CN103759635A - 一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法 - Google Patents

一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法。本发明的扫描测量机器人的硬件由通用工业机器人、扫描测头和光学跟踪系统构成，首先在CAD软件中虚拟装配工件CAD模型与专用夹具CAD模型；然后自动规划扫描测量路径；接着在真实环境中，测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置；然后在工业机器人仿真软件中，根据步骤上面的测量结果，调整夹具和工件CAD模型以及上面步骤中规划的扫描测量路径的位置；其次测量路径遮挡和碰撞分析；如果有遮挡或者碰撞，调整真实环境中夹具及工件的位置，并重复上面步骤直到无遮挡和碰撞为止，否则，利用生成工业机器人运动程序；最后进行工件检测。本发明的扫描测量机器人可以直接用于现场生产。

Description

一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法
技术领域
本发明涉及复杂曲面检测与机器人离线编程技术领域，具体为一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法。
背景技术
在现代产品设计中，复杂曲面的应用日益广泛，特别是在飞机、船舶、汽车、高速列车等产品设计中得到广泛应用。随着制造技术的发展，产品的制造精度越来越高，复杂曲面的检测也变得尤为重要。传统的复杂曲面检测一般采用坐标测量机，但无论是测量效率还是采样密度都无法满足现代制造业的要求。近年来，出现了一些三维光学扫描仪器，目前需要人工手持/操控这类仪器，依据经验对曲面进行检测。这种人工检测方法的测量路径不可重复，并且，对复杂自由曲面来说很难实现一个合理的测量路径，例如，人工检测可能导致部分区域扫描不到，而又有部分重复扫描，产生数据赘余。
精度与机器人无关的扫描测量机器人是一种基于工业机器人的高精度扫描测量设备。随着机器人应用领域的不断扩大，机器人编程技术越来越被人们所重视。机器人编程通常可以分为在线示教编程和离线编程两种方式。
在线示教编程简单直接。目前，国内外应用的工业机器人系统大多采用示教再现模式，但是示教再现模式在实际生产中存在如下缺点：（1）编程者处于机器人工作空间中，危险系数高；（2）运动规划的失误容易导致工装夹具或者机器人的损坏。对于扫描测量应用，磕碰容易导致价格昂贵的扫描测头器件损坏；（3）示教编程很难实现复杂的机器人作业。对于复杂曲面的扫描测量应用，采用示教编程无法得到优化的测量路径；（4）编程质量取决于编程者的经验；（5）示教编程需要占用机器人的作业时间。
离线编程是应用计算机图形学技术实现一个交互式软件环境，机器人作业的全过程在数字化环境里实现。与传统的在线示教编程相比，离线编程具有如下优点：（1）编程者远离危险的工作环境，安全系数高；（2）在编程期间不会损坏工装夹具及机器人等相关设备；（3）容易生成复杂的运动轨迹，且便于编辑机器人程序，有利于提高编程效率和编程质量；（4）对编程人员的经验要求不高；（5）编程时不影响机器人的正常生产；（6）便于和CAD/CAM系统结合,做到CAD/CAM/机器人一体化。目前国际市场时已有商用机器人离线编程软件，但是，已有的商用软件还不具备扫描测量路径规划功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，以克服现有检测手段的缺点，实现批量复杂曲面类零部件的高精度、自动测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，所述扫描测量机器人的硬件包括通用工业机器人、扫描测头和光学跟踪系统，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、在CAD软件中采用虚拟装配方法，将工件CAD模型装夹定位到夹具CAD模型上；
（2）、根据工件的CAD模型，自动规划扫描测量路径；
（3）、在真实环境中，测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置；
（4）、在工业机器人仿真软件中，根据步骤（3）测量的夹具与工业机器人相对位置，定位夹具及工件CAD模型，并相应调整步骤（2）中规划的扫描测量路径的位置；
（5）、在机器人仿真软件中，对步骤（4）中生成的测量路径进行遮挡和碰撞分析；
（6）、如果有遮挡或者碰撞，调整真实环境中夹具及工件相对于工业机器人的位置，并重复步骤（3）、（4）、（5）直到工业机器人及扫描测头与工件及夹具无遮挡和碰撞为止；否则，利用机器人仿真软件生成工业机器人运动程序；
（7）、在真实环境中，将步骤（6）中生成的工业机器人运动程序输入至工业机器人控制器中，在控制器的控制下带动扫描测头，并配合光学跟踪系统对工件进行检测。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：扫描测头上带有系列测量标记，光学跟踪系统跟踪测量三个及三个以上测量标记确定测量过程中扫描测头的位置和姿态。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：在测量过程中，光学跟踪系统跟踪测量的扫描测头上的测量标记不共线。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（2）中，扫描测量机器人扫描路径规划分为线扫描和面扫描两种类型。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（3）中，夹具带有系列测量标记。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（3）中测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置的具体步骤为：
