CN113628210B - 基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统 - Google Patents

基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统 Download PDF

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CN113628210B CN202111081502.8A CN202111081502A CN113628210B CN 113628210 B CN113628210 B CN 113628210B CN 202111081502 A CN202111081502 A CN 202111081502A CN 113628210 B CN113628210 B CN 113628210B
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Abstract

本发明公开了基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统，涉及激光测量技术领域，其技术方案要点是：将高精度漫反射陶瓷标准球放置在转台上，采用线激光对标准球进行光条扫描，得到转轴的方向向量和旋转中心点；对复杂异构产品的底部曲面区域进行平移扫描以及角球面、内曲面待测区域进行旋转扫描后得到对应的光条数据，并依据得到的转轴进行笛卡尔直角坐标转换后得到复杂异构产品的三维点云数据；将三维点云数据按区域分割后分别得到角球面点云、内曲面点云、底部曲面点云；计算空腔高度、角球面吻合度、角球面斜向圆跳动和内曲面斜向圆跳动。本发明具有更高的测量效率、测量一致性和准确性，实现了装配参数的高精度、高效测量。

Description

基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，更具体地说，它涉及基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统。
背景技术
某复杂异构产品如图1所示，其装配有支角底座和顶盖，称为支角部件，支角部件由多个角球面、内曲面、底部曲面等构成。在产品装配完成后，对主要装配参数如支角球面斜向圆跳动、指定直径处内曲面斜向圆跳动，以及角球面形成的下半球面与底部曲面极值构成的空腔深度、与角球面形成的球面吻合度间隙等进行高精度检测，以判定产品装配质量是否满足要求。由于异构产品属于薄壁类零件，在加工、装配过程中存在一定变形，且角球面过小、不连续，在应用高精度三坐标测量机进行取点拟合测量时，也难以准确定位角球面形成的球心的准确位置。因此，如何研究设计一种基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有复杂异构产品装配完成后的参数检测中，存在的角球面球心无法高精度、接触测量等问题，本发明的目的是提供基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统，具有非接触、高效、高精度和测量一致性优等特点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，该复杂异构产品为装配有支角底座和顶盖的支角部件，检测方法包括以下步骤：
将高精度漫反射陶瓷标准球放置在转台上，采用线激光对标准球进行光条扫描，得到转轴的方向向量和旋转中心点；
对复杂异构产品的底部曲面区域进行平移扫描以及角球面、内曲面待测区域进行旋转扫描后得到对应的光条数据，并依据得到的转轴进行笛卡尔直角坐标转换后得到复杂异构产品的三维点云数据；
将三维点云数据按区域分割后分别得到角球面点云、内曲面点云、底部曲面点云；
根据已知球面半径和角球面点云分析得到定位球心，并依据定位球心和底部曲面点云计算得到空腔高度，以及根据未贴合的角球面点到定位球心最小距离的最大值计算得到角球面吻合度；
