貼與后續(xù)表面處理的難度也較大。后續(xù)隨著天線的口徑增大，粘貼的難度更大耗材消耗更多。

b. 標(biāo)志點容易凸起

標(biāo)志點的制作需要綜合考慮粘貼的黏度及后續(xù)產(chǎn)品表面膠的處理，所以如圖3所示的長條型的標(biāo)志點粘貼后容易凸起且長條邊緣容易翹起，拍攝后得到的并非產(chǎn)品的真實表面，導(dǎo)致測得的天線RMS值偏大。

綜上，利用攝影測量對天線進行測量存在測量效率低、測量精度不穩(wěn)定的問題。

4 一種新穎的天線自動測量技術(shù)

4.1 方案介紹

結(jié)合以往其它測量方法存在的一些問題和大口徑天線自動測量的需求，構(gòu)建了一種基于機器人的雙目視覺掃描檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由六自由度機器人、ATOS高精度藍(lán)光掃描儀、全向智能移動平臺、控制器、供配電系統(tǒng)、測量工作站和其他掃描輔助配件組成，如圖4所示。將掃描機器人固定在全向移動平臺上，測量工作開始前將移動平臺移至被測件最佳拍攝距離處，導(dǎo)入天線模型進入工作站[3]，采用robotmaster軟件對機器人運動軌跡進行路徑規(guī)劃和離線編程，生成用于執(zhí)行三維掃描的天線自動測量程序，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三維光學(xué)掃描儀一同完成天線產(chǎn)品外形的自動掃描測量。掃描結(jié)束后使用ATOS Professional測量軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，通過解算程序不僅實現(xiàn)常規(guī)尺寸、位置、形狀偏差的分析，同時也可以完成與數(shù)模的2D或3D比較，并按實際需求自動生成測量報告。機器人與三維掃描系統(tǒng)組合實現(xiàn)圖如圖4所示。

圖4 機器人與三維掃描系統(tǒng)組合圖

本方案具有以下優(yōu)點：

a. 系統(tǒng)實現(xiàn)簡單且自動化程度高

利用檢測方案可以最大程度地簡化天線測量過程，僅需基于三維模型對掃描路徑進行規(guī)劃后，即可實現(xiàn)機器人帶動三維掃描系統(tǒng)自動調(diào)整拍攝角度及姿態(tài)快速測量；測量開始后全測量過程無需人為干預(yù)，自動化程度高，滿足數(shù)字化工廠的需求。

b. 實現(xiàn)對天線產(chǎn)品模型信息的獲取

上述的三坐標(biāo)及攝影測量檢測手段只能實現(xiàn)對單個檢測數(shù)據(jù)的獲取，一般只是應(yīng)用在天線產(chǎn)品合格判斷上，在后續(xù)檢測數(shù)據(jù)分析利用、后續(xù)對產(chǎn)品的檢測數(shù)據(jù)追溯、后續(xù)對產(chǎn)品的增加檢測項目等無法實現(xiàn)。此檢測方案可以獲取完整產(chǎn)品模型信息，實現(xiàn)基于CAD模型格式的存儲，滿足天線研制全生命周期中的該產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)的利用。

c. 該方案具有普遍適用性

該檢測方案不僅適用于天線曲面測量應(yīng)用場合，更可將其推廣到其他曲面產(chǎn)品應(yīng)用場合，無論大型艙體壁板，還是類似于神舟座椅復(fù)雜曲面，均能起到理想的快速檢測效果。

4.2 檢測過程

4.2.1 檢測路徑規(guī)劃

將天線的CAD模型導(dǎo)入到測量軟件中，利用路徑規(guī)劃的功能依次對CAD模型的檢測信息的識別與提取、檢測對象測點數(shù)量與分布規(guī)劃、測量覆蓋性仿真分析、測量場分析、測量過程仿真[4]。具體路徑規(guī)劃流程如圖5所示，在虛擬環(huán)境中加載天線CAD模型、移動機器人掃描儀、測量工裝等虛擬現(xiàn)場環(huán)境要素，對其在測量過程中的檢測站位和路徑進行最佳空間位置、角度規(guī)劃優(yōu)化仿真，以滿足全局環(huán)境下檢測覆蓋性和精度的要求，通過對產(chǎn)品模型的檢測元素進行規(guī)劃定義，最終形成機器人掃描檢測的程序，驅(qū)動機器人掃描系統(tǒng)對產(chǎn)品實施自動快速檢測，利用預(yù)先編制的計算處理程序，快速輸出檢測結(jié)果。

