CN114396885A - 基于线阵传感器法的大型曲面重构装置与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置与检测方法。包括机架、同步导轨、线阵传感器夹具、线阵传感器和工控箱；机架架设在被检曲面上，被检曲面两侧的机架上分别安装有一个同步导轨，同步导轨平行于被检曲面轴向布置，两侧的同步导轨之间连接有线阵传感器夹具，线阵传感器夹具上间隔安装有多个线阵传感器，线阵传感器测量方向均向正下朝向被检曲面，各个线阵传感器电连接到工控箱。本发明结构简单，操作方便，可推广应用于大型曲面在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及了一种检测装置和检测方法，尤其是涉及了一种用于大型曲面重构装置与检测方法。
背景技术
随着数字化造船的推进，对大型加工制造过程中的测量能力要求也越来越高。大型曲面作为组成船舶等海工装备的基础零件，具有种类多，尺寸复杂的特点，现阶段船舶企业主要使用木制、金属制的样板、样条、样箱作为模具进行检测，这种方法有两个问题，一是针对每个曲面加工需要制作一套检测模板，加工材料成本与时间成本较大，二是利用样板、样条、样箱检测无法得到数字化的检测结果，很难为进一步的补充加工提供数字化的指导。这两个原因导致船舶加工中曲面加工进度偏慢，很难推进船舶快速、精准数字化加工。
发明内容
为了解决现有大型曲面加工过程数字化程度不高，自动化程度低，测量模具浪费等技术问题，本发明提供了基于线阵传感器法的大型曲面重构装置与检测方法。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置：
包括机架、同步导轨、线阵传感器夹具、线阵传感器和工控箱；机架架设在被检曲面上，被检曲面两侧的机架上分别安装有一个同步导轨，同步导轨平行于被检曲面轴向布置，两侧的同步导轨之间连接有线阵传感器夹具，线阵传感器夹具上间隔安装有多个线阵传感器，线阵传感器测量方向均向正下朝向被检曲面，各个线阵传感器电连接到工控箱。
所述的线阵传感器夹具上安装电机，电机经传动结构带动线阵传感器夹具两端同步沿同步导轨移动。
所述的线阵传感器夹具采用一根水平布置的横梁，横梁上间隔固定安装多个线阵传感器。
所述的被检曲面为类圆弧形内凹曲面。
还包括电路拖链，电路拖链安装在其中一侧同步导轨下方的机架上，线阵传感器信号线连接到电路拖链上，电路拖链再电连接到工控箱。
还包括线阵传感器保护外壳，线阵传感器夹具和各个线阵传感器被包裹安装在线阵传感器保护外壳之内。
所述的工控箱位于机架侧旁。
所述的工控箱连接到外部的上位机。
二、一种大型曲面重构检测方法：
通过电机驱动带动线阵传感器夹具及其上的各个线阵传感器沿同步导轨水平移动进行线性扫描，获得沿同步导轨的传感器扫描路径上测量的被检曲面表面所在点的三维坐标值，从而测量获得被检曲面的空间三维点云数据；包含了线阵传感器与运动信息的三维坐标。
然后根据空间三维点云数据，通过ICP自由曲面特征匹配，获得曲面点云数据与预先的数字模型的匹配结果，利用测量的坐标与曲面数据所在点位的距离偏差，获得曲面加工的误差，可以为下一步测量加工提供数字化加工反馈。
线阵传感器在沿线阵传感器夹具方向上的位置和线阵传感器夹具在沿同步导轨方向上的位置形成二维坐标系，加上利用线阵传感器探头获得的数据作为Z坐标，从而获得被测曲面和线阵传感器的三维坐标系。
每个线阵传感器测量获得自身到被检曲面表面的距离作为Z方向坐标，根据线阵传感器在沿线阵传感器夹具方向上的位置作为X方向坐标，根据线阵传感器夹具在沿同步导轨方向上的位置作为Y方向坐标，构建XYZ三维坐标系，从而获得线阵传感器正下方所测量的被检曲面表面所在点的三维坐标。
通过同步导轨，线阵传感器夹具的移动根据测量密度控制，根据要求设置测量间隔，线阵传感器在线阵传感器夹具横梁上均匀分布。线阵传感器在导轨横梁上分布密度决定了检测曲面点云密度。