根据角球面点云、基准球面点云、角球面指定直径和角球面法向夹角计算得到角球面斜向圆跳动，并根据内曲面点云、内曲面指定直径和内曲面法向夹角计算得到内曲面斜向圆跳动。
进一步的，所述转轴的方向向量和旋转中心点计算过程具体为：
对标准球上的每根光条进行最小二乘椭圆拟合，得到对应的初始圆心位置；
对初始圆心位置再次进行最小二乘椭圆拟合，得到的最终圆心位置作为旋转中心点；
对初始圆心位置进行最小二乘空间平面拟合，得到的平面法向量作为转轴的方向向量。
进一步的，所述角球面点云和内曲面点云进行滤波处理后用于后续计算。
进一步的，所述定位球心的分析获得过程为：
根据已知的球面半径SR的条件建立基准球面点云，并与角球面点云以ICP迭代最近点匹配方法进行点云匹配，得到初始球心；
再由初始球心到各角球面的最小距离点的knn邻域均值，迭代计算得到定位球心。
进一步的，所述定位球心的分析获得过程具体为：
在待匹配的角球面点云和基准球点云中，依据预设约束条件以对应待匹配的角球面点云中的点qi找到基准球点云中的最邻近点pi，计算出最优匹配参数R和t使得误差函数最小；
计算各角球面到待求解球心的最小距离点，以knn邻域均值表示最小距离点的坐标并计算到待求解球心的距离，再以最小距离的三点的knn邻域均值对待求解球心进行调整，使最小距离点到待求解球心的距离均为球面半径SR；
以当前球心Oi与上次球心Oi-1的欧氏距离作为收敛条件，迭代计算直至满足收敛条件|Qi-Qi-1|≤ε，ε为常数，则该球心位置作为定位球心。
进一步的，所述空腔深度的计算公式具体为：
H＝ce-pz-SR
其中，H表示空腔深度；ce表示定位球心的z轴坐标值；pz表示深腔顶点的z轴坐标值，深腔顶点为对深腔点云取z轴向极值点；SR表示已知的球面半径。
进一步的，所述角球面吻合度的计算公式具体为：
W＝max(Δ4,Δ5,…Δm)-SR
其中，W表示角球面吻合度；Δ4,Δ5,…Δm分别表示不同未贴合角球面点到定位球心的最小距离；SR表示已知的球面半径。
进一步的，所述角球面斜向圆跳动的计算过程具体为：
根据角球面指定直径DJ计算基准球面点云QB到转轴L的距离||QB,L||，选择满足条件|||QB,L||-DJ/2|≤η的基准球半径阈值点Q，η为常数；
根据预设角球面法向夹角α遍历计算基准球半径阈值点Q与旋转轴线的对应交点OJ；
遍历计算基准球半径阈值点Q与对应交点OJ的距离QOJ，角球面斜向圆跳动计算公式为：
Figure BDA0003264155450000031
其中，CJ表示角球面斜向圆跳动；
Figure BDA0003264155450000032
表示第i个基准球半径阈值点Qi与对应转轴交点/>
Figure BDA0003264155450000033
的距离；/>
Figure BDA0003264155450000034
表示QOJ所有距离中的最大值；/>
Figure BDA0003264155450000035
表示QOJ所有距离中的最小值。
进一步的，所述内曲面斜向圆跳动的计算过程具体为：
根据内曲面指定直径DN计算内曲面点云QN到转轴L的距离||QN,L||，选择满足条件|||QN,L||-DN/2|≤ω的内曲面半径阈值点M，ω常数；
根据预设内曲面法向夹角β遍历计算内曲面半径阈值点M与旋转轴线的对应交点On；
遍历计算内曲面半径阈值点M与对应交点On的距离MOn，内曲面斜向圆跳动的计算公式为：
Figure BDA0003264155450000036
其中，CN表示内曲面斜向圆跳动；
Figure BDA0003264155450000037
表示第i个内曲面半径阈值点Mi与对应转轴交点/>
Figure BDA0003264155450000038
的距离；/>
Figure BDA0003264155450000039
表示MOn所有距离中的最大值；/>
Figure BDA00032641554500000310
表示MOn所有距离中的最小值。
第二方面，提供了基于线激光的复杂异构产品装配参数检测系统，该复杂异构产品为装配有支角底座和顶盖的支角部件，包括：
