CN113706454A - 一种基于配准的工件偏移检测的方法及喷涂装置 - Google Patents

一种基于配准的工件偏移检测的方法及喷涂装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于配准的工件偏移检测的方法及喷涂设备，该基于配准的工件偏移检测的方法包括以下步骤：1)获取工件的正位模板点云；2)通过摄像装置获取工件的局部结构的点云，形成目标点云；3)将所述目标点云与所述正位模板点云进行配准，从而得到当前工件的偏移量；该基于配准的工件偏移检测的方法用于喷涂设备能够提高喷涂效果，避免喷涂过程中出现撞枪的问题。

Description

一种基于配准的工件偏移检测的方法及喷涂装置
技术领域
本发明涉及喷涂设备领域，特别涉及一种基于配准的工件偏移检测的方法及喷涂装置。
背景技术
静电粉末喷涂生产线上，利用自动化编程的方法对悬挂在链条上的工件进行扫描喷涂。编程是基于工件在正常姿态下进行的，但是在上挂链条时，以及喷粉的前序诸多生产环节(如抛丸)处理后，其位置可能发生偏移和旋转。现有的解决方案中，没有对工件偏移做到有效检测，偏移工件与喷枪嘴之间的距离会发生变化，导致喷涂效果下降，甚至碰撞喷枪的情况也可能发生，对生产的安全和效率带来挑战。
目前市面上智能喷涂的检测手段主要是平面激光扫描，可以在切割平面内逐线扫描工件的凹凸位置，并依此自动调整喷枪的进深，其不足是对于上下开口的凹槽以及部分遮挡的结构，激光扫描效果受限，无法掌控全局状态，另外激光扫描仪的成本高昂。粉房前的光栅，主要用来检测是否有工件通过，辅助记录工件通过时链条的位置等信息，它可以读到工件的高和宽，尚未见到成套的算法从其高宽信息中拟合出工件的偏移和姿态。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够预防喷涂过程中碰抢、且能提高喷涂效果的工件偏移检测的方法及喷涂装置。
本发明实施例提供一种基于配准的工件偏移检测的方法，包括以下步骤：
1)获取工件的正位模板点云；
2)通过摄像装置获取工件的局部结构的点云，形成目标点云；
3)将所述目标点云与所述正位模板点云进行配准，从而得到当前工件的偏移量。
作为上述实施例的进一步优选，获取工件的正位模板点云，包括如下步骤：
保存目标工件的模板点云；
将工件正位放置，并固定所述摄像装置的位置，通过所述摄像装置获取工件的局部结构的点云，形成正位点云；
将所述正位点云和所述模板点云进行姿态配准拟合计算，并矫正模板点云的方位，形成正位模板点云。
作为上述实施例的进一步优选，所述模板点云通过对工件3D模型进行均匀采样而得到；进行步骤13)之前，先对所述正位模板点云进行切割得到局部正位模板点云，所述局部正位模板点云与所述目标点云进行姿态配准拟合计算。
作为上述实施例的进一步优选，步骤13)中，矫正模板云方位使用Fast PointFeature Histograms特征描述子，采用先粗配准SAC_IA，后精配准ICP的方法对所述正位点云和所述模板点云进行姿态配准拟合计算。
作为上述实施例的进一步优选，所述工件的局部结构至少包含多个结构特征。
作为上述实施例的进一步优选，所述摄像装置为结构光深度相机，所述摄像装置距离所述工件的局部结构的距离为0.5-2m，所述工件的局部结构位于所述摄像设备的点云捕捉空间内。
作为上述实施例的进一步优选，所述点云捕捉空间为一球体空间，所述球体空间位于所述摄像设备的视野范围内，所述球体空间的半径为0.05-0.5m。
本发明还提供一种喷涂装置，包括链条传输机构、光栅、摄像装置、喷枪和控制机构，所述喷枪为位于所述链条传输机构的一侧，所述光栅位于所述喷枪的上游；工件进入所述光栅后，通过上述任一项所述的工件偏移检测的方法检测工件的偏移量。
作为上述实施例的进一步优选，当所述偏移量小于阈值时，所述控制机构根据所述偏移量对所述喷枪的运动控制程序进行修正，从而使所述喷枪与工件之间的距离及角度在预设范围内；