具体实施还可以利用激光跟踪仪或三维扫描仪，测量同一被检曲面，匹配激光跟踪仪或三维扫描仪的测量方法和本发明方法的两种测量方法的点云结果，获得线阵传感器法所获得重构曲面的测量误差。
本发明装置利电机驱动线阵传感器对大型曲面表面凸起高度进行检测。线阵传感器直线方向定间隔分布在被测曲面上，传感器分布在同步导轨中间横梁上，随同步导轨在上方运动，驱动线阵传感器直线运动，传感器根据同步导轨运动间隔采集传感器下方曲面所在点高度信息，从而获取扫描曲面高度信息。
根据线阵传感器间隔与同步导轨运动间隔及传感器获取的曲面高度信息，得到被测曲面在各个测量点的三维坐标。通过坐标点云数据与数模数据在匹配软件中特征配置获取曲面与数字模型之间的误差。
本发明的有益效果是：
本发明基于结构光视觉点激光传感器高精度测距能力与自动扫描控制系统，保障了装置的高效与高精度；传感器可根据曲面起伏进行选型，相比可调样板装置可应对更大起伏曲面；装置匹配测量的数字化结果可直观体现设计模型与加工曲面的误差，可进一步加工完善提供了数字化的加工反馈。
附图说明
图1为本发明的曲面测量装置结构图。
图2是线阵传感器结构图。
图3是实施例的点云网格重构实施示意图。
图4是实施例的误差对比情况示意图。
图中：1、机架、2、线阵传感器保护外壳、3、同步导轨、4、被检曲面、5、工控箱、6、电路拖链、7、线阵传感器夹具、8、线阵传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施的装置包括机架1、同步导轨3、线阵传感器夹具7、线阵传感器8和工控箱5；机架1架设在被检曲面4上，被检曲面4两侧的机架1上分别安装有一个同步导轨3，同步导轨3平行于被检曲面4轴向布置，两侧的同步导轨3之间连接有线阵传感器夹具7，如图2所示，线阵传感器夹具7上间隔安装有多个线阵传感器8，线阵传感器8通过线阵传感器夹具7分布在同步导轨3横横梁上，线阵传感器8外设有线阵传感器保护外壳，线阵传感器8测量方向均向正下朝向被检曲面4，同于测量被检曲面在垂直方向高度，装置利用电机驱动线阵传感器对大型曲面表面凸起高度进行检测。各个线阵传感器8电连接到工控箱5。
线阵传感器夹具7上安装电机，线阵传感器夹具7在同步导轨3上的移动由电机驱动，电机经传动结构带动线阵传感器夹具7两端同步沿同步导轨3移动。具体的传动结构可以为传送带或者皮带等结构。
线阵传感器夹具7采用一根水平布置的横梁，横梁沿垂直被检曲面4轴向方向布置，横梁上间隔固定安装多个线阵传感器8。线阵传感器类型可根据被检曲面最大起伏高度进行选型。
还包括电路拖链6，电路拖链6安装在其中一侧同步导轨3下方的机架1上，线阵传感器8信号线连接到电路拖链6上，电路拖链6再电连接到工控箱5。
还包括线阵传感器保护外壳2，线阵传感器夹具7和各个线阵传感器8被包裹安装在线阵传感器保护外壳2之内。
工控箱5位于机架1侧旁，工控箱5连接到外部的上位机。
同步导轨3根据曲面测量要求，在导轨方向等间隔运动，线阵传感器8在同步导轨3横梁上均匀分布，线阵传感器8通过微调机构，保障其测量方向垂直向下。
本发明的具体实施过程情况如下：
线阵传感器通过夹具固定在同步导轨横梁上，工控箱中PLC控制同步导轨，使得线阵传感器在机架上运动，线阵传感器测距方向垂直向下，机架为长方体结构，机架一侧可放入被检曲面4，使得被检曲面4放置在线阵传感器所能扫描到的区域，线阵传感器对准机架下的被检曲面4，测量被检曲面4在Z轴垂直向上的高度值，利用运动导轨、横梁、线阵传感器测量方向，建立笛卡尔坐标系。
样品放置到位后，启动同步导轨，根据曲面扫描密度，设置导轨运动间隔，导轨运动到各个测量位置，PLC采集线阵传感器各路信号值，并与横向传感器分布数据与导轨运动位移数据，形成被检曲面4表面上各个测量点的XYZ坐标值，通过导轨运动，采集整个被检曲面4表面的测量点坐标值，形成空间三维点云数据。