扫描模块，用于将高精度漫反射陶瓷标准球放置在转台上，采用线激光对标准球进行光条扫描，得到转轴的方向向量和旋转中心点；
数据转换模块，用于对复杂异构产品的底部曲面区域进行平移扫描以及角球面、内曲面待测区域进行旋转扫描后得到对应的光条数据，并依据得到的转轴进行笛卡尔直角坐标转换后得到复杂异构产品的三维点云数据；
数据分割模块，用于将三维点云数据按区域分割后分别得到角球面点云、内曲面点云、底部曲面点云；
第一计算模块，用于根据已知球面半径和角球面点云分析得到定位球心，并依据定位球心和底部曲面点云计算得到空腔高度，以及根据未贴合的角球面点到定位球心最小距离的最大值计算得到角球面吻合度；
第二计算模块，用于根据角球面点云、基准球面点云、角球面指定直径和角球面法向夹角计算得到角球面斜向圆跳动，并根据内曲面点云、内曲面指定直径和内曲面法向夹角计算得到内曲面斜向圆跳动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明借助高精度线激光轮廓传感器，提出了一种基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法及系统，通过扫描产品表面获取点云信息，对点云进行数据处理、算法计算，从而得到全局参数，具有更高的测量效率、测量一致性和准确性，实现了装配参数的高精度、高效测量，对推进高效测量、数字化测量、智能测量等具有重要意义，在自动化装配、智能装配等行业具有重要应用价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中异构产品的示意图；
图2是本发明实施例中的装配参数计算流程图；
图3是本发明实施例中三维点云扫描及坐标系转换的示意图，a为角球面和内曲面光条点云，b光条坐标系转换，c为深腔底部点云，d为点云拼接；
图4是本发明实施例中装配参数计算的示意图，a为角球面点云配准，b为空腔深度，c为角球面斜向圆跳动阈值点，d为内曲面斜向圆跳动阈值点；
图5是本发明实施例中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，如图1和图2所示，该复杂异构产品为装配有支角底座和顶盖的支角部件。
一、基于单标准球的转轴标定
将高精度漫反射陶瓷标准球放置在转台上，采用线激光对标准球进行光条扫描，得到转轴的方向向量和旋转中心点。
转轴的方向向量和旋转中心点计算过程具体为：
S101：对标准球上的每根光条进行最小二乘椭圆拟合，得到对应的初始圆心位置。
S102：对初始圆心位置再次进行最小二乘椭圆拟合，得到的最终圆心位置作为旋转中心点K(kx,ky,kz)。
S103：对初始圆心位置进行最小二乘空间平面拟合，得到的平面法向量作为转轴的方向向量
Figure BDA0003264155450000051
二、产品三维点云扫描及分割
S201：对复杂异构产品的底部曲面区域进行平移扫描以及角球面、内曲面待测区域进行旋转扫描后得到对应的光条数据，并依据得到的转轴进行笛卡尔直角坐标转换后得到复杂异构产品的三维点云数据。如图3所示。
S202：为降低数据计算量、提高计算效率，将三维点云数据按区域分割后分别得到角球面点云QJ、内曲面点云QN、底部曲面点云QH。
S203：对分割后的点云进行滤波，降低无效点、噪声点对后续计算精度的影响。
三、基于点云匹配的角球面球心位置计算
根据已知的球面半径SR的条件建立基准球面点云，并与角球面点云QJ以ICP(Iterative Closest Point)迭代最近点匹配方法进行点云匹配，得到初始球心O1；再由初始球心O1到各角球面的最小距离点的knn邻域均值，迭代计算得到定位球心。如图4所示。
定位球心的分析获得过程具体为：
S301：在待匹配的角球面点云QJ和基准球点云QB中，依据预设约束条件以对应待匹配的角球面点云中的点qi找到基准球点云中的最邻近点pi，计算出最优匹配参数R和t使得误差函数最小。
误差函数的计算公式如下：
Figure BDA0003264155450000052
其中，n表示点云中点的数量。