该喷涂装置还包括报警机构，当所述偏移量超出所述阈值时；则所述报警机构发出报警，或者，所述链条传输机构停止运行。
作为上述实施例的进一步优选，所述控制装置包括编码器，当挂置在所述链条上的工件进入光栅区域时，所述编码器记录所述工件的位置，当所述工件移动预设距离后，所述摄像装置对工件进行拍照。
本发明使用摄像装置对工件的局部进行3D点云捕捉，充分利用工件的刚体特性，通过配准算法，在局部计算出工件的偏移以及姿态，再还原出工件的全局位置，结合该工件相应的喷枪运动控制程序，进行智能修正，保证喷涂效果以及喷枪安全；该方法捕捉工件的表面点云，因此上下开口凹槽以及部分遮挡的结构不会影响其正常工作。
附图说明
通过附图中所示的本发明优选实施例更具体说明，本发明上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本的主旨。
图1为现有技术的喷涂装置的结构示意图；
图2为微波炉内胆3D模型通过采样算法得到的正位模板点云图；
图3为图2中的正位模板点云图进行平面分割的平面示意图；
图4和图5为分割后的局部正位模板点云。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明所属的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例提供一种基于配准的工件偏移检测的方法，包括以下步骤：
1)获取工件的正位模板点云；将工件放置在喷涂工位，并将其放在合适的位置、合适的方向，然后通过摄像设备或者扫描设备获取该位置的工件的点云，即为正位模板点云，需要说明的是，正位模板点云还可以通过其他方式获得，只要获得的点云的形状和方位符合上述条件即可。
2)通过摄像装置获取工件的局部结构的点云，形成目标点云；目标点云是指待检测工件的点云，待检测工件在进入喷涂设备之前通过摄像装置获取待检测工件的目标点云。实际生产中，如果工件体积较大，或者结构比较复杂，很难通过摄像装置抓取工件的完整点云，因此，抓取工件的局部结构的点云更方便实施。摄像装置可以为结构光深度相机、TOF深度相机、双目相机、激光雷达等。
3)将所述目标点云与所述正位模板点云进行配准，从而得到当前工件的偏移量。
作为上述实施例的进一步优选，获取工件的正位模板点云，包括如下步骤：
保存目标工件的模板点云；
将工件正位放置，并固定所述摄像装置的位置，通过所述摄像装置获取工件的局部结构的点云，形成正位点云；
将所述正位点云和所述模板点云进行姿态配准拟合计算，并矫正模板点云的方位，形成正位模板点云。当工件偏移时，摄像装置的空间球体将得到另外一个区域的点云，点云特征可能因遮挡而不全，或者完全变成另外一组特征元素，因此无法直接将捕捉到的目标点云和正位模板点云进行配准，因此，该算法需要目标点云和正位模板点云先进行姿态配准拟合计算。
作为上述实施例的进一步优选，模板点云通过在工件3D模型表面进行均匀采样得到，工件的3D模型一般在生产前通过3D软件建模形成，工件的生产是根据该模型进行生产。进行步骤13)之前，先对所述正位模板点云进行切割得到局部正位模板点云，所述局部正位模板点云与所述目标点云进行姿态配准拟合计算。局部正位模板点云为包括有与目标点云相同的部分，使用局部正位模板点云进行姿态配准拟合计算可以简化计算，快速进行配准。
作为上述实施例的进一步优选，步骤13)中，矫正模板点云方位使用Fast PointFeature Histograms特征描述子，采用先粗配准SAC_IA，后精配准ICP的方法对所述正位点云和所述模板点云进行姿态配准拟合计算。矫正模板云方位还可以使用SAC_PRJ、NDT等方法。
作为上述实施例的进一步优选，所述工件的局部结构至少包含多个结构特征。需要说明的是，一个结构特征是指连续的弧面或者平面或者斜面或者曲面等，本发明中的局部结构至少包含多个结构特征是指包含两个或者两个以上不同结构的面。在进行捕捉球体的选择，应尽量选取工件特征比较丰富的点，不能选取纯粹的平面、球面或者圆柱表面等简单对称结构，可以更好的进行姿态配准拟合计算。
