筒状工件内外型面激光扫描系统及方法与流程

本发明涉及检测工程领域，具体地，涉及一种筒状工件内外型面激光扫描测量系统及方法，尤其是设计一种用于工业机器人和线激光的闭环检测算法改进的筒状工件内外型面激光扫描测量系统及方法。

背景技术：

线激光位移传感器以其小尺寸、高频率，高精度，环境适应性强等优点，作为高精度测量在各行业应用十分广泛。工业机器人有着可编程、可重组性强、通用性好、柔性高、易保养、成本低等优点，应用日益广泛。筒状工件尤其针对小尺寸筒状工件的检测，由于内腔狭小且复杂，三坐标等仪器难以伸入内腔进行检测，传统卡钳式逐点检测效率低，无法实现准确位置的尺寸检测。

专利文献cn106370106a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。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。有效地结合了机器人高柔性、适应性广与线激光器高精度、小尺寸的特点，解决了复杂构件内外点云采集的关键问题。但针对高度较高的筒状工件检测，由于仅采用底座进行拼接，底座标记点覆盖高度与工件高度比例超过一定值时，会出现面片数据之间错位现象，如图2所示，为底座标记点覆盖高度与工件高度比例1:2时，出现的点云面片错位，发生错位的面片拼接结果可能导致逆向模型不准确，降低尺寸检测精度。经试验，上述专利文献实施中，当底座标记点覆盖高度与工件高度比例大于1:1时，可获得比较好的拼接精度，如图3所示。以直线导轨行程1200mm计，为保证点云采集精度，工件高度不得超过600mm，降低了系统尺寸适应性。若工件高度超过1200mm，为保证采集精度，上述专利文献理论上直线导轨行程将超过2400mm，浪费了50％的直线导轨行程，效率也将降低50％，且为保证直线导轨刚度，将加大直线模组截面尺寸，重量将大大增加，对机器人负载提出了更严格的要求，直线导轨以及工业机器人成本都将大幅增加。

鉴于以上，有必要研究一种方法，通过辅助手段，提高直线导轨行程利用率以及点云数据采集效率，降低系统购置成本，同时保证工件检测精度。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种筒状工件内外型面激光扫描测量系统及方法。

根据本发明提供的一种筒状工件内外型面激光扫描测量系统，主要构成包括：拼接底座、辅助拼接装置、主运动执行机构、运动机构、线激光传感器以及工控机；

所述拼接底座能够固定筒状工件；所述辅助拼接装置为环筒状结构，从筒状工件的内腔中伸出；

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筒状工件待检测位置，由所述线激光传感器完成对筒状工件的多次扫描，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，所述辅助拼接装置的内腔与外壁按设定密度不规则地贴有标记点。

优选地，在扫描筒状工件前能够将标记点的坐标值进行采集，并将所述坐标值作为拼接底座标记点的全局初始值并记录。

优选地，所述主运动执行机构是多自由度工业机器人。

优选地，所述运动机构为直线模组，能够得到点云数据采集，所述直线模组带光栅等闭环反馈，能够实现高精度直线运动。

优选地，所述工控机根据设定要求，对线激光传感器采集筒状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点云采集结果。

根据本发明提供的一种筒状工件内外型面激光扫描测量方法，包括如下步骤：

步骤1：采集拼接底座标记点的坐标值，建立全局坐标系，将所述坐标值作为拼接底座标记点的初始值，记为理论底座坐标值；

步骤2：将筒状工件置于拼接底座上，将辅助拼接装置置于筒状工件上；

步骤3：运行激光扫描，主运动执行机构带动运动机构，采集筒状工件中第一面片的点云数据，所述点云数据包含拼接底座和辅助拼接装置；

步骤5：识别第一面片的点云数据中的拼接底座的标记点，记为第一拼接底座标记点；

步骤6：将第一拼接底座标记点与理论底座坐标值进行拼接，得到第一面片点云数据；

步骤7：运行激光扫描，主运动执行机构带动运动机构，采集筒状工件第二面片的点云数据；

步骤8：识别第二面片的点云数据中的拼接底座的标记点，记为第二拼接底座标记点；

步骤9：将第二拼接底座标记点与理论底座坐标值进行拼接，得到第二面片点云数据；

步骤10：计算第一面片点云数据与第二面片点云数据中拼接底座标记点与辅助拼接装置标记点的距离值，将所述距离值小于或者等于设定阈值的标记点设置为第一面片和第二面片共有的标记点，并分别记录第一面片点云数据和第二面片点云数据中共有数据的坐标值；