圖5 天線自動檢測流程

拋物面天線具有對稱特性，且本實驗天線是黑色的碳纖維編織，拍照距離830mm反光嚴(yán)重，但因是航天產(chǎn)品固不能噴顯影劑。ATOS三維掃描儀在與被拍攝物表面成30°時掃描效果最好，因此路徑規(guī)劃時測量儀器與天線面型成30°。天線口徑為500mm，沿著天線的口徑方向?qū)⑻炀€分為上中下三層，每次拍照覆蓋角度為15°，整個圓周上拍20張，共拍照60張。

4.2.2 應(yīng)用情況

利用專用的測量工裝將天線進行定位，通過預(yù)先編制的機器人測量程序利用基于機器人的雙目視覺掃描測量系統(tǒng)對某口徑為500mm，型面精度RMS值要求為0.1mm的拋物面天線進行快速自動掃描測量，并將掃描數(shù)據(jù)實時存儲。具體檢測流程如圖6所示。

圖6 天線檢測流程

圖7 檢測實施過程圖

機器人末端雙目視覺掃描系統(tǒng)采用500mm的鏡頭，選用5～8個3mm的掃描拼接參考點粘貼在天線表面。由于天線表面反光嚴(yán)重，固需要選擇測量曝光時間，用鼠標(biāo)在測量區(qū)域滑動調(diào)節(jié)曝光時間，直至圖中工件曝光“亮而不紅”；選擇參考點曝光時間，用鼠標(biāo)在測量區(qū)域滑動調(diào)節(jié)曝光時間[5]，直至圖中大部分點合適，沒有出現(xiàn)曝光過度。設(shè)置參數(shù)后啟動機器人自動掃描，如圖7為掃描實施圖片及掃描完效果圖。掃描完畢進行剪切多余物和多邊化計算，選天線上特征孔中間3個點進行3點初步對齊，選擇局部最佳擬合作主要對齊，對其后出比對結(jié)果。貼點時間為30min，機器人掃描測量時間為10min左右，數(shù)據(jù)處理時間為20min，整個天線產(chǎn)品采用此方法時間總計為1h。

4.2.3 檢測結(jié)果驗證

使用三坐標(biāo)對此天線產(chǎn)品進行編程自動測量，采點間距為3mm，測點總數(shù)為8385個點，測量時間為6h，經(jīng)分析三坐標(biāo)檢測的結(jié)果RMS值為0.01mm。ATOS三維掃描儀對其整個面型掃描獲取的點數(shù)為171229，將三坐標(biāo)測量點導(dǎo)出為igs格式，再將igs格式的點云導(dǎo)入到掃描軟件中作為理論模型，掃描數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)點云進行擬合。然后再進行自動誤差分析，最后生成誤差報告。分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 與三坐標(biāo)結(jié)果對比驗證圖

由圖8的統(tǒng)計結(jié)果可知，偏差范圍為±0.05mm的點數(shù)為98%，偏差范圍為±0.0583mm的點數(shù)為1.9%，平均偏差為0.01mm；最大偏差點位0.8467mm及-0.0984mm（這種點從儀器上看偏離明顯是因為光線原因?qū)е碌姆垂恻c，可以直接剔除），RMS為0.0174mm。由此，根據(jù)分析結(jié)果可得，采用機器人掃描儀自動測量口徑為500mm的天線與三坐標(biāo)測量結(jié)果RMS偏差為0.0074mm，精度與三坐標(biāo)測量機基本一致，RMS精度優(yōu)于0.02mm，滿足天線面型精度RMS值為0.1mm的要求。

4.2.4 試驗總結(jié)

通過以上試驗結(jié)果可以看出，采用本文所提出的基于機器人的天線自動檢測技術(shù)可以應(yīng)用在口徑大于500mm的天線自動檢測中，在保證測量精度的同時，測量效率具有較大的提高，在現(xiàn)場測量時具有良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語

針對天線快速檢測的需求，本文提出一種基于機器人的三維自動掃描測量方法，通過與三坐標(biāo)測量結(jié)果對比分析可得，在尺寸范圍500mm內(nèi)機器人自動掃描檢測系統(tǒng)的面型測量精度RMS優(yōu)于0.020mm。此外，利用機器人掃描代替三坐標(biāo)檢測，不但解決了采用專業(yè)分析軟件分析三坐標(biāo)測量結(jié)果導(dǎo)出的問題，測量程序的應(yīng)用不僅提高了檢測效率，同時也實現(xiàn)了檢測過程規(guī)范化，避免了檢測結(jié)果因人而異、重復(fù)性差等負(fù)面影響，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，另外，機器人檢測系統(tǒng)在移動平臺車的配合下可擴大天線面型精度的測量范圍，具有重大實用價值，為提高復(fù)合材料拋物面天線制造效率和精度奠定了基礎(chǔ)。此方法將對航天智能工藝的發(fā)展起到推動作用。根據(jù)三維掃描測量自身技術(shù)特點，后續(xù)該技術(shù)在航天智能工廠主要應(yīng)用為：

