曲軸的自動化光學三維測量

文／韓利亞，李中偉，鐘凱·華中科技大學

曲軸的自動化光學三維測量

文／韓利亞，李中偉，鐘凱·華中科技大學

曲軸是汽車工業的重要零件，其精度對發動機性能的好壞有重要的影響，因此，曲軸的精度檢測具有重要的意義。傳統的依賴人工進行的精度檢測已經無法滿足曲軸自動化生產的需要，業界迫切需要一種自動、準確、快速的曲軸三維測量方法。采用轉臺變位機構和工業機器人，并借助結構光三維測量設備，對曲軸進行自動化測量，是一種行之有效的方法。

曲軸是汽車工業的重要零部件，其加工精度直接影響著發動機性能的好壞。目前，曲軸的生產已經實現了自動化，但在很多工廠中，曲軸的尺寸檢測還完全依賴人工進行，而且這些測量往往采用接觸式方法，測量效率低，已無法滿足實際生產中的需要。

在接觸式測量方法的基礎上進行機電一體化改造，從而實現自動化測量，是提高效率的一種方法。但由于接觸式測量方法本身的局限，這種提高程度有限，并且能夠獲取的曲軸尺寸參數僅限于一些局部，不能對曲軸整體三維形貌進行系統的分析。

因此，基于機器視覺原理的非接觸式光學測量方法被開發出來，并在曲軸測量中得到了一些應用。但機器視覺方法由于方法本身的復雜性，需要專業人員進行操作，從而限制了該種測量方式的推廣應用。并且由于依賴人工操作，在測量的效率上相較于接觸式測量方法，并沒有顯著的提升。

為此，我們提出并實現了一種基于結構光的自動化曲軸三維測量方法。將工業機器人、轉臺、結構光三維測量設備有機結合，通過轉臺對待測曲軸進行變位，并通過工業機器人改變測量視角，實現對曲軸完整三維形貌的自動化測量。并通過計算優化，使測量數據可以在變位和改變視角的間隙完成計算分析，從而實現連貫的自動化曲軸測量。

曲軸自動化三維測量系統

曲軸自動化測量系統的測量裝置采用面結構光測量原理，由投影機和相機組成。能夠對物體進行非接觸式的三維形貌測量。單次測量的范圍為兩個相機視野重合的部分。如圖1所示。

曲軸自動化測量系統由轉臺變位機構、工業機器人和結構光三維測量裝置組成，如圖2所示。通過轉臺變位機構改變曲軸的朝向，通過工業機器人改變測量裝置的視角，從而實現對曲軸工件的完整測量。

圖2 曲軸自動化三維測量系統的構成

曲軸自動化三維測量實驗

曲軸自動化測量實驗流程

由轉臺變位機構、工業機器人組成了一個7自由度的運動系統，每一個測量位置可以用7個參數唯一表示。

曲軸自動化測量分為示教階段和復現階段。在示教階段，通過人工調整測量方位，并記錄相應參數，形成一個路徑圖。每個路徑點包含了測量裝置的空間坐標，空間姿態以及變位機構的角度。

每一個測量點所拍攝到的圖像中，由標志點組成的空間拓撲圖形標記了該圖像在全部標志點構成的點云中的唯一方位，由這個方位可以將拍攝獲得的三維數據在數據空間中進行定位，不同測量點獲取的三維數據由此可以拼接為一個整體，從而獲取完整的三維數據。

編制好路徑圖之后，啟動自動測量，進入復現階段，轉臺啟動并變位到第一路徑點對應的角度，同時機器人移動到第一個測量位姿態，并啟動一次測量。第一次測量完成后，轉臺和機器人按照路徑圖移向第二個路徑點，移動的同時，第一次測量獲取的數據在后臺完成解析計算，并將三維點云顯示在視圖中。隨后，測量系統依路徑圖完成全部位置的測量，獲取被測曲軸的完整三維數據。如圖3所示。

圖3 完整的曲軸三維數據

圖4 3D比較結果

圖5 2D比較結果

曲軸自動化測量結果及分析

對測量結果進行去噪后，可以得到平滑的三維點云數據，將此點云數據與曲軸的設計模型進行對齊，并以色譜圖顯示點云對于設計模型的偏差，可以得到3D比較結果，如圖4所示。不同的顏色代表了不同點相對設計模型的偏離程度，關注點的3D比較結果可以進行量化的顯示。

3D對比的結果可以從不同的視角進行觀察，并選取不同的關注點進行量化的查看，并呈現在檢測報告中。同時，感興趣的二維截面也可以進行剖解，并形成2D比較視圖，能夠獲取主軸徑、連桿軸徑等關鍵尺寸的信息，從而對曲軸加工過程進行量化分析，如圖5所示。

結論

⑴對曲軸進行光學三維形貌檢測能夠提升曲軸的制造精度，對汽車工業具有重要意義；采用面結構光三維測量技術可以對曲軸進行快速、準確、全面的三維形貌檢測。

⑵曲軸的自動化光學測量采用面結構光三維測量技術和機器人技術相結合的方案，能夠替代傳統測量方式對曲軸尺寸信息的獲取，具有比傳統的接觸和非接觸式測量方案更高的效率，是一種行之有效的曲軸自動化檢測手段，對于提升曲軸制造的效率具有重要作用。