（a）、在实际环境中摆放好工业机器人、夹具和激光跟踪仪；
（b）、采用激光跟踪仪测量并记录夹具上三个及三个以上测量标记的三维坐标；
（c）、操作机器人运动到三个以上的位置，在工业机器人上读取这些点的三维坐标，并用激光跟踪仪测量并记录以上这些点的三维坐标；
（d）、采用激光跟踪仪的转站功能，将测得的工业机器人各移动点及各测量标记的三维坐标统一到机器人的坐标系，得到夹具相对于工业机器人的位置。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（b）中，激光跟踪仪测量的夹具上的三个及三个以上测量标记不共线。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（c）中，操作机器人运动到的三个以上位置不共线。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：为了使用基于CAD模型规划的扫描测量路径，通过专用夹具将虚拟环境中工件模型与工业机器人模型的相对位置与真实环境中工件与工业机器人的相对位置统一起来，首先采用CAD软件中的虚拟装配方法，将工件CAD模型装配到夹具CAD模型，形成一个包含工件和夹具的CAD模型；然后测量真实环境中夹具与工业机器人的相对位置；最后根据测量结果，在机器人仿真软件中调整夹具与工件模型的位置，统一工件模型与工业机器人模型的相对位置与真实环境中工件与工业机器人的相对位置，并相应调整扫描测量路径的位置。
所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（4）中，调整扫描测量路径的三维坐标变换与夹具与工件模型位置调整时采用的三维坐标变换一致；步骤（7）中，采用光学跟踪系统而非机器人确定测量过程中扫描测头的位置和姿态。
本发明用于批量复杂曲面类零件部外形的高精度、自动检测。本发明的方法相对于已有技术方案的优点在于：
（1）采用光学跟踪系统而非机器人确定测量过程中扫描测头的位姿，系统测量精度与机器人精度无关，消除了机器人相对较低的定位精度对系统测量精度的影响，实现高精度的曲面检测。
（2）采用离线编程进行扫描测量规划，提高了系统的自动化程度，并且有利于提高采样质量，从而提高检测结果的可靠性。
（3）给出了一种基于激光跟踪仪的“虚”“实”环境坐标系统一方法，这里的“虚”环境指工业机器人仿真软件，“实”环境指工业机器人工作的现场真实环境，这种方法简单可靠。
（4）工件表面不需附加任何测量标记，可以用于批量零部件的在线测量。
附图说明
图1是本发明的精度与机器人无关的扫描测量机器人及应用系统的结构示意图。
图2是本发明的精度与机器人无关的扫描测量机器人应用实施步骤的流程图；
图3是本发明的精度与机器人无关的扫描测量机器人采用线扫描测头扫描被测工件的示意图。
图4是本发明的精度与机器人无关的扫描测量机器人采用面扫描测头扫描被测工件的示意图。
图5是本发明的精度与机器人无关的扫描测量机器人应用中测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置的示意图。
具体实施方式
如图1所示。本发明中精度与机器人无关的扫描测量机器人包括通用工业机器人1、法兰盘2、扫描测头3、扫描测头上的测量标识4、光学跟踪系统5、带有锥窝7的夹具6以及装夹在夹具6上的待测工件8、激光跟踪仪9、线扫描测头的光平面10，扫描测头3通过法兰盘2固定在机器人上。
流程图如图2所示的本发明的扫描测量机器人的应用步骤包括：
S1. 在CAD软件中采用虚拟装配方法，将工件CAD模型定位到专用夹具CAD模型上。为了使用基于CAD模型规划的扫描测量路径，必须将虚拟环境中工件模型与工业机器人模型的相对位置与真实环境中工件与工业机器人的相对位置统一起来。由于待测工件是曲面类零件，不易通过测量进行定位，同时为了方便本发明的精度与机器人无关的扫描测量机器人在生产线上对零部件进行批量检测，本发明通过采用专用夹具实现“虚”、“实”环境中工件与工业机器人相对位置的统一。在设计夹具时，为了定位工件，需要设计相应的定位装置，利用工件CAD模型与夹具CAD模型之间的定位约束关系，采用CAD软件中的虚拟装配方法，将工件CAD模型“装配”到夹具CAD模型，形成一个包含工件和夹具的CAD模型。工件装夹在夹具上时，在虚拟环境中的相对位置和在实际环境中的相对位置理论上是一致的，这样就可以通过确定机器人与夹具的相对位置来实现确定机器人与工件的相对位置的目的；
S2. 根据待测工件的CAD模型，自动规划扫描测量路径。首先，将待测工件及夹具的CAD模型输入到自主开发的测量规划软件中；由于待测工件是曲面类零部件，在CAD模型中主要采用裁剪NURBS曲面模型表达，而扫描采样是离散的。为了计算分析，首先需要根据NURBS裁剪曲面表达的工件CAD模型，计算离散的理论采样点。理论采样点的计算分为两种情况：线扫描和面扫描。根据计算出的理论采样点，计算扫描测头的位置和视角方向，最后计算优化的扫描路径；
S3. 在真实环境中，测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置。在不安装扫描测头的情况下，在实际环境中摆放好激光跟踪仪9。在测量时，首先采用激光干涉仪9测量夹具6上三个及三个以上测量标记7的空间位置，要求这些点不能共线；然后操作机器人1的手动控制器，将机器人的手部运动至三个以上不同位置，记录控制器上显示的手部位置并同时采用激光干涉仪9测量其空间位置，同样，这些位置在空间不能共线。最后，采用激光跟踪仪9的转站功能，将测得的工业机器人1各移动点及各锥窝7的三维坐标统一到机器人的坐标系，即获得夹具6相对于工业机器人1的位置。激光干涉仪在本发明中只用于测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置，完成后，即可以撤走；
