CN113295092B - 一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统和方法，属于自动化测量相关技术领域。系统包括导轨，其上设有滑块；安装架，固定于滑块上；两个线激光传感器，分别通过紧固件安装在所安装架的两端；夹持组件，用于夹持待测零件并将待测零件的位姿调整至垂直于线激光传感器的激光发射面。测量时，先通过对标准球的扫描测量结果分析计算导轨实际运动方向偏离理论方向的方向向量，将传感器的测量坐标系正交化；再通过对标定块的扫描测量结果分析计算传感器测量坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵，直接使用传感器对被测件进行同步扫描即可实现线激光传感器测量数据的快速拼接。本发明适用性较强，且极大地提高了测量效率和质量，适用范围广。

Description

一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统和方法
技术领域
本发明属于自动化测量相关技术领域，更具体地，涉及一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统和方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，零件制造精度要求越来越高，针对零件自动化三维测量问题的研究也引发越来越多的关注，尤其是在航空航天、核力发电等重要工业领域，复杂零件尺寸的测量精度对零件性能的影响至关重要。
根据测量原理的不同，零件尺寸的测量方式可以分为：传统量规、三坐标测量机、射线测量法。传统量规多为手动测量方式，测量效率低，人工劳动强度大，且零件表面被测点的法线方向难以找到，测量精度较低；三坐标测量机多采用触发式测量方式，测量精度高，测量范围大，可以获得零件的尺寸分布，但数据处理周期长，且探头可能引起工件的划伤和变形；射线测量在灵敏度、精度、效率等方面具有优势，因此基于射线测量原理的仪器已有较成熟的商业应用，但是仪器结构相对复杂，造价较高，射线强度变化易造成大量干扰噪声影响结果稳定性。
以上的方法针对大多数普通零件有良好的测量效果，但是测量表面结构复杂的零件还存在很多问题。以核电换热板为例，核电换热板是由人字形波纹压制成的复杂薄壁件，表面结构复杂，形状特征提取困难，测量难度大，需要高精度的测量方法，且每个核电站约有600～800片大型换热板，检测整个系统的作业任务量巨大，需要高效率的自动测量系统。可见，传统的测量方法不但存在结果一致性差、易划伤零件表面等问题，还难以满足高速、高精度的测量需求，因此寻求一种针对复杂薄壁零件的测量方法很有意义。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统和方法，旨在解决现有复杂薄壁零件测量的结果一致性差、易划伤零件表面、速度精度不高的问题。
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统，包括：
导轨，其上设有滑块；
安装架，固定于所述滑块上；
两个线激光传感器，分别通过紧固件安装在所述安装架的两端；
夹持组件，用于夹持待测零件并将待测零件的位姿调整至垂直于线激光传感器的激光发射面；其中，所述待测零件位于两个线激光传感器之间。
进一步地，还包括标准球和标定块，用于在正式测量之前对所述线激光三维测量系统进行标定，所述标定块为非标件，包括两个标定面，每个标定面在上、下、左、右方向上都至少设有一个斜面特征用于定位。
进一步地，所述线激光传感器为单线扫描激光传感器。
本发明的另一方面还提供了一种基于上述线激光三维测量系统的测量方法，包括以下步骤：
(1)所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标准球左、右方向上的原始点云；
(2)对所述原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标准球左、右方向上的测量点云；
(3)对两侧线激光传感器测量坐标系下标准球的测量点云的截面进行圆心坐标提取；
(4)基于所述圆心坐标，拟合导轨在线激光传感器测量坐标系下运动方向的方向向量，采用基变换将两侧线激光传感器测量坐标系正交化，完成导轨相对于两侧线激光传感器运动方向的标定；
(5)所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标定块左、右方向上的原始点云；
(6)对标定块的原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标定块左、右方向上的测量点云；
(7)将标定块左、右方向上的测量点云作为测试模型，与作为参考模型的标定块标准模型进行匹配，设标定块标准模型的工件坐标系为世界坐标系，计算左、右侧线激光传感器测量坐标系到世界坐标系的变换矩阵
