CN107270833A - 一种复杂曲面零件三维测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂曲面零件三维测量系统及方法，所述测量系统包括：工业机器人、控制器、数据处理上位机以及固定支架，所述固定支架上安装有线激光扫描传感器，所述工业机器人用于夹持被测工件按一定的轨迹运动；所述线激光扫描传感器获取被测工件的轮廓点云数据；该传感器内安装有一字线激光器，可发出测量用激光并入射到被测工件表面；该传感器还包括用于对被测工件成像的工业相机。本发明可实现对复杂曲面零件，如叶片类零件，表面三维形貌的测量，具有很高的柔性，较快的测量速度，较高的测量精度，可以有效提高复杂曲面零件检测效率。

Description

一种复杂曲面零件三维测量系统及方法

技术领域

本发明属于自动化测量领域，具体涉及一种复杂曲面零件三维测量系统及方法。

背景技术

随着制造行业水平的不断提升，所设计零部件的形状越来越复杂，复杂曲面已经广泛在工业产品中被使用，以叶片为例，叶片作为许多动力机械，如航空发动机叶片、汽轮机叶片的核心部件，其多具有变截面复杂曲面。

这类复杂曲面零件在加工完成前需要进行检测，以保证其加工的精度。例如航空铸造叶片尺寸终检需要对叶片复杂曲面进行测量，将特征参数与产品模型进行比对，对铸造叶片进行评定。但是，这类零件形貌复杂，传统的测量手段难以进行测量。

传统测量方式主要采用三坐标机对复杂曲面零件表面逐点测量，测量数据量大、测量效率慢、数据处理慢，不能够快速得到被测零件尺寸，大大降低了生产效率。例如采用离线三坐标测量机检测，即用三坐标机对航空铸造涡轮叶片表面逐点测量，但这种方式测量数据量大、测量效率慢、数据处理慢，不能够快速得到叶片特征尺寸，大大降低了生产效率。另外，采用人工检测方式，通过人工靠模板对叶片铸造余量、局部校正量、尺寸误差等进行检测，但是，这种方式涉及复杂的二次装夹、多品种模板定制设计、人工手动操作等，效率低下，无法满足铸造涡轮叶片的快速测量和型面精度控制需求。

为克服上述检测方式的缺陷，现有技术中出现了基于机器视觉技术的非接触式测量方式，其中，线激光三维形貌测量是使用较广泛的一种测量方式。其快速、精确、稳定性好，而且结构简单，易于实现等优势，在各个领域得到了更广泛的应用。但是线激光扫描传感器单次测量只能测量单个截面的数据，对被测工件多区域或者完整形貌的测量需要相应的运动平台辅助完成测量。

六自由度工业机器人因为其柔性高，在制造行业得到了广泛的应用，其末端可以在其灵活空间内以任意姿态到达指定的位置，其末端夹持工件可以在线激光扫描传感器的测量范围内自由移动，实现对被测工件的完整测量。

专利文献CN106546184A公开了一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其主要利用基于IGPS(Indoor GPS，室内GPS)的全局点云拼接技术来完成点云数据的拼接。

该方案能够实现机器人不同位姿下点云测量数据的拼接，但是需要辅助一套IGPS,该种定位系统需要布置相应的基站和接收器，IGPS系统的定位精度与其说布置的基站数量有较大的关系，因此该方案系统构成复杂，实现成本较高；并且该方案其测量传感器安装于机器人末端，只能完成对被测工件的单面测量，如需对被测工件完整测量，需要增加其他装置来在测量过程中变换被测工件的位姿。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复杂曲面零件三维测量系统及方法，其目的在于采用工业机器人夹持被测工件，通过安装在工业机器人工作空间内的线激光扫描传感器进行数据采集，利用工业机器人在测量过程中的运动参数，实现轮廓点云数据的拼合，测量系统简单，测量精度较高，大大提高复杂曲面零件检测效率。

