三維自動尋路技術(shù)在線夾鉆孔方法中的應(yīng)用

廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司 杜浩銳

本文闡述了一種基于三維自動尋路技術(shù)的線夾鉆孔方法，包括：圖像獲取模塊、位置反演模塊、路徑規(guī)劃模塊三部分。通過圖像獲取模塊獲取待匹配線夾圖像，經(jīng)圖像識別后獲取“待匹配線夾”的孔位信息；位置反演模塊根據(jù)“待匹配線夾”的孔位信息反演計算出當(dāng)前“待加工線夾”的孔位信息；路徑規(guī)劃模塊根據(jù)待加工孔位信息在母排上規(guī)劃加工路徑，根據(jù)生成的加工路徑驅(qū)動鉆頭運(yùn)動，對“待加工線夾”進(jìn)行鉆孔操作。該自動尋路鉆孔技術(shù)可以有效提升加工精度，提升資源利用率。

在新建變電工程施工過程中，往往涉及較多設(shè)備線夾需要在工程現(xiàn)場進(jìn)行二次加工。變電設(shè)備線夾常用于將母線引下線與電氣設(shè)備（如變壓器、斷路器、隔離開頭、穿墻套管等）的出線端子接續(xù)。設(shè)備線夾在加工前，通常需將連接出線端子側(cè)的“待匹配線夾”與“待加工線夾”母排進(jìn)行匹配對照，如圖1所示，由工人在線夾母排上做定位劃線。進(jìn)行鉆孔時由工人根據(jù)標(biāo)記進(jìn)行打錛子、鉆孔、去除披鋒等工序。傳統(tǒng)作業(yè)采用人工定位效率低，鉆孔作業(yè)時位置準(zhǔn)確率低，同時工藝質(zhì)量差，質(zhì)量不穩(wěn)定。

圖1 設(shè)備線夾匹配對照圖

國內(nèi)用于電力金具加工的各類鉆床硬件配置日益數(shù)字化、智能化，已經(jīng)具備了較為完備的工裝結(jié)構(gòu)以及數(shù)字伺服控制系統(tǒng)等。但能自動模擬出與出線端子完全匹配的線夾并非易事，需要依靠機(jī)器視覺在線夾母排上自動規(guī)劃出適宜的孔距和位置，并自動執(zhí)行指令進(jìn)行鉆孔作業(yè)。本文旨在研究一種線夾鉆孔的專用控制方法，將“待加工線夾”與“待匹配線夾”進(jìn)行對照，完成自動尋路鉆孔。伺服系統(tǒng)加工終端獲取待加工孔位的數(shù)據(jù)后，根據(jù)路徑規(guī)劃模塊的加工路徑指令，驅(qū)動加工設(shè)備運(yùn)動，對“待加工線夾”母排進(jìn)行鉆孔操作，可以有效提升加工的準(zhǔn)確度，使得“待加工線夾”與目標(biāo)“待匹配線夾”匹配，提升資源利用率。

1 “待匹配線夾”的圖像獲取及孔位分析

圖像獲取模塊用于獲取“待匹配線夾”（目標(biāo)出線端子）的目標(biāo)圖像，并根據(jù)圖像進(jìn)一步計算“待匹配線夾”的孔位位置信息。圖像獲取模塊內(nèi)置激光掃描儀，掃描儀在進(jìn)行每次掃描時依次視場輪換，獲取“待匹配線夾”某一個區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后拼接出“待匹配線夾”的三維完整圖像。由于在不同視角進(jìn)行測量時坐標(biāo)系不同，需要將多視角下測量的三維數(shù)掘進(jìn)行拼接，將其轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，才能獲得“待匹配線夾”表面的完整位置信息，該過程稱為：“點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)”。

三維激光掃描儀在多視角下分別測量得到不同區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)A、B集合，我們假設(shè)有Pi、Qi為線夾上同一點(diǎn)在兩個點(diǎn)云集的三維坐標(biāo)，且點(diǎn)Pi(x，y，z)∈A，Qi(x，y，z)∈B。我們通過對(Pi，Qi)進(jìn)行剛體變換（R，T）轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)兩個點(diǎn)云集下的三維坐標(biāo)映射，空間相似變換公式為式(1)：

