CN106546184B - 大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统 - Google Patents

大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统 Download PDF

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Abstract

大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，属于形貌测量技术领域，解决了现有技术中存在的量设备缺乏灵活性，不能够实现在线测量；自动化程度低、点云拼接精度低、测量效率有待提高的技术问题；本测量系统的测量方法包括以下步骤：步骤一：建立复杂曲面测量系统模型；步骤二：规划复杂曲面轨迹，并进行离线编程；步骤三：测量复杂曲面的三维形貌；步骤四：处理复杂曲面的测量数据，利用基于IGPS的全局点云拼接技术来完成点云数据的拼接；本发明对于不同的测量产品，可以随时更换机器人控制程序，适应不同的测量需求；工业机器人能够实时与计算机进行通讯，提高了系统的自动化程度。

Description

大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统
技术领域
本发明属于形貌测量技术领域，具体涉及一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统。
背景技术
在现代工业生产中，尤其是在航空航天、汽车、武器装备、模具制造等领域，具有复杂曲面外形的零件越来越多，且对零件的结构和外形要求都非常高，传统人工离线的测量方式已不能满足现代化生产对曲面测量的需求，如何准确、快速、在线地对曲面进行测量已经成为目前的研究热点之一；另外，产品更新换代的速度不断加快，企业为了提高自己的市场竞争力，越来越倾向于向多品种、小批量的灵活性生产方式发展，如果企业仍然采用传统的固定式检测方法，即使这种方法具有很高的精度和工作效率，也很难适应品种和规格频繁变换的生产场合，不能满足对多种类型的零部件制造质量进行实时监测的需要。
目前，国内外已经出现了多种三维形貌测量设备并已产品化，但是大部分测量设备或测量系统，往往针对具体的应用而开发，数据处理通常对应特定的测量对象，存在以下技术缺陷：测量设备缺乏灵活性，不能够实现在线测量；自动化程度低、点云拼接精度低、测量效率有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，解决现有技术中存在的量设备缺乏灵活性，不能够实现在线测量；自动化程度低、点云拼接精度低、测量效率有待提高的技术问题。
本发明大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统包括工业机器人、机器人控制柜、两轴变位机、安全光幕、安全围栏、IGPS发射器和IGPS接收器；
本测量系统的测量方法包括以下步骤：
步骤一：建立复杂曲面测量系统模型；
a、根据形貌测量传感器的测量原理建立扫描测量系统中结构光传感器的数学模型；
b、根据机器人位姿描述方法建立机器人的D-H模型和机器人定位误差模型，进行建立测量系统的手眼标定数学模型；
c、根据IGPS测量原理，建立机器人位姿获取模型以及基于IGPS的点云拼接算法；
步骤二：规划复杂曲面轨迹，并进行离线编程；
根据被测曲面的数模（IGES模型）以及被测曲面的结构特点利用轨迹规划软件中的相应策略完成测量路径的规划，确保形貌测量传感器沿着曲面零件表面的切向运动，与被测曲面零件表面的法向保持一致，进行法向精度控制的基础上完成测量路径的离线编程；
步骤三：测量复杂曲面的三维形貌；
步骤四：处理复杂曲面的测量数据，利用基于IGPS的全局点云拼接技术来完成点云数据的拼接。
所述步骤三中的测量复杂曲面的三维形貌的具体方法为：
a、标定形貌测量传感器机器人；
b、获取基于IGPS的机器人位姿；
c、测量复杂曲面零件的形貌；
d、进行基于IGPS复杂曲面的点云拼接。
所述步骤四中利用基于IGPS的全局点云拼接技术来完成点云数据拼接的具体方法：
a、获取复杂曲面测量数据点云数据；
b、通过简化、提取和平滑方式处理点云数据；
c、拼接基于IGPS的复杂曲面点云数据；
d、分析评价形貌测量系统测量精度。
本发明的有益技术效果：本发明包括计算机、工业机器人、形貌测量传感器和控制系统；本发明充分利用工业机器人运动灵活、占地面积小的特点，且工业机器人的工作范围大，安装在机器人手臂上的形貌测量传感器理论上可以到达工业机器人工作空间的任意点，具有测量范围大的优点；对于不同的测量产品，可以随时更换机器人控制程序，适应不同的测量需求；工业机器人能够实时与计算机进行通讯，提高了系统的自动化程度。
附图说明
附图1为本发明大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统包括工业机器人、机器人控制柜、两轴变位机、安全光幕、安全围栏、IGPS发射器和IGPS接收器；
参见附图1，本测量系统的测量方法包括以下步骤：
步骤一：建立复杂曲面测量系统模型；
a、根据形貌测量传感器的测量原理建立扫描测量系统中结构光传感器的数学模型；
b、根据机器人位姿描述方法建立机器人的D-H模型和机器人定位误差模型，进行建立测量系统的手眼标定数学模型；
c、根据IGPS三角测量原理，建立机器人位姿获取模型以及基于IGPS的点云拼接算法；
步骤二：规划复杂曲面轨迹，并进行离线编程；
根据被测曲面的数模（IGES模型）以及被测曲面的结构特点利用轨迹规划软件中的相应策略完成测量路径的规划，确保形貌测量传感器沿着曲面零件表面的切向运动，与被测曲面零件表面的法向保持一致，进行法向精度控制的基础上完成测量路径的离线编程；
步骤三：测量复杂曲面的三维形貌；
步骤四：处理复杂曲面的测量数据，利用基于IGPS的全局点云拼接技术来完成点云数据的拼接。
所述步骤三中的测量复杂曲面的三维形貌的具体方法为：
a、标定形貌测量传感器机器人；
b、获取基于IGPS的机器人位姿；
c、测量复杂曲面零件的形貌；
d、进行基于IGPS复杂曲面的点云拼接。
所述步骤四中利用基于IGPS的全局点云拼接技术来完成点云数据拼接的具体方法：
a、获取复杂曲面测量数据点云数据；
b、通过简化、提取和平滑方式处理点云数据；
c、拼接基于IGPS的复杂曲面点云数据；
d、分析评价形貌测量系统测量精度。
经试验测定本系统基于IGPS点云拼接精度不低于0.1mm/m。
所述机器人自由度为6 DOF；最大臂展（测量工件）范围为5m；机器人末端执行器移动速度为0-500mm/s可调；机器人最大负载为20 Kg；机器人重复定位精度不低于0.08mm。
形貌测量传感器扫描视场为25mm2-1000mm2；测距点精度为0.1mm。