Figure BDA0003089100360000031
和变换矩阵
Figure BDA0003089100360000032
(8)基于变换矩阵
Figure BDA0003089100360000033
和变换矩阵
Figure BDA0003089100360000034
将两侧线激光传感器测量坐标系下的待测零件的测量点云PPartL、PPartR变换至世界坐标系下，完成两侧线激光传感器测量数据的融合，进而完成尺寸测量。
进一步地，采用随机采样一致性及欧氏聚类的方法对标准球和标定块的原始点云执行点云分割。
进一步地，步骤(3)中标准球测量点云由多个半圆形点云截面组成，标准球测量点云的截面数量由线激光传感器的触发设置决定，通过最小二乘法拟合计算出标准球测量点云截面的多个圆心。
进一步地，步骤(7)中采用ADF算法进行匹配。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1.本发明克服了传统测量方式效率低、结果一致性差的缺陷，采用两侧线激光传感器沿导轨同步水平运动扫描复杂薄壁件，快速准确的一次性获取薄壁件的完整点云数据。
2本发明采用线激光传感器扫描零件，不接触零件表面，避免了对零件表面造成损伤，且测量范围广，适用于测量大型零件。
3.本发明只需对标准球进行单幅扫描测量即可实现点云分割及标准球截面点云球心提取，易于实施且测量效率高。
4.本发明所使用的标定块在基础的特征设计上增加了上下、左右方向的斜面特征，减少匹配时出现滑移的概率，增加模型的匹配效率和准确率。
5.本发明采用ADF算法进行点云匹配，并基于匹配变换矩阵将多个传感器测量数据拼接在一起，获取复杂零件的完整点云，计算效率高、精度高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的待测量复杂薄壁零件结构示意图；
图3是本发明实施例提供的标定块结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种针对复杂薄壁零件的线激光三维测量系统及方法的标定流程示意图；
图5是本发明实施例提供的导轨在传感器下的运动方向标定示意图；
图6是本发明实施例提供的线激光传感器位姿标定示意图。
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。
本发明实施例提供了一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统，包括：
导轨，其上设有滑块；
安装架，固定于所述滑块上；
两个线激光传感器，分别通过紧固件安装在所述安装架的两端；
夹持组件，用于夹持待测零件并将待测零件的位姿调整至垂直于线激光传感器的激光发射面；其中，所述待测零件位于两个线激光传感器之间。
本发明实施例还提供了一种基于上述线激光三维测量系统的测量方法，包括以下步骤：
(1)所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标准球左、右方向上的原始点云；
(2)对所述原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标准球左、右方向上的测量点云；
(3)对两侧线激光传感器测量坐标系下标准球的测量点云的截面进行圆心坐标提取；
(4)基于所述圆心坐标，拟合导轨在线激光传感器测量坐标系下运动方向的方向向量，采用基变换将两侧线激光传感器测量坐标系正交化，完成导轨相对于两侧线激光传感器运动方向的标定；
(5)所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标定块左、右方向上的原始点云；
(6)对标定块的原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标定块左、右方向上的测量点云；
(7)将标定块左、右方向上的测量点云作为测试模型，与作为参考模型的标定块标准模型进行匹配，设标定块标准模型的工件坐标系为世界坐标系，计算左、右侧线激光传感器测量坐标系到世界坐标系的变换矩阵
Figure BDA0003089100360000051
和变换矩阵
Figure BDA0003089100360000052
(8)基于变换矩阵
Figure BDA0003089100360000053
和变换矩阵
Figure BDA0003089100360000054
将两侧线激光传感器测量坐标系下的待测零件的测量点云PPartL、PPartR变换至世界坐标系下，完成两侧线激光传感器测量数据的融合，进而完成尺寸测量。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
