CN103644861B - 工程机械设备的臂架成型精度的分析系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工程机械设备的臂架成型精度的分析系统及分析方法。该分析系统包括控制平台、激光扫描仪、角度编码器、位移传感器和驱动装置，在对臂架进行扫描时，驱动装置驱动激光扫描仪沿水平导轨运动的同时绕一回转中心摆动，以获取多个扫描点的扫描数据，角度编码器获取激光扫描仪摆动时的摆角，位移传感器获取激光扫描仪运动时的位移，控制平台根据获取的扫描数据、摆角及位移形成臂架的三维几何模型，并将其轮廓数据与标准数据库的臂架的结构数据进行比对，以得到成型精度。通过上述方式，本发明使得激光扫描仪可在较短的水平导轨上即可简单有效的完成起重机臂架的全轮廓扫描，自动化程度高，且成型精度的分析直观、准确，成本低。

Description

工程机械设备的臂架成型精度的分析系统及分析方法

技术领域

本发明涉及三维立体成型技术领域，特别是涉及一种工程机械设备的臂架成型精度的分析系统及分析方法。

背景技术

轮式起重机等各类型工程机械设备由于体积较大，因此运用激光扫描仪进行成型精度分析时，如何有效的对其臂架进行全轮廓扫描、自动化完成扫描-成型-成型精度分析的过程以及将成型精度的分析结果直观的反馈给用户，一直是业界亟待完善的问题。

现有技术中，由于起重机臂架的上、下盖板构成的内部空间较小，因此主要依赖人工操作使得激光扫描仪沿起重机臂架的长度方向进行三维扫描。然而，起重机臂架较长，全轮廓扫描时需要激光扫描仪在较长的导轨上进行运动，操作较为复杂，并且由于臂架横截面形状多变，在扫描时需要较多的人工操作，自动化程度较低。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种工程机械设备的臂架成型精度的分析系统及分析方法，能够使得激光扫描仪在较短的水平导轨上即可简单有效的完成起重机臂架的全轮廓扫描，并且扫描-成型-成型精度分析的过程中自动化程度高。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种工程机械设备的臂架成型精度的分析系统，包括控制平台以及与控制平台电连接的激光扫描仪、角度编码器、位移传感器和驱动装置，其中：激光扫描仪、角度编码器和驱动装置设置于水平导轨上，在对工程机械设备的待测臂架进行扫描时，水平导轨位于待测臂架的上方，且驱动装置驱动激光扫描仪沿水平导轨的方向水平运动的同时绕一回转中心摆动，以使激光扫描仪发出的激光线在待测臂架的横截面上以多个法线方向进行扫描并获取多个扫描点的扫描数据，其中横截面为与待测臂架长度方向的轴线具有大于0的夹角的任意一个横截面，角度编码器获取激光扫描仪摆动时激光线与法线的夹角，位移传感器获取激光扫描仪在水平导轨上运动时的位移；控制平台根据扫描数据、夹角及位移形成起重机臂架的三维几何模型，并将三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中起重机臂架的结构数据进行比对，以得到成型精度。

其中，分析系统还包括立柱、小车支架，驱动装置包括步进电机、小车行走机构、行走轮及转动机构，立柱的一端与水平导轨垂直连接，另一端固定于地面，激光扫描仪和角度编码器设置于小车支架上，位移传感器设置于立柱上，在对起重机臂架进行扫描时，步进电机控制小车行走机构通过行走轮驱动小车支架沿水平导轨的方向水平运动，同时步进电机控制转动机构驱动激光扫描仪绕回转中心摆动。

其中，分析系统还包括第一电离合器和第二电离合器，在行走轮运动到水平导轨的极限位置时，第一电离合器关闭，以使激光扫描仪在水平导轨上停止运动；在激光扫描仪绕回转中心摆动到极限位置时，第二电离合器关闭，以使激光扫描仪停止摆动。

其中，分析系统还包括单片机，控制平台通过单片机与角度编码器和位移传感器电连接，单片机接收控制平台按照预设频率发出的数据采集指令，并据此将角度编码器获取的夹角和位移传感器获取的位移发送给控制平台。