式(1)中R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。

通過“待匹配線夾”的三維圖像，進(jìn)一步展開孔位分析，獲取“待匹配線夾”上的孔位數(shù)量及位置信息，示例如圖2所示。

圖2 獲取“待匹配線夾”的三維圖像

2 位置反演模塊

位置反演模塊用于將“待匹配線夾”的孔位信息反演計算為當(dāng)前“待加工線夾”的待加工孔位信息。在鉆孔實施前，“待匹配線夾”的孔位信息經(jīng)由圖像獲取模塊以點(diǎn)云數(shù)據(jù)方式獲取。

根據(jù)“待匹配線夾”的孔位信息，結(jié)合母排的初步輪廓尺寸，我們用位置反演算法反求每一個目標(biāo)孔位是否滿足匹配要求。如果達(dá)成匹配要求，我們在“待加工線夾”上找到與“待匹配線夾”的原點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)作為“待加工線夾”的三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，如圖3所示。從而獲取待加工孔位在在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置信息。

圖3 “待加工線夾”的三維坐標(biāo)系原點(diǎn)示意

之后反演算法進(jìn)一步計算每一個待加工孔位的位置坐標(biāo)，在三維坐標(biāo)系中標(biāo)注出待加工孔位相對于“待加工線夾”的邊緣的距離信息，待加工孔位的直徑信息、待加工孔位的角度信息、待加工孔位的深度信息等。

3 路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃模塊可讀取“待加工線夾”的孔位在三維坐標(biāo)系中相對于“待匹配線夾”邊緣的位置距離信息、目標(biāo)孔位的直徑信息、目標(biāo)孔位的角度信息、目標(biāo)孔位的深度信息等數(shù)據(jù)。

路徑規(guī)劃模塊根據(jù)上述信息在母排上規(guī)劃加工路徑，根據(jù)待加工孔位在在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置信息，生成加工設(shè)備在三維坐標(biāo)系中的運(yùn)動軌跡，根據(jù)運(yùn)動軌跡生成加工路徑，加工設(shè)備在“待加工線夾”上的移動不僅僅包括水平方向（x軸和y軸）還包括垂直方向（z軸）的運(yùn)動，示意圖如圖4所示。

如圖4可見：路徑規(guī)劃時若孔位直徑大于加工直徑，根據(jù)加工設(shè)備的加工路徑選擇為螺旋式或垂直往返等方式，可以結(jié)合工時長短、設(shè)備損耗、加工精度等要求，根據(jù)加工直徑和目標(biāo)位置信息生成加工路徑。

圖4 鉆頭在三維坐標(biāo)系中的運(yùn)動軌跡

“待加工線夾”材質(zhì)常規(guī)有鐵、鋁、銅等不同金屬，根據(jù)“待加工線夾”的金屬密度、硬度、金屬種類等，對應(yīng)選擇不同的加工功率。根據(jù)加工路徑和“待加工線夾”的材料信息制定最適宜的加工功率參數(shù)，包括鉆頭的轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等。當(dāng)遇到較為復(fù)雜的線夾時，加工路徑可劃分成多個關(guān)鍵段，不同的關(guān)鍵段對應(yīng)不同的功率參數(shù)。功率參數(shù)的差異化設(shè)置，可以有效提升加工的精度，避免加工設(shè)備的轉(zhuǎn)速或者運(yùn)動速度過快導(dǎo)致的加工偏差。

4 二次尋路修正

當(dāng)“待加工線夾”鉆孔完成后，圖像獲取模塊對線夾再次進(jìn)行3D掃描，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)生成三維圖像。模塊自動判斷“已完工線夾”是否與“待匹配線夾”圖像匹配，若不匹配，則驅(qū)動鉆孔設(shè)備執(zhí)行修正操作。自動尋路算法根據(jù)圖像差異進(jìn)一步修正路徑，驅(qū)動加工設(shè)備沿修正路徑完成修正鉆孔操作，示例如圖5所示。

圖5 二次尋路修正鉆孔示意圖

經(jīng)實踐證明：該線夾鉆孔方法可以有效提升加工的準(zhǔn)確度，使得“待加工線夾”與目標(biāo)“待匹配線夾”精準(zhǔn)匹配，提升資源利用率。