本发明实施例提供了一种针对复杂薄壁零件的线激光三维测量系统及方法，如图1所示，其中Pre-step1指的是完成导轨在传感器下的运动方向标定，Pre-step2指的是完成线激光传感器(104)位姿标定。系统包括：
薄壁零件(100)，通过连接件固定在机器人(101)末端法兰上。待测量复杂薄壁零件结构在图2中示出。
机器人(101)，通过底座固定于地面上。
水平导轨(102)，固定于机架上，导轨上带有一个滑块。
安装架(103)，有2个对称布置的安装板，通过5个螺栓固定在水平导轨(102)的滑块上，可以使线激光传感器(104)水平移动。
线激光传感器(104)，通过紧固件安装在安装架(103)的安装板上。
标准球(105)，通过支架固定在机架上，是一个标准哑光陶瓷球。
标定块(106)，通过连接件固定在机器人(101)末端法兰上，标定块(106)是非标件，如图3所示，设计要求是匹配特征由规则几何体组成、用于对齐的扫描面均有限制上、下、左、右方向移动的斜面特征、特征分布不具有规律性，且所有扫描面的特征都不完全相同，即可用于本测量系统传感器的位姿标定。
所述测量系统基于非接触式测量技术，整个系统完全标定后即可进行复杂薄壁零件的三维测量。其中，非接触式测量具体为水平导轨(102)上面的滑块带动线激光传感器(104)运动，扫描测量待测件；系统首先标定导轨在线激光传感器(104)下的运动方向，基于安装架(103)上线激光传感器(104)扫描标准球(105)得到的点云数据获取导轨运动方向的方向向量；其次，标定传感器间位姿关系，基于安装架(103)上线激光传感器(104)扫描标定块(106)得到的点云数据分别与标定块(106)三维模型进行配准获取坐标系变换矩阵；最后，根据得到的变换矩阵可以将线激光传感器(104)的测量坐标系统一至标定块(106)工件坐标系下，实现线激光传感器(104)测量数据的快速拼接，由此获取零件完整的测量点云数据。本发明的适用性较强，且极大地提高了测量效率和质量，适用范围广。
所述方法可用于表面结构复杂、形状特征提取困难、测量难度大的薄壁零件(100)，其采用非接触式测量技术，具体流程如图4所示，主要包括导轨在传感器下的运动方向标定(如图5)和线激光传感器位姿标定(如图6)。图6中{L}为左侧线激光传感器(104)测量坐标系，{R}为右侧线激光传感器(104)测量坐标系，{W}为标定块(106)实体的工件坐标系，
Figure BDA0003089100360000071
左侧线激光传感器(104)测量坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵、
Figure BDA0003089100360000072
是右侧线激光传感器(104)测量坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵。
基于完全标定后的系统，利用线激光传感器(104)同步扫描薄壁零件(100)，快速获取零件完整测量点云数据：通过对标准球(105)的扫描测量结果分析计算导轨实际运动方向偏离理论方向的方向向量，将传感器的测量坐标系正交化；通过对标定块(106)的扫描测量结果分析计算传感器测量坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵，基于系统完全标定的前提，直接使用传感器对被测件进行同步扫描即可实现线激光传感器(104)测量数据的快速拼接，由此获取零件完整的测量点云数据。所述方法主要包括以下步骤：
步骤一，水平导轨(102)固定在机架上，上面的滑块带动线激光传感器(104)运动，扫描测量标准球(105)左、右方向上的原始点云。
具体地，由电机驱动带动滑块平稳移动，传感器设置成光栅尺触发。当扫描完成后，记线激光传感器(104)扫描的标准球(105)原始点云为Array。
步骤二，对标准球(105)原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，得到标准球(105)左、右测量点云；
具体地，通过标准球(105)点云分割模块对原始点云Array进行分割，得到左右两片点云，记左侧线激光传感器(104)扫描的标准球(105)测量点云为SphereL，右侧线激光传感器(104)扫描的标准球(105)测量点云为SphereR。
步骤三，对左、右侧线激光传感器(104)测量坐标系下标准球(105)测量点云的截面进行圆心坐标提取；
具体地，采用最小二乘拟合计算标准球(105)点云SphereL、SphereR截面的多个圆心坐标。
步骤四，基于提取的圆心拟合导轨在传感器下运动方向的方向向量，采用基变换将两侧线激光传感器(104)的测量坐标系正交化，完成导轨相对于两侧线激光传感器(104)运动方向的标定。
具体地，首先明确线激光传感器(104)测量坐标系的XOZ平面为激光扫描平面，设X轴方向向量为e0＝(1，0，0)τ，Z轴方向向量为e2＝(0，0，1)τ。
