CN109827517B - 一种铸件内腔机器人检测机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微变形检测装置，特别涉及一种铸件内腔机器人检测机构。包括反射球、扫描振镜、激光发生器、传感器及控制系统，其中激光发生器用于产生发射激光束；扫描振镜设置于激光发生器的前端，用于控制发射激光束的偏转角度；传感器上设有探杆，反射球设置于探杆的末端，用于将发射激光束反射为入射激光束照射到被检测工件内表面的检测点上，再被检测点反射为反射激光束；传感器用于采集检测点的入射激光束和反射激光束图像信号、且将该图像信号发送至控制系统；控制系统用于控制激光发生器及接收传感器的图像信号、且对该图像信号进行处理。本发明使测量盲区微变形获得更高数量级的精度，尤其是表面曲率数值。

Description

一种铸件内腔机器人检测机构

技术领域

本发明涉及一种微变形检测装置，特别涉及一种铸件内腔机器人检测机构。

背景技术

一般地，三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以获取空间点位及其变化信息。但是，现有的三维激光扫描是典型的云点技术，其测量盲区微变形获得的精度不高，尤其是难以获得高精度的表面曲率数值。但是，现有技术对于铸件内腔测量由于光线的直线传播特性和探测头的尺寸限制，显得受制约。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种铸件内腔机器人检测机构，以使测量盲区微变形获得更高数量级的精度，尤其是表面曲率数值。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铸件内腔机器人检测机构，包括反射球、扫描振镜、激光发生器、传感器及控制系统，其中，

所述激光发生器用于产生发射激光束；

所述扫描振镜设置于所述激光发生器的前端，用于控制所述发射激光束的偏转角度；

所述传感器上设有用于探入工件内腔的探杆，所述反射球设置于所述探杆的末端，用于将所述发射激光束反射为入射激光束照射到工件内表面的检测点上，再被检测点反射为反射激光束；

所述传感器用于采集工件受载荷前后内表面检测点上的入射激光束和反射激光束在测试盲区外的空间轨迹的图像信号、且将该图像信号发送至所述控制系统；

所述控制系统用于控制激光发生器及接收所述传感器的图像信号、且对该图像信号进行处理，从而得到工件内表面的微变形量。

所述传感器上设有至少三组所述探杆。

所述探杆为直杆或空间曲杆。

所述激光发生器设置于用于变换空间位姿的激光测量伺服运动云台上。

所述传感器设置于用于变换空间位姿的图像采集伺服运动云台上。

所述铸件内腔机器人检测机构，还包括用于驱动工件高速转动的载荷模拟装置。

当所述反射激光束为散斑时，在所述工件的内表面喷涂液态溶剂层，通过检测液态溶剂层进行检测微变形。

所述激光发生器、传感器及控制系统形成闭环的伺服控制系统。

所述传感器通过采集检测点的入射激光束和反射激光束的图像信号，进而得到检测点的空间坐标和曲面表面曲率，所述控制系统利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型，从而获得检测点的微变形。

本发明的优点及有益效果是：首先，本发明适合铸造件等半封闭内腔检测；其次，本发明采用激光技术和计算机云计算的结合，响应速度快，计算能力强；最后，本发明可以采用测量机器人的标定能力，适应各种异型内曲面的工件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明的工作原理示意图。

图中：1为反射球，2为入射激光束，3为反射激光束，4为工件，5为发射激光束，6为扫描振镜，7为激光发生器，8为探杆，9为传感器，10为图像采集机器人，11为控制系统，12为激光测量机器人，13为载荷模拟装置，14为测试场地。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种铸件内腔机器人检测机构，包括反射球1、扫描振镜6、激光发生器7、传感器9及控制系统11，其中激光发生器7用于产生发射激光束5；扫描振镜6设置于激光发生器7的前端，用于控制发射激光束5的偏转角度；传感器9上设有用于探入工件4内腔的探杆8，反射球1设置于探杆8的末端，用于将发射激光束5反射为入射激光束2照射到工件4内表面的检测点上，再被检测点反射为反射激光束3；传感器9用于采集工件4受载荷前后内表面检测点上的入射激光束2和反射激光束3在测试盲区外的空间轨迹的图像信号、且将该图像信号发送至控制系统11；控制系统11用于控制激光发生器7及接收传感器9的图像信号、且对该图像信号进行处理，从而得到工件4内表面的微变形量。

进一步地，激光发生器7设置于用于变换空间位姿的激光测量伺服运动云台上，传感器9设置于用于变换空间位姿的图像采集伺服运动云台上。

本发明的一实施例中，激光测量伺服运动云台采用激光测量机器人12，激光测量机器人12为激光发生器7在测试场地14提供六个自由度，即是三个方向的位置，三个偏转角度，便于测量。图像采集伺服运动云台采用图像采集机器人10，图像采集机器人10为反射球1和传感器9提供六个自由度，即三个方向的位置、三个偏转角度，便于测量。

激光发生器7、传感器9及控制系统11形成闭环的伺服控制系统。反射球1通过探杆8经过标定机械连接图像采集机器人10的末端执行法兰，反射球1可以含有多种曲率包括负曲率和正曲率，经过激光检具进行标定，可以从理论上消除反射球1的制造公差。探杆8可以为直杆也可以为空间曲杆，激光检具进行标定，可以从理论上消除探杆8的制造公差。探杆8连接图像采集机器人10,图像采集机器人10可以精确标定，图像采集机器人10轴码盘数值为控制系统11数值计算的输入数值。