本发明采用如下技术方案：

所述复杂曲面零件三维测量系统，包括工业机器人、控制器、数据处理上位机以及固定支架，所述工业机器人用于夹持被测工件并在工作空间内控制被测工件按一定轨迹运动，所述固定支架上安装有线激光扫描传感器，所述工业机器人和线激光扫描传感器位于同一工作空间且所述线激光扫描传感器发出的一字线激光可投射到测工件表面，所述控制器分别与所述工业机器人和数据处理上位机连接，用于将工业机器人的运动参数实时传输给所述数据处理上位机，所述线激光扫描传感器分别与所述控制器和数据处理上位机连接，用于实现触发和数据采集的同步，以及将采集到的轮廓点云数据实时传输给数据处理上位机。

进一步的，所述线激光扫描传感器包括外壳主体，所述外壳主体侧面盖有外壳侧板，所述外壳侧板通过固定装置固定有连接件，所述连接件一端固定有相机固定件，另一端固定有激光器安装座，所述相机固定件上安装有工业相机，所述工业相机配有相机镜头，所述激光器安装座上通过激光器固定件固定有一字线激光器，所述工业相机的中心线与一字线激光器的激光平面形成10～45°夹角，所述外壳主体开有两个窗口，分别正对于所述相机镜头和一字线激光器，所述工业相机和一字线激光器通过三角测量原理，实现对被测工件的测量。

进一步的，所述工业机器人为六自由度工业机器人。

另一方面，所述复杂曲面零件三维测量方法，包括下述步骤：

数据处理上位机标定工业机器人的基坐标系与线激光扫描传感器的测量坐标系之间的位置关系；

控制器获取测量过程中工业机器人的运动参数，同时线激光扫描传感器采集被测工件的轮廓点云数据，控制器将工业机器人的运动参数以及线激光扫描传感器将轮廓点云数据同步发送至数据处理上位机；

根据标定的位置关系，数据处理上位机基于不同时刻工业机器人的运动参数，将线激光扫描传感器测量的轮廓点云数据还原到同一坐标系下，实现复杂曲面的轮廓点云数据的拼接。

进一步的，在测量过程中，工业机器人运动每到一个指定位置时控制器发出一个触发信号，线激光扫描传感器接收到触发信号后即可进行测量采集轮廓点云数据。

本发明中，能够完成空间中至少六个自由度的测量运动，通过将不同时刻线激光扫描传感器所测得的轮廓点云数据还原到同一坐标系下，实现点云数据的拼合，以此准确获得被测工件的测量数据。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明克服传统测量系统，如三坐标测量机，无法实现速度和精度同时满足需要的缺陷，利用六自由度工业机器人实现扫描式的快速测量，大幅度提高了测量效率，同时具有较高的测量精度。

2)本发明的测量传感器采用线激光扫描传感器，测量精度较高，数据量较小，易于实现快速检测。

3)本发明结构简单，能够很好地解决在针对复杂曲面零件的测量问题，且针对同一类型的零件可以采用机器人抓取的自动化测量，操作简单，测量效率高，而且通用性强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的复杂曲面零件三维测量系统的整体结构图；

图2为复杂曲面零件三维测量系统的原理图；

图3为线激光扫描传感器的结构图；

图4为复杂曲面零件三维测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2所示，按照本发明实施例所构建的一种复杂曲面零件三维测量系统，包括工业机器人100、控制器600、数据处理上位机500以及固定支架400，所述工业机器人100用于夹持被测工件200并在工作空间内控制被测工件按一定轨迹运动，所述工业机器人100优选为六自由度工业机器人，被测工件200安装在六自由度工业机器人的末端，可以控制被测工件按照各种路径或者指定位置移动。所述固定支架400上安装有线激光扫描传感器300，所述工业机器人100和线激光扫描传感器300位于同一工作空间且所述线激光扫描传感器300发出的一字线激光可投射到测工件200表面，所述控制器600分别与所述工业机器人100和数据处理上位机500连接，用于将工业机器人的运动参数实时传输给所述数据处理上位机500，所述线激光扫描传感器300分别与所述控制器600和数据处理上位机500连接，用于实现触发和数据采集的同步，以及将采集到的轮廓点云数据实时传输给数据处理上位机500。