其次，利用步骤三中计算得到的标准球(105)半圆形点云截面的多个圆心坐标，通过最小二乘法拟合计算出圆心所在直线，得到直线的方向向量e1＝(a，b，c)τ，此时Y轴与XOZ平面的法向量存在夹角，建立非正交坐标系OXYZ，基底为(e0，e1，e2)。
进一步，利用XOZ平面根据右手定则计算Y′轴，Y′轴的方向向量为e′1＝(0，1，0)τ，建立正交坐标系OXY′Z，基底为(e0，e′1，e2)。
最后，利用基变换公式
Figure BDA0003089100360000081
即
Figure BDA0003089100360000082
Figure BDA0003089100360000083
其中x，z是由传感器直接扫描获取的坐标值，y是传感器移动过程中记录的导轨光栅尺刻度，(x′，y′，z′)τ是正交化后点云的三维坐标。因此利用基变换可以将线激光传感器(104)测量点云从非正交坐标系OXYZ下转换到正交坐标系OXY′Z下，消除了导轨运动方向有偏差所带来的影响。
步骤五，水平导轨(102)固定在机架上，上面的滑块带动线激光传感器(104)运动，扫描测量标定块(106)左、右面原始点云；
具体地，将标定块(106)待扫描的左右两面调整至垂直于线激光传感器(104)的激光发射面，驱动导轨带动传感器扫描，记线激光传感器(104)扫描的标定块(106)原始点云为Arrayl。
步骤六，对标定块(106)原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，得到左、右标定块(106)测量点云；
具体地，通过对标定块(106)原始点云Array1进行分割，得到标定块(106)左、右两面点云，记左侧线激光传感器(104)扫描的标定块(106)测量点云为FeatureL，右侧线激光传感器(104)扫描的标定块(106)测量点云为FeatureR。
步骤七，将左、右标定块(106)测量点云作为测试模型，与作为参考模型的标定块(106)标准模型进行匹配，设标定块(106)标准模型的工件坐标系为世界坐标系，计算左、右线激光传感器(104)测量坐标系到世界坐标系的变换矩阵
Figure BDA0003089100360000091
变换矩阵
Figure BDA0003089100360000092
具体地，采用ADF算法进行匹配，对于已创建好的标定块(106)标准模型，将其转化成stl格式作为参考模型，分别将标定块(106)测量点云FeatureL、FeatureR作为测试模型，求解线激光传感器(104)测量坐标系转换至标定块(106)标准模型工件坐标系的变换矩阵
Figure BDA0003089100360000093
变换矩阵
Figure BDA0003089100360000094
步骤八，根据得到的变换矩阵
Figure BDA0003089100360000095
变换矩阵
Figure BDA0003089100360000096
可以将线激光传感器(104)的测量坐标系统一至世界坐标系下，实现线激光传感器(104)测量数据的快速拼接，由此获取零件完整的测量点云数据，进而完成尺寸测量。
具体地，如图4所示，首先，复杂薄壁零件(100)已经装夹在机器人(101)上，位姿调整至垂直于传感器激光发射面，保持整个测量系统处于完全标定的状态。
其次，驱动导轨上的滑块带动线激光传感器(104)水平运动扫描复杂薄壁零件(100)，对采集的数据进行点云分割得到左侧传感器的扫描点云，记为PartL，右侧传感器的扫描点云，记为PartR。
最后，基于变换矩阵
Figure BDA0003089100360000101
变换矩阵
Figure BDA0003089100360000102
计算测量点云PartL、PartR在世界坐标系下的坐标，分别为
Figure BDA0003089100360000103
将点云PartL、PartR统一在世界坐标系下，至此就完成了复杂薄壁零件(100)多视角数据的融合。
综上，本发明为了融合多视角对零件扫描的测量数据，获取复杂薄壁零件(100)的完整点云，需要对整个测量系统进行标定，确定各测量坐标系之间的关系。首先标定导轨在线激光传感器(104)下的运动方向，基于安装架(103)上对称布置的线激光传感器(104)扫描标准球(105)得到的点云数据获取导轨在每个线激光传感器(104)坐标系下的运动方向矢量；其次，标定传感器间位姿关系，基于安装架(103)上对称布置的线激光传感器(104)扫描标定块(106)得到的点云数据分别与标定块(106)三维标准模型进行配准获取坐标系变换矩阵；最后，根据得到的变换矩阵可以将两个线激光传感器(104)的测量坐标系统一至标定块(106)工件坐标系下，实现线激光传感器(104)多视角测量数据的快速拼接，由此获取零件完整的测量点云数据。本发明的适用性较强，且极大地提高了测量效率和质量，适用范围广。
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 (6)