进一步地，传感器9上设有至少三组探杆8，可以根据传感器9采集数据，根据计算机图形学理论，通过控制系统11数值计算反求入射激光束2和反射激光束3的空间位置，并与机器人的世界坐标进行标定。

传感器9与探杆8的探测方向平行，保证控制系统11在利用计算机图形学进行全息计算的数值求解的消除畸变运算尽可能减小处理器的运算负荷。

所述铸件内腔机器人检测机构还包括用于驱动工件4高速转动的载荷模拟装置13，载荷模拟装置13的固定连接在测试场地14，工件4连接在载荷模拟装置13上，载荷模拟装置13可以对工件4进行加载，让工件4进行高速的运动，工件4的自身刚度和惯性力在运动中,工件4的内部表面应力及变形得以动态测量。

本发明的一实施例中，载荷模拟装置采用伺服电机驱动工件4转动。

工件4表面的空间曲面若表面粗糙度太大不能形成反射激光束3，只形成一个散斑时，可以采用在工件4表面的空间喷液态溶剂，形成液态溶剂层薄膜，采用检测液态溶剂表面薄膜的方式工件进行检测微变形。

传感器9通过采集检测点的入射激光束2和反射激光束3的图像信号，进而得到检测点的空间坐标和曲面表面曲率，控制系统8利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型，从而获得检测点的微变形。

本发明的工作原理是：

本发明是一种采用光学方法检测工件受外部载荷后，工件内部在激光测试盲区点的空间曲面表面微变形的装置。如图3所示，通过控制系统11让激光发生器7产生(发射)发射激光束5，在扫描振镜6的作用下照射到反射球1上，再经过反射球1变成入射激光束2向工件4的内表面上的一检测点进行测量。当入射激光束2照射到工件4内表面时,入射激光束2被工件4内表面反射后在空间形成反射激光束3。利用传感器9可以获得检测点的入射激光束2和反射激光束3在传感器9测试盲区外的空间轨迹，根据空间直线汇交原理进而得到传感器9测试盲区的检测点空间坐标和曲面表面曲率。工件4受外部载荷后将会产生微变形。采用同样的测量方法可以获得相同被测点的另外一组空间坐标和曲面表面曲率。控制系统11通过数值算法对获得的数据进行数值处理，可以获得被测点的微变形。利用激光扫描振镜6的在一定范围内可以任意角度高速探测性，可以获得整个工件4受外载荷前和后的两组空间形状，即获得被检测工件4微变形、表面应变、表面应力等结构力学特性，为特种工件的结构力学特性研究奠定基础。

现有的三维激光扫描是典型的云点技术，根据激光测量的云点，利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型。对于大型铸造件内部腔的内部面，让传感器摄像头进入，空间受限，所以对于盲区的测量就需要一种新的原理策略,采用机构学原理，机器人技术，测量技术，激光技术，通过对非盲区的测量，并采用激光标定的方法和数值分析的方法，在结合激光技术的高速性和计算机的大数据点云的处理能力，反求出盲区空间的动特性。根据入射光线与反射光线的角度不可放大的物理原理与数值分析的误差分析技术结合可知，对于微变形领域的测量，测量入射光线与反射光纤的角度相比于三维激光扫描云可以获得更高的精度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，包括反射球(1)、扫描振镜(6)、激光发生器(7)、传感器(9)及控制系统(11)，其中，

所述激光发生器(7)用于产生发射激光束(5)；

所述扫描振镜(6)设置于所述激光发生器(7)的前端，用于控制所述发射激光束(5)的偏转角度；

所述传感器(9)上设有用于探入工件(4)内腔的探杆(8)，所述反射球(1)设置于所述探杆(8)的末端，用于将所述发射激光束(5)反射为入射激光束(2)照射到工件(4)内表面的检测点上，再被检测点反射为反射激光束(3)；

所述传感器(9)用于采集工件(4)受载荷前后内表面检测点上的入射激光束(2)和反射激光束(3)在测试盲区外的空间轨迹的图像信号、且将该图像信号发送至所述控制系统(11)；

所述控制系统(11)用于控制激光发生器(7)及接收所述传感器(9)的图像信号、且对该图像信号进行处理，从而得到工件(4)内表面的微变形量。

2.根据权利要求1所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，所述传感器(9)上设有至少三组所述探杆(8)。

3.根据权利要求2所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，所述探杆(8)为直杆或空间曲杆。

4.根据权利要求1所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，所述激光发生器(7)设置于用于变换空间位姿的激光测量伺服运动云台上。

5.根据权利要求1所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，所述传感器(9)设置于用于变换空间位姿的图像采集伺服运动云台上。

6.根据权利要求1所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，还包括用于驱动工件(4)高速转动的载荷模拟装置(13)。

7.根据权利要求1所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，当所述反射激光束(3)为散斑时，在所述工件(4)的内表面喷涂液态溶剂层，通过检测液态溶剂层进行检测微变形。

8.根据权利要求1所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，所述激光发生器(7)、传感器(9)及控制系统(11)形成闭环的伺服控制系统。

9.根据权利要求1所述的铸件内腔机器人检测机构，其特征在于，所述传感器(9)通过采集检测点的入射激光束(2)和反射激光束(3)的图像信号，进而得到检测点的空间坐标和曲面表面曲率，所述控制系统(8)利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型，从而获得检测点的微变形。

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