S302：计算各角球面到待求解球心的最小距离点，以knn邻域均值表示最小距离点的坐标并计算到待求解球心的距离，再以最小距离的三点的knn邻域均值对待求解球心进行调整，使最小距离点到待求解球心的距离均为球面半径SR。
设待解球心为O(a,b,c)，对应角球面的最小距离点为S1(x1,y1,z1),S2(x2,y2,z2),S3(x3,y3,z3)。
其knn邻域均值为
Figure BDA0003264155450000061
则满足条件
Figure BDA0003264155450000062
即/>
Figure BDA0003264155450000063
从而得到待解球心位置。
S303：以当前球心Oi与上次球心Oi-1的欧氏距离|Oi-Oi-1|＜ε作为收敛条件，ε为常数，迭代计算直至满足收敛条件，则该球心位置作为定位球心Oe(ae,be,ce)。
四、空腔深度计算
空腔深度的计算公式具体为：
H＝ce-pz-SR
其中，H表示空腔深度；ce表示定位球心的z轴坐标值；pz表示深腔顶点P(px,py,pz)的z轴坐标值，深腔顶点为对深腔点云取z轴向极值点；SR表示已知的球面半径。
五、角球面吻合度间隙计算
角球面吻合度的计算公式具体为：
W＝max(Δ4,Δ5,…Δm)-SR
其中，W表示角球面吻合度；Δ4,Δ5,…Δm分别表示不同未贴合角球面点到定位球心的最小距离；SR表示已知的球面半径。
六、角球面斜向圆跳动计算
角球面斜向圆跳动的计算过程具体为：
S601：根据角球面指定直径DJ计算基准球面点云QB到转轴L的距离||QB,L||，选择满足条件|||QB,L||-DJ/2|≤η的基准球半径阈值点Q，η为常数；
S602：根据预设角球面法向夹角α遍历计算基准球半径阈值点Q与旋转轴线的对应交点OJ；
S603：遍历计算基准球半径阈值点Q与对应交点OJ的距离QOJ，角球面斜向圆跳动计算公式为：
Figure BDA0003264155450000071
其中，CJ表示角球面斜向圆跳动；
Figure BDA0003264155450000072
表示第i个基准球半径阈值点Qi与对应转轴交点/>
Figure BDA0003264155450000073
的距离；/>
Figure BDA0003264155450000074
表示QOJ所有距离中的最大值；/>
Figure BDA0003264155450000075
表示QOJ所有距离中的最小值。
七、内曲面斜向圆跳动计算
内曲面斜向圆跳动的计算过程具体为：
S701：根据内曲面指定直径DN计算内曲面点云QN到转轴L的距离||QN,L||，选择满足条件|||QN,L||-DN/2|≤ω的内曲面半径阈值点M，ω常数；
S702：根据预设内曲面法向夹角β遍历计算内曲面半径阈值点M与旋转轴线的对应交点On；
S703：遍历计算内曲面半径阈值点M与对应交点On的距离MOn，内曲面斜向圆跳动的计算公式为：
Figure BDA0003264155450000076
其中，CN表示内曲面斜向圆跳动；
Figure BDA0003264155450000077
表示第i个内曲面半径阈值点Mi与对应转轴交点/>
Figure BDA0003264155450000078
的距离；/>
Figure BDA0003264155450000079
表示MOn所有距离中的最大值；/>
Figure BDA00032641554500000710
表示MOn所有距离中的最小值。
实施例2：基于线激光的复杂异构产品装配参数检测系统，如图1与图5所示，该复杂异构产品为装配有支角底座和顶盖的支角部件，包括扫描模块、数据转换模块、数据分割模块、第一计算模块、第二计算模块。