作为上述实施例的进一步优选，所述摄像装置为结构光深度相机，所述摄像装置距离所述工件的局部结构的距离为0.5-2m，所述工件的局部结构位于所述摄像设备的点云捕捉空间内。进一步地，所述摄像装置距离所述工件的局部结构的距离为0.8-1.2m，需要说明的是，该距离是指摄像装置距离工件的局部结构的表面的最近距离。具体地，摄像装置距离所述工件的局部结构的距离为0.9m或者1m。
作为上述实施例的进一步优选，所述点云捕捉空间为一球体空间，所述球体空间位于所述摄像设备的视野范围内，所述球体空间的半径为0.05-0.5m，进一步地，球体空间的半径为0.1-0.3m，优选0.15m。在其他实施例中，点云捕捉空间也可以是方形或者椭圆形，甚至不规则的形状。具体地，球体空间的选择，应尽量选取工件特征比较丰富的点，不能选取纯粹的平面、球面或者圆柱表面等简单对称结构。球心的相机坐标Z不能超过1.2m，否则无法得到足够致密的点云，后续配准计算会出现问题。完成选择后，进行捕捉，正位点云捕捉完成。
如图1所示，本发明还提供一种喷涂装置，包括链条传输机构1、光栅2、摄像装置3、喷枪4和控制机构，所述喷枪4为位于所述链条传输机构1的一侧，所述光栅2位于所述喷枪4的上游；工件进入所述光栅2后，通过上述任一项所述的工件偏移检测的方法检测工件的偏移量。
作为上述实施例的进一步优选，当所述偏移量小于阈值时，所述控制机构根据所述偏移量对所述喷枪4的运动控制程序进行修正，从而使所述喷枪4与工件之间的距离及角度在预设范围内。
该喷涂装置还包括报警机构，当所述偏移量超出所述阈值时；则所述报警机构发出报警，或者，所述链条传输机构1停止运行。
作为上述实施例的进一步优选，所述控制装置包括编码器，当挂置在所述链条上的工件进入光栅2区域时，所述编码器记录所述工件的位置，当所述工件移动预设距离后，所述摄像装置3对工件进行拍照。
参考图2-5，在本实施例中，该工件(微波炉内胆)偏移检测方法用于检测待进入喷涂工位的工件的偏移量，选用结构光深度相机在距离工件0.9m(0.8m-1m都可以)时进行检测，该距离下的结构光相机测量精度良好；本实施例中采用球心半径法捕捉工件的点云信息。
获取工件偏移量的方法包括以下步骤：
正位点云捕捉
首先，将工件正确悬挂，并使工件保持适合用于喷涂的空间姿态，开动链条传输机构1使工件经过喷枪4前的光栅2，记录其进入光栅2时链条的编码器位置(作为后续拍照的触发器)，取摄像装置3视野范围内选一个点作为球心，结合工件种类定制其相应的半径，本实施例中半径选择150mm，作为点云捕捉的球体空间。
模板矫正：
本实施例选用Fast Point Feature Histograms快速点特征直方图(FPFH)特征描述子，采用先粗配准--SAC_IA(SAmple Consensus Initial Alignment)后精配准--ICP(Iterative Closest Point)的方法对两组点云进行姿态配准拟合计算。
基于上述问题，本发明利用工件3D模型，通过采样算法生成工件的完整点云图。通过配准计算，将完整点云旋转平移到工件正位捕捉点云上，另存为模板。
由于FPFH的SAC_IA算法得到结果的时间随点数增加而增加，为了取得计算时间和偏移检测范围的平衡，本实施例将工件点云进行分割，把球体空间包含区域附近的点云通过平面分割的方式分割出来。
检测阶段：
检测阶段，利用光栅2信号以及链条传输机构1位置信号的组合来生成点云捕捉的触发信号，仍然用正位捕捉球体捕捉点云，将结果与校正后的模板进行粗配-精配，即可得到当前工件的偏移量。
由于模板是经过人工分割得到的，可以根据现场特点，制定可以接受的点云涵盖范围，以获得检测时间和检测范围的最优平衡点。
当偏移的程度在预设范围内，则SAC_IA和ICP的配准损失值在阈值以下(体素网格大小为5mm时，损失值的典型可接受阈值为0.00002)，说明工件偏移没有超过测量限制，配准结果可信，可以进一步根据该偏移量对喷枪的运动控制程序进行修正，保证喷枪与工件的距离和角度保持在科学的范围内。
