機(jī)器人激光三維掃描技術(shù)在殼體自動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

陶京新，劉大亮，胡文剛，劉 偉，黃紹宇

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

機(jī)器人激光三維掃描技術(shù)在殼體自動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

陶京新，劉大亮，胡文剛，劉 偉，黃紹宇

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

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

機(jī)器人；三維掃描；自動(dòng)測(cè)量；DELMIA；仿真；Geomagic

0 引言

在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的趨勢(shì)下，對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)的要求也越來(lái)越高，主要包括縮短新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)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(wù)（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(yīng)運(yùn)而生，數(shù)字化工廠技術(shù)是通過(guò)綜合利用計(jì)算機(jī)輔助圖形技術(shù)和仿真技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)憑借手工和經(jīng)驗(yàn)的工作方式，在這基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的建模、生產(chǎn)、測(cè)量和評(píng)價(jià)，從而縮短研究和生產(chǎn)的準(zhǔn)備周期，降低人力成本和投資風(fēng)險(xiǎn)[2]。目前，檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)是質(zhì)量控制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，常用的數(shù)字化檢測(cè)方式可按接觸式和非接觸式分為兩大類(lèi)，接觸式包括以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）為代表的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方式，這是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)量設(shè)備；而非接觸式包括激光三角測(cè)量法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法，工業(yè)CT等。相較于接觸式，非接觸式測(cè)量方式具有快速直觀獲取產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，已成為今后測(cè)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[3]。

本文以殼體產(chǎn)品為研究對(duì)象，殼體產(chǎn)品半封閉結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，通常的檢驗(yàn)測(cè)量方式是依靠三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以及人工手動(dòng)檢驗(yàn)方式完成，耗時(shí)耗力且對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)有一定要求。本文針對(duì)殼體類(lèi)產(chǎn)品尺寸的批量測(cè)量需求，設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器人的三維自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在所建立的測(cè)量場(chǎng)下，可以自動(dòng)快速獲取殼體需要測(cè)量部位的三維數(shù)據(jù)，并在軟件中對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，并生成測(cè)量報(bào)告，有效縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量效率。

圖1 殼體產(chǎn)品半封閉結(jié)構(gòu)模型

1 機(jī)器人激光三維掃描系統(tǒng)介紹

機(jī)器人激光三維掃描系統(tǒng)主要由六軸機(jī)器人、雙目光學(xué)跟蹤儀、激光掃描儀、變位機(jī)構(gòu)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(jī)器人末端執(zhí)行自動(dòng)掃描工作，雙目光學(xué)跟蹤儀架設(shè)在機(jī)器人和變位機(jī)構(gòu)前方，通過(guò)儀器上左右平行對(duì)齊的兩臺(tái)攝像機(jī)，通過(guò)三角測(cè)量的方法將激光掃描儀匹配點(diǎn)視差情況轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃龋瑥亩鴮?shí)時(shí)獲取其位置信息[5,6]。

圖2 機(jī)器人掃描測(cè)量系統(tǒng)

本文使用DELMIA仿真軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃和離線編程，之后現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)器人修正和執(zhí)行程序，通過(guò)激光掃描儀對(duì)產(chǎn)品外形進(jìn)行快速自動(dòng)掃描，實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)并傳入計(jì)算機(jī)。掃描結(jié)束后使用Geomagic Qualify軟件對(duì)點(diǎn)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(shí)際需求自動(dòng)生成測(cè)量報(bào)告。

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃仿真

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡程序通過(guò)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(tái)之下建立2個(gè)坐標(biāo)系，分別是Base坐標(biāo)系和Tool坐標(biāo)系。Base坐標(biāo)系用于確定機(jī)器人的位姿關(guān)系，Tool坐標(biāo)系用于測(cè)量時(shí)確定激光掃描儀位置坐標(biāo)。

將機(jī)器人、產(chǎn)品、轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)、工作平臺(tái)以及工裝的CAD模型導(dǎo)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(cè)量系統(tǒng)儀器擺放位置實(shí)際情況應(yīng)相同，確認(rèn)無(wú)誤后保存初始位置并點(diǎn)擊“new tag at TCP”功能，根據(jù)殼體產(chǎn)品的外形特征，重點(diǎn)關(guān)注其孔類(lèi)、槽類(lèi)及空間狹窄等位置特征，控制機(jī)器人末端的激光掃描儀行走位置，生成路徑結(jié)點(diǎn)tag，DELMIA軟件會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)tag點(diǎn)并生成列表。在建立tag點(diǎn)時(shí)需要考慮機(jī)器人的可達(dá)域，視覺(jué)傳感器的視場(chǎng)范圍等因素。在此過(guò)程中，可以通過(guò)Jog對(duì)話(huà)框?qū)崟r(shí)地查看機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，并可以查看各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是否超出工作范圍，還可以隨時(shí)調(diào)整各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，DELMIA中機(jī)器人路徑控制如圖3所示[4]。

圖3 DELMIA中機(jī)器人路徑控制

利用“New Tag at TCP”方式，將所有路徑結(jié)點(diǎn)添加到點(diǎn)群之后，單擊“New Task”新建一個(gè)任務(wù)，然后將之前建立的點(diǎn)群添加到任務(wù)中。單擊“Teach a device”，將任務(wù)與機(jī)器人關(guān)聯(lián)起來(lái)。可以利用“Reach”命令來(lái)檢測(cè)視覺(jué)傳感器是否到達(dá)預(yù)期的測(cè)量區(qū)域，根據(jù)檢測(cè)情況調(diào)整對(duì)應(yīng)的路徑結(jié)點(diǎn)，通過(guò)“Tag Transformation”調(diào)整結(jié)點(diǎn)位置和“Modify Tags Orientation”調(diào)整結(jié)點(diǎn)姿態(tài)。用“MT Jog a device”查看各個(gè)路徑結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，檢測(cè)各關(guān)節(jié)是否超出工作范圍。如果超出，要進(jìn)一步調(diào)整，直到其在工作范圍之內(nèi)。