点云数据导入到特征匹配上位机软件，进行点云网格面片重构，形成图3结果。通过导入曲面设计模型，与曲面设计模型进行匹配。通过坐标转换关系，将曲面测量点云数据变换到标准模型坐标系下，完成预匹配；采用ICP算法实现两个坐标系间的最佳匹配，完成曲面测量点云数据与标准曲面点云数据精确匹配，通过计算各个匹配坐标点的偏差，获取所扫描被检曲面4与设计模型的标准曲面之间的误差，得到误差对比图4。
通过线阵传感器测量与曲面点云数据重构，与传统的木制、金属制样板、样箱对比，可有效测量曲面点云信息，数字化的与数字模型或高精度测量手段对比，测量精度达到毫米级，满足大型曲面制造过程的计量测试需求。
Claims (10)
1.一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：包括机架(1)、同步导轨(3)、线阵传感器夹具(7)、线阵传感器(8)和工控箱(5)；机架(1)架设在被检曲面(4)上，被检曲面(4)两侧的机架(1)上分别安装有一个同步导轨(3)，同步导轨(3)平行于被检曲面(4)轴向布置，两侧的同步导轨(3)之间连接有线阵传感器夹具(7)，线阵传感器夹具(7)上间隔安装有多个线阵传感器(8)，线阵传感器(8)测量方向均向正下朝向被检曲面(4)，各个线阵传感器(8)电连接到工控箱(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：所述的线阵传感器夹具(7)上安装电机，电机经传动结构带动线阵传感器夹具(7)两端同步沿同步导轨(3)移动。
3.根据权利要求1所述的一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：所述的线阵传感器夹具(7)采用一根水平布置的横梁，横梁上间隔固定安装多个线阵传感器(8)。
4.根据权利要求1所述的一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：所述的被检曲面(4)为类圆弧形内凹曲面。
5.根据权利要求1所述的一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：还包括电路拖链(6)，电路拖链(6)安装在其中一侧同步导轨(3)下方的机架(1)上，线阵传感器(8)信号线连接到电路拖链(6)上，电路拖链(6)再电连接到工控箱(5)。
6.根据权利要求1所述的一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：还包括线阵传感器保护外壳(2)，线阵传感器夹具(7)和各个线阵传感器(8)被包裹安装在线阵传感器保护外壳(2)之内。
7.根据权利要求1所述的一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：所述的工控箱(5)位于机架(1)侧旁。
8.根据权利要求1所述的一种基于线阵传感器法的大型曲面重构装置，其特征在于：所述的工控箱(5)连接到外部的上位机。
9.应用于权利要求1所述大型曲面重构装置的一种大型曲面重构检测方法，其特征在于：方法通过电机驱动带动线阵传感器夹具(7)及其上的各个线阵传感器(8)沿同步导轨(3)水平移动进行线性扫描，获得沿同步导轨(3)上测量的被检曲面(4)表面所在点的三维坐标值，从而测量获得被检曲面(4)的空间三维点云数据；然后根据空间三维点云数据，通过ICP自由曲面特征匹配，获得曲面点云数据与数字模型的匹配结果，利用测量的坐标与曲面数据所在点位的距离偏差，获得曲面加工的误差。
10.根据权利要求9所述的一种大型曲面重构检测方法，其特征在于：
每个线阵传感器(8)测量获得自身到被检曲面(4)表面的距离作为Z方向坐标，根据线阵传感器(8)在沿线阵传感器夹具(7)方向上的位置作为X方向坐标，根据线阵传感器夹具(7)在沿同步导轨(3)方向上的位置作为Y方向坐标，从而获得线阵传感器(8)正下方所测量的被检曲面(4)表面所在点的三维坐标。
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