作为所述线激光扫描传感器300的一种具体结构，如图3所示，包括外壳主体304，所述外壳主体侧面盖有外壳侧板301，外壳主体和外壳侧板构成传感器外壳，用于对内部元器件的固定和保护。所述外壳侧板301通过固定装置309固定有连接件308，所述连接件308为长条结构，其中一端固定有相机固定件302，另一端固定有激光器安装座307，所述相机固定件302上安装有工业相机303，所述工业相机配有相机镜头310，所述激光器安装座307上通过激光器固定件305固定有一字线激光器306。所述外壳主体开有两个窗口，分别正对于所述相机镜头310和一字线激光器306。所述工业相机优选是CCD或CMOS相机，所述一字线激光器优选波长为405nm～450nm。本发明实施例中所述线激光扫描传感器设计测量距离优选为300mm～450mm，测量范围优选宽度可以为100mm～160mm。

本实施例中，线激光扫描传感器设计主要用于确定传感器内部工业相机与一字线激光器的相对位置关系，线激光扫描传感器经过初步测试，在确定传感器内部尺寸后，进行合适的外壳设计。传感器外壳设计优选使用材料为航空铝合金。航空铝合金具有较高的强度，能很好的满足工业环境的应用，工业相机和一字线激光器发射部分采用镀膜光学玻璃镜片进行保护。

本结构中，所述连接件308作为工业相机303和一字线激光器306的连接固定部件，实现将两者连接固定为一体。所述连接件308通过固定装置309固定在外壳侧板301内侧，使得外壳侧板、连接件、工业相机、一字线激光器为一整体结构，此整体结构安装在外壳主体内。工业相机上的相机镜头对准外壳主体上的一个窗口，一字线激光器对准外壳主体上的另一个窗口。本实施例中，所述工业相机303的中心线与一字线激光器的激光平面形成10～45°夹角，所述工业相机和一字线激光器通过三角测量原理，实现对被测工件的测量。

具体的，基于上述系统，本发明实施例提供了一种复杂曲面零件三维测量方法，如图4所示，包括：

步骤S1、数据处理上位机标定工业机器人的基坐标系与线激光扫描传感器的测量坐标系之间的位置关系。

工业机器人用于夹持被测工件，工业机器人有六个自由度。工业机器人有个初始状态位置，该位置即为基坐标系，工业机器人夹持被测工件按照预设轨迹或指定位置移动，在不同时刻下，工业机器人的运动参数直接反应了被测工件的具体位置，该位置在基础坐标系下有一个明确的三维坐标值。而线激光扫描传感器的作用是测量被测工件的轮廓数据，即轮廓点云数据。线激光扫描传感器包括一字线激光器和工业相机，一直线激光器发出扫描激光平面，即一字线激光，扫描激光平面投射到被测工件上，形成有工件表面形状的曲线或者其他不规则线段，工业相机拍照被测工件表面的曲线，即被测工件的轮廓。工业相机拍照也有一个测量坐标系，照片中点的位置与工作空间内被测工件表面相应点的几何位置有关，这些位置的相互关系有工业相机成像模型决定，即工业相机的相机参数。为了进行扫描测量，因此首先需要将工业相机的测量坐标系与工业机器人的基坐标系进行标定，即坐标转换关系。

步骤S2、控制器获取测量过程中工业机器人的运动参数，同时线激光扫描传感器采集被测工件的轮廓点云数据，控制器将工业机器人的运动参数以及线激光扫描传感器将轮廓点云数据同步发送至数据处理上位机。

一字线激光器发射出的一字激光线始终投射到被测工件表面，工业相机以一固定的角度对准被测工件进行拍照，获取被测工件表面形成的激光曲线，即被测工件的轮廓，通过三角测量原理，可以得到被测工件轮廓的位置数据，三角测量原理是已知的，这里不赘述。

