一种复杂柱状工件的全表面三维测量设备及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维测量技术领域，具体涉及一种复杂柱状工件的全表面三维测量设 备及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着先进制造业自动化生产技术的迅猛发展和产品质量控制体系的不断完善，人 们对加工对象的几何尺寸和形状位置的检测的精度、效率以及自动化程度的要求越来越 高，尤其是零件形状的复杂性以及测量的现场性、实时性都对传统的精密测量技术提出了 新的挑战。在某些特定的场合，如对曲面轮廓、微小尺寸和复杂零件特征等实时在线检测， 成为传统检测方法所面临的难题。
[0003] 利用影像、激光等先进工具进行物理尺寸的测量越来越受到先进制造业的青睐。 当前，基于双目视觉等影像技术的三维物理尺寸测量技术由于标定技术复杂，精度较低等 原因仍然未获得广泛的实际应用。激光三角测距技术已经成熟，其精度能够满足现代精密 制造业的需求，通常其重复精度能够优于0. 〇1_。
[0004] -般通用的测量仪器或者设备通常只能获取被测工件的部分信息，或者只能测量 形状规则的工件。然而，为了产品美观，为了获得装配空间，通常将工件表面形状复杂多样， 且尺寸精度要求较高。柱状工件或者产品是常见的几何形态，针对具有复杂表面特征的柱 状工件的物理尺寸测量需要获取其全部的三维表面信息才能够精确测量工件或者产品的 加工制造水平。
[0005] 迄今为止，未出现能够对柱状工件全三维表面进行高精度测量的设备与仪器。利 用影像技术测量柱状工件的专用测量设备只能获取部分投影信息，且无法满足复杂柱状工 件测量基准不在轴向上的问题。单个线激光位移传感器只能获取部分表面信息，利用工件 旋转的方式获取全表面信息会产生治具精度要求高，测量效率低且测量结果对工件位置敏 感等缺点。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种复杂柱状工件的全表面 三维测量设备及其测量方法，能够获取柱状工件全表面数据，从而能够精确定位分析工艺 制程中发生的问题。
[0007] -种复杂柱状工件的全表面三维测量设备，包括：
[0008] 传感器组件，用于对待测工件进行扫描测量，以获取包含待测工件表面轮廓坐标 信息的数据矩阵；
[0009] 直线模组，用于固定所述的传感器组件并带动传感器组件作直线运动，以对待测 工件进行扫描测量；
[0010] 载物治具，用于承载所述的待测工件；
[0011] 下料传送机构，用于传送待测工件，其包括两组传送带，一组传送合格的工件，另 一组传送不合格的工件；
[0012] 控制器，用于根据传感器组件测量得到的数据矩阵，重建出待测工件的三维模型， 进而计算出待测工件的各种尺寸信息并判断待测工件是否合格；
[0013] 机械爪，受控于所述的控制器，用于抓取待测工件放置于载物治具上，待测量结束 后从载物治具上抓取待测工件，根据控制器的合格判断结果将待测工件放置于合格工件传 送带或不合格工件传送带上。
[0014] 进一步地，所述的传感器组件由三个线激光位移传感器组成，三个线激光位移传 感器处于同一立面且互成120度。
[0015] 进一步地，所述的直线模组由直线电机以及与直线电机连接的座架组成；传感器 组件固定于所述的座架上，所述的直线电机受控于控制器，控制器利用直线电机带动座架 上的传感器组件作直线运动。
[0016] 优选地，所述的载物治具由支撑块、定位块和气缸组成；所述的气缸受控于控制 器，所述的定位块固定于气缸上；放置待测工件之前，控制器控制气缸动作使得定位块上升 与支撑块组成半圆形沟槽便于待测工件稳定放置，当待测工件被稳定放置于支撑块以后， 控制器控制气缸动作使得定位块下降；如此则减少了载物治具遮挡被测工件表面的面积从 而使得传感器获取更多的被测工件表面数据。