其中，控制平台包括数据处理模块，用于对夹角、位移及扫描数据进行去噪处理和去冗余处理。

其中，控制平台根据如下关系式对经过数据处理模块处理的夹角、位移及扫描数据进行空间三维坐标转换：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ti}=d_t+l_{0}cos({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)+l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_{t}cos({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)\\ y_{ti}=k_0-l_{0}sin({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)-l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_{t}sin({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)\\ z_{ti}=l_{ti}{\mathrm{cos\α}}_t\end{array}\right.$

其中，d_t为t时刻位移，θ_t为t时刻夹角，θ_π/2为角度编码器获取的激光扫描仪的激光线与地面垂直时的夹角的绝对值，l_ti为t时刻第i个扫描点与激光扫描仪的距离，α_t为扫描点对应的激光线与法线的夹角，l₀为激光扫描仪的激光头与回转中心的距离，h₀为回转中心与地面的距离。

其中，控制平台通过网格模型和/或面模型形成待测臂架的三维几何模型，网格模型由控制平台通过三角网构建算法建立，面模型由控制平台根据标准数据库中待测臂架的结构数据采用最小二乘法拟合出。

其中，控制平台根据待测臂架的三维几何模型生成图形显示坐标系，图形显示坐标系的x轴和y轴构成的平面与待测臂架的三维几何模型的纵向截面平行。

其中，标准数据库中待测臂架的结构数据包括尺寸公差和几何公差，在控制平台通过网格模型形成待测臂架的三维几何模型时，控制平台将三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中待测臂架的结构数据进行比对，以获取三维几何模型中超出尺寸公差的扫描点；在控制平台通过面模型形成待测臂架的三维几何模型时，控制平台将三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中待测臂架的结构数据进行比对，以获取三维几何模型中超出几何公差的扫描点；控制平台根据比对结果计算得到成型精度，并将三维几何模型超出几何尺寸和/或几何公差的扫描点进行颜色显示提醒，并将比对结果通过图片、Excel或Word的文件格式进行保存。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种工程机械设备的臂架成型精度的分析方法，包括：将激光扫描仪、角度编码器、位移传感器和驱动装置设置于水平导轨上，且使水平导轨位于工程机械设备的待测臂架的上方；驱动激光扫描仪沿水平导轨的方向运动，同时驱动激光扫描仪绕一回转中心摆动，以使其发出的激光线在待测臂架的横截面上以多个法线方向进行扫描并获取扫描数据，其中横截面为与待测臂架长度方向的轴线具有大于0的夹角的任意一个横截面；角度编码器获取激光扫描仪摆动时激光线与法线的夹角，位移传感器获取激光扫描仪在水平导轨上运动时的位移；控制平台根据扫描数据、夹角及位移形成待测臂架的三维几何模型，并将三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中待测臂架的结构数据进行比对，以得到成型精度。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的臂架成型精度的分析系统包括位移传感器以及设置于水平导轨上的控制平台、激光扫描仪、角度编码器和驱动装置，在对待测臂架进行扫描时，水平导轨位于待测臂架的上方，驱动装置驱动激光扫描仪沿水平导轨的方向水平运动的同时绕一回转中心摆动，以使激光扫描仪发出的激光线在待测臂架的横截面上以多个法线方向进行扫描并获取多个扫描点的扫描数据，与此同时，角度编码器获取激光扫描仪摆动时激光线与法线的夹角，位移传感器获取激光扫描仪在水平导轨上运动时的位移，而后控制平台根据获取的扫描数据、夹角及位移形成臂架的三维几何模型，并将该三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中臂架的结构数据进行比对，以计算得到成型精度。通过上述方式，本发明不仅只需一台激光扫描仪在长度大于臂架宽度的水平导轨上绕回转中心摆动即可简单有效的完成臂架的全轮廓扫描，而且驱动装置按照预先设置的指令自动进行激光扫描仪的驱动，以完成全轮廓扫描，而后控制平台即可根据扫描获取的数据自动完成三维几何模型的形成和成型精度的分析，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明第一实施例的成型精度的分析系统的结构侧视图；