a. 空間站大型壁板框架類測量。目前對此類零件主要采用手工全尺寸檢測，一個復(fù)雜框類零件需耗時1～2d。采用機器人與ATOS掃描儀結(jié)合Tritop數(shù)碼相機組成測量系統(tǒng)僅需要3h即可完成一件1m直徑的框類工件的測量。

b. 航天三維精密直屬件測量。對于三維的無尺寸標(biāo)注的航天直屬件產(chǎn)品采用掃描測量方式進行全輪廓信息獲取后與模型比對給出偏差值。

c. 展開臂組件現(xiàn)實時跟蹤檢測功能，協(xié)助定位裝配檢測?？梢詼?zhǔn)確和實時地測量大量標(biāo)記點的動態(tài)位置坐標(biāo)。標(biāo)記點替代傳統(tǒng)的傳感器，粘貼在運動臂桿表面，通過測量零件在不同負(fù)載條件或不同運動條件下標(biāo)記點的位置，可以準(zhǔn)確計算出臂桿相應(yīng)位置的位移和變形，結(jié)果以圖形化顯示和輸出。適于測量和計算在負(fù)載條件下剛性零件的位移、物體的變形，以及零件的動態(tài)特性。

d. 大型艙體在線快速檢測。機器人三維掃描儀與激光跟蹤儀等組合集成應(yīng)用將艙體數(shù)字化模型貫穿于整個測量過程中，通過對大尺寸、高精度組合測量場構(gòu)建，基于空間點位的全局坐標(biāo)系標(biāo)定與誤差控制研究，移動機器人三維掃描檢測，三維檢測數(shù)據(jù)快速解算研究，在整個測量場中可移動掃描測量系統(tǒng)可根據(jù)實現(xiàn)規(guī)劃好的路徑自動到達(dá)測量區(qū)域，快速獲取艙體測量部位的數(shù)字化三維模型，通過測量仿真軟件自動計算出實際模型與艙體理論模型待加工部位的偏差。

在智能工廠的檢測中，用機器人與三維掃描儀組合檢測有眾多優(yōu)點。如果能將此技術(shù)合理地應(yīng)用在航天智能工廠的生產(chǎn)中，可以縮短生產(chǎn)周期，使整個開發(fā)過程更順暢，并為建立航天智能制造體系起到積極示范作用。

1 黃桂平，欽桂勤，盧成靜．?dāng)?shù)字近景攝影大尺寸三坐標(biāo)測量系統(tǒng)V-STARS的測試與應(yīng)用[J]. 宇航計測技術(shù)，2009，29(2)：6～12

2 原玉磊，駱亞波，鄭勇．三維激光掃描儀在拋物面天線測量中的應(yīng)用研究[J]. 測繪通報，2012(2)：48～52

3 周士侃，婁臻亮，劉冰，等. 反向工程中的光柵掃描技術(shù)[J]. 工具技術(shù)，2004，38(l0)：69～71

4 陶京新，劉大亮，胡文剛，等. 機器人激光三維掃描技術(shù)在殼體自動測量中的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化，2017，39(1)：76～79

5 齊立哲，湯青，贠超，等. 機器人三維激光掃描視覺系統(tǒng)標(biāo)定誤差[J]. 機械工程學(xué)報，2011，47(13)：9～15

Research on Automatic Measurement Technology of Parabolic Antenna Based on Robot

Cai Zihui Yang Chun Guo Qing Ni Aijing Zhao Jie Yu Wangzhu

(Beijing Spacecrafts，Beijing 100094)

Aiming at the fast measurement problem of high precision parabolic antenna, a new 3D measurement method based on the robot was proposed. The working path could be planned and the off-line program for the trajectory could be made by the software named robotmaster, and then the 3D scanning automatic measurement program of antenna could be generated. After debugging the robot trajectory on the scene, the automatic scanning of the antenna surface could be measured by the robot with a 3D optical scanner at its end. Comparing the actual data with the theoretical model, the size and shape deviation of the parabolic antenna could be got by the software named ATOS Professional. By comparing the results obtained from CMM, it has been proven that the reliability and efficiency were highly increased and the measuring range was enlarged to a certain extent by the new measurement system integrating the 3D scanner and the robot. It shows that the new measurement system has great application value and it provides bases for the manufacturing efficiency and precision of composite parabolic antenna.

robot；3D scanning；automatic measurment；antenna

2018-11-06

蔡子慧（1981），工程師，飛行器設(shè)計專業(yè)；研究方向：航天器產(chǎn)品的精度測量。