[0017] 进一步地，所述的机械爪由单轴机械臂以及安装于单轴机械臂上的夹具组成，所 述的单轴机械臂和夹具均受控于控制器。
[0018] 进一步地，所述的控制器采用加载有运动控制卡的PC计算机；能够控制直线模组 的运行，发出使能、停止命令，机械爪的下料动作以及数据的计算。
[0019] 上述全表面三维测量设备的测量方法，包括如下步骤：
[0020] (1)利用传感器组件对标定块进行扫描测量，根据标定块实际已知的尺寸信息，计 算出传感器组件的标定参数矩阵；
[0021] (2)利用传感器组件对待测工件进行扫描测量，以获取包含待测工件表面轮廓坐 标信息的数据矩阵；
[0022] (3)根据所述的数据矩阵和标定参数矩阵利用控制器重建出待测工件的三维模 型，并使待测工件的三维模型与标准工件的三维模型进行比较，进而通过比较得到的差值 信息，计算出待测工件的各种尺寸信息；
[0023] (4)对于任一指标，将待测工件与标准工件就该指标的尺寸值进行比较，以判断出 待测工件是否合格。
[0024] 所述的步骤（1)中对标定块进行扫描测量以及计算传感器组件标定参数矩阵的 具体过程为：首先，将标定块放置于载物治具上，由控制器驱动直线模组使传感器组件沿标 定块轴向作直线运动，按照控制器设定的运行速度和触发间隔扫描待测工件表面，从而获 取包含标定块表面轮廓坐标信息的数据矩阵；然后，根据标定块实际已知的尺寸信息反算 出传感器组件的标定参数矩阵，以使得传感器组件中各传感器所获得的数据统一到同一坐 标系中。
[0025] 所述的步骤（2)中对待测工件进行扫描测量的具体过程为：首先，利用机械爪将 待测工件放置于载物治具上，由控制器驱动直线模组使传感器组件沿待测工件轴向作直线 运动，按照控制器设定的运行速度和触发间隔扫描待测工件表面，从而获取包含待测工件 表面轮廓坐标信息的数据矩阵。
[0026] 所述的步骤（4)中对于任一指标，由控制器将待测工件与标准工件就该指标的尺 寸值进行比较，若比较结果超出预设的误差范围，则由控制器控制机械爪从载物治具上抓 取待测工件，并将待测工件放置于不合格工件传送带上；若比较结果在预设的误差范围之 内，则将待测工件放置于合格工件传送带上。
[0027] 本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果：
[0028] (1)本发明能够获取柱状工件全表面数据，从而能够精确定位分析工艺制程发生 的问题。
[0029] (2)本发明对工件的摆放姿态和位置不敏感。
[0030] (3)本发明能够灵活设置物理尺寸测量中的参考基准面或基准线，而与用于放置 被测工件治具无关。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明复杂柱状工件全表面三维测量设备的结构示意图。
[0032] 图2为载物治具的结构示意图。
[0033] 图3为标定块的结构示意图。
[0034] 图中：传感器组件-1、直线模组-2、下料机械臂-3、下料皮带线-4、被测工件-5、 载物治具-6、支撑块-7、定位块-8、气缸-9。
【具体实施方式】
[0035] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 进行详细说明。
[0036] 如图1所示，本发明复杂柱状工件的全表面三维测量设备包括：传感器组件1、直 线模组2、载物治具6、下料机械臂3、下料皮带线4、标定块和控制器；其中：
[0037] 传感器组件1由三个线激光位移传感器组成，三个传感器不在同一平面，安装时 保证传感器激光线在被测工件5轴向上的间距在4mm左右，三个传感器之间互成120度角 度安装。
[0038] 直线模组2由直线电机和支架组成，传感器组合固定于直线模组的支架上。
[0039] 载物治具6包括支撑块7、定位块8、气缸9组成用于放置并固定被测工件5,如图 2所