图2是图1所示成型精度的分析系统的结构俯视图；

图3是图1所示激光扫描仪的工作示意图；

图4是本发明优选实施例的成型精度的分析方法的流程图；

图5是本发明激光扫描仪摆动时的运动路径的示意图；

图6是本发明激光扫描仪水平运动和摆动的控制电路图；

图7是本发明成型精度的分析系统数据采集的原理框图；

图8是本发明激光扫描仪在扫描时的扫描点的坐标示意图；

图9是图8所示激光扫描仪的激光线构成的局部坐标系示意图；

图10是下盖板摆放位置的侧视图；

图11是图10所示下盖板摆放位置的俯视图；

图12是上盖板摆放位置的侧视图；

图13是图12所示上盖板摆放位置的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图1～13对本发明的实施例作进一步地的详细描述。

图1是本发明第一实施例的成型精度的分析系统的结构侧视图，图2是图1所示成型精度的分析系统的结构俯视图。该分析系统用于对工程机械设备的臂架进行成型精度分析，以下本发明全文所提及的工程机械设备以轮式起重机为例，当然并不局限于此，例如还可以为泵车等其他任何具有臂架的设备。参阅图1和图2所示，本实施例的成型精度的分析系统包括：激光扫描仪11、角度编码器12、位移传感器13、驱动装置、控制平台15、水平导轨16、立柱17以及小车支架18。

其中，立柱17的一端与水平导轨16垂直连接，另一端固定于地面，在其他实施例中，立柱17的另一端还可设置有底板171，底板171放置于地面，以保持立柱17与地面的相对固定。

驱动装置包括步进电机141、小车行走机构142、行走轮143及转动机构144。激光扫描仪11、角度编码器12、步进电机141、小车行走机构142及转动机构144均设置于小车支架18上，其中：转动机构144用于控制激光扫描仪11绕回转中心O摆动。步进电机141用于控制小车行走机构142通过行走轮143驱动小车支架18沿水平导轨16的方向水平运动，以此使得激光扫描仪11和角度编码器12沿水平导轨16的方向水平运动。位移传感器13用于获取小车支架18在水平导轨16上的位移，即获取激光扫描仪11在水平导轨16上的位移，本实施例优选位移传感器13设置于立柱17上，当然其他实施例中也可将位移传感器13设置于水平导轨16的一端上。

在本实施例中，激光扫描仪11为线激光扫描仪，即如图3所示，在对图2所示的下盖板20进行扫描时，激光扫描仪11在某一时刻发出的激光线构成的面与下盖板20的长度方向的任一轴线相平行。

另外，控制平台15在实际应用时可优选为具有人机界面的工控电脑平台，其与激光扫描仪11、角度编码器12、位移传感器13和驱动装置电连接。

应理解，本实施例的成型精度的分析系统还可根据实际需要进行其他设置，例如：并不限定行走轮143的数目为图2所示的四个；在立柱17与水平导轨16以及底板171的连接处对应设置第一支撑板172和第二支撑板173，用于确保水平导轨16在承受来自小车支架18和行走轮143的重量时仍可保持与地面的水平；驱动装置驱动小车支架18的行走方式时可以由齿轮、齿条传动或钢丝绳牵引实现。

图4是本发明优选实施例的成型精度的分析方法的流程图。下面结合该图4所示的分析方法详细介绍图1和图2所示的本实施例的分析系统的工作原理及过程：

步骤S41：将激光扫描仪、角度编码器和驱动装置设置于水平导轨上，且使水平导轨位于工程机械设备的待测臂架的上方。

起重机等工程机械设备的臂架包括上盖板和下盖板，对其臂架的扫描实质上是对上盖板和下盖板的扫描，本实施例以图1和图2所示的下盖板20为例进行描述。

在对下盖板20进行扫描之前，水平导轨16位于下盖板20的上方，以使得激光扫描仪11位于下盖板20的上方。此时还需要根据小车支架18沿水平导轨16的水平运动方向确定下盖板20和激光扫描仪11的位置关系，以确保激光扫描仪11的激光头发出的激光线能够对下盖板20在宽度方向上进行全轮廓扫描，具体而言：

当小车支架18沿水平导轨16朝向立柱17的方向水平运动时，设置下盖板20位于立柱17和激光扫描仪11之间。当小车支架18沿水平导轨16远离立柱17的方向水平运动时，设置激光扫描仪11位于立柱17和下盖板20之间。