步骤11：运行激光扫描，主运动执行机构带动运动机构，采集筒状工件的第三面片的点云数据；

步骤12：识别第三面片的点云数据中的拼接底座的标记点，记为第三拼接底座标记点；

步骤13：将第三拼接底座标记点与理论底座坐标值进行拼接，得到第三面片点云数据；

步骤14：计算第二面片点云数据与第三面片点云数据中拼接底座标记点与辅助拼接装置标记点的距离值，将所述距离值小于或者等于设定阈值的标记点设置为第二面片和第三面片共有的标记点，并分别记录第二面片点云数据和第三面片点云数据中共有数据的坐标值；

步骤15：待筒状工件的内外面片点云数据均完成采集并与理论底座坐标值匹配拼接后，得到初始逆向模型；

步骤16：将所有共有标记点利用闭环检测进行优化，使得形成闭环状点云数据后，对各面片数据进行精调，得到新逆向模型；

步骤17：将新逆向模型中拼接底座点云与辅助拼接装置点云删除，得到优化后的筒状工件逆向模型。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将辅助拼接装置放置在筒状工件上固定，通过辅助拼接装置标记点与拼接底座标记点共同作用，实现筒状工件上端与下端同时约束，提高检测精度；

2、辅助拼接装置的应用可大大降低拼接底座标记点覆盖高度，使得直线模组的行程利用率大大提高，在同一检测高度情况下，降低了对模组的行程要求；

3、模组行程要求的降低，使得直线模组长度变低，模组自身成本降低；同时模组重量降低，对工业机器人的负载能力要求也降低，可再次降低系统机器人的成本。

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，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为发生错位的点云面片数据拼接结果；

图3为正常的面片点云数据拼接结果；

图4为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的目的在于克服目前结合机器人、直线模组、线激光的扫描系统行程利用率不足，成本偏高，效率偏低等一系列问题，提供一种利用辅助拼接装置与闭环检测算法对该系统进行优化，提高筒状工件点云数据采集效率及精度，降低系统成本。

根据本发明提供的一种筒状工件内外型面激光扫描测量系统，主要构成包括：拼接底座、辅助拼接装置、主运动执行机构、运动机构、线激光传感器以及工控机；

所述拼接底座能够固定筒状工件；所述辅助拼接装置为环筒状结构，从筒状工件的内腔中伸出；

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筒状工件待检测位置，由所述线激光传感器完成对筒状工件的多次扫描，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。

具体地，所述辅助拼接装置的内腔与外壁按设定密度不规则地贴有标记点。

具体地，在扫描筒状工件前能够将标记点的坐标值进行采集，并将所述坐标值作为拼接底座标记点的全局初始值并记录。

具体地，所述主运动执行机构是多自由度工业机器人。

具体地，所述运动机构为直线模组，能够得到点云数据采集，所述直线模组带光栅等闭环反馈，能够实现高精度直线运动。

具体地，所述工控机根据设定要求，对线激光传感器采集筒状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点云采集结果。

根据本发明提供的一种筒状工件内外型面激光扫描测量方法，包括如下步骤：

步骤1：采集拼接底座标记点的坐标值，建立全局坐标系，将所述坐标值作为拼接底座标记点的初始值，记为理论底座坐标值；

步骤2：将筒状工件置于拼接底座上，将辅助拼接装置置于筒状工件上；

步骤3：运行激光扫描，主运动执行机构带动运动机构，采集筒状工件中第一面片的点云数据，所述点云数据包含拼接底座和辅助拼接装置；

步骤5：识别第一面片的点云数据中的拼接底座的标记点，记为第一拼接底座标记点；

步骤6：将第一拼接底座标记点与理论底座坐标值进行拼接，得到第一面片点云数据；

步骤7：运行激光扫描，主运动执行机构带动运动机构，采集筒状工件第二面片的点云数据；

步骤8：识别第二面片的点云数据中的拼接底座的标记点，记为第二拼接底座标记点；

步骤9：将第二拼接底座标记点与理论底座坐标值进行拼接，得到第二面片点云数据；

步骤10：计算第一面片点云数据与第二面片点云数据中拼接底座标记点与辅助拼接装置标记点的距离值，将所述距离值小于或者等于设定阈值的标记点设置为第一面片和第二面片共有的标记点，并分别记录第一面片点云数据和第二面片点云数据中共有数据的坐标值；