Claims (3)

1.大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其特征在于，本系统的测量方法包括以下步骤：
步骤一：建立复杂曲面测量系统模型；
根据形貌测量传感器的测量原理建立扫描测量系统中结构光传感器的数学模型；
根据机器人位姿描述方法建立机器人的D-H模型和机器人定位误差模型，进行建立测量系统的手眼标定数学模型；
根据IGPS测量原理，建立机器人位姿获取模型以及基于IGPS的点云拼接算法；
步骤二：规划复杂曲面轨迹，并进行离线编程；
根据被测曲面的数模以及被测曲面的结构特点利用轨迹规划软件中的相应策略完成测量路径的规划，确保形貌测量传感器沿着曲面零件表面的切向运动，与被测曲面零件表面的法向保持一致，进行法向精度控制的基础上完成测量路径的离线编程；
步骤三：测量复杂曲面的三维形貌；
步骤四：处理复杂曲面的测量数据，利用基于IGPS的全局点云拼接技术来完成点云数据的拼接。
2.根据权利要求1所述的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其特征在于，所述步骤三中的测量复杂曲面的三维形貌的具体方法为：
a、标定形貌测量传感器机器人；
b、获取基于IGPS的机器人位姿；
c、测量复杂曲面零件的形貌；
d、进行基于IGPS复杂曲面的点云拼接。
3.根据权利要求1所述的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其特征在于，所述步骤四中利用基于IGPS的全局点云拼接技术来完成点云数据拼接的具体方法：
a、获取复杂曲面测量数据点云数据；
b、通过简化、提取和平滑方式处理点云数据；
c、拼接基于IGPS的复杂曲面点云数据；
d、分析评价形貌测量系统测量精度。
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