步骤S42：驱动激光扫描仪沿水平导轨的方向运动，同时驱动激光扫描仪绕一回转中心摆动，以使其发出的激光线在待测臂架的横截面上以多个法线方向进行扫描并获取扫描数据。

在对下盖板20进行扫描时，步进电机141控制小车行走机构142通过行走轮143驱动小车支架18沿水平导轨16的方向水平运动，同时步进电机141控制转动机构144驱动激光扫描仪11绕图1所示的回转中心O摆动。

其中，优选小车支架18沿水平导轨16的方向水平匀速运动，且激光扫描仪11绕回转中心O的摆动方向如图5所示的箭头方向，以使激光扫描仪11按图5所示的运动轨迹完成对下盖板20的扫描。当然在其他实施例中，激光扫描仪11的摆动方向也可为与图5所示箭头方向相反的方向，从而使得激光扫描仪11按照与图5所示相反的运动轨迹完成扫描。

在激光扫描仪11绕回转中心O摆动时，其发出的激光线可在下盖板20的横截面上以多个法线方向进行扫描，从而获取多个扫描点的扫描数据。在本实施例中，为确保水平导轨16的长度最小，优选设置水平导轨16的长度方向与下盖板20的长度方向垂直、与下盖板20的宽度方向平行，即下盖板20的横截面与下盖板20的长度方向的轴线的夹角为90度。当然，在其他实施例中，本领域技术人员可根据实际需要设置下盖板20的横截面为与下盖板20的长度方向的轴线具有大于0的夹角的任意一个横截面。

需要说明的是，本实施例的转动机构144控制激光扫描仪11绕回转中心O摆动的摆角(角度)是有极限的，同时水平导轨16的长度也是有限的，对应地，激光扫描仪11在水平导轨16上水平运动的位移也是有限的，因此为保证激光扫描仪11摆动和水平运动到极限时整个分析系统的工作安全，本实施例的分析系统还设置有如图6所示的第一电离合器145和第二电离合器146。

其中，第一电离合器145设置于步进电机141和行走轮143之间，用以实现二者的选择性电连接，在步进电机141驱动行走轮143运动到水平导轨16的极限位置时，第一电离合器145关闭，以使激光扫描仪11在水平导轨16上停止运动。

第二电离合器146设置于步进电机141和激光扫描仪11之间，用以实现二者的选择性电连接，在激光扫描仪11绕回转中心O摆动到极限位置时，第二电离合器146关闭，以使激光扫描仪11停止摆动，角度编码器12停止获取激光扫描仪11的摆角。

步骤S43：角度编码器获取激光扫描仪摆动时的摆角，位移传感器获取激光扫描仪在水平导轨上运动时的位移。

在本实施例中，角度编码器12获取的摆角为激光扫描仪11摆动时激光扫描仪11的中轴线与水平方向(水平导轨16所处方向)的夹角。

在小车支架18水平运动以及激光扫描仪11摆动时，为实现控制平台15对激光扫描仪11、角度编码器12和位移传感器13的数据采集，本实施例的成型精度的分析系统还设置包括单片机。

请参阅图7，在扫描开始时，控制平台15向激光扫描仪11和单片机19同时发出数据采集指令。激光扫描仪11在接收到该指令后主动向控制平台15发送扫描数据，并在后续的扫描过程中即使不接收控制平台15发出的数据采集指令，也将采集的扫描数据发送给控制平台15进行保存。然而，单片机19在后续的扫描过程中虽然也不断的采集角度编码器12和位移传感器13对应获取的摆角和位移数据，但是其被动的将采集的数据发送给控制平台15，即单片机19仅在接收到控制平台15发送的数据采集指令时，才将采集的摆角和位移数据发送给控制平台15进行保存。在整个扫描过程中，本实施例优选控制平台15以预设频率发出上述数据采集指令，以达到每发出一次数据采集指令，则进行一次摆角、位移和扫描数据的采集。

需要说明的是，在其他实施例中，本领域技术人员也可以根据实际需要使用PLC(ProgrammableLogicController，可编辑逻辑控制器)替代单片机19，PLC在数据采集时的工作原理及过程可参阅上述。

