结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统及方法，系统结合了工业机器人柔性高，以及线性导轨直线运动精度高的特点，创新性的构建了一套高性能的运动执行机构；通过非接触式的三维机器视觉(线激光)完成零件实际物理信息的获取，线激光由光编码器触发，保证得到高质量的数据点云，然后通过全局坐标系完成高精度的点云的拼接，再通过与理论数模的配准和比对，最终实现零件关键尺寸的全自动化测量，并能直接输出下一道次加工的坐标系。本发明专利技术具有高效高精度、高柔性、数字化、智能化等特点，能够自动高效地完成多种不同零件的扫描测量；还能够解决桶形零件壁厚测量和加工、铸件二次划线等痛点问题，有效提高零件的生成质量。

Linear laser scanning measuring system and method combining industrial robot and linear guide rail

The present invention provides a combination of industrial robot and linear guide line laser scanning measurement system and method, system combines the industrial robot, and the characteristics of high precision linear guide linear motion, innovative to construct a high performance actuator; through the non-contact 3D machine vision (laser line to obtain complete parts) the actual physical information of the line laser triggered by optical encoder, ensure the high quality data point cloud, and then through the global coordinate system to achieve precision point cloud registration, registration and then compared with the theoretical model, finally realizes the automatic measurement of parts of key dimensions, and can directly output the next processing coordinate system. The invention has the advantages of high efficiency and high precision, high flexibility, digital, intelligent, automatic and efficient completion of various parts of the scanning measurement; can also solve the barrel wall thickness measurement and machining, casting the two lines of pain points, effectively improve the production quality of the parts.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器视觉测量领域，具体地，涉及一种结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统及方法。
技术介绍
随着对现代工业的发展，产品质量的要求越来越高，对机械类产品来说，制造的尺寸精度是其核心的质量衡量指标。因此，各制造企业都对测量系统提出了更高的要求。近些年来智能制造需求在国内快速推广，工业机器人、机器视觉，以及各种智能化的系统进入了现代测量领域，为产品提供了生产在线的尺寸测量，有效保证了产品的质量，满足了企业的测量需求。在这个新兴的测量领域中，基于工业机器人的三维视觉测量系统成为了发展重点，该系统充分利用了工业机器人柔性好、自动化程度高、易于集成使用和维护等特点，同时采用非接触式的三维视觉传感器来实现物理数据的获取，并通过图形算法来分析处理，是一个典型的智能化的测量产品，代表了未来测量系统发展的趋势。但同时我们知道，工业机器人从机械结构来说是一个悬臂梁结构，从控制角度来看是非闭环的控制，属于典型的非正交坐标，而且其臂长、反馈角和基准点等参数受到长期磨损、环境温度和振动等因素的影响，无法建立一套稳定的、高精度的运动学模型，这也是一个国际性的难题。对于这类测量系统来说，三维视觉坐标系下的测量数据正是需要通过机器人运动学模型转换到工件坐标系下，可想而知，工业机器人的运动学模型的损失是该系统最主要的误差来源。针对现有机器人视觉测量系统的测量精度难于提升，无法满足高精度测量需求的现状，本专利技术提出了一种结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，用于零件的高精度尺寸测量。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统及方法。根据本专利技术提供的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，主要构成包括：底座、主运动执行机构、运动机构、线激光传感器以及工控机；所述底座用于完成不同产品的装夹以及标定；所述线激光传感器安装在运动机构上，所述运动机构与主运动执行机构相连；所述主运动执行机构根据工控机调整位姿后带动线激光传感器到达工件待检测位置，由所述线激光传感器完成对待测工件的扫描，并将扫描结果反馈给工控机进行图形图像处理，并输出计算结果。优选地，所述底座采用通用化的柔性设计，包括：底板和压紧装置；所述压紧装置能够将工件固定在底板上，完成粗定位；所述底板上设置有标记点，所述标定点能够完成点云的拼接；高精度标定过的标定点可完成点云的高精度拼接。优选地，所述主运动执行机构为工业机器人，包括机器人本体、机器人控制柜、机器人示教器；所述机器人本体用于将线激光传感器到达工件待检测位置；所述机器人控制柜用于实现对机器人本体的伺服控制并将机器人本体位姿数据传输给工控机；所述机器人示教器用于对机器人本体进行编程调试。优选地，所述运动机构为线性导轨，所述线性导轨安装在机器人本体的末端，具体地：在机器人本体运动过程中，线激光传感器不采集数据，待机器人本体到达测量位置并静止后，由线性导轨上的光栅尺触发线激光器进行扫描，完成点云获取。优选地，所述线激光传感器采用主动式的结构光原理，测量精度能够达到0.02mm，重复性精度达到0.001mm，采样频率达到1000Hz。优选地，所述工控机根据设定的检查计划控制机器人本体运动到待检测工件位置，并对线激光传感器采集被测工件表面的三维数据及灰度图像数据进行处理和分析后得到检测结果，所述检测结果包括：工件的厚度分布、关键尺寸信息、后续的加工坐标等。优选地，还包括安全围栏，所述安全围栏用于限制主运动执行机构的运动范围。根据本专利技术提供的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量方法，包括如下步骤：步骤1：构建结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，输入待测工件的内外直径、长度数据；步骤2：根据待测工件的直径、长度生成机器人的运行轨迹；步骤3：控制机器人根据设定的运行轨迹到达待检测工件位置，由线激光传感器完成对工件的扫描测量；步骤4：根据扫描测量采集到的工件数据计算出指定测量数据，以及工件加工坐标。优选地，所述步骤1中的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统包括：底座、主运动执行机构、运动机构、线激光传感器以及工控机；所述底座用于完成不同产品的装夹以及标定；所述线激光传感器安装在运动机构上，所述运动机构与主运动执行机构相连；所述主运动执行机构根据工控机调整位姿后带动线激光传感器到达工件待检测位置，由所述线激光传感器完成对待测工件的扫描测量并将扫描测量结果反馈给工控机进行处理。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术与现有传统的检测方案相比，其效果是积极和明显的。系统具有高精度、高效率、高柔性、数字化、智能化等特点，能够完成多种不同零件的自动化测量。同时，系统能输出后续加工的坐标系，不但显著的提高了生产效率，而且能够有效提高产品的生产质量，解决桶形零件壁厚测量和加工、铸件二次划线等痛点问题。2、本专利技术采用了立体三维视觉技术，替代了传统的人工测量和接触式测量，有效提高了测量效率和精度。同时系统开发了基于上位机的机器人控制系统，不但探索了机器人离线控制的方法，而且极大提高了测量系统的柔性，能够适应不同产品的测量，并采用了全局标定的方法消除了机器人精度损失对测量结果的影响。3、本专利技术的系统正在进一步与信息化系统集成，系统获取的高精度点云包含了大量生产信息，将成为企业CAQ的重要组成部分，可方便实现产品的可追溯性，是分析质量问题的来源，是全面质量管理的必要工具。同时，本专利技术至的系统也可作为MES系统的生产现场传感器，通过质量数据的统计和分析，为生产决策提供数据支撑。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术提供的激光扫描测量系统的整体运行结构示意图；图2为柔性通用底座示意图；图3为线性导轨的结构示意图；图4为点云拼接示意图；图5为点云测量结果示意图；图6为模型匹配流程示意图；图7为本专利技术提供的激光扫描测量方法的流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术为了保证系统的柔性，仍然采用工业机器人作为运动执行机构。同时，为了提高测量精度，采用线性导轨驱动线激光扫描的方式完成点云数据的获取，在线激光扫描程中机器人保持姿态不变，点云之间的拼接利用全局参考标记点来完成，或者用图形算法来实现相邻点云的拼接，最后再利用配准算法来实现CAD数模与点云数据比对测量，或直接实现相对值的测量。通过上述系统的开发，没有导入机器人的运动学模型，无须完成空间坐标的转换，从而完全消除了来自于机器人的误差损失，极大提高了测量系统的精度。首先，对产品内外型腔进行全面扫描，获得实际的点云数据后，再通过基于局部几何特征的曲面识别配准等图形图像算法，将单片点云进行拼接，并与CAD数模行进行最优匹配，从而计算出变换矩阵，并将变换矩阵坐标关系通过定位系统传递到下一步加工工序中，同时可输出产品的壁厚，为下一工序提供加工的依据。另外，通过对产品理论数模与点云数据的直接比对，全面分析产品本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，其特征在于，主要构成包括：底座、主运动执行机构、运动机构、线激光传感器以及工控机；所述底座用于完成不同产品的装夹以及标定；所述线激光传感器安装在运动机构上，所述运动机构与主运动执行机构相连；所述主运动执行机构根据工控机调整位姿后带动线激光传感器到达工件待检测位置，由所述线激光传感器完成对待测工件的扫描，并将扫描结果反馈给工控机进行图形图像处理，并输出计算结果。