通过控制机构计算出各个喷枪前端的最大进深量，与矫正后的工件完整点云进行干涉检查，若存在干涉，则发出碰撞报警，避免工件和喷枪受损。
当工件发生比较大偏移超过设计范围时，配准计算的损失值大于阈值，则直接发出工件偏移报警，不进行喷枪位置的修正。
本发明充分利用工件刚性，从整体3D模型出发，分割到局部进行偏移计算，配准结果移植回整体点云，能够减少工件偏移导致的喷涂效果显著下降，以及预防碰枪风险。
本发明使用摄像装置3对工件的局部进行3D点云捕捉，充分利用工件的刚体特性，通过配准算法，在局部计算出工件的偏移以及姿态，再还原出工件的全局位置，结合该工件相应的喷枪4运动控制程序，进行智能修正，保证喷涂效果以及喷枪4安全；该方法捕捉工件的表面点云，因此上下开口凹槽以及部分遮挡的结构不会影响其正常工作。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于配准的工件偏移检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取工件的正位模板点云；
2)通过摄像装置获取工件的局部结构的点云，形成目标点云；
3)将所述目标点云与所述正位模板点云进行配准，从而得到当前工件的偏移量。
2.如权利要求1所述的基于配准的工件偏移检测的方法，其特征在于，获取工件的正位模板点云，包括如下步骤：
11)保存目标工件的模板点云；
12)将工件正位放置，并固定所述摄像装置的位置，通过所述摄像装置获取工件的局部结构的点云，形成正位点云；
13)将所述正位点云和所述模板点云进行姿态配准拟合计算，并矫正模板点云的方位，形成正位模板点云。
3.如权利要求2所述的基于配准的工件偏移检测的方法，其特征在于，所述模板点云通过对工件3D模型进行均匀采样而得到；进行步骤13)之前，先对所述正位模板点云进行切割得到局部正位模板点云，所述局部正位模板点云与所述目标点云进行姿态配准拟合计算。
4.如权利要求2所述的基于配准的工件偏移检测的方法，其特征在于，步骤13)中，矫正模板云方位使用Fast Point Feature Histograms特征描述子，采用先粗配准SAC_IA，后精配准ICP的方法对所述正位点云和所述模板点云进行姿态配准拟合计算。
5.如权利要求1所述的基于配准的工件偏移检测的方法，其特征在于，所述工件的局部结构至少包含多个结构特征。
6.如权利要求5所述的基于配准的工件偏移检测的方法，其特征在于，所述摄像装置为结构光深度相机，所述摄像装置距离所述工件的局部结构的距离为0.5-2m，所述工件的局部结构位于所述摄像设备的点云捕捉空间内。
7.如权利要求6所述的基于配准的工件偏移检测的方法，其特征在于，所述点云捕捉空间为一球体空间，所述球体空间位于所述摄像设备的视野范围内，所述球体空间的半径为0.05-0.5m。
8.一种喷涂装置，其特征在于，包括链条传输机构、光栅、摄像装置、喷枪和控制机构，所述喷枪为位于所述链条传输机构的一侧，所述光栅位于所述喷枪的上游；工件进入所述光栅后，通过上述权利要求1-7任一项所述的工件偏移检测的方法检测工件的偏移量。
9.如权利要求8所述的喷涂装置，其特征在于，当所述偏移量小于阈值时，所述控制机构根据所述偏移量对所述喷枪的运动控制程序进行修正，从而使所述喷枪与工件之间的距离及角度在预设范围内；
该喷涂装置还包括报警机构，当所述偏移量超出所述阈值时；则所述报警机构发出报警，或者，所述链条传输机构停止运行。
10.如权利要求1所述的喷涂装置，其特征在于，所述控制装置包括编码器，当挂置在所述链条上的工件进入光栅区域时，所述编码器记录所述工件的位置，当所述工件移动预设距离后，所述摄像装置对工件进行拍照。
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