步骤S44：控制平台根据扫描数据、摆角及位移形成待测臂架的三维几何模型，并将三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中待测臂架的结构数据进行比对，以得到成型精度。

本实施例的控制平台15设置有数据处理模块，用于对采集到的摆角、位移及扫描点的扫描数据进行去噪处理，用以消除数据采集中的噪声数据信息，以及去冗余处理用以删除采集到的多余数据信息。

由于激光扫描仪11在扫描时每个扫描点在三维空间的坐标参照(即坐标轴)不相同，因此需要进行空间三维坐标转换，以将所有扫描点及其对应的摆角、位移及扫描数据拟合于同一坐标中。具体而言：

以水平导轨16和立柱17所在的方向分为作为总坐标系的x轴和y轴，即以水平导轨16和立柱17所处的平面为总坐标系的x-y平面，并根据右手定即可确定z轴。

在t时刻，激光扫描仪11在扫描时的各个扫描点如图8所示，此时位移传感器13获取的位移为d_t，角度编码器12获取的摆角为θ_t。相应的，激光扫描仪11发出的激光线所构成的局部坐标系如图9所示，其中x’轴与总坐标系的z轴方向相同，此时第i个扫描点与激光扫描仪11的距离为l_ti，对应的激光线与x’轴(即扫描时的法线)的夹角为α_t，激光扫描仪11的激光头与回转中心O的距离为l₀，因此可得出第一关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x_{ti}}^{\′}=l_{ti}{\mathrm{cos\α}}_t\\ {y_{ti}}^{\′}=l_0+l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_t\end{array}\right.$ ……第一关系式

则该t时刻第i个扫描点在总坐标系中的坐标可通过如下第二关系式进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ti}=d_t+{y_{ti}}^{\′}{\mathrm{cos\θ}}_t=d_t+l_0{\mathrm{cos\θ}}_t+l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_t{\mathrm{cos\θ}}_t\\ y_{ti}=h_0-{y_{ti}}^{\′}{\mathrm{sin\θ}}_t=h_0-l_0{\mathrm{sin\θ}}_t-l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_t{\mathrm{sin\θ}}_t\\ z_{ti}={x_{ti}}^{\′}=l_{ti}{\mathrm{cos\α}}_t\end{array}\right.$ ……第二关系式

在第二关系式中，h₀为回转中心O与地面的距离，并且与激光扫描仪11的激光头与回转中心O的距离为l₀，均可以通过对某一标准型号的激光扫描仪11进行测量，并运用二分法原理反演求得常数h₀和l₀的具体数值。另外，由于在扫描初始时刻，即激光扫描仪11刚开始摆动的那一刻其发出的激光线与地面垂直时，角度编码器12的读数可能为0～2π之间的任何值，因此可设定角度编码器12此时获取的摆角的绝对值为θ_π/2，并代入第二关系式中可得到如下第三关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ti}=d_t+l_{0}cos({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)+l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_{t}cos({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)\\ y_{ti}=h_0-l_{0}sin({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)-l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_{t}sin({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)\\ z_{ti}=l_{ti}{\mathrm{cos\α}}_t\end{array}\right.$ ……第三关系式

根据第三关系式即可得到各个扫描点在三维空间坐标中的坐标信息，即扫描数据的信息。控制平台15根据该信息可通过网格模型、面模型或两者相结合形成下盖板20的三维几何模型。

其中，网格模型由控制平台15通过三角网构建算法建立，具体为Delaunay(狄落尼)三角剖分算法，形成过程可参阅现有技术的描述，此处不再赘述。

面模型由控制平台15根据标准数据库中下盖板20的结构数据采用最小二乘法拟合出。具体而言：

基于下盖板20的几何特征为两侧是平行平面，顶部为圆弧面，两侧平面通过弧面与顶部连接。控制平台15的计算系统自动调用方程f₁＝0，f₂＝0，f₃＝0，以建立如下第一方程组，从而通过解方程组拟合出待定参数[A₁，B₁，C₁，D₁，D₂，a₁，b₁，r₁]，其中A₁，B₁，C₁，D₁，D₂为平面方程系数，a₁，b₁，r₁为柱面方程系数。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=A_{1}x+B_{1}y+C_{1}z+D_1\\ f_2={(x-a_1)}^2+{(y-b_1)}^2-r_1\\ f_3=A_{1}x+B_{1}y+C_{1}z+D_2\end{array}\right.$ ……第一方程组