扫描模块，用于将高精度漫反射陶瓷标准球放置在转台上，采用线激光对标准球进行光条扫描，得到转轴的方向向量和旋转中心点。数据转换模块，用于对复杂异构产品的底部曲面区域进行平移扫描以及角球面、内曲面待测区域进行旋转扫描后得到对应的光条数据，并依据得到的转轴进行笛卡尔直角坐标转换后得到复杂异构产品的三维点云数据。数据分割模块，用于将三维点云数据按区域分割后分别得到角球面点云、内曲面点云、底部曲面点云。第一计算模块，用于根据已知球面半径和角球面点云分析得到定位球心，并依据定位球心和底部曲面点云计算得到空腔高度，以及根据未贴合的角球面点到定位球心最小距离的最大值计算得到角球面吻合度。第二计算模块，用于根据角球面点云、基准球面点云、角球面指定直径和角球面法向夹角计算得到角球面斜向圆跳动，并根据内曲面点云、内曲面指定直径和内曲面法向夹角计算得到内曲面斜向圆跳动。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，其特征是，该复杂异构产品为装配有支角底座和顶盖的支角部件，检测方法包括以下步骤：
将高精度漫反射陶瓷标准球放置在转台上，采用线激光对标准球进行光条扫描，得到转轴的方向向量和旋转中心点；
对复杂异构产品的底部曲面区域进行平移扫描以及角球面、内曲面待测区域进行旋转扫描后得到对应的光条数据，并依据得到的转轴进行笛卡尔直角坐标转换后得到复杂异构产品的三维点云数据；
将三维点云数据按区域分割后分别得到角球面点云、内曲面点云、底部曲面点云；
根据已知球面半径和角球面点云分析得到定位球心，并依据定位球心和底部曲面点云计算得到空腔深度，以及根据未贴合的角球面点到定位球心最小距离的最大值计算得到角球面吻合度；
根据角球面点云、基准球面点云、角球面指定直径和角球面法向夹角计算得到角球面斜向圆跳动，并根据内曲面点云、内曲面指定直径和内曲面法向夹角计算得到内曲面斜向圆跳动；
所述定位球心的分析获得过程为：
根据已知的球面半径SR的条件建立基准球面点云，并与角球面点云以ICP迭代最近点匹配方法进行点云匹配，得到初始球心；
再由初始球心到各角球面的最小距离点的knn邻域均值，迭代计算得到定位球心；
所述定位球心的分析获得过程具体为：
在待匹配的角球面点云和基准球点云中，依据预设约束条件以对应待匹配的角球面点云中的点qi找到基准球点云中的最邻近点pi，计算出最优匹配参数R和t使得误差函数最小；
计算各角球面到待求解球心的最小距离点，以knn邻域均值表示最小距离点的坐标并计算到待求解球心的距离，再以最小距离的三点的knn邻域均值对待求解球心进行调整，使最小距离点到待求解球心的距离均为球面半径SR；
以当前球心Oi与上次球心Oi-1的欧氏距离作为收敛条件，迭代计算直至满足收敛条件|Qi-Qi-1|≤ε，ε为常数，则该球心位置作为定位球心。
2.根据权利要求1所述的基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，其特征是，所述转轴的方向向量和旋转中心点计算过程具体为：
对标准球上的每根光条进行最小二乘椭圆拟合，得到对应的初始圆心位置；
对初始圆心位置再次进行最小二乘椭圆拟合，得到的最终圆心位置作为旋转中心点；
对初始圆心位置进行最小二乘空间平面拟合，得到的平面法向量作为转轴的方向向量。
3.根据权利要求1所述的基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，其特征是，所述角球面点云和内曲面点云进行滤波处理后用于后续计算。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，其特征是，所述空腔深度的计算公式具体为：
H＝ce-pz-SR
其中，H表示空腔深度；ce表示定位球心的z轴坐标值；pz表示深腔顶点的z轴坐标值，深腔顶点为对深腔点云取z轴向极值点；SR表示已知的球面半径。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，其特征是，所述角球面吻合度的计算公式具体为：
W＝max(Δ4,Δ5,…Δm)-SR
其中，W表示角球面吻合度；Δ4,Δ5,…Δm分别表示不同未贴合角球面点到定位球心的最小距离；SR表示已知的球面半径。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，其特征是，所述角球面斜向圆跳动的计算过程具体为：