最后，利用“Robot Task Simulation”進(jìn)行仿真，可以直觀地看到測(cè)量機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的整個(gè)過(guò)程。確認(rèn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑可行無(wú)誤后，點(diǎn)擊“create robot program”生成離線編程語(yǔ)言。

3 三維掃描測(cè)量原理

NDI公司V5激光三維掃描儀采用三角法測(cè)量原理，其原理示意圖如圖4所示，由掃描儀中半導(dǎo)體激光器經(jīng)聚光透鏡將一條激光光束照射在被測(cè)工件表面上，形成一個(gè)光斑，并通過(guò)成像透鏡反射成像在光電檢測(cè)器上。測(cè)量平面處于不同位置時(shí)，光電檢測(cè)器上的成像位置隨反射光斑的位置變化而變化。測(cè)量平面反射光斑位移位置變化可根據(jù)相似三角形關(guān)系確定，計(jì)算方法如式(1)[3]所示。

圖4 激光三角法測(cè)量原理

若光電檢測(cè)器上成像位移為x'，則測(cè)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(cè)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(cè)量方式，被夾持在機(jī)器人末端對(duì)殼體產(chǎn)品內(nèi)外形進(jìn)行掃描。殼體三維掃描工作需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品情況、外形特征特點(diǎn)以及機(jī)器人限位限制，利用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行配合，此時(shí)需在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)平臺(tái)上放置多目標(biāo)裝置（Multi-Target Device）和動(dòng)態(tài)過(guò)程標(biāo)示點(diǎn)（DPR Target），以建立坐標(biāo)系并自動(dòng)拼接掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4 殼體產(chǎn)品自動(dòng)測(cè)量應(yīng)用

通過(guò)工裝定位待測(cè)殼體產(chǎn)品，利用調(diào)用編譯的自動(dòng)測(cè)量測(cè)序?qū)崿F(xiàn)殼體產(chǎn)品內(nèi)外形的快速自動(dòng)掃描測(cè)量，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)掃描數(shù)據(jù)。掃描數(shù)據(jù)初期是以點(diǎn)云形式存在，經(jīng)封裝處理后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)從點(diǎn)對(duì)象轉(zhuǎn)化為三角形對(duì)象，即STL格式文件，如圖5所示。

圖5 殼體數(shù)據(jù)三角形對(duì)象

之后便可以進(jìn)行創(chuàng)建特征、對(duì)齊、二維（2D）和三維（3D）數(shù)模對(duì)比對(duì)和尺寸評(píng)估工作。創(chuàng)建特征可以在參考對(duì)象和測(cè)試對(duì)象上建立點(diǎn)、直線、圓、槽、平面、球、圓柱體等特征，為后續(xù)操作提供參考。對(duì)齊是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下。對(duì)齊后，將實(shí)際產(chǎn)品掃描多邊化數(shù)據(jù)與理論CAD模型進(jìn)行2D和3D比較。3D比較可以實(shí)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(duì)包括平面度、圓柱度以及垂直度在內(nèi)的9種形位進(jìn)行創(chuàng)建并評(píng)估。2D分析是通過(guò)截取產(chǎn)品截面從二維平面來(lái)進(jìn)一步分析截面某一處的超差情況。以上的所有步驟結(jié)果都在自動(dòng)生成的報(bào)告中呈現(xiàn)。當(dāng)產(chǎn)品需要批量化檢測(cè)時(shí)，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(dòng)測(cè)量程序。

圖6 殼體數(shù)據(jù)3D比較

利用殼體的掃描測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)JJF1059-1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》中的要求，對(duì)機(jī)器人掃描檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定。機(jī)器人掃描檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不確定度的主要來(lái)源：1）測(cè)量的重復(fù)性；2）便攜式三維掃描儀測(cè)量系統(tǒng)的不準(zhǔn)確。經(jīng)計(jì)算，機(jī)器人掃描檢測(cè)系統(tǒng)在1.5m～4.5m測(cè)量距離范圍內(nèi)擴(kuò)展不確定度為U≤0.10mm。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)機(jī)器人三維自動(dòng)掃描測(cè)量方法的研究，實(shí)現(xiàn)了殼體產(chǎn)品的自動(dòng)掃描測(cè)量應(yīng)用。研究表明，機(jī)器人自動(dòng)掃描檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度≤0.10mm。此外，利用機(jī)器人代替手工檢測(cè)，不但可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升檢測(cè)效率，而且易于實(shí)現(xiàn)規(guī)范化檢測(cè)，避免了檢測(cè)結(jié)果因人而異、重復(fù)性差等負(fù)面影響，提升了產(chǎn)品的檢測(cè)質(zhì)量。

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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(yīng)力變化曲線，從圖中可以看出基座內(nèi)表面應(yīng)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(guò)盈量的增加基本呈線性增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對(duì)三種過(guò)盈量0.05mm、0.07mm及0.1mm的裝配過(guò)程進(jìn)行了模擬，得出配合面之間的應(yīng)力及接觸壓力云圖和變化曲線與過(guò)盈量的關(guān)系，從分析結(jié)果可知，配合面之間的應(yīng)力及接觸壓力隨過(guò)盈量的增加基本呈線性增加。

圖10 基座內(nèi)表面應(yīng)力隨路徑變化曲線

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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(cè)量工作。