通过各个扫描点在三维空间坐标中的坐标信息和最小二乘法原理，通过对第一方程组的求解即可得出下盖板20的面模型。

同理，对于上盖板的几何特征为左右是两斜平面，顶部为水平面，水平面和两斜面由两圆弧过渡连接。控制平台15的计算系统自动调用方程f₁＝0，f₂＝0，f₃＝0，f₄＝0，f₅＝0，以建立如下第二方程组，从而通过解方程组拟合出待定参数[A₁，B₁，C₁，D₁，A₂，B₂，C₂，D₂，A₃，B₃，C₃，D₃，a₁，b₁，a₂，b₂，r₁，r₂]，其中A₁，B₁，C₁，D₁，A₂，B₂，C₂，D₂，A₃，B₃，C₃，D₃为平面方程系数，a₁，b₁，a₂，b₂，r₁，r₂为柱面方程系数。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=A_{1}x+B_{1}y+C_{1}z+D_1\\ f_2={(x-a_1)}^2+{(y-b_1)}^2-r_1\\ f_3=A_{2}x+B_{2}y+C_{2}z+D_2\\ f_4={(x-a_2)}^2+{(y-b_2)}^2-r_2\\ f_5=A_{3}x+B_{3}y+C_{3}z+D_3\end{array}\right.$ ……第二方程组

通过各个扫描点在三维空间坐标中的坐标信息和最小二乘法原理，通过对第二方程组的求解即可得出上盖板的面模型。

需要说明的是，本实施例中由上述第一方程组和第二方程组得到的面模型的边界是无穷的，因此在显示三维几何模型时仅显示包括各个扫描点的面。

在本实施例中的实际扫描过程中，由于下盖板20(或上盖板)的摆放原因，其长度方向的轴线并不与总坐标系中的z轴平行或重合，如图10、图11、图12和图13所示。为了在控制平台15对三维几何模型进行显示时，方便用户在各种视图下对其的直观观测和分析，本实施例的控制平台15根据下盖板20(或上盖板30)的三维几何模型还生成有图形显示坐标系，此时图形显示坐标系的第一坐标轴(x轴)为图10和图12所示的x0轴，第二坐标轴(y轴)为图11和图13所示的y0轴，第三坐标轴(z轴)为图12和图13所示的z0轴，并且x0轴和y0轴构成的平面与下盖板20(或上盖板30)的三维几何模型的纵向截面平行。

本实施例可根据如下第一准则或第二准则生成图形显示坐标系：

第一准则：以地面为x0轴和z0轴构成的平面，x0轴和y0轴构成的平面与三维几何模型的底部两侧的扫描点的距离相等且垂直于地面，z0轴的方向为y0轴和z0轴构成的平面在x0轴和z0轴构成的平面上的投影，y0轴的方向与总体坐标系中y轴的方向相同。

第二准则：以地面为x0轴和z0轴构成的平面，x0轴和y0轴构成的平面垂直于三维几何模型的长度方向的轴线且横截面积最小并垂直于地面，x0轴的方向为x0轴和y0轴构成的平面在x0轴和z0轴构成的平面上的投影，y0轴的方向与总体坐标系中y轴的方向相同。

本实施例优选根据第一准则生成图形显示坐标系。另外，为进一步便于用户直观观测三维几何模型的各尺寸大小，本实施例优选在显示图形显示坐标系的同时显示栅格。

控制平台15根据形成三维几何模型时采用的网格模型或面模型，对应的通过基于尺寸公差和几何公差的计算对三维几何模型的成型精度进行分析，具体而言：

基于尺寸公差：在控制平台15通过网格模型形成下盖板20的三维几何模型时，控制平台15将三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中预先存储的下盖板20的结构数据进行比对，以获取三维几何模型中超出尺寸公差的扫描点。

基于几何公差：在控制平台15通过面模型形成下盖板20的三维几何模型时，控制平台15将三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中待测臂架的结构数据进行比对，以获取三维几何模型中超出几何公差的扫描点。