1.一种针对薄壁零件的线激光三维测量系统，其特征在于，包括：
导轨，其上设有滑块；
安装架，固定于所述滑块上；
两个线激光传感器，分别通过紧固件安装在所述安装架的两端；
夹持组件，用于夹持待测零件并将待测零件的位姿调整至垂直于线激光传感器的激光发射面；其中，所述待测零件位于两个线激光传感器之间，
标准球和标定块，用于在正式测量之前对所述线激光三维测量系统进行标定，所述标定块为非标件，包括两个标定面，每个标定面在上、下、左、右方向上都至少设有一个斜面特征用于定位；
所述线激光三维测量系统用于执行以下步骤：
(1)控制所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标准球左、右方向上的原始点云；
(2)对所述原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标准球左、右方向上的测量点云；
(3)对两侧线激光传感器测量坐标系下标准球的测量点云的截面进行圆心坐标提取；
(4)基于所述圆心坐标，拟合导轨在线激光传感器测量坐标系下运动方向的方向向量，采用基变换将两侧线激光传感器测量坐标系正交化，完成导轨相对于两侧线激光传感器运动方向的标定；
(5)所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标定块左、右方向上的原始点云；
(6)对标定块的原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标定块左、右方向上的测量点云；
(7)将标定块左、右方向上的测量点云作为测试模型，与作为参考模型的标定块标准模型进行匹配，设标定块标准模型的工件坐标系为世界坐标系，计算左、右侧线激光传感器测量坐标系到世界坐标系的变换矩阵
Figure FDA0003564848240000021
和变换矩阵
Figure FDA0003564848240000022
(8)基于变换矩阵
Figure FDA0003564848240000023
和变换矩阵
Figure FDA0003564848240000024
将两侧线激光传感器测量坐标系下的待测零件的测量点云PPartL、PPartR变换至世界坐标系下，完成两侧线激光传感器测量数据的融合，进而完成尺寸测量。
2.如权利要求1所述的线激光三维测量系统，其特征在于，所述线激光传感器为单线扫描激光传感器。
3.一种基于权利要求1或2所述的线激光三维测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标准球左、右方向上的原始点云；
(2)对所述原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标准球左、右方向上的测量点云；
(3)对两侧线激光传感器测量坐标系下标准球的测量点云的截面进行圆心坐标提取；
(4)基于所述圆心坐标，拟合导轨在线激光传感器测量坐标系下运动方向的方向向量，采用基变换将两侧线激光传感器测量坐标系正交化，完成导轨相对于两侧线激光传感器运动方向的标定；
(5)所述滑块带动线激光传感器沿导轨运动，扫描测量标定块左、右方向上的原始点云；
(6)对标定块的原始点云执行点云分割，去除非必要特征和噪点，获取标定块左、右方向上的测量点云；
(7)将标定块左、右方向上的测量点云作为测试模型，与作为参考模型的标定块标准模型进行匹配，设标定块标准模型的工件坐标系为世界坐标系，计算左、右侧线激光传感器测量坐标系到世界坐标系的变换矩阵
Figure FDA0003564848240000031
和变换矩阵
Figure FDA0003564848240000032
(8)基于变换矩阵
Figure FDA0003564848240000033
和变换矩阵
Figure FDA0003564848240000034
将两侧线激光传感器测量坐标系下的待测零件的测量点云PPartL、PPartR变换至世界坐标系下，完成两侧线激光传感器测量数据的融合，进而完成尺寸测量。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，采用随机采样一致性及欧氏聚类的方法对标准球和标定块的原始点云执行点云分割。
5.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，步骤(3)中标准球测量点云由多个半圆形点云截面组成，标准球测量点云的截面数量由线激光传感器的触发设置决定，通过最小二乘法拟合计算出标准球测量点云截面的多个圆心。
6.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，步骤(7)中采用ADF算法进行匹配。
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