【技术特征摘要】
1.一种结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，其特征在于，主要构成包括：底座、主运动执行机构、运动机构、线激光传感器以及工控机；所述底座用于完成不同产品的装夹以及标定；所述线激光传感器安装在运动机构上，所述运动机构与主运动执行机构相连；所述主运动执行机构根据工控机调整位姿后带动线激光传感器到达工件待检测位置，由所述线激光传感器完成对待测工件的扫描，并将扫描结果反馈给工控机进行图形图像处理，并输出计算结果。2.根据权利要求1所述的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，其特征在于，所述底座采用柔性材料，包括：底板和压紧装置；所述压紧装置能够将工件固定在底板上，完成粗定位；所述底板上设置有标记点，所述标定点能够完成点云的拼接。3.根据权利要求1所述的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，其特征在于，所述主运动执行机构为工业机器人，包括机器人本体、机器人控制柜、机器人示教器；所述机器人本体用于将线激光传感器到达工件待检测位置；所述机器人控制柜用于实现对机器人本体的伺服控制并将机器人本体位姿数据传输给工控机；所述机器人示教器用于对机器人本体进行编程调试。4.根据权利要求3所述的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，其特征在于，所述运动机构为线性导轨，所述线性导轨安装在机器人本体的末端，具体地：在机器人本体运动过程中，线激光传感器不采集数据，待机器人本体到达测量位置并静止后，由线性导轨上的光栅尺触发线激光器进行扫描，完成点云获取。5.根据权利要求1至4中任一项所述的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量系统，其特征在于，所述线激光传感器采用主动式的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨长祺，王桃章，王浩田，李中权，张小龙，金永乔，郭国强，张旭亮，王小冬，张敏，
申请(专利权)人：上海航天精密机械研究所，苏州北硕检测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31