为了扫描到被测工件的曲面数据，由于线激光扫描传感器的位置是不变的，因此工业机器人需要控制被测工件按照一定轨迹或者指定位置移动，使得线激光扫描传感器能够扫描到被测工件的整个曲面。因此在测量过程中需要得到工业机器人的运动参数，这些运动参数对应了工业机器人的位姿，工业机器人运动每到一个位置时控制器发出一个触发信号，线激光扫描传感器接收到触发信号后即可进行测量采集轮廓点云数据。工业机器人在一个位姿下，线激光扫描传感器就会得到一组轮廓点云数据，经过不断连续扫描后，线激光扫描传感器得到了整个被测工件完整的轮廓点云数据。最后将工业机器人位姿(即运动参数)连同对应的轮廓点云数据发送至数据处理上位机。

步骤S3、根据标定的位置关系，数据处理上位机基于不同时刻工业机器人的运动参数，将线激光扫描传感器测量的轮廓点云数据还原到同一坐标系下，实现复杂曲面的轮廓点云数据的拼接。

根据先前标定的位置关系进行换算，将每个位姿下线激光扫描传感器测量的轮廓点云数据进行拼接，得到被测工件的完整的轮廓点云数据。

本实施例中，例如可以测量铸造涡轮叶片完整的点云数据，通过点云数据得到的叶片轮廓度误差，包括叶盆、叶背、前缘、后缘、最大厚度、扭转角度等特征参数与设计模型匹配所得误差值，还可以设置在测量的同时实时生成检测报告，显示各个检测指标误差值，根据预设要求判定被测叶片是否合格。

本发明中，六自由度工业机器人作为运动平台，其夹持被测工件按一定轨迹运动完成工件的完整测量，由于线激光扫描传感器本身只能够测量单截面，并不能得到被测物体三维形貌，需要获取六自由度工业机器人在运动过程中的位姿信息，来完成被测工件整体三维形貌测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复杂曲面零件三维测量系统，其特征在于，包括工业机器人、控制器、数据处理上位机以及固定支架，所述工业机器人用于夹持被测工件并在工作空间内控制被测工件按一定轨迹运动，所述固定支架上安装有线激光扫描传感器，所述工业机器人和线激光扫描传感器位于同一工作空间且所述线激光扫描传感器发出的一字线激光可投射到测工件表面，所述控制器分别与所述工业机器人和数据处理上位机连接，用于将工业机器人的运动参数实时传输给所述数据处理上位机，所述线激光扫描传感器分别与所述控制器和数据处理上位机连接，用于实现触发和数据采集的同步，以及将采集到的轮廓点云数据实时传输给数据处理上位机。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面零件三维测量系统，其特征在于，所述线激光扫描传感器包括外壳主体，所述外壳主体侧面盖有外壳侧板，所述外壳侧板通过固定装置固定有连接件，所述连接件一端固定有相机固定件，另一端固定有激光器安装座，所述相机固定件上安装有工业相机，所述工业相机配有相机镜头，所述激光器安装座上通过激光器固定件固定有一字线激光器，所述工业相机的中心线与一字线激光器的激光平面形成10～45°夹角，所述外壳主体开有两个窗口，分别正对于所述相机镜头和一字线激光器，所述工业相机和一字线激光器通过三角测量原理，实现对被测工件的测量。

3.根据权利要求1所述的一种复杂曲面零件三维测量系统，其特征在于，所述工业机器人为六自由度工业机器人。

4.一种复杂曲面零件三维测量方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

数据处理上位机标定工业机器人的基坐标系与线激光扫描传感器的测量坐标系之间的位置关系；

控制器获取测量过程中工业机器人的运动参数，同时线激光扫描传感器采集被测工件的轮廓点云数据，控制器将工业机器人的运动参数以及线激光扫描传感器将轮廓点云数据同步发送至数据处理上位机；

根据标定的位置关系，数据处理上位机基于不同时刻工业机器人的运动参数，将线激光扫描传感器测量的轮廓点云数据还原到同一坐标系下，实现复杂曲面的轮廓点云数据的拼接。

5.如权利要求4所述一种复杂曲面零件三维测量方法，其特征在于，在测量过程中，工业机器人运动每到一个指定位置时控制器发出一个触发信号，线激光扫描传感器接收到触发信号后即可进行测量采集轮廓点云数据。