根据角球面指定直径DJ计算基准球面点云QB到转轴L的距离||QB,L||，选择满足条件|||QB,L||-DJ/2|≤η的基准球半径阈值点Q，η为常数；
根据预设角球面法向夹角α遍历计算基准球半径阈值点Q与旋转轴线的对应交点OJ；
遍历计算基准球半径阈值点Q与对应交点OJ的距离QOJ，角球面斜向圆跳动计算公式为：
Figure FDA0004146249090000021
其中，CJ表示角球面斜向圆跳动；
Figure FDA0004146249090000022
表示第i个基准球半径阈值点Qi与对应转轴交点
Figure FDA0004146249090000023
的距离；/>
Figure FDA0004146249090000024
表示QOJ所有距离中的最大值；/>
Figure FDA0004146249090000025
表示QOJ所有距离中的最小值。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的基于线激光的复杂异构产品装配参数检测方法，其特征是，所述内曲面斜向圆跳动的计算过程具体为：
根据内曲面指定直径DN计算内曲面点云QN到转轴L的距离||QN,L||，选择满足条件|||QN,L||-DN/2|≤ω的内曲面半径阈值点M，ω常数；
根据预设内曲面法向夹角β遍历计算内曲面半径阈值点M与旋转轴线的对应交点On；
遍历计算内曲面半径阈值点M与对应交点On的距离MOn，内曲面斜向圆跳动的计算公式为：
Figure FDA0004146249090000031
其中，CN表示内曲面斜向圆跳动；
Figure FDA0004146249090000032
表示第i个内曲面半径阈值点Mi与对应转轴交点
Figure FDA0004146249090000033
的距离；/>
Figure FDA0004146249090000034
表示MOn所有距离中的最大值；/>
Figure FDA0004146249090000035
表示MOn所有距离中的最小值。
8.基于线激光的复杂异构产品装配参数检测系统，其特征是，该复杂异构产品为装配有支角底座和顶盖的支角部件，包括：
扫描模块，用于将高精度漫反射陶瓷标准球放置在转台上，采用线激光对标准球进行光条扫描，得到转轴的方向向量和旋转中心点；
数据转换模块，用于对复杂异构产品的底部曲面区域进行平移扫描以及角球面、内曲面待测区域进行旋转扫描后得到对应的光条数据，并依据得到的转轴进行笛卡尔直角坐标转换后得到复杂异构产品的三维点云数据；
数据分割模块，用于将三维点云数据按区域分割后分别得到角球面点云、内曲面点云、底部曲面点云；
第一计算模块，用于根据已知球面半径和角球面点云分析得到定位球心，并依据定位球心和底部曲面点云计算得到空腔深度，以及根据未贴合的角球面点到定位球心最小距离的最大值计算得到角球面吻合度；
第二计算模块，用于根据角球面点云、基准球面点云、角球面指定直径和角球面法向夹角计算得到角球面斜向圆跳动，并根据内曲面点云、内曲面指定直径和内曲面法向夹角计算得到内曲面斜向圆跳动；
所述定位球心的分析获得过程为：
根据已知的球面半径SR的条件建立基准球面点云，并与角球面点云以ICP迭代最近点匹配方法进行点云匹配，得到初始球心；
再由初始球心到各角球面的最小距离点的knn邻域均值，迭代计算得到定位球心；
所述定位球心的分析获得过程具体为：
在待匹配的角球面点云和基准球点云中，依据预设约束条件以对应待匹配的角球面点云中的点qi找到基准球点云中的最邻近点pi，计算出最优匹配参数R和t使得误差函数最小；
计算各角球面到待求解球心的最小距离点，以knn邻域均值表示最小距离点的坐标并计算到待求解球心的距离，再以最小距离的三点的knn邻域均值对待求解球心进行调整，使最小距离点到待求解球心的距离均为球面半径SR；
以当前球心Oi与上次球心Oi-1的欧氏距离作为收敛条件，迭代计算直至满足收敛条件|Qi-Qi-1|≤ε，ε为常数，则该球心位置作为定位球心。
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