步骤11：运行激光扫描，主运动执行机构带动运动机构，采集筒状工件的第三面片的点云数据；

步骤12：识别第三面片的点云数据中的拼接底座的标记点，记为第三拼接底座标记点；

步骤13：将第三拼接底座标记点与理论底座坐标值进行拼接，得到第三面片点云数据；

步骤14：计算第二面片点云数据与第三面片点云数据中拼接底座标记点与辅助拼接装置标记点的距离值，将所述距离值小于或者等于设定阈值的标记点设置为第二面片和第三面片共有的标记点，并分别记录第二面片点云数据和第三面片点云数据中共有数据的坐标值；

步骤15：待筒状工件的内外面片点云数据均完成采集并与理论底座坐标值匹配拼接后，得到初始逆向模型；

步骤16：将所有共有标记点利用闭环检测进行优化，使得形成闭环状点云数据后，对各面片数据进行精调，得到新逆向模型；

步骤17：将新逆向模型中拼接底座点云与辅助拼接装置点云删除，得到优化后的筒状工件逆向模型。

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的阐述。

如图4所示，工业机器人1六轴法兰端面固定安装高精度直线模组2，直线模组2上有高精度运行的线激光器3，底座4固定在地面上，其上可安装有拼接底座5，筒状工件6放置于拼接底座5上，辅助拼接装置7放置于筒状工件6上。拼接底座5与辅助拼接装置7的内腔以及外壁均贴有标记点。所述底座用于筒状工件固定；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筒状工件的逐次扫描，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。辅助拼接装置为与筒状工件类似的环状，其内腔与外壁按设定密度不规则地贴有标记点，且在扫描筒状工件前可用摄影测量等手段将标记点坐标值进行高精度采集，并将该坐标值作为拼接底座标记点的全局初始值并记录。主运动执行机构可为多自由度工业机器人。运动机构为直线模组，为得到高精度的点云数据采集，该直线模组带光栅等闭环反馈，能够实现高精度直线运动。所述工控机根据设定的要求，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点云采集结果。

如图1所示，具体测量流程如下：

步骤1：运行激光扫描系统，工业机器人1带动直线模组2，采集筒状工件面片1点云数据，该点云数据包含拼接底座5以及辅助拼接装置7；

步骤2：识别面片1点云数据中的拼接底座5的标记点；

步骤3：将识别为面片1拼接底座的标记点与理论底座标记点进行拼接；

步骤4：运行机器人与直线模组，采集筒状工件面片2点云数据；

步骤5：识别面片2点云数据中的拼接底座的标记点；

步骤6：将识别为面片2拼接底座的标记点与理论底座标记点进行拼接；

步骤7：计算拼接后面片点云数据1与面片点云数据2中拼接底座标记点与辅助拼接装置标记点的距离值，将距离值≤设定阈值的标记点设置为面片1和面片2共有的标记点，并分别记录面片点云数据1和面片点云数据2中共有数据的坐标值；

步骤8：运行主运动机构与直线模组，采集筒状工件面片3点云数据；

步骤9：识别面片3点云数据中的固定底座的标记点；

步骤10：将识别为面片3固定底座的标记点与理论底座标记点进行拼接；

步骤11：计算拼接后面片点云数据2与面片点云数据3中拼接底座标记点与辅助拼接装置标记点的距离值，将距离值≤设定阈值的标记点设置为面片2和面片3共有的标记点，并分别记录面片点云数据2和面片点云数据3中共有数据的坐标值；

步骤12:待内外面片点云数据均完成采集并与理论底座标记点匹配拼接后，得到初始逆向模型；

步骤13：将所有共有标记点利用闭环检测算法进行优化，使得形成闭环状点云数据后，对各面片数据进行精调，得到新的逆向模型；

步骤14：将逆向模型中拼接底座点云与辅助拼接装置点云删除，即为优化后的筒状工件逆向模型。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。