若控制平台15采用网格模型和面模型相结合的方式形成三维几何模型时，可通过尺寸公差和几何公差相结合计算获取对应的扫描点。

控制平台15根据比对结果计算(即超出尺寸公差和/或几何公差的扫描点)得到成型精度。

本实施例还进一步将三维几何模型中超出几何尺寸和/或几何公差的扫描点进行颜色显示提醒，并将比对结果通过图片、Excel或Word的文件格式进行保存，以使用户更加直观、详细的了解形成下盖板20或上盖板30成型精度以及误差位置和大小。

综上所述，可知本实施例只需要一台激光扫描仪11即可完成对起重机臂架的下盖板20和上盖板30的扫描，扫描时小车支架18的运行导轨(水平导轨16)长度较短，因此可实现对长度较长的臂架进行简单有效的扫描，适用范围广。并且三维空间坐标转换时采用的第三关系式，可消除水平导轨16的直线度以及角度编码器12和位移传感器13在激光扫描仪11摆动及水平运动那一刻采集的摆角和位移的数据误差，从而降低对成型精度分析的影响。同时，控制平台15对于三维几何模型的成型精度进行分析前形成的三维空间坐标系不需要开发特定的专用软件，而是通过简单算法予以实现，因此成本低且扩展能力强，例如结合扫面点云自动拼接算法，就可以对复杂零部件全轮廓的三维几何模型的成型精度分析。

另外，生成的图形显示坐标系是与三维空间坐标系是独立不相同的，能够避免因上盖板30或下盖板20的摆放位置不同造成的显示效果的不同，方便用于从各个视图角度对其进行成型精度的直观观察。

进一步地，本实施例的控制平台15在扫描完成后可自动完成三维几何模型的成型-成型精度分析的全过程，人工干预相比现有技术较少，因此智能化程度高。当然，用户也可以根据实际需要通过控制平台15的人工操作界面手动完成以上过程，具有良好的使用体验。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种工程机械设备的臂架成型精度的分析系统，其特征在于，所述分析系统包括控制平台(15)以及与所述控制平台(15)电连接的激光扫描仪(11)、角度编码器(12)、位移传感器(13)和驱动装置，其中：

所述激光扫描仪(11)、所述角度编码器(12)和所述驱动装置设置于水平导轨(16)上，在对所述工程机械设备的待测臂架进行扫描时，所述水平导轨(16)位于所述待测臂架的上方，且所述驱动装置驱动所述激光扫描仪(11)沿所述水平导轨(16)的方向水平运动的同时绕一回转中心摆动，以使所述激光扫描仪(11)发出的激光线在所述待测臂架的横截面上以多个法线方向进行扫描并获取多个扫描点的扫描数据，其中所述横截面为与所述待测臂架长度方向的轴线具有大于0的夹角的任意一个横截面，所述角度编码器(12)获取所述激光扫描仪(11)摆动时的摆角，所述位移传感器(13)获取所述激光扫描仪(11)在所述水平导轨(16)上运动时的位移；

所述控制平台(15)根据所述扫描数据、所述摆角及所述位移形成所述臂架的三维几何模型，并将所述三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中所述臂架的结构数据进行比对，以得到成型精度。

2.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于，所述分析系统还包括立柱(17)、小车支架(18)，所述驱动装置包括步进电机(141)、小车行走机构(142)、行走轮(143)及转动机构(144)，其中，所述立柱(17)的一端与所述水平导轨(16)垂直连接，另一端固定于地面，所述激光扫描仪(11)和所述角度编码器(12)设置于所述小车支架(18)上，所述位移传感器(13)设置于所述立柱(17)上，在对所述待测臂架进行扫描时，

所述步进电机(141)控制所述小车行走机构(142)通过所述行走轮(143)驱动所述小车支架(18)沿所述水平导轨的方向水平运动，同时所述步进电机(141)控制所述转动机构(144)驱动所述激光扫描仪(11)绕所述回转中心摆动。

3.根据权利要求2所述的分析系统，其特征在于，所述分析系统还包括第一电离合器(145)和第二电离合器(146)，在所述行走轮(143)运动到所述水平导轨(16)的极限位置时，所述第一电离合器(145)关闭，以使所述激光扫描仪(11)在所述水平导轨(16)上停止运动；在所述激光扫描仪(11)绕所述回转中心摆动到极限位置时，所述第二电离合器(146)关闭，以使所述激光扫描仪(11)停止摆动。