S4. 在工业机器人仿真软件中，根据步骤S3测量的夹具与工业机器人相对位置，定位夹具及工件CAD模型，并相应调整步骤S2中规划的扫描测量路径的位置。调整扫描测量路径的三维变换与夹具及工件模型位置调整时采用的三维变换一致；
S5. 在机器人仿真软件中，对步骤S4中生成的测量路径进行遮挡和碰撞分析；
S6. 如果有遮挡或者碰撞，调整真实环境中工装夹具相对于工业机器人的位置，并重复步骤S3, S4, S5直到工业机器人与工件及夹具在路径仿真中无遮挡和碰撞为止；否则，利用机器人仿真软件生成工业机器人运动程序；
S7. 在真实环境中，将步骤S6中生成的工业机器人运动程序输入至工业机器人控制器中，在控制器的控制下带动扫描测头，并配合光学跟踪系统对工件进行检测。在机器人运动过程中，扫描测头3的位置和姿态由采用光学跟踪系统5跟踪测量扫描测头上的三个及三个以上测量标记4确定，要求这些点不能共线。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，所述扫描测量机器人的硬件包括通用工业机器人、扫描测头和光学跟踪系统，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、在CAD软件中采用虚拟装配方法，将工件CAD模型装夹定位到夹具CAD模型上；
（2）、根据工件的CAD模型，自动规划扫描测量路径；
（3）、在真实环境中，测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置；
（4）、在工业机器人仿真软件中，根据步骤（3）测量的夹具与工业机器人相对位置，定位夹具及工件CAD模型，并相应调整步骤（2）中规划的扫描测量路径的位置；
（5）、在机器人仿真软件中，对步骤（4）中生成的测量路径进行遮挡和碰撞分析；
（6）、如果有遮挡或者碰撞，调整真实环境中夹具及工件相对于工业机器人的位置，并重复步骤（3）、（4）、（5）直到工业机器人及扫描测头与工件及夹具无遮挡和碰撞为止；否则，利用机器人仿真软件生成工业机器人运动程序；
（7）、在真实环境中，将步骤（6）中生成的工业机器人运动程序输入至工业机器人控制器中，在控制器的控制下带动扫描测头，并配合光学跟踪系统对工件进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：扫描测头上带有系列测量标记，光学跟踪系统跟踪测量三个及三个以上测量标记确定测量过程中扫描测头的位置和姿态。
3.根据权利要求2所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：在测量过程中，光学跟踪系统跟踪测量的扫描测头上的测量标记不共线。
4.根据权利要求1所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（2）中，扫描测量机器人扫描路径规划分为线扫描和面扫描两种类型。
5.根据权利要求1所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（3）中，夹具带有系列测量标记。
6.根据权利要求1所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（3）中测量夹具相对于工业机器人的三维空间位置的具体步骤为：
（a）、在实际环境中摆放好工业机器人、夹具和激光跟踪仪；
（b）、采用激光跟踪仪测量并记录夹具上三个及三个以上测量标记的三维坐标；
（c）、操作机器人运动到三个以上的位置，在工业机器人上读取这些点的三维坐标，并用激光跟踪仪测量并记录以上这些点的三维坐标；
（d）、采用激光跟踪仪的转站功能，将测得的工业机器人各移动点及各测量标记的三维坐标统一到机器人的坐标系，得到夹具相对于工业机器人的位置。
7.根据权利要求6所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（b）中，激光跟踪仪测量的夹具上的三个及三个以上测量标记不共线。
8.根据权利要求6所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（c）中，操作机器人运动到的三个以上位置不共线。
9.根据权利要求1所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：为了使用基于CAD模型规划的扫描测量路径，通过专用夹具将虚拟环境中工件模型与工业机器人模型的相对位置与真实环境中工件与工业机器人的相对位置统一起来，首先采用CAD软件中的虚拟装配方法，将工件CAD模型装配到夹具CAD模型，形成一个包含工件和夹具的CAD模型；然后测量真实环境中夹具与工业机器人的相对位置；最后根据测量结果，在机器人仿真软件中调整夹具与工件模型的位置，统一工件模型与工业机器人模型的相对位置与真实环境中工件与工业机器人的相对位置，并相应调整扫描测量路径的位置。
10.根据权利要求1所述的一种精度与机器人无关的扫描测量机器人检测方法，其特征在于：步骤（4）中，调整扫描测量路径的三维坐标变换与夹具与工件模型位置调整时采用的三维坐标变换一致；步骤（7）中，采用光学跟踪系统而非机器人确定测量过程中扫描测头的位置和姿态。
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