4.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于，所述分析系统还包括单片机(19)，所述控制平台(15)通过所述单片机(19)与所述角度编码器(12)和所述位移传感器(13)电连接，所述单片机(19)接收所述控制平台(15)按照预设频率发出的数据采集指令，并据此将所述角度编码器(12)获取的摆角和所述位移传感器(13)获取的位移发送给所述控制平台(15)。

5.根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于，所述控制平台(15)包括数据处理模块，用于对所述摆角、所述位移及所述扫描数据进行去噪处理和去冗余处理。

6.根据权利要求5所述的分析系统，其特征在于，所述控制平台(15)根据如下关系式对经过所述数据处理模块处理的所述摆角、所述位移及所述扫描数据进行空间三维坐标转换：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ti}=d_t+l_{0}cos({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)+l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_{t}cos({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)\\ y_{ti}=h_0-l_0\sin ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)-l_{ti}{\mathrm{sin\α}}_t\sin ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}+\mathrm{\π}/2)\\ z_{ti}=l_{ti}{\mathrm{cos\α}}_t\end{array}\right.$

其中，d_t为t时刻所述位移，θ_t为t时刻所述摆角，θ_π/2为所述角度编码器(12)获取的所述激光扫描仪(11)与地面垂直时的摆角的绝对值，l_ti为t时刻第i个扫描点与所述激光扫描仪(11)的距离，α_t为所述扫描点对应的激光线与法线的夹角，l₀为所述激光扫描仪(11)的激光头与所述回转中心的距离，h₀为所述回转中心与地面的距离。

7.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于，所述控制平台(15)通过网格模型和/或面模型形成所述待测臂架的三维几何模型，其中，所述网格模型由所述控制平台(15)通过三角网构建算法建立，所述面模型由所述控制平台(15)根据标准数据库中所述待测臂架的结构数据采用最小二乘法拟合出。

8.根据权利要求7所述的分析系统，其特征在于，所述控制平台(15)根据所述待测臂架的三维几何模型生成图形显示坐标系，所述图形显示坐标系的x轴和y轴构成的平面与所述待测臂架的三维几何模型的纵向截面平行。

9.根据权利要求8所述的分析系统，其特征在于，所述标准数据库中所述待测臂架的结构数据包括尺寸公差和几何公差，

在所述控制平台(15)通过所述网格模型形成所述待测臂架的三维几何模型时，所述控制平台(15)将所述三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中所述待测臂架的结构数据进行比对，以获取所述三维几何模型中超出所述尺寸公差的扫描点；

在所述控制平台(15)通过所述面模型形成所述待测臂架的三维几何模型时，所述控制平台(15)将所述三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中所述待测臂架的结构数据进行比对，以获取所述三维几何模型中超出所述几何公差的扫描点；

所述控制平台(15)根据比对结果计算得到所述成型精度，并将所述三维几何模型超出所述几何尺寸和/或所述几何公差的扫描点进行颜色显示提醒，并将所述比对结果通过图片、Excel或Word的文件格式进行保存。

10.一种工程机械设备的臂架成型精度的分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：

将激光扫描仪(11)、角度编码器(12)和驱动装置设置于水平导轨(16)上，且使所述水平导轨(16)位于所述工程机械设备的待测臂架的上方；

驱动所述激光扫描仪(11)沿所述水平导轨(16)的方向水平运动，同时驱动所述激光扫描仪(11)绕一回转中心摆动，以使其发出的激光线在所述待测臂架的横截面上以多个法线方向进行扫描并获取扫描数据，其中所述横截面为与所述待测臂架长度方向的轴线具有大于0的夹角的任意一个横截面；

所述角度编码器(12)获取所述激光扫描仪(11)摆动时的摆角，位移传感器(13)获取所述激光扫描仪(11)在所述水平导轨(16)上运动时的位移；

控制平台(15)根据所述扫描数据、所述摆角及所述位移形成所述待测臂架的三维几何模型，并将所述三维几何模型的轮廓数据与标准数据库中所述待测臂架的结构